Johannes Lehmann：生物炭在减缓气候变化中的作用

摘要：减缓气候变化既需要减少温室气体排放，也需要回收大气中的二氧化碳（CO2）。在本综述中，我们基于应用于土壤和可再生能源的热解生物炭总结了生物炭体系的减排作用和回收CO2之间的关系。在全球范围内，生物炭体系可以减少3.4-6.3PgCO2e的排放，其中一半用于回收CO2，而生物炭所具有的减排和回收大部分CO2的能力是由于其比生物质的持久性长1-2个数量级。然而生物炭的制备、应用和产能之间存在着权衡协同关系，这种权衡取决于生物炭将替代何种能源。相对于生产生物能源，当生物炭替代煤炭时，生物炭体系的温室气体排放量增加3%，而当生物炭替代可再生能源时，排放量则减少95%。目前，添加肥料和生物炭引起作物产量的增加之间缺乏明确的关系，这表明生物炭在单独施肥作用不大的情况下可能增加作物产量，但也要根据已知的肥料响应提出全面的建议。地方政策则需要认识到这些权衡协同关系以建立碳交易机制，促进并落实与减缓气候变化需求相称的措施。

一、介绍

早在15年前，减缓气候变化的全球战略就已提出使用生物炭作为土壤改良剂以减少温室气体排放和回收CO2，并在过去的十多年中得到了广泛深入的研究。生物炭是生物质通过缺氧热化学转化的热解过程而产生的一种高含碳量，低氧、氢含量的环境持久性材料，其热解过程还可产生气体和可冷凝挥发物等可回收的热量和燃料。本综述深入阐释了生物炭持久性的生物地球化学机制以及其影响土壤中CO2、一氧化二氮（N2O）、甲烷（CH4）排放和植物生长及吸收CO2等方面的科学研究进展，并探讨能源生产和碳封存之间的权衡利弊关系。温室气体减排和回收CO2之间的后续平衡主要取决于是优先考虑能源生产以取代化石燃料，还是通过选择原料类型和生产条件来处理生物炭，这可以导致不同系统级的气候减缓结果。因此，本文以优化减排、回收CO2和非气候效应（作物增产）为出发点着重阐述研究的重点之处和政策应对机制。

1.1 生物炭效应与气候的关系

生物炭减缓气候变化的效果不仅取决于其材料特性，还取决于其生产和使用过程中温室气体的产生与分布。CO2、N2O、CH4和烟尘排放的减少与回收CO2之间存在的重要区别如图1所示。生物炭体系可通过以下3种方式影响温室气体排放和回收CO2：（1）与未热解生物质相比，生物炭本身的碳矿化量和非CO2排放量减少；（2）生物质热化学转化过程中相关排放和生物炭用于生产能源时通过碳捕获和碳储存避免化石燃料使用过程中温室气体的排放；（3）土壤中添加生物炭可促进植物生长（在植物中储存额外的碳）、降低土壤中的非CO2温室气体排放和减少土壤有机质的矿化。生物炭对气候的直接影响与其全生命周期过程中的运输、储存和使用有关，但目前的研究表明这些对温室气体整体库存的影响很小。生物炭对气候变化的间接影响则是由于因种植作物引起的土地利用情况变化、处理生物质方式（运输、储存和填埋）的改变、土地灌溉需求的减少以及肥料需求或反照率的变化等引起的。这些间接影响在不同的生物炭体系之间差异很大，但新出现的模式表明，通过使用可持续来源的再生或真正的废弃生物质原料，生产生物炭过程中每吨生物质减少的温室气体（CH4和N2O）排放量在0到1.6tCO2e不等（以CO2、CO2e的当量表示），而由于CH4排放的巨大升温潜力，将生物炭代替未热解的残留物添加到水稻中可减少高达3.9tCO2et-1生物量的排放。

如图1所示，所有这些影响都改变了温室气体的排放，但回收大气中的CO2仅通过以下四种直接方式：（1）与未热解生物质相比，热解后的生物质持久性更高（温室气体净减排量的48-54%)；（2）土壤中添加生物炭后促进植物的生长(8%)，增加的生物量可转化为生物炭或其他长效碳产品；（3）减少现有土壤有机碳矿化的同时增加新植物残体的保留量（通常称为负激发效应，范围在4-6%之间）；（4）热解过程产生的气体和液体存在潜在的碳捕获和储存能力。

1.2 生物质来源和生物炭生产

生物炭体系中每单位生产生物炭的减缓气候变化潜力方面的最大差异源于生物质来源的选择。假设一个极端情况，如果用于生产生物炭的森林在收获后不会再生，那么利用森林中活生物量进行碳储存时会释放大量CO2。因此，将森林生物质用于生产生物炭和其他热解产品时应仅限于可持续管理的森林，以确保现有森林的空间范围和生产潜力不会减少或者能继续增加更好，同时也不会减少采后残留物如工业废弃物等。如图2所示，当专门用于生产生物炭的生物质收获后再生长时，随后的再生长、生物炭生产和应用循环可以随着时间的推移建立越来越多的碳储存。虽然未经热解就会自然分解的生物质原料如枯枝落叶在其分解时释放CO2的速度比热化学转化慢，但与热解碳持久性的大幅增加相比，大部分农业废弃物的分解时间在以年计的时间尺度上，因此构成了低碳债务。通常在垃圾填埋场、粪肥贮存和残渣焚烧过程中生物质短期内生成CO2，N2O、CH4或碳烟时的减排效果达到最大。因此，回收富营养废弃物如排泄物等作为生物炭原料是一个很好的减排契机，即使降低了植物可利用氮的回收率，但可将其他营养物质返回农田，并有利于管理水质、病原体和有机污染物。

在全球或局部区域尺度上，生物炭减缓气候变化总潜力的最广泛差异源于土地和生物质用于分配生产生物炭的多少。当仅将有机残留物和废弃物（不包括作物）用于生产生物炭时，其减排潜力约为2.4–3.9 PgCO2e yr-1，其中44–49%为回收CO2。如果将一年生和多年生作物种植在未成为城市、森林或牧场的弃耕地上，而且6%的牧场能转化为无饲料损失的多用途农林业时，其减排潜力将增加40–64%，可达到3.4–6.3 PgCO2e yr-1，减排潜力为回收CO2的49–59%。增加作物生长所节省的土地可能会增加CO2回收量，但目前缺少确切的研究。假设热带或亚热带地区作物增长25%的情况下，单靠专门用于生产生物炭的作物即可在生物炭中储存2.3 PgCO2e yr-1，再加上碳捕捉和碳封存(平均2020–2100年)可获得1.7 PgCO2e yr–1，可使全球减排潜力增加到7.4–10.3 PgCO2e yr-1，其中5.7–7.7 PgCO2e yr-1或75–77%的净减排量为CO2回收量。

1.3 生物质的持久性

实施生物炭体系的净CO2回收量通常取决于生物炭的持久性。不仅生物炭的微生物碳矿化量比未热解残渣减少了1–2个数量级，而且在450℃以上热解时，还可避免还原性条件下添加到土壤中的有机质排放N2O和CH4。

生物炭中碳持久性的增加可以通过分子组成的根本变化来解释，特别是稠合芳族结构比例，其随着热解时间的延长和原料灰分含量的降低而增加。如图3a所示，稠合芳族结构的比例可以通过碳与氢或氧原子的相对量来估算，因为在芳环的融合过程中氢和氧都会被碳取代。

因此，如图3所示，氢与有机碳（H/Corg）氧与有机碳（O/Corg）的原子比可用于预测生物炭矿化的程度：测试表明，95%H/Corg< 0.5的生物炭在100年后的碳持久性可超过50%，平均为82%。对各种氧化剂的抗性结果反映了易矿化组分的比例的变化，这可以用来预测生物炭在数周至数月内的矿化。为了预测生物炭在百年时间尺度上的持久性，生物炭的快速矿化和慢矿化部分差异很大，需要至少在一年的时间尺度内使用同位素示踪重复测量矿化或剩余的生物炭以进行单独量化。

在百年时间尺度上，观察到的不同生物炭持久性差异的重要性低于生物炭和未热解生物质之间持久性差异的重要性（图3）。不管80%或90%的生物炭在100年后是否依然存在，其生命周期内减排量的差异都小于10%。如果生物炭用于制作建筑材料等持久性长的产品，只要产品不燃烧，其碳汇是安全的。而且侵蚀、淋溶和底土掩埋可以减少生物炭的矿化，其程度取决于侵蚀和沉积条件。

1.4 土壤中的CH4和N2O排放

土壤中添加生物炭后，非生物炭C、N源的CH4和N2O排放也可能发生变化。在饱和条件下，泥炭土中释放CH4过程发生在电子快速传递的位置，且由于添加生物炭后植物根际甲烷氧化菌活性增加，添加生物炭后CH4的净排放降低量高达50%，但是在水稻土的平均响应中并没有表现出明显的趋势。在排水良好的条件下，富含灰分的生物炭减少了CH4消耗量，这可能是因为灰分增加了土壤溶液中的电导率从而阻碍了甲烷氧化菌的活动。相比较而言，高温热解的木质生物炭添加到土壤后导致的CH4净消耗量增加归因于气体扩散能更好地扩散，并且厌氧条件下可能通过生物炭的稠合芳环结构进行电子传递。

有研究表明，施用生物炭的第一年土壤N2O排放量平均减少了38%，并且前几年记录的净排放量减少了10%以上。N2O排放量较低是多种机制共同作用的结果，这些机制在一定程度上包括了瞬态微生物氮固定或非生物保留机制，但微生物将N2O还原为N2是最有可能的多年效应。这种微生物还原作用可源于N2O还原酶基因能更好的表达，这是因为高温热解生物炭的pH升高，其表面官能团电子传递能力增强，并可通过生物炭的融合芳香环结构促进电子传递。将N2O转化为N2从而避免排放N2O是一种永久性的缓解效益，因为N离开土壤体系的后其反应过程不可逆。高温生物炭的持久性也意味着N2O排放量的净减少可能会在生物炭的整个生命周期内持续下去，即使随着时间的推移，生物炭的氧化作用导致其电子传递能力可能会降低，目前的荟萃分析并未明确证实这种作用导致的N2O排放量降低。然而，通过减少氮淋失或减少生物炭释放氨和NO而同时间接减少N2O排放量的量化并不多。

1.5 原生土壤有机碳矿化

土壤中添加生物炭后，在最初几周的短期内，土壤有机质的矿化通常因为正激发效应而增加，但两年以上的长期以后会因为负激发效应而减少，平均减少4%。添加生物炭的6–10年土壤有机质的矿化出现负激发效应，平均为0.5–1.2 tC ha-1yr-1 (1.7–4.4 tCO2e ha-1yr-1)，且在几百到几千年前富集于生物炭类材料的土壤中。因此，由于添加生物炭而引起的负激发效应对回收CO2来说可能是一个重要的贡献，它可能比许多其他土壤管理措施的贡献更大，这通常导致固存率<0.2 tC ha-1yr-1 (<1 tCO2e ha-1yr-1)。

原生土壤有机质矿化程度较低的主要原因是有机化合物能被稳定地吸附到生物炭上，而450°C 以上温度热解生产的生物炭具有高表面积和碳含量，从而进一步促进了有机化合物的稳定化。因此，生物炭作为一种新的反应界面与公认的土壤有机质稳定机制一致。

当比较等量未热解有机质的激发效应时必须考虑到该有机质将应用于田间。在此研究中，同位素法不可或缺，甚至可能需要区分三种碳源的方法，即生物炭、原生土壤有机质和植物或其他有机质的输入。需要进行长期研究，包括涉及重复应用的研究，以确定这种额外碳积累可能达到的上限，并应考虑与无机碳的相互作用。当然还需要进行长期试验，包括涉及重复应用的试验以确定这种额外碳积累可能达到的上限，并应考虑其与无机碳的相互作用。

1.6 植物生长与回收CO2的关系

生物炭对植物生长的影响很重要，原因有以下三点：植物光合作用的增强会从大气中去除额外的CO2；更高的作物产量可以成为采用该技术的激励机制；基于陆地的气候变化减缓战略，提高生产力可以节约土地利用率，从而增加地球有限陆地表面整体的减排潜力。有研究数据表明，在大田和温室进行栽培试验的作物平均产量增加9-16%，田间进行的施肥试验增加15%，其增加幅度与同一地点的肥料效应相当。然而，添加生物炭导致的作物产量增加并没有完全按照土壤类型分开讨论，如图4a所示，也与无机肥料的效应无关，这表明生物炭的效应不能通过肥料效应来预测，但生物炭可能是一种有价值的补充方法。而土壤–作物–生物炭相互作用是可预见的，例如将高pH生物炭添加到酸性土壤时会产生正响应，在中性或碱性土壤中则没有效果。然而，pH<9的生物炭改良剂中生长的作物数据表明生物炭能被应用于酸性土壤之外的土壤，且施用率<2 t ha-1的生物炭基肥料可提高对传统肥料无响应的作物产量的实例表明生物炭有可能替代传统肥料。

填补作物产量差距或修复矿地和退化土地也许会提供最有可能的途径来使用土壤有机碳累积（包括生物炭）对回收CO2回收量产生正激发效应，但这依赖于农民、工业和消费者的集体行为。提高产品质量可能会成为农民在土壤管理措施中使用生物炭的一种额外激励机制，但这一点却很少受到关注。

1.7 回收CO2和温室气体减排的关系

回收CO2与减排之间的关系在土壤有机碳的替代缓解气候变化策略有所不同。随着生物炭在全球范围内的广泛应用，土壤有机碳累积的净减排量与CO2回收量的比率往往大于1，这表明了没有碳捕捉和碳封存且人工林利用率较低情况下次级温室气体的正反馈效应。相比较而言，全球范围内采用改良农田管理措施的净减排量与土壤CO2回收量的比率则较低。在另一种极端情况下，碳当量的基础上的退耕还湿表现出比CO2回收量更低的减排量，因为在饱和环境中随着土壤有机碳含量的增加，CH4和N2O的排放量通常也会增加，而添加生物炭的处理可能是个例外。这些关系说明了土壤回收CO2与温室气体减排之间存在潜在的权衡协同作用，我们需要认识到非线性以及这之中关系对植物生长、土壤温室气体排放的直接影响和对土地利用变化的间接影响。因此，应采用建模且包括但不限于综合评估模型来捕获生物炭与其他土地利用方式之间相互作用，以生成可靠的分析结果。

如图5所示，我们区分了五种普通的生物炭体系类型：能源生产最大化、作物产量最大化、碳捕捉和碳封存、没有或低能源生产、使用不可再生生物质。这些生物炭体系之间的主要区别有三点：（1）如果不转化为生物炭，生物质的去向及其相关排放（图1中的生物质亚系统）；（2）转换效率(单位原料产生生物炭量)以及产生哪些物质或能源产品并用于碳储存，如图一所示生物炭与回收可作为碳捕捉和碳封存方法的一部分；（3）施用生物炭对植物生长和土壤排放温室气体的影响。

图5表明生物炭体系的减排量略大于土壤CO2回收量，这意味着减排量超过了生物炭固存量；这很大程度上源于避免了生物质引起的排放量（如生物质还田或水稻产生的甲烷排放）和土壤N2O、CO2排放量的减少。通过减少土壤中非CO2排放（CH4和N2O）或替代排放较高的能源(用煤代替天然气)，可以在相同CO2回收量条件下下实现较高的减排量。同时提高CO2回收量和减排量需要更高的作物产量才能提升土壤利用率或是产生负激发效应。

由于生物炭和生产能源之间存在负相关关系，以牺牲生物炭生产为代价增加能源产出以取代化石燃料排放将降低CO2回收量（除非使用碳捕获和储存来固定碳）。由于较少的能源生产有利于生物炭生产从而减少了土壤的温室气体排放，生物炭体系的潜在全球减排量比生物能源替代化石燃料的减排量高22-27%，这种效果在土壤肥力较低或非CO2排放较高的地区更好。

如图5所示，随着生物炭持久性降低和正激发作用的增强，排放量和CO2回收量降低的幅度会逐渐变小。与低CO2回收量类似情况的低减排量是生物炭系统没有机会产生或利用能源的结果，这种情况可能是高度分散的小型野外转换系统或在偏远地区收获生物质以防止火灾或管理入侵物种所导致的。因此，必须从生物炭的整个生命周期和生态学的视角对利用更新速度较慢或热解而不捕获能量的生物质加以考虑，以确定其是否为可行的减缓气候变化的途径。

1.8 碳核算和碳交易

验证各种温室气体减排量和CO2回收量及其货币化需要一个碳核算体系对生物炭应用与常规交易进行比较，其中生物炭得以应用包括土壤改良或处理未热解有机废弃物。在一定程度上可以在拐点监测生物炭体系的减排量（CO2回收量和/或减排量）。相比于原位测算或模拟土壤碳累积/温室气体排放模型，计算转化的量和生成的生物炭性质成本更低，变量更少，因而更易于出具报告。对于更广泛的国家或全球范围内的碳核算，生物炭的持久性可以从其热解温度来估算，且在项目规模或货币化的交易系统中可以根据H/C直接测量生物炭的持久性。矿化速度较快的生物质转化为缓慢矿化的生物炭后应用于土壤、饲料、建筑或路基的过程是不可逆的，这在百年的时间尺度上可以被认为是永久性的碳去除，但对于应用于土壤或建筑材料的结果必须加以进一步的验证。所有的温室气体排放量（包括N2O和CH4）和碳存量的变化都需要估算，如图6所示，大多数情况下可以保守忽略土壤中的排放量，但必须监测生物质和生物炭的生产利用情况。

关注碳交易杠杆中生物炭体系的CO2回收量而不是单纯的温室气体减排有助于验证易分解生物质转化为持久性生物炭的可靠性，而仅关注生物炭体系的回收CO2市场可能比温室气体减排成本更高。此外，从2019年到2020年，与基于自然的解决方案相关碳价格上涨了30%，而与同期可再生能源相关的碳价格下降16%，这表明包括但不限于水质或生物多样性等环境互惠的协同效益是目前市场所青睐的。

温室气体排放的周期变化必须得到验证，任何系统层面的净排放量都必须从碳排放的续存量中扣除。图6B表明我们还需要进一步确定周期内的碳减排是否可靠并具有成本效益，以补偿转换期间的排放。生物质分解过程和生物炭本身CH4排放的差异很容易被验证，但仅在特定的种植模式中存在相关性，比如淹水的稻田系统（图6E）。如图6H所示，考虑到另一种极端情况，本土有机碳的负激发效应可能是额外的一个回收CO2途径，由于验证成本很高，这依赖于待开发的模型来进行验证。

有研究表明，多数情况下用于生产生物炭的生物质可以单独或部分用于生产能源产品，比如通过燃烧产生生物电或热来转化生物质原料或使用生物炭作为煤炭一样的燃料。然而替代不同燃料类型来发电产生的减排量差异很大：如果替代的是煤炭，则生产生物炭的排放量会升高3%，替代的是石油或天然气，排放量将降低21-29%，而如果替代的是太阳能、风能或核能，则排放量降低95%。因此，生物炭用于能源生产而不是碳封存是否导致更大的温室气体减排取决于当地实际情况。随着能源系统日益脱碳，与利用生物质发电相比，生产生物炭将变得越来越有利。

用于固碳的生物炭也必须与任何能源产品进行市场价值竞争。将燃气压缩、冷凝或生物转化可以使其生成液体以便于运输，这个过程可能比提高作物产量的效益更高。与应用于土壤中的生物炭相比，碳交易市场只重视碳减排以及运输液体燃料具有更高的商业价值，这将在大多数情况下为生产回收CO2的能源产品提供激励机制。然而一旦交通运输行业脱碳或者无法生产和利用能源产品时（比如偏远地区），这样的市场激励机制就会对生物炭和CDR倾斜，碳交易市场就会以高于碳减排的价格对回收CO2进行估值。

二、展望

生物质热解前与其他转化技术相结合如厌氧消化、热解转化过程中产生的碳封存与碳捕捉或不做土壤中无机碳是加强生物炭系统减缓气候变化效益的新方向。木质生物炭和富营养废弃物或硅酸盐岩粉可与常规矿物或有机肥配成商品颗粒肥料，以便利用现有的全球肥料供应网络在每次施肥时回收CO2。生物炭的非土壤用途如动物饲料、建筑材料、储能、催化剂等和可压缩气体或不可压缩气体如生物塑料和微生物食品的非能源用途如生物塑料和微生物食品能够降低实施生物炭的经济障碍，但这需要进一步探究以确定其减缓气候变化的效果和经济价值。

我们不仅要减少温室气体排放，也要减少大气中的CO2排放，随着这种需求的迫切性愈发明显，我们应对除减缓气候变化以外的生物炭或其他回收CO2方法对环境和社会产生的广泛影响进行批判性评价。进行全球范围内的社会讨论是我们需要优先考虑的方法，比如我们是否更看重土壤中的持久性有机碳而不是注入到地质构造中的碳，回收CO2是否比温室气体减排更为重要，以及政府市场和消费者如何建立有效的激励措施和治理框架。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41561-021-00852-8