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| 2023-07-31 | |
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溫室氣體減排和碳生態(tài)封存是應(yīng)對全球變暖的兩個關(guān)鍵過程。生物炭可以在土壤環(huán)境中長時間穩(wěn)定存續(xù)進行直接碳封存，還可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)和優(yōu)化微生物群落、減少土壤中溫室氣體排放、促進植物源碳的固存。目前，生物炭已經(jīng)成為促進土壤生態(tài)固碳以及溫室氣體減排領(lǐng)域的研究熱點。但是，生物炭在進入土壤后的穩(wěn)定機制、對土壤碳源的激發(fā)效應(yīng)（圖1）、對溫室氣體排放和養(yǎng)分循環(huán)的影響機制、土壤應(yīng)用等核心限制因素方面的認知差距制約了生物炭材料在土壤中的安全應(yīng)用。中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心劉振剛課題組針對上述研究進展撰寫了“Carbon sequestration strategies in soil using biochar: Advances, challenges, and opportunities”的綜述論文和“Hydrochar: A promising activator for legacy phosphorus in soil”的觀點論文，近期分別發(fā)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(huán)境中關(guān)鍵反應(yīng)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(nèi)涵；系統(tǒng)比較了熱解炭、水熱炭在土壤環(huán)境不同穩(wěn)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(fā)效應(yīng)作用機制等關(guān)鍵問題。首次提出土壤環(huán)境中有效態(tài)C/N化學計量比是影響生物炭穩(wěn)定性和有機碳在土壤環(huán)境轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素的觀點（圖2）；全面闡述了生物炭中氮形態(tài)轉(zhuǎn)化對土壤生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的重要貢獻；通過對生物炭在土壤應(yīng)用閾值、經(jīng)濟成本等方面限制生物炭在土壤固碳應(yīng)用因素的分析，建議開展應(yīng)用生命周期評價方法指導生物炭的固碳應(yīng)用、降低其環(huán)境風險的相關(guān)研究。
圖2. 生物炭中氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化及化學計量C/N對生物炭誘導土壤激發(fā)效應(yīng)影響的示意圖 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(tǒng)，加強微觀機制與長期田間試驗相結(jié)合的研究，完善生物炭整個生產(chǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益之間的權(quán)衡分析；同時，研究工作應(yīng)遵循科學數(shù)據(jù)FAIR共享原則，提高試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。最后指出：生物炭并非農(nóng)田土壤實現(xiàn)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(jù)土壤特性施用合適種類和用量的生物炭，有望實現(xiàn)促進土壤固碳和提高土壤生態(tài)的雙贏，從而助力土壤生態(tài)功能提升和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和。 遺留磷是過量施肥而在土壤中盈余累積的磷，提高遺留磷利用效率是緩解當前磷資源短缺同時保障糧食安全的最重要途徑。水熱炭化作為有機固廢資源化重要的負碳技術(shù)，處理過程可將有機固廢中作物難以利用的有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷；水熱炭富含的活性有機碳，可通過絡(luò)合金屬陽離子、競爭吸附位點抑制磷在土壤界面吸附等作用釋放土壤固定的磷；同時，水熱炭可通過提升土壤微生物種群和磷酸酶活性，觸發(fā)激發(fā)效應(yīng)和酶促反應(yīng)，促進土壤中與有機碳結(jié)合的有機磷的礦化分解，提高土壤遺留磷（酶解）活化和生物有效性�；诖耍覀兲岢鏊疅崽坑型谔岣咄寥肋z留磷的有效性和利用效率、實現(xiàn)土壤遺留磷和有機固廢高效循環(huán)利用等方面的發(fā)揮重要作用（圖3）。
圖3. 土壤遺留磷循環(huán)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(chuàng)新工程等項目資助。兩篇論文的第一作者均為羅磊副研究員。 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 |
