生物質炭服務農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的機制和潛力研究進展
2023-02-24 07:40:08李曉娜張睿含張倩影崔芷茁李婉婧田靜雯王震宇
環(huán)境科學研究 2023年2期
李曉娜，張睿含，張倩影，崔芷茁，李婉婧，田靜雯，宋 洋，王震宇*
1.江南大學環(huán)境與土木工程學院，綠色低碳技術與可持續(xù)發(fā)展研究中心，江蘇 無錫 214122
2.江南大學，生物質能源與減排技術江蘇省工程實驗室，江蘇 無錫 214122
3.中國科學院南京土壤研究所，中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室，江蘇 南京 210008
當前，人類旺盛的生產需求和資源過度開采使用導致環(huán)境污染、氣候變暖、生態(tài)系統(tǒng)惡化等嚴峻問題.“碳中和”是指調節(jié)碳的排放量和吸收量相同，實現CO2的凈排放歸零[1].服務“碳中和”是世界各國和地區(qū)應對全球氣候變化的重要舉措之一.在“碳中和”戰(zhàn)略的踐行進程中，開發(fā)可再生資源、清潔生產、增加碳封存和減少CO2排放等形式的低碳措施至關重要[2].
農田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體排放的主要場所，政府氣候變化專門委員會(IPCC)報告指出，提高農田土壤固碳水平可減少89%的農田溫室氣體排放潛力.生物質炭還田技術是促進農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的重要切入點，這可歸功于炭化減排、地上促生和地下增碳的三管齊下(見圖1).植物年均固碳量高達2 200×108t，這些碳在生物質老化廢棄過程中自然分解回到大氣中，會增加“碳中和”負擔.大宗農田廢棄植物生物質面廣量大，而中國作為農業(yè)大國，由此產生的環(huán)境負擔尤為嚴重.據農業(yè)農村部統(tǒng)計，我國每年農業(yè)秸稈產量高達9×108t (http://www.kjs.moa.gov.cn/hbny/201904/t20190418_6185503.htm).生物質炭以農業(yè)廢棄生物質為原料，將其在低于700 ℃的高溫和厭氧環(huán)境下裂解炭化[3].生物質炭起源于亞馬遜流域黑土，具有多孔級孔隙結構、穩(wěn)定的芳香性結構、比表面積大、表面官能團豐富、富碳富養(yǎng)分等特征.將農業(yè)廢棄植物源生物質熱解炭化為生物質炭，既能減少自然分解過程中的碳排放，又可以得到經濟環(huán)保材料[3].這種“變廢為寶”的生態(tài)循環(huán)理念是實現資源整合和減排增碳的重要途徑之一.
圖1 生物質炭助力農田生態(tài)系統(tǒng)中“碳中和”機制Fig.1 Mechanisms that biochar serves for ‘carbon neutrality’ in an agroecosystem
近20年來，生物質炭在土壤改善與地力提升、土壤固碳減排和環(huán)境修復等方面表現出良好效益，此外，生物質炭還田有利于植物根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收，從而促進作物生長，增加植物光合固碳能力.因此，“以炭助生”和“以炭增碳”一直是生物質炭研究的重要發(fā)展方向[4-5].國際上先后成立了多個專門的生物質炭研究機構以保障其規(guī)范生產和推廣應用.該文對生物質炭服務農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的作用和機制進行綜述，并對生物質炭的生產和應用進行展望，以期為未來應用生物質炭技術實現農田土壤增碳增產提供科學指導.
1 生物質炭助力農田生態(tài)系統(tǒng)中“碳中和”的植物途徑
1.1 生物質炭提高植物生物質碳
1.1.1 光合固碳
植物的光合固碳是增加農田生態(tài)系統(tǒng)中碳吸收的重要途徑.生物質炭促進植物光合作用和作物體內干物質累積，增加植物碳庫[6].研究[7]表明，生物質炭的施加提高了植物葉片中葉綠素含量，增強了光能捕獲能力；與未施加生物質炭相比，施加生物質炭(pH=8.6，有機質含量為367.6 g/kg)使谷子(Setaria italica)葉片凈光合速率增加50.4%、氣孔導度增加50.1%、蒸騰速率增加47.7%.稻殼生物質炭使植物葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導度分別提高約34.3%、22.7%、26.5%和38.8%[8].與C4植物相比，生物質炭對C3植物凈光合作用的促進作用更顯著[9]，這主要是由于施加生物質炭可提高土壤保水保肥能力，而C3植物相比于C4植物其對水分和土壤肥力(如氮水平)的要求更高.
1.1.2 根系促生
根系健康和發(fā)育程度決定了作物產量的高低.生物質炭與植物根系直接接觸，影響植物根系發(fā)育.基于136篇文獻中2 108組數據的整合分析結果表明，與未施加生物質炭相比，施用生物質炭使植物根系生物量增加了32%、根長增加了52%、根尖數增加了17%[10].生物質炭有利于植物分根的形成，提高根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，從而改善整體植物根系發(fā)育與生長.同種生物質炭對單子葉植株(如小麥)根系生長的促進作用優(yōu)于雙子葉植物(如黃瓜)，這與添加量為80.0 g/kg的生物質炭主要作用于植物的分根發(fā)育有關[11].通常，植物主根的發(fā)育決定了植物根系壽命的長短[12-13].雙子葉植物對高劑量生物質炭施加尤為敏感，其主根生長被顯著抑制[11].
生物質炭可提高土壤容重和毛細管孔隙度，增強土壤持水能力并降低土壤水分蒸發(fā)量，改善土壤團聚體結構，這為植物根系的伸展和深扎提供了空間，為根系發(fā)育創(chuàng)造了良好條件[4].與低溫炭相比，高溫炭具有更大的比表面積，更易于與植物根系接觸，在促進根伸長方面具有更佳效果.Hagner等[14]發(fā)現，低溫炭對萵苣根系生長甚至具有抑制作用，這是由于低溫炭熱解不完全，含有較高濃度的有毒物質組分.因此，低溫炭的施加劑量應盡量控制在相對較低的水平.通常，中高溫炭(500 ℃)的促生效果最佳，這主要是由于這類生物質炭的孔隙結構最為發(fā)達，對土壤改良效果更佳[15].此外，作物根系活力的提升伴隨著根系對物質的吸收、轉運和再分配能力的提高，有利于作物有機質積累和生物量提高[10].Olmo等[16]提出，小麥秸稈和橄欖樹枝生物質炭對根系形態(tài)和活力的影響是提高作物養(yǎng)分利用效率的主要原因.同時，因自身氮、磷、鉀等養(yǎng)分的釋放，生物質炭對玉米根系活力的提升也是增強作物對這些養(yǎng)分利用效率的關鍵，實現促生增產[17].
1.2 影響生物質炭增產效果的因素
基于97篇文獻中819組數據的整合分析結果表明，與不施生物質炭相比，生物質炭施加使作物平均增產14.8%；其中作物秸稈類原料生物質炭可使作物增產15.2%，而殼渣類生物質炭的增產效果相對較低，為11.9%[18].玉米秸稈生物質炭的增產效果(10.7%)優(yōu)于小麥和水稻秸稈生物質炭(分別為8.1%和5.9%)[19].這主要是因為，與殼渣生物質炭相比，秸稈炭中含有更豐富的速效磷和有效氮；玉米秸稈炭比小麥和水稻秸稈生物質炭中含有更高濃度的大量元素(如氮和磷)和微量營養(yǎng)元素(如鈣和鎂)[20-22].與以非豆科植物為原料制備的生物質炭相比，豆類植物生物質炭具有較高的堿度和營養(yǎng)成分，因此，后者對土壤酸化改良和作物增產表現更佳[23].通常，生物質炭的營養(yǎng)元素含量主要取決于原料類型，而熱解溫度主要決定了生物質炭的結構性質.隨著熱解溫度的升高，所制備的生物質炭對番茄單果質量和單株產量的促進作用均呈現先升高后降低的趨勢，其中500 ℃生物質炭處理的連作番茄平均單果質量提高達36.9%，番茄果實中維生素C、可溶性糖、番茄紅素含量及糖酸比分別顯著提升了51.6%、35.0%、37.4%和65.0%[24].這正是由于500 ℃生物質炭具有最佳的比表面積和微孔率，更有利于土壤結構改良和植株生長.低溫生物質炭的孔隙結構不發(fā)達且含有更多的有毒有害物質，過高的熱解溫度會引起木質素軟化熔融，造成生物質炭氣孔堵塞和孔隙結構變差[24].
計算得出第一冊AWL覆蓋率為4.30%介于1.4%與10%之間，更傾向于通用英語，由圖1可知，第一冊各文本AWL覆蓋率在0.83%-7.28%之間波動，變化幅度較大，但該冊教材各單元AWL覆蓋率銜接性較為良好，考慮到學習者學習能力應呈逐漸增加的趨勢，該冊教材AWL覆蓋率也出現逐漸增大趨勢。
生物質炭可改良土壤結構、調節(jié)土壤碳氮比、有效緩解土壤酸化、增加土壤中鈣和鎂等營養(yǎng)元素的可利用率，這均有利于作物產量的提升[25-26].生物質炭對中性土壤(6.5≤pH＜7.5)的保水性和團聚體結構改良效果最佳，對酸性土壤(pH＜6.5)的肥力提升作用優(yōu)于堿性土壤(pH≥7.5)，因此，生物質炭對小麥在中性土壤中的增產效果依次優(yōu)于酸性土壤和堿性土壤[19].在堿性土壤中施加生物質炭，由于其對礦質養(yǎng)分的吸附固定及對土壤pH的持續(xù)堿化，會阻礙作物對養(yǎng)分的吸收，產生負面影響[27].此外，生物質炭對小麥的增產效果還會因土壤質地和肥力而異，表現為壤土中最佳(16%)，沙土中次之(7.4%)，而在黏土中效果不顯著；低肥力土壤中生物質炭的增產效果優(yōu)于高肥力土壤[28].
不同添加量生物質炭對作物增產效果也會存在差異.通常，隨著生物質炭施加量的增加，作物增產效果更佳[29].但是，也有研究[30]表明，高劑量的小麥秸稈生物質炭施加并沒有使玉米顯著增產，而只是顯著提高了玉米地上部生物量.這是由于高劑量生物質炭主要提高了玉米生長前期光合作用，促進植株干物質的累積，但其在玉米生長后期導致玉米早衰，不利于養(yǎng)分向籽粒轉移.因此，選擇適宜的生物質炭添加量在生物質炭增產應用中至關重要，探究生物質炭對作物全生育期生長的影響具有實際意義.
1.3 生物質炭對植物生長的分子調控機制
隨著分子生物學技術的發(fā)展，越來越多的研究發(fā)現生物質炭可調控植物生長基因表達和代謝活動，這對揭示生物質炭通過植物途徑提高農田生態(tài)系統(tǒng)中“碳中和”的機制至關重要[31].光合作用和三羧酸循環(huán)等植物初級代謝途徑為植物生長提供物質和能量轉化基礎.生物質炭可調控參與植物體糖、蛋白質和脂肪酸等初級代謝過程的基因[32].例如，山毛櫸木生物質炭顯著提高了水稻葉片中三種蛋白質分解代謝基因〔絲氨酸蛋白酶基因(+24%)、天冬氨酸蛋白酶基因(+162%)和半胱氨酸蛋白酶基因(+257%)〕和兩種蛋白質合成代謝基因〔編碼Rubisco的小亞基(+33%)和大亞基(+30%)〕的表達，促進了水稻葉片中蛋白的周轉，尤其有利于Rubiso活化酶的生物合成.Rubiso酶既可以催化卡爾文循環(huán)中的羧化反應，又有利于加氧反應的進行，促進植物光呼吸.生物質炭對植物Rubiso酶活性的提升是其促進水稻卡爾文循環(huán)和光合作用增強的主要機制[33].
植物次生代謝是植物適應環(huán)境而進化的結果.初級代謝產物提供了次生代謝所需的能量和代謝底物，為植物防御環(huán)境脅迫(如病蟲害和干旱等)提供保障.生物質炭調控參與生長素、赤霉素及信號分子等合成和轉運的次級代謝過程的相關基因表達.Viger等[34]應用全球基因表達陣列技術提出楊樹木屑生物質炭導致調控細胞壁結構相關基因(木聚糖內轉葡糖基酶Transglucosylase、擴張蛋白Expansin和阿拉伯半乳聚糖蛋白Arabinogalactan)、水傳輸相關基因(水通道蛋白表達基因PIP1b)以及糖傳輸和信號傳導相關基因(糖轉運體基因ParSuSy5)的表達上調，從而促使植物體內生長素和油菜素甾體等信號分子的傳遞和植物細胞擴張，促進植物對水和營養(yǎng)物質的吸收，提高植物體內碳水化合物的代謝[34-35]，以上基因表達的上調共同促使擬南芥的根系發(fā)育和生物量提高.此外，生物質炭可使擬南芥的赤霉素負反饋調節(jié)基因SIGA20ox1表達上調，促使葉細胞擴增，從而導致擬南芥葉面積顯著提高130%[35].生物質炭能夠刺激植物的防御基因啟動，特別是導致乙烯和茉莉酸合成相關基因的表達上調，這也是生物質炭提高番茄對灰霉菌感染的抗性的主要分子學機制[36].生物質炭可釋放大量可溶性有機碳物質，其中包含生長素類似物(例如，與吲哚乙酸結構類似的2-乙酰-5-甲基呋喃類物質)，該類物質在提高作物與生長素結合蛋白合成基因(ABP1和TIR1)和調控赤霉素代謝途徑蛋白合成基因(P50-1、P450-3、P450-4、ggs2和des)的表達中起重要作用，從而加快作物生長，提高作物生物量[37].生物質炭浸提液促進水稻根系鉀離子轉運蛋白基因(OsHAK7和OsHAK10)的表達上調，提高水稻耐干旱和鹽脅迫的能力[38].生物質炭能夠在缺氮條件下提高紫花苜蓿中異黃酮酶(Isoflavone synthase)的表達，增加異黃酮信號分子的合成，促進紫花苜蓿與根瘤菌之間信號傳遞以增加根系結瘤固氮[31].生物質炭施加有利于番茄體內防御基因(如FaPR1、Faolp2、Fraa3、Falox和FaWRKY1)的相對表達上調.其中，Falox，FaPR1和Fraa3可分別促進植物體內生成植物激素乙烯、茉莉酸和茉莉酸甲酯，Faolp2和FaWRKYI可促進脫落酸的生物合成，以上抗性基因的表達誘導植物獲得對真菌侵染的抗性，這是生物質炭增強草莓抗逆性、改良草莓品質和提高草莓產量的主要機制[39].此外，生物質炭提高生菜體內抗生素抗性基因的表達，不僅降低了生菜中抗生素的累積系數，減少植物氧化脅迫，同時增強了生菜光合固碳，提高了生菜產量[40].
綜上，生物質炭能夠提高植物光合固碳能力，促進作物生長和增產，這主要是因為：①生物質炭自身含有豐富的營養(yǎng)元素，可直接調節(jié)植物根系生長和養(yǎng)分吸收.②生物質炭具有發(fā)達的孔隙結構、大的比表面積和豐富的官能團，有利于提高土壤保水保肥性能，提高養(yǎng)分利用效率.③生物質炭對土壤性質的改良可間接促進植物生長.例如，生物質炭提高土壤團聚體結構和通氣性能，有利于植物根系的活力提升和伸長.④生物質炭所釋放的活性物質具分子調控作用，參與植物初級和次生代謝.
2 生物質炭助力農田生態(tài)系統(tǒng)中“碳中和”的土壤途徑
生物質炭助力農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的土壤途徑主要體現在減排和增匯兩方面.在減排方面，生物質炭是對廢棄生物質的資源化利用，該過程減少了生物質自然分解對CO2排放的貢獻，此外，生物質炭對土壤碳代謝的負激發(fā)作用減少了土壤本底CO2排放.據估計，廢棄植物生物質制備為生物質炭(以50%的生物質碳轉化率為例)的減排效益可達22%[41].在增匯方面，生物質炭在土壤中可穩(wěn)定存留長達上千年，這部分穩(wěn)定性有機碳的供給直接增加了土壤碳庫.此外，生物質炭獨特的結構性質有利于改良土壤團聚體結構，增加土壤碳的吸收和封存[42].據估計，生物質炭的固碳減排效益可抵消12%以上的人為碳排放量[41]，其在助力“碳中和”中具有良好的應用潛力(見圖2).
圖2 生物質炭減排增匯數據統(tǒng)計Fig.2 Data statistics about emission reduction and soil carbon pool increase resulting from biochar application
2.1 生物質炭降低土壤碳排放
植物生物質通過自然分解或人為燃燒等途徑釋放CO2[58].生物質炭制備過程能夠迅速且高效地將生物質碳封存以供再利用，是相比焚燒和堆肥更高效環(huán)保的生產工藝[59].生物質炭對生物質源碳的封存能力大于50%，并主要以高度穩(wěn)定的芳香族碳組分形式被保留[59].與自然分解相比，秸稈生物質炭的制備可減少我國約13.2%的碳排放；與秸稈焚燒相比，秸稈生物質炭的制備可減少50%以上的碳排放[60].
生物質炭施加可顯著提高土壤惰性有機碳組分，提高碳庫穩(wěn)定性.與其他固碳方式(如植樹造林)相比，施加生物質炭對土壤CO2排放的抑制作用更強且固碳效果更持久[61].果木生物質炭(600 ℃)富含烯烴等長鏈結構和芳香環(huán)結構的大分子碳水化合物，該類生物質炭可增加土壤團聚體結構，有效吸附固定土壤有機碳，降低土壤有機碳分解釋放的CO2[62].木材生物質炭可減少稻田中74%的CH4排放量；施加2.5%的木炭和秸稈炭可分別減少51.1%和91.2%的CH4排放；大豆田中施加2%的生物質炭亦可減少20.4%的CH4排放[63].與原料還田相比，施加等碳量的生物質炭可使CH4排放減少80%[64].這主要是由于生物質炭增加了土壤孔隙度和溶氧量，促進了CH4的氧化.Feng等[65]在施加生物質炭的水稻田中發(fā)現甲烷氧化菌相對豐度顯著提高.目前，稻田中施加生物質炭已成為提高太湖流域土壤有機碳穩(wěn)定性和實現稻田溫室氣體減排的最有效方法之一；兩年的大田試驗結果表明，施加20 t/hm2的竹炭對CH4排放通量和累積排放的抑制效果最佳[66].不同的農業(yè)活動(如施肥)會改變生物質炭的固碳效果.例如，與不施肥土壤相比，施肥土壤中施加生物質炭對CH4排放的抑制效果更佳.這是由于不施肥土壤中生物質炭更易對微生物產生正激發(fā)效應，尤其為異養(yǎng)型產甲烷菌提供代謝底物，促進CH4排放[67-69].而施肥土壤中，甲烷氧化菌活性和數量大幅提升，CH4在排放之前被氧化，其更易被生物質炭吸附固定，該物理截留過程是減少溫室氣體排放的有效機制之一.
但是，相比于土壤本底有機碳的分解，土壤微生物對生物質炭本身的降解是緩慢且痕量的，其對土壤中CO2排放可忽略不計.研究[71]表明，生物質炭施加3年僅有4.5%的碳以CO2形式被消耗.長期培養(yǎng)試驗結果表明，生物質炭對土壤有機碳總礦化量呈現先升高再降低的趨勢，與傳統(tǒng)施肥處理相比，生物質炭固碳減排效果依然顯著[76].這可歸功于生物質炭的CO2捕捉能力以及降低土壤有機碳對微生物的生物有效性，這尤其在培養(yǎng)后期會顯著降低有機碳的礦化速率[77].可見，生物質炭對土壤微生物的激發(fā)效應是動態(tài)變化的，這也決定了生物質炭的固碳減排效果.
生物質炭的減排效應主要歸功于其介導下土壤本底有機碳的分解速率降低.整合分析結果表明，生物質炭可減少3.8%的土壤有機碳分解釋放CO2[78].
原料的碳材料組成決定著生物質炭對土壤碳庫的激發(fā)效應[58]，相比于竹炭，玉米秸稈生物質炭和核桃殼生物質炭對土壤CO2的減排效果更佳.這是由于部分原料(如小麥、玉米、棉花、大豆、大米等的秸稈[79])中的碳以木質素和纖維素為主，這類原料所制備的生物質炭提高土壤碳的能源轉化率效果更佳，因此具有更優(yōu)的減排效果[80].生物質炭中惰性有機碳含量大于70%，且隨著熱解溫度升高和熱解時間延長，惰性有機碳含量升高，因此，高溫炭的減效應更持久[81].低溫熱解下生物質分解不完全，生物質炭中揮發(fā)性有毒有害物質(如酚類和多環(huán)芳烴等)含量較多，這類炭對土壤微生物呼吸的抑制作用更強，對土壤碳庫的負激發(fā)效應更顯著[80].低溫熱解秸稈制備生物質炭可顯著降低土壤有機碳分解釋放CO2，降幅可達20%[78].
生物質炭對土壤碳的減排效應還取決于土壤性質.研究[81]表明，施加生物質炭可有效改良土壤團聚體結構，尤其對以大孔隙為主的砂土改良效果更佳，提高了土壤的保水性和保肥性.生物質炭施加到砂土中對土壤微生態(tài)的改善增強了微生物活性，使其對土壤有機碳的分解增加21%，提高了砂土中CO2排放[78].但是，對于黏性土壤而言，秸稈炭的施加增加了土壤通氣性，使土壤有機碳礦化量降低約13.7%[72].也有研究[45,70,74]表明，施加生物質炭能夠提高砂土中的碳氮比，顯著降低該類土壤中CH4排放量，但對壤土和黏土中CH4減排效果不顯著.與砂土相比，黏土具有較大的電導率、更高的土壤含水率以及更豐富、活躍的微生物群落[82].通常，生物質炭對砂土中溫室氣體排放的調控主要通過改良土壤理化性質實現，而對黏性土壤中溫室氣體排放的調控主要是通過改變微生物活動實現[82].與酸性黏土相比，生物質炭對堿性黏土中CO2減排效果更顯著，這主要是由于堿性土壤中生物質炭對土壤有機碳的負激發(fā)效應更易啟動[61,83].此外，相比于稻田，生物質炭對旱地土壤CO2的減排效果更好[84].施肥并未改變生物質炭對溫室氣體排放的影響效果[74].由于生物質炭在不同土壤中的分解礦化差異不顯著，因此，在不同土壤中施加生物質炭，其介導土壤中碳減排的效果差異主要取決于其對本底土壤中有機碳分解效率的影響.
2.2 生物質炭增加土壤碳庫
土壤碳庫包括有機碳和無機碳，其中有機碳含量可高達60%[85]，土壤有機碳庫包括微生物量碳、水溶性有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳和可礦化態(tài)有機碳等.生物質炭中含碳量可高達88.0%[86]，其施加主要增加了土壤有機碳庫[86]，生物質炭增加土壤有機碳庫的主要機制可歸結于五方面：①生物質炭為土壤提供可溶性有機碳，抑制微生物對本底土壤有機碳的分解；②生物質炭中富含高度穩(wěn)定性的芳香性碳，其特殊的碳骨架結構有利于增強土壤有機質的穩(wěn)定性；③生物質炭自身可釋放出大量的活性有機碳物質，該類物質可調控土壤微生物的碳代謝過程，提高碳源利用效率；④生物質炭可固定微生物呼吸產生的CO2，從而提高土壤有機碳庫中的微生物量碳；⑤生物質炭促進土壤有機碳中弱酸性官能團的去質子化，提高土壤中活性有機碳的親水性，提高土壤有機碳庫中的溶解性有機碳組分[87].土壤有機碳庫比例的提升是土壤碳庫質量改良的重要指標之一，因此，生物質炭對土壤碳庫的影響很可能表現為對土壤有機碳庫容量和碳庫質量的綜合提高.
生物質炭制備原料和熱解溫度對其物質和結構性質的影響決定了其土壤增碳效果(見圖3).研究[88]表明，與椰殼生物質炭相比，小麥秸稈和柳樹枝生物質炭對土壤有機碳容量的提高效果更佳.這主要是由于后者含有更多的生物可利用碳，豐富的有機陰離子促進了土壤微生物的脫羧反應，有利于提高土壤保水保肥性.通常，秸稈類、污泥和糞便類原料制備的生物質炭比木材類生物質炭含有更多的生物可利用有機碳，其對土壤碳庫的增加效果也更顯著[88].此外，生物質炭中高度穩(wěn)定且結構復雜的芳香環(huán)與雜環(huán)結構碳是長期穩(wěn)定提高土壤碳庫的關鍵[89].因此，與低溫炭對土壤微生物活動的調控不同，高溫炭主要通過改良土壤團聚體結構和碳穩(wěn)定性，提高土壤有機碳庫.生物質炭的多孔級結構和巨大的比表面積是其典型結構特征之一.隨著熱解溫度升高，生物質炭的總孔容增加且以微孔為主要吸附結構；熱解溫度高于700 ℃可能導致碳架結構坍塌，微孔最終會消失殆盡.研究[90]表明，高溫生物質炭表現出良好的固碳效果，這可歸結于其對有機碳分解中間產物的吸附作用，減少了碳損失.因此，生物質炭碳組分和結構性質共同決定了其對土壤碳庫穩(wěn)定性的影響.
圖3 生物質炭性質決定其助力“碳中和”的潛力Fig.3 Properties of biochar determine their potential to serve ‘carbon neutrality’
在不同土壤中施加生物質炭的增碳效果也會不同.通常，生物質炭的施加會提高土壤pH和陽離子交換量，從而提升土壤肥力和有機碳含量[91-92].生物質炭對砂土的保水、保肥性和土壤團聚體結構改良遠優(yōu)于壤土和黏土；因此，對于陽離子交換量小和本底土壤有機碳含量低的酸性土壤以及比表面積小的砂土，生物質炭會表現出優(yōu)越的增碳效果[93].此外，與稻田相比，生物質炭對旱地土壤微生物量碳的提高效果更顯著[94].生物質炭對土壤微生物量碳的調控是其對土壤結構、微生物代謝活性和碳利用效率綜合影響的結果.
大量的研究已表明應用生物質炭在實現植物促生增產的同時也可實現土壤固碳減排，具有可觀的推廣潛力.然而，在生物質炭的推廣和應用進程中，如何因地制宜和選擇適宜的生物質炭類型和施用劑量成為重要難題.例如，生物質炭中攜帶內源性有機和無機污染物，這些污染物隨著生物質炭的生產和施用進入環(huán)境中，可能會抑制植物生長，降低農作物產量，影響微生物活性，危害人類健康，帶來潛在環(huán)境健康風險[95].生物質炭尤其是畜禽糞便類原料制備的生物質炭中含有高濃度的銨、抗生素和病蟲害，大量的施加可導致土壤高度銨化和生態(tài)功能降低[96]，不利于植物和土壤動物的生長.研究[97]表明，生物質炭自身礦物養(yǎng)分具有較低的生物可利用性，堿性土壤中施加高劑量生物質炭阻礙了植物對養(yǎng)分的吸收，其對土壤pH的持續(xù)升高導致土壤過度堿化，進一步降低了土壤中鈣、鎂等微量營養(yǎng)元素的生物有效性.生物質炭中的持久性自由基可誘導植物氧化脅迫，大量施用生物質炭會損傷根莖，不利于植物生長發(fā)育[98].綜上，不同類型生物質炭的施加很可能存在各類潛在危害，明晰生物質炭合成原料和制備條件對其生態(tài)健康風險的影響至關重要.近年來，通過改性生物質炭提高其應用性能、降低其環(huán)境健康風險的研究備受關注.例如，在秸稈類生物質炭上負載磷酸鹽可使其內源重金屬污染物(如銅、鋅和鎘等)的浸出率降低89%，這對有效控制其環(huán)境健康風險具有重要意義[56,99].
3 農田土壤生物質炭應用的未來研究方向
生物質炭在農田土壤中的應用具有良好的環(huán)境和經濟效益，前景廣闊.但亦有許多關鍵科學問題目前仍不清楚.根據上述對生物質炭服務農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的機制和潛力研究進展的總結，未來仍需在以下幾方面進一步開展研究.
3.1 加強生物質炭促生增碳相關機理研究
隨著生物質炭相關研究的推進，生物質炭促生增碳的相關機制應該進一步深入研究.例如，生物質炭在植物根系界面上的反應機制會如何驅動養(yǎng)分吸收和信號分子傳導？生物質炭如何調控根際菌群、介導根際微生物的競爭和合作關系，在分子水平上如何反映植物生長代謝的響應機制？生物質炭如何調控植物固碳相關基因的表達，在培育強固碳植物物種方面有怎樣的應用潛力？生物質炭與土壤顆粒(如不同土壤礦物和有機質等)間的相互作用機制如何？不同的作用機制如何決定生物質炭對土壤性質的改良效果，又會如何間接介導植物的生長？生物質炭施加對生物地球化學過程的影響以及對微生物群落結構和功能的調控如何貢獻于土壤中增碳減排過程？以上科學問題的解答是深入理解生物質炭-土壤-植物共存體系穩(wěn)定性和環(huán)境可持續(xù)性的關鍵，也為有針對性地精準設計和應用生物質炭奠定理論基礎.
3.2 探究生物質炭施加的長期生態(tài)效應
在實際應用中，隨著生物質炭在農田土壤中的長期老化，在包括耕作、灌溉、干濕交替、施肥等復雜農業(yè)活動的作用下，生物質炭的理化性質也會發(fā)生改變[100].然而，目前針對生物質炭的環(huán)境效益多來自短期研究試驗結果，生物質炭長期生態(tài)效應(例如，對溫室氣體排放的長期調控，對土壤理化性質和微生物群落結構與功能變化的長期驅動)亟需被考證，生物質炭服務農田生態(tài)系統(tǒng)“碳中和”的長效性機制還有待探究.隨著生物質炭相關研究的增加，大量的試驗數據已被報道，然而生物質炭與土壤相互作用復雜，加強作用機制的研究和規(guī)律性的總結至關重要，因此，將這些數據進行整合分析、深度學習和模型構建，對探究生物質炭的長期生態(tài)效應、指導生物質炭的合理應用具有重要意義.
3.3 生物質炭基“智慧土壤”的研發(fā)
生物質炭對農田土壤的改良和環(huán)境效益顯著，研發(fā)生物質炭基“智慧土壤”可緩解土壤資源緊缺、推廣生物質炭的農業(yè)應用.建議：一方面，對生物質炭基質進行多元功能化，如生物質炭基殺蟲劑、功能肥、緩釋肥、植物生長促生劑等；另一方面，在穩(wěn)定的生物質炭碳基結構上搭載傳感器，實時監(jiān)測農田環(huán)境(如土壤pH、溫度、營養(yǎng)成分、含水量、根系形態(tài)、病菌生長、線蟲活動和CO2排放等)并建立控制終端信息反饋系統(tǒng)進行實時調控，保障作物健康生長.同時，可研發(fā)微型生物質炭基“智慧土壤膠囊”，解決傳統(tǒng)水培或基質種植中基質消耗量大、管理成本高、植物根系易缺氧爛根、病蟲害多發(fā)、后期養(yǎng)分供應不足等問題，是一種新型的無土栽培方式.
3.4 生物質炭制備工藝的標準化和規(guī)?；?/h3>
生物質炭的生產仍存在體量小、精準控制和監(jiān)測生產過程不足、副產物多且資源化過程復雜、生物質炭產品性質不均一等問題.為了推進生物質炭的生產和應用，生物質炭生產技術必須有效改進和標準化，尤其在以下幾方面亟需加強：①提高生物質炭的炭得率；②資源化利用生物質炭制備過程中的副產物(如瀝青、生物油和木醋液等)，科學應用生物質炭生產過程產生的可燃氣進行循環(huán)供熱，構建循環(huán)經濟體系，增加經濟效益；③基于生物質炭在不同領域的應用需求，精準控制生產工藝(如氣流量、溫度和原料組成等)，以期制備出不同功效的生物質炭產品，構建穩(wěn)定的生物質炭制備生產線；④研究改性生物質炭，提高其多元性能.對以上技術問題的突破有利于推進生物質炭的大規(guī)模生產應用，實現生物質資源的高效整合再利用，更好地服務“碳中和”目標.
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