生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用

作者:poker下载地址 发布时间:2020-07-26 14:37

  生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用_生物学_自然科学_专业资料。生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用 【摘 要】农业是温室气体的第二大排放源,同时也是巨大的 “碳汇”,生物 炭在土壤中高度的稳定性起到良好的“碳封存”效应, 其在全球尺度上碳封存潜力 可达 0.

  生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用 【摘 要】农业是温室气体的第二大排放源,同时也是巨大的 “碳汇”,生物 炭在土壤中高度的稳定性起到良好的“碳封存”效应, 其在全球尺度上碳封存潜力 可达 0.8× 109t· a-1;能够抑制土壤中温室气体的排放,起到“减碳”效应;能够替 代或减少化肥的使用达到“零碳”效应, 严格区分生物炭的“储碳”、 “减碳”“和零碳” 效应对于应对气候变化具有重要意义。粗略估算,1t 生物炭施加到土壤中,相 当于 2.15t CO2 被封存。能够替代氮肥 0.58t,减少温室气体 1.04t,可获得的固 碳减排收益约 13.15 美元。生物炭保肥增产、固碳减排作用也为低碳农业提供着 力点,应重点发展生物炭在低碳农业中的应用。 【关键词】生物炭;温室气体;固碳;减排;零碳;低碳农业 生物炭通常指树木、 农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等生物质在无氧或 部分缺氧及相对低温(700 ℃)条件下热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香 化、难溶性的固态物质[1],含 C 元素 60%以上,由 H、O、N、S 等元素组成。 生物炭属于黑炭的一种,具有高度的化学稳定性、热稳定性和生物惰性,对微生 物的分解具有很强的抵抗能力[2]。 生物炭具有巨大的比表面积、发达的多孔结构,表面有大量的官能团,对有 机物和重金属离子具有强烈的吸附能力,因此生物炭常被用在污染物吸附、重金 属污染治理、土壤改良等方面。近年来,生物炭在土壤中的固碳减排效应成为各 研究机构和学者关注的重点, 被认为是缓解温气候变暖的有效途径。生物质炭化 成本低,原料充足,制得的生物炭具有高度稳定性,在土壤中具有明显固碳减排 的作用, 目前对其研究主要集中在碳封存和减少温室气体排放两个方面,弱化了 生物炭替代氮肥生产及使用过程所产生的减排效应,没有严格的从 “固碳”、“减 碳”和“零碳”三个方面细分进行研究,生物炭在替代化肥生产使用量方面所起的 “零碳”效应潜力巨大,也是固碳减排的重要方面。本文综合论述了生物炭的 “固 碳”、“减碳”和“零碳”效益,以及生物炭在低碳农业中的应用,为今后生物炭的 研究和应用提供参考。 1.生物炭在固碳减排领域的效应 1.1 生物炭在土壤中的储碳、固碳效应 CO2 在全球温室气体排放中所占比重最大,全球每年 CO2 排放量达 250 多 亿 t[3]。土壤是引起气候变化和全球变暖的温室气体重要的排放源,土壤和植物 根系的呼吸作用释放的 CO2 占全部 CO2 排放的 20%[4]。 同时, 农田土壤也是重 要的碳汇,是《京都议定书》认可的固碳减排方法之一,在减少温室气体排放, 稳定大气 CO2 浓度中具有重要地位。自然条件下,植物经过光合作用吸收的 CO2,50%进过植物呼吸作用返回到大气,另 50%经过矿化作用转化为 CO2(碳 中性) , 没有任何净固碳作用。 而如果将植物残体炭化, 植物残体中剩余的 25% 的 C 被转化为生物炭施加到土壤中,由于生物炭非常稳定,可能仅有大约 5% C 在土壤微生物的作用下矿化分解成 CO2 返回到大气中,整个大气中碳会因此减 少 20%(碳负性)[5]。生物炭具有高度的芳香化结构,具有很强的抗腐蚀性, 同时能与土壤中矿物质形成团聚体,减弱微生物对生物炭的作用,能够长时间的 保留在土壤中,起到碳储存的作用。Kuzyakov 等[6]研究表明,生物炭在土壤中 的平均停留时间大约为 2000 年,半衰期约为 1400 年。另外,生物炭能够扩充 土壤有机碳库,增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途径,一是通过 炭化直接使易矿化的植物 C 转变为稳定的生物炭;二是通过增加植物生物量, 提高了植物对大气 CO2 的捕获能力,增大植物体转变成土壤中的有机碳[7];还 能够通过改变土壤中有机质(SOM) 腐质化、稳定性和呼吸速率等,抑制土壤 有机碳(SOC)的分解,起到碳封存的作用[8]。将生物炭作为储碳形式,埋在 土壤或者山谷中, 能够实现大规模的碳封存效果,对于减缓气候变化具有重大意 义。 1.2 生物炭的“零碳”效应 生物炭的零碳效应主要体现在增加作物产量,代替或减少化肥使用量,从而 在化肥全过程中不排放或者减少温室气体的排放。 化肥的生产及运输过程中消耗 大量的能源,West 等[9]研究认为,在整个氮肥生产和运输过程中所排放的温室 气体为 0.857gCO2-CgN-1。程琨等[10]对农作物生产碳足迹的分析表明,农业化 肥投入引起的碳排放约占农作物生产总碳排放的 60%,其中氮肥占 95%`。土壤 N2O 排放量与施肥量存在线性相关关系,王效科等[11]研究发现,当化肥施用量 减少到 0 和 50%时,土壤 N20 减排量分别占当前排放的 41%和 22%。并且氮肥 使用量减少 30%不会造成粮食的减产[12],因此减少氮肥使用量是农业减排的重 要途径。生物炭施加到土壤中,能够明显改善土壤营养状况,起到缓释肥作用, 减少或替代化肥的使用,从而减少化肥生产过程中及施用过程中温室气体的产 生。据估算,10t 的生物炭能够替代 1t 氮肥,从而可以减少 1.8t 碳当量的温室气 体产生[13]。生物质炭化过程电耗低,电耗产生的 CO2 排放远低于生产氮肥的 CO2 排放量。生物炭就地炭化可以直接还田,也可以与肥料混合制成炭基肥, 替代或减少氮肥的施用量, 从而减少生产及运输氮肥过程的能耗,减少温室气体 的产生,因此生物炭具有显著的“零碳”效应。 1.3 生物炭的“减碳”效应 CH4 在 100a 尺度的全球变暖潜能值(GWP)是 CO2 的 21 倍,大气中 CH4 的浓度是 N2O 的 6 倍,高达 1800ppb。N2O 的 GWP 是 CO2 的 298 倍,可稳定 存在长达 150 年[14],农业活动产生的 CH4 约占大气 CH4 的 50%,主要来源是 水稻种植、动物养殖。化肥的大量使用是 N2O 最主要的人为排放源。生物炭施 加到土壤中,能够显著的降


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