摘要图：生物炭在盐渍土壤改良中的应用

亮点

1、可持续的生物炭生产及其在盐渍土改良中的应用是一种有前景的实现碳中和的策略。

2、生物炭的施加能使盐渍土中植物初级生产力平均提高29.3%。

3、生物炭可有效减少盐渍土壤温室气体的排放，并通过生物能源结合CCS技术以及提高植物初级生产力促进大气中CO2的去除。

背景和意义

气候变化带来的温度异常和极端降雨给自然生态系统的稳定和健康以及人类的生存和发展带来了严峻挑战。碳中和是缓解气候的变化的必由之路，也是21世纪全球主要环境目标之一。合理地制定可持续的盐渍化土壤复垦战略并开发相关技术，扩大耕地面积，增加盐渍土壤碳汇功能，这对缓解气候变化及助力我国“双碳”目标的实现具有极高的战略价值和环境意义。生物炭具有长期固碳和减少土壤温室气体排放的潜力，有助于提升土壤碳汇功能。可持续的生物炭系统包括三个子系统，分别是生物质生产子系统、热转化子系统和土壤应用子系统（图1）。该系统可通过减少温室气体排放和促进大气二氧化碳（CO2）去除（CDR）来缓解全球气候变化。因此，系统综述生物炭修复盐渍土壤实现碳中和目标的途径，是目前盐渍化土壤改良研究中的迫切任务。

Fig. 1 Biochar system on climate change mitigation

图1. 生物炭减缓气候变化的途径

生物炭的可持续生产

近年来，大量废弃生物质采用不适当的回收技术(如填埋、直接燃烧)大大增加了温室气体排放。将废弃物生物质化为生物炭施用于土壤，可以减少土壤温室气体排放。由于超强的的持久性，生物炭在土壤中的碳矿化水平和非CO2温室气体排放量（CH4和N2O）比未热解的生物质低一到两个数量级。此外，生物质热转化过程中产生的生物油和生物气可以作为化石燃料的替代品，结合碳捕集与封存（CCS）技术减少温室气体排放。大多数盐渍土壤不适合作物生产，利用盐渍土壤生产生物炭原料（主要指盐生植物生物质）可以缓解与粮食生产对优质土地的竞争。将盐生植物（如碱蓬、苜蓿、芦苇），或盐生入侵植物（如互花米草），甚至是近海藻类废弃物（如浒苔）转化为生物炭，并将其作为盐渍化土壤或其他边际土地的改良剂，可能是加强废弃生物质资源合理利用以及增强土壤固碳能力一种双赢的战略。生物质可以通过不同的热转化技术转化为炭、生物油和合成气。虽然在热转化过程中产生的生物能源可以作为化石燃料的替代品进行循环利用，并且生物炭在应用于土壤时具有很强的固碳潜力，但是如何最大限度地减少生物质热转化过程中产生的额外碳足迹，以增强整个生物炭系统的负碳性，仍需进一步研究。水热碳化（HTC）由于无需对生物质进行预干燥处理，可以大大减少额外的能源投入和成本，从而有可能减少含水量高的生物质热转化过程中额外的干燥脱水处理带来的CO2排放。盐生植物生物质具有一定的生物能源产量，通过升级或预处理后可用作生物燃料或工业原料。此外，盐生植物制备的生物能源还可以与CCS技术相结合来捕集和封存生物能源燃烧过程中产生的额外CO2。这种生物能源结合碳捕获和储存技术（BECCS）是IPCC认可的最有前景的CDR技术之一。

生物炭对盐渍土壤植物生长的影响

促进植物生长和恢复初级生产力是盐渍土壤修复的主要目标，也是生物炭促进CDR的重要途径。生物炭可通过提高植物光合作用从大气中去除额外的CO2。然而，尽管目前的研究在生物炭对植物生长的影响方面取得了很大进展，但在盐渍土壤中仍存在许多不确定性。生物炭具有发达的孔隙结构、大比表面积、强稳定性、丰富的含氧官能团、丰富的多价阳离子(如Ca2+和Mg2+)以及高营养成分，可以改善土壤理化性质，改变与养分循环相关的微生物群落以及提高植物的耐盐性，进而促进盐渍土植物生长（图2）。本文通过荟萃分析发现，生物炭可以使盐渍土植物生产力平均提高29.3%。然而，由于生物炭本身高灰分和高盐度的固有性质，以及有害化合物和表面持久性自由基的存在，可能抑制盐渍土壤植物的生长（图2）。通过生物炭改性（如酸浸渍、共堆肥、共热解和纳米颗粒负载）或将生物炭与其他改良剂（如化肥、粪肥和木醋液）联合施用，是解决其对植物生长负面影响的有效方法。

Fig. 2 Positive or negative effects of biochars on plant growth in salt-affected soils.

图2. 生物炭对盐渍中土植物生长的影响及可能机制

生物炭对盐渍土壤温室气体排放的影响

生物炭在土壤中的应用还可以通过降低土壤有机碳矿化和减少非CO2温室气体排放来缓解气候变化。生物炭降低土壤CO2排放主要归因于引发负激发效应、促进土壤无机碳的形成、提高微生物残体碳的积累以及促进CO2在土壤颗粒间的吸附（图3）。促进土壤CO2排放的主要原因是添加初期引起的正激发效应、生物炭不稳定碳组分矿化以其矿化时引起天然SOM的共代谢。生物炭导致土壤CH4排放量的减少主要归因于土壤通气性的改善、CH4在土壤颗粒间的吸附以及引起的与CH4氧化相关微生物群落丰度的增加（图3）。促进土壤CH4排放的主要原因是因为产甲烷菌提供额外的营养底物以及Na+生物利用度的降低。生物炭降低土壤N2O排放主要归因于土壤通气性增强、土壤pH值升高、N2O的吸附以及与土壤氮循环相关的微生物群落的变化（图3）。促进N2O排放的主要原因是生物炭为硝化菌和反硝化菌提供了外源底物(如NH4+、NO3-)。值得注意的是，生物炭对土壤温室气体释放的直接和间接作用尚未很好地厘清，关键机制也需要在长期大规模实验中进一步验证。

Fig. 3 The potential mechanisms underlying the decreased (light green) and increased (saffron yellow) GHG emission from salt-affected soils amended with biochars.

图3. 生物炭对盐渍土温室气体释放的影响

未来研究方向

生物炭在盐渍土壤中的应用是助力碳中和目标实现的一种有前景的策略，但是未来需要进一步考虑以下研究（图4）：（1）为了提高以盐生植物生物质为原料制备的生物炭在盐渍土壤中的可用性，有必要进一步探明这些生物炭的结构、性能与应用效果之间的关系。此外，应进一步考虑升级生物炭生产相关的热转化技术，以满足“碳中性”或“碳负性”的要求，建议使用太阳能、氢能等清洁或低碳能源替代化石燃料或电力。（2）有效增强生物炭对促进植物生长的积极作用是减缓气候变化的有效途径。开发功能性生物炭以及生物炭与其他盐渍土壤改良技术的耦合应用是未来重要的研究和应用方向。（3）生物炭作为一种极具潜力的温室气体吸附剂，但其在真实复杂土壤环境中的吸附能力和机理仍需深入研究。（4）在应用生物炭之前，应采用适当的方法，如水洗或堆肥，以减少生物炭中有害物质的含量以避免生物炭的负面影响。此外，还需要在现有生物炭标准的基础上建立包括生物炭有害物质含量和盐渍土壤状况的数据库，以精确指导生物炭的应用。(5)为了更好地促进生物炭的商业化和市场化，应采取适当措施降低生物炭的生产和应用成本。例如，开发生物炭副产品高价值利用途径，开发生物炭的固碳价值，并将生物炭技术的碳减排量纳入区域、国家乃至全球碳排放交易体系中，以使相关国家或企业通过生物炭的应用抵消其碳排放额。

Fig. 4 Research directions of biochar application in remediating salt-affected soils for abating climate change.

图4. 生物炭应用于盐渍土壤以减缓气候变化的未来研究方向

作者简介

郑浩

中国海洋大学环境科学与工程学院

中国海洋大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才计划入选者，山东省杰出青年基金获得者。任中国环境科学学会水处理与回用专业委员会委员，中国环境科学学会海洋环境保护专业委员会。获山东省水处理协会科学技术一等奖、全国高校环境类专业本科生优秀毕业论文指导教师、2020年度 Environ. Sci. Technol.最佳论文奖等奖励。主要从事微塑料、抗生素抗性基因等新污染物的环境地球化学过程与污染控制、滨海盐碱地的改良与固碳方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金杰出青年基金项目、海南省重点研发计划等科研项目15项。共发表学术论文80余篇。其中，以第一/通讯作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Int.、Chem. Eng. J.和J. Hazard. Mater.等环境领域顶尖期刊上发表SCI论文50篇。论文他引3000余次，4篇论文入选“ESI高被引论文”。以第一发明人授权国家发明专利6项。

邢宝山

美国麻省大学阿默斯特分校

麻省大学阿默斯特分校环境与土壤化学终身教授，麻省大学Distinguished Professor, 麻省大学农学院主任。致力于污染物的环境地球化学和生物效应研究，在Nature Nanotechnology、Biochar等期刊发表论文700余篇，H指数140，总被引量8万余次。2014年至今，均入选全球“高被引科学家”。科学研究网站2023年评出的世界最杰出环境科学家中全美国排名15，全世界排名25。

刘强

中国海洋大学 环境科学与工程学院

中国海洋大学博士研究生。主要从事滨海盐碱地的改良与固碳方面的研究。以第一作者身份分别在环境领域权威期刊Biochar、《地球科学进展》等环境领域权威期刊发表学术论文2篇，授权实用新型专利3项，主持研究生自主科研项目1项。