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摘要圖：生物炭在鹽漬土壤改良中的應(yīng)用

亮點(diǎn)

1、可持續(xù)的生物炭生產(chǎn)及其在鹽漬土改良中的應(yīng)用是一種有前景的實(shí)現(xiàn)碳中和的策略。

2、生物炭的施加能使鹽漬土中植物初級生產(chǎn)力平均提高29.3%。

3、生物炭可有效減少鹽漬土壤溫室氣體的排放，并通過生物能源結(jié)合CCS技術(shù)以及提高植物初級生產(chǎn)力促進(jìn)大氣中CO2的去除。

背景和意義

氣候變化帶來的溫度異常和極端降雨給自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康以及人類的生存和發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。碳中和是緩解氣候的變化的必由之路，也是21世紀(jì)全球主要環(huán)境目標(biāo)之一。合理地制定可持續(xù)的鹽漬化土壤復(fù)墾戰(zhàn)略并開發(fā)相關(guān)技術(shù)，擴(kuò)大耕地面積，增加鹽漬土壤碳匯功能，這對緩解氣候變化及助力我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有極高的戰(zhàn)略價(jià)值和環(huán)境意義。生物炭具有長期固碳和減少土壤溫室氣體排放的潛力，有助于提升土壤碳匯功能。可持續(xù)的生物炭系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng)，分別是生物質(zhì)生產(chǎn)子系統(tǒng)、熱轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)和土壤應(yīng)用子系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)可通過減少溫室氣體排放和促進(jìn)大氣二氧化碳（CO2）去除（CDR）來緩解全球氣候變化。因此，系統(tǒng)綜述生物炭修復(fù)鹽漬土壤實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的途徑，是目前鹽漬化土壤改良研究中的迫切任務(wù)。

Fig. 1 Biochar system on climate change mitigation

圖1. 生物炭減緩氣候變化的途徑

生物炭的可持續(xù)生產(chǎn)

近年來，大量廢棄生物質(zhì)采用不適當(dāng)?shù)幕厥占夹g(shù)(如填埋、直接燃燒)大大增加了溫室氣體排放。將廢棄物生物質(zhì)化為生物炭施用于土壤，可以減少土壤溫室氣體排放。由于超強(qiáng)的的持久性，生物炭在土壤中的碳礦化水平和非CO2溫室氣體排放量（CH4和N2O）比未熱解的生物質(zhì)低一到兩個(gè)數(shù)量級。此外，生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的生物油和生物氣可以作為化石燃料的替代品，結(jié)合碳捕集與封存（CCS）技術(shù)減少溫室氣體排放。大多數(shù)鹽漬土壤不適合作物生產(chǎn)，利用鹽漬土壤生產(chǎn)生物炭原料（主要指鹽生植物生物質(zhì)）可以緩解與糧食生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)土地的競爭。將鹽生植物（如堿蓬、苜蓿、蘆葦），或鹽生入侵植物（如互花米草），甚至是近海藻類廢棄物（如滸苔）轉(zhuǎn)化為生物炭，并將其作為鹽漬化土壤或其他邊際土地的改良劑，可能是加強(qiáng)廢棄生物質(zhì)資源合理利用以及增強(qiáng)土壤固碳能力一種雙贏的戰(zhàn)略。生物質(zhì)可以通過不同的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化為炭、生物油和合成氣。雖然在熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的生物能源可以作為化石燃料的替代品進(jìn)行循環(huán)利用，并且生物炭在應(yīng)用于土壤時(shí)具有很強(qiáng)的固碳潛力，但是如何最大限度地減少生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的額外碳足跡，以增強(qiáng)整個(gè)生物炭系統(tǒng)的負(fù)碳性，仍需進(jìn)一步研究。水熱碳化（HTC）由于無需對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)干燥處理，可以大大減少額外的能源投入和成本，從而有可能減少含水量高的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中額外的干燥脫水處理帶來的CO2排放。鹽生植物生物質(zhì)具有一定的生物能源產(chǎn)量，通過升級或預(yù)處理后可用作生物燃料或工業(yè)原料。此外，鹽生植物制備的生物能源還可以與CCS技術(shù)相結(jié)合來捕集和封存生物能源燃燒過程中產(chǎn)生的額外CO2。這種生物能源結(jié)合碳捕獲和儲存技術(shù)（BECCS）是IPCC認(rèn)可的最有前景的CDR技術(shù)之一。

生物炭對鹽漬土壤植物生長的影響

促進(jìn)植物生長和恢復(fù)初級生產(chǎn)力是鹽漬土壤修復(fù)的主要目標(biāo)，也是生物炭促進(jìn)CDR的重要途徑。生物炭可通過提高植物光合作用從大氣中去除額外的CO2。然而，盡管目前的研究在生物炭對植物生長的影響方面取得了很大進(jìn)展，但在鹽漬土壤中仍存在許多不確定性。生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、大比表面積、強(qiáng)穩(wěn)定性、豐富的含氧官能團(tuán)、豐富的多價(jià)陽離子(如Ca2+和Mg2+)以及高營養(yǎng)成分，可以改善土壤理化性質(zhì)，改變與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物群落以及提高植物的耐鹽性，進(jìn)而促進(jìn)鹽漬土植物生長（圖2）。本文通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)，生物炭可以使鹽漬土植物生產(chǎn)力平均提高29.3%。然而，由于生物炭本身高灰分和高鹽度的固有性質(zhì)，以及有害化合物和表面持久性自由基的存在，可能抑制鹽漬土壤植物的生長（圖2）。通過生物炭改性（如酸浸漬、共堆肥、共熱解和納米顆粒負(fù)載）或?qū)⑸锾颗c其他改良劑（如化肥、糞肥和木醋液）聯(lián)合施用，是解決其對植物生長負(fù)面影響的有效方法。

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

圖2. 生物炭對鹽漬中土植物生長的影響及可能機(jī)制

生物炭對鹽漬土壤溫室氣體排放的影響

生物炭在土壤中的應(yīng)用還可以通過降低土壤有機(jī)碳礦化和減少非CO2溫室氣體排放來緩解氣候變化。生物炭降低土壤CO2排放主要?dú)w因于引發(fā)負(fù)激發(fā)效應(yīng)、促進(jìn)土壤無機(jī)碳的形成、提高微生物殘?bào)w碳的積累以及促進(jìn)CO2在土壤顆粒間的吸附（圖3）。促進(jìn)土壤CO2排放的主要原因是添加初期引起的正激發(fā)效應(yīng)、生物炭不穩(wěn)定碳組分礦化以其礦化時(shí)引起天然SOM的共代謝。生物炭導(dǎo)致土壤CH4排放量的減少主要?dú)w因于土壤通氣性的改善、CH4在土壤顆粒間的吸附以及引起的與CH4氧化相關(guān)微生物群落豐度的增加（圖3）。促進(jìn)土壤CH4排放的主要原因是因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌提供額外的營養(yǎng)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?dú)w因于土壤通氣性增強(qiáng)、土壤pH值升高、N2O的吸附以及與土壤氮循環(huán)相關(guān)的微生物群落的變化（圖3）。促進(jìn)N2O排放的主要原因是生物炭為硝化菌和反硝化菌提供了外源底物(如NH4+、NO3-)。值得注意的是，生物炭對土壤溫室氣體釋放的直接和間接作用尚未很好地厘清，關(guān)鍵機(jī)制也需要在長期大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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

圖3. 生物炭對鹽漬土溫室氣體釋放的影響

未來研究方向

生物炭在鹽漬土壤中的應(yīng)用是助力碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一種有前景的策略，但是未來需要進(jìn)一步考慮以下研究（圖4）：（1）為了提高以鹽生植物生物質(zhì)為原料制備的生物炭在鹽漬土壤中的可用性，有必要進(jìn)一步探明這些生物炭的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用效果之間的關(guān)系。此外，應(yīng)進(jìn)一步考慮升級生物炭生產(chǎn)相關(guān)的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，以滿足“碳中性”或“碳負(fù)性”的要求，建議使用太陽能、氫能等清潔或低碳能源替代化石燃料或電力。（2）有效增強(qiáng)生物炭對促進(jìn)植物生長的積極作用是減緩氣候變化的有效途徑。開發(fā)功能性生物炭以及生物炭與其他鹽漬土壤改良技術(shù)的耦合應(yīng)用是未來重要的研究和應(yīng)用方向。（3）生物炭作為一種極具潛力的溫室氣體吸附劑，但其在真實(shí)復(fù)雜土壤環(huán)境中的吸附能力和機(jī)理仍需深入研究。（4）在應(yīng)用生物炭之前，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒?，如水洗或堆肥，以減少生物炭中有害物質(zhì)的含量以避免生物炭的負(fù)面影響。此外，還需要在現(xiàn)有生物炭標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立包括生物炭有害物質(zhì)含量和鹽漬土壤狀況的數(shù)據(jù)庫，以精確指導(dǎo)生物炭的應(yīng)用。(5)為了更好地促進(jìn)生物炭的商業(yè)化和市場化，應(yīng)采取適當(dāng)措施降低生物炭的生產(chǎn)和應(yīng)用成本。例如，開發(fā)生物炭副產(chǎn)品高價(jià)值利用途徑，開發(fā)生物炭的固碳價(jià)值，并將生物炭技術(shù)的碳減排量納入?yún)^(qū)域、國家乃至全球碳排放交易體系中，以使相關(guān)國家或企業(yè)通過生物炭的應(yīng)用抵消其碳排放額。

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

圖4. 生物炭應(yīng)用于鹽漬土壤以減緩氣候變化的未來研究方向

作者簡介

鄭浩

中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

中國海洋大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家高層次青年人才計(jì)劃入選者，山東省杰出青年基金獲得者。任中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會水處理與回用專業(yè)委員會委員，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會海洋環(huán)境保護(hù)專業(yè)委員會。獲山東省水處理協(xié)會科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、全國高校環(huán)境類專業(yè)本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文指導(dǎo)教師、2020年度 Environ. Sci. Technol.最佳論文獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。主要從事微塑料、抗生素抗性基因等新污染物的環(huán)境地球化學(xué)過程與污染控制、濱海鹽堿地的改良與固碳方面的研究。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目、海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研項(xiàng)目15項(xiàng)。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇。其中，以第一/通訊作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Int.、Chem. Eng. J.和J. Hazard. Mater.等環(huán)境領(lǐng)域頂尖期刊上發(fā)表SCI論文50篇。論文他引3000余次，4篇論文入選“ESI高被引論文”。以第一發(fā)明人授權(quán)國家發(fā)明專利6項(xiàng)。

邢寶山

美國麻省大學(xué)阿默斯特分校

麻省大學(xué)阿默斯特分校環(huán)境與土壤化學(xué)終身教授，麻省大學(xué)Distinguished Professor, 麻省大學(xué)農(nóng)學(xué)院主任。致力于污染物的環(huán)境地球化學(xué)和生物效應(yīng)研究，在Nature Nanotechnology、Biochar等期刊發(fā)表論文700余篇，H指數(shù)140，總被引量8萬余次。2014年至今，均入選全球“高被引科學(xué)家”。科學(xué)研究網(wǎng)站2023年評出的世界最杰出環(huán)境科學(xué)家中全美國排名15，全世界排名25。

劉強(qiáng)

中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

中國海洋大學(xué)博士研究生。主要從事濱海鹽堿地的改良與固碳方面的研究。以第一作者身份分別在環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Biochar、《地球科學(xué)進(jìn)展》等環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇，授權(quán)實(shí)用新型專利3項(xiàng)，主持研究生自主科研項(xiàng)目1項(xiàng)。