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| 2023-07-31 | |
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溫室氣體減排和碳生態封存是應對全球變暖的兩個關鍵過程。生物炭可以在土壤環境中長時間穩定存續進行直接碳封存，还可以通过改善土壤结构和优化微生物群落、减少土壤中温室气体排放、促进植物源碳的固存。目前，生物炭已经成为促进土壤生态固碳以及温室气体减排领域的研究热点。但是，生物炭在进入土壤后的稳定机制、对土壤碳源的激发效应（圖1）、对温室气体排放和养分循环的影响机制、土壤应用等核心限制因素方面的认知差距制约了生物炭材料在土壤中的安全应用。中国科学院生态环境研究中心刘振刚课题组针对上述研究进展撰写了“Carbon sequestration strategies in soil using biochar: Advances, challenges, and opportunities”的综述论文和“Hydrochar: A promising activator for legacy phosphorus in soil”的观点论文，近期分别发表在Environmental Science & Technology（doi: 10.1021/acs.est.3c02620）和Resources, Conservation & Recycling（2023, 197, 107113）期刊。
圖1. 生物炭在土壤環境中關鍵反應過程和影響因素 綜述論文首先厘清了生物炭（biochar）（熱解炭（pyrochar）和水熱炭（hydrochar））的定義內涵；系統比較了熱解炭、水熱炭在土壤環境不同穩定性及主控因素；詳細探討了熱解炭和水熱炭誘導土壤有機碳分解的激發效應作用機制等關鍵問題。首次提出土壤環境中有效態C/N化学计量比是影响生物炭稳定性和有机碳在土壤环境转化的关键因素的观点（圖2）；全面闡述了生物炭中氮形態轉化對土壤生態系統溫室氣體排放的重要貢獻；通過對生物炭在土壤應用阈值、經濟成本等方面限制生物炭在土壤固碳應用因素的分析，建議開展應用生命周期評價方法指導生物炭的固碳應用、降低其環境風險的相關研究。
圖2. 生物炭中氮素形態轉化及化學計量C/N对生物炭诱导土壤激发效应影响的示意圖 基于生物炭在土壤固碳減排研究，未來研究需要基于生物炭-土壤-植物系統，加強微觀機制與長期田間試驗相結合的研究，完善生物炭整個生産和應用系統的生態效益和經濟效益之間的權衡分析；同時，研究工作應遵循科學數據FAIR共享原則，提高試驗數據的質量和完整性。最後指出：生物炭並非農田土壤實現碳中和的唯一解決方案，碳封存也不是生物炭在土壤中的唯一目的。根據土壤特性施用合適種類和用量的生物炭，有望實現促進土壤固碳和提高土壤生態的雙贏，從而助力土壤生態功能提升和實現農業碳中和。 遗留磷是过量施肥而在土壤中盈余累积的磷，提高遗留磷利用效率是缓解当前磷资源短缺同时保障粮食安全的最重要途径。水热炭化作为有机固废资源化重要的负碳技术，处理过程可将有机固废中作物难以利用的有机磷转化为无机磷；水热炭富含的活性有机碳，可通过络合金属阳离子、竞争吸附位点抑制磷在土壤界面吸附等作用释放土壤固定的磷；同时，水热炭可通过提升土壤微生物种群和磷酸酶活性，触发激发效应和酶促反应，促进土壤中与有机碳结合的有机磷的矿化分解，提高土壤遗留磷（酶解）活化和生物有效性。基于此，我们提出水热炭有望在提高土壤遗留磷的有效性和利用效率、实现土壤遗留磷和有机固废高效循环利用等方面的发挥重要作用（圖3）。
圖3. 土壤遺留磷循環及水熱炭的潛在影響作用機制 以上工作得到了國家自然科學基金和山東省重大科技創新工程等項目資助。兩篇論文的第一作者均爲羅磊副研究員。 論文鏈接詳見： https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.3c02620 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344923002495 固體廢棄物處理與資源化實驗室 2023年7月31日 |
