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＊宋青 袁楚齐 杨娅丹 梁媛
（1.苏州科技大学 商学院 苏州 215000 2.苏州科技大学 环境科学与工程学院 苏州 215000）
2021年10月《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出“实现碳达峰、碳中和，党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。”实现“双碳”战略需要“降低碳排放量”和“增加碳汇能力”双向发力。生态系统固碳是实现碳汇的主要途径。《2030年前碳达峰行动方案》指出要坚持系统观念，提高生态系统质量和稳定性，提升生态系统碳汇增量。《江苏省关于推进高质量发展做好碳达峰碳中和工作实施意见》也将“全面构建生态碳汇巩固提升体系”作为一项重要内容。
土壤是陆地生态系统中的重要碳库，在陆地生态系统碳库中占比达到90%以上，约为植被碳库的3～4倍、大气碳库的2～3倍[1]，储量大和驻留时间长使土壤成为一个巨大的碳库，对于减缓大气圈中的碳循环具有重要作用；
同时，土壤有机碳的矿化作用是土壤排放CO2的主要途径。因此，生物炭施入土壤后，通过提高土壤的有机碳的含量，降低土壤有机碳的矿化作用强度来实现其固碳减排作用。目前已开展了国土空间管制、退化生态系统恢复等途径增加生态固碳，但林地面积增加所产生的碳汇能力难以抵消建设用地增加所带来的碳源，急需拓展生态系统固碳增汇的途径。生物炭是通过在限氧条件下热解生物质而制备出的可持续的富含C的热解产物[2]，可将生物质废弃质中可分解碳转化成高芳香性碳，是一种高效环保的固碳材料[3]，有效增加土壤单位面积的固碳增汇能力和碳稳定性，且并不改变土地本身的种植结构。和传统的物理固碳技术相比，生物炭固碳技术是一种具有原材料来源广泛、生产成本低、高效低耗、生态友好安全、可大面积推广等显著特点的碳削减技术。
生物炭被认为是一种有潜力的固碳减排途径[2]，其固碳技术的本质是将生物质内原本在短时间内将降解返还给大气的碳素以稳定的生物炭形式保存下来。生物炭的稳定性直接决定着生物炭的固碳效果。生物炭高度碳化且主要由芳香环结构和烷基成分组成，这种结构特点决定了它比其它来源的母体碳具有更高的化学稳定性、热稳定性和生物稳定性，具有很强的抵抗微生物的能力。通常情况下，生物质中的有机碳基本来源于光合作用向大气固定的碳，再通过呼吸作用和分解作用以CO2的形式返还给大气，构成碳循环[2]；
将生物质热裂解为生物炭，可以将其中大部分的碳羧合为稳定的芳香碳骨架[4]，从而长时间稳定的保留。生物炭的平均停留时间高达几百至上千年[5]，可溶性极低，溶沸点极高，稳定性强，抗物理、化学及生物分解能力强，在长期显着提高土壤有机碳固存方面表现出巨大的潜力[6]。
在生物质热解之后，约50% C可以保留在生物炭中，并且其中的大约10%将通过氧化或矿化进一步释放[7]，这部分保留碳可作为碳汇施入农田。Liu等[8]研究秸秆炭化还田对土壤固碳能力的影响发现，施用由秸秆衍生的生物炭还田比普通秸秆还田具有更高的土壤固碳潜力。研究表明，施入8t/ha秸秆生物炭4年后，农田中土壤有机碳增长39.7%[9]。有研究表明，如果将我国粮食作物秸秆完全转化成生物炭可以降低我国的碳排放总量的13.2%[8]。李飞跃等[10]根据实验室条件下秸秆转化为生物炭的产率及碳含量，估算了中国粮食作物秸秆转化生物炭后固定碳的量，发现2001—2010年中国粮食作物秸秆转化生物炭的固碳量平均为0.96×108t，《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》指出中国1994年CO2净排放量为26.66×108t（折合碳约7.27×108t）[11]，即若把中国粮食作物秸秆全部转化为生物炭可减少中国13.2%的碳排放量
生物炭在有效固碳的同时，还可以通过与土壤的相互作用减少土壤CO2的排放。大量的研究证实，添加生物炭可以通过改变土壤结构、聚集体分布、亲水性、微生物群落和根系发育来影响土壤CO2释放[12-13]，是一种有效减缓气候变化的途径。Okimori等[14]表示，采用高温热解的方法将作物秸秆残渣制备成秸秆生物炭，应用于土壤中进行贮存，减少的二氧化碳排放量为2.3×105t。2018年，Ramlow等[15]探究了慢速热裂解生产的木质生物炭对4种不同土壤CO2排放情况的影响，研究结果表明当生物炭投加量为25t/ha时，每年可提供0.58～1.72t CO2/ha的减排量。Woolf等人[16]粗略估算了生物炭的固碳潜力，发现生物炭每年能固定1.8Pg CO2-C，相当于每年人为排放温室气体的12%。
生物炭产率和含碳量是体现生物炭固碳减排潜力的关键参数，利用炭产率及含碳量即可估算出生物炭的固碳减排潜力。根据文献统计得到的生物炭产率和含碳量以及生物质材料的可利用量，王琳[17]使用的利用方程式（1）计算得到，我国每年从作物秸秆、木质废弃物、家禽粪便、污泥和藻类共五大类生物质废弃物生产生物炭可固碳约2.86±0.40亿吨碳。利用该方法及方程式计算得到作物秸秆生物质的生产固碳潜力值。
式中，P为生物炭固碳每年可抵消CO2排放的潜力（亿吨）；
Mi为生物质每年可利用量（亿吨）；
Yi为生物炭产率估算值（%）；
Ci为生物炭碳含量估算值（%）。
结合查阅相关文献资料和数据，总结估算出我国粮食作物秸秆生物炭产率（表1）和每年生物质可利用量（表2），从而用公式（1）估算我国粮食作物秸秆生物炭固碳减排潜力约为4.78×108t。
秸秆可利用量及含碳量是估算秸秆直接还田固碳潜力的关键参数。通过查阅相关资料，总结出2020年中国粮食作物产量（表2）以及秸秆直接还田含碳量（表3）。通过以下公式估算我国粮食作物秸秆直接还田固碳潜力：
表3 粮食作物秸秆直接还田含碳量
式中，P2为秸秆直接还田固碳每年可抵消CO2排放的潜力（亿吨）；
Mi为农用生物质每年可利用量（亿吨）；
C为秸秆还田碳含量估算的平均值（%），假设秸秆直接还田使有机碳固定于土壤中的比例为10%[18]。
根据表1和表2的数据，通过公式（2）求出我国秸秆直接还田固碳潜力约为0.92×108t/a。同时，生物炭还田固碳减排潜力约为4.78×108t/a，显著高于作物秸秆直接还田。
表1 粮食作物秸秆可利用量及衍生生物炭产率、含碳量
表2 我国粮食作物秸秆可利用量
“双碳”目标的提出,彰显了我国作为负责任大国在国际社会“应对气候变化”中的担当与承诺。而农业碳排放的管理与“双碳”目标密切相关，总结农田土壤固碳减排管理措施，有利于达到固碳减排的目标。
（1）农田土地利用结构的合理化。可以通过合理布局、调整种植结构、扩大生物炭还田面积及免耕技术应用范围、注重有机肥与厩肥配施等途径发展可持续农业以实现土壤固碳减排能力进一步提升。
（2）强化农田生物固碳减排技术，主要措施为利用原料生产生物炭。生物炭在降低温室气体排放、增加农田产出等方面显示了巨大的潜力，可以通过规模化应用保持农田可持续发展。重金属是农田土壤中主要污染物之一，随着农业生产水平不断提高，大量使用农药、化肥，使得农田中重金属含量增加，生物炭应用于农田土壤，可以减少重金属离子富集，改善土壤品质。生物炭的多孔结构，使生物炭吸水、吸气能力较强，有利于保水保肥。
（3）相对于生物炭单施，生物炭配合其他物质施用（如：化肥[22-23]、作物残余物[24]等）对作物根系活力及土壤理化性质有较好的改善作用。化肥是农业生产不可缺少的物质，但化肥利用率普遍偏低并且会污染农田土壤，生物炭与化肥混合施用，不仅能保持生物炭的原有性能，还可以缓释肥效，提高化肥利用率，减少化肥用量。
（4）“优能减排”。即在优化农业产能的基础上，调整粮食作物的种植结构，采用水肥一体化技术达到农田温室气体减排[25]。该项技术可根据农作物生长各个阶段的养分需要及土壤养分供应情况，把融合在一起的水肥及时，定量，均匀，准确地运至作物根部土壤中，具有节工，节水，节肥，节药，高产，高效，优质，环保等优点。
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