长期定位双季稻田施用生物炭的温室气体减排生命周期评估

张卫红，李玉娥，秦晓波，李健陵，万运帆，王 斌，高清竹，刘 硕



长期定位双季稻田施用生物炭的温室气体减排生命周期评估

张卫红1,2，李玉娥1※，秦晓波1，李健陵1，万运帆1，王 斌1，高清竹1，刘 硕1

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点开放实验室，北京 100081；2. 中国气象局气象干部培训学院河北分院，保定 071000）

该文评估了双季稻田施用生物炭的温室气体排放和固碳及经济效益。采用生命周期（life cycle assessment，LCA）方法核算了生物炭原料收集与运输、生物炭生产、运输和撒播以及避免秸秆燃烧等过程中的温室气体排放和土壤碳储量；采用静态箱-气相色谱法监测了不同生物炭施入量在4 a 8个生育期的稻田CH4和N2O排放量；计算了不同生物炭施入量处理的净温室气体排放量和减排百分比。水稻生长季温室气体排放结果显示，CK处理（不添加生物炭）、BC1处理（5 t/hm2）、BC2处理（10 t/hm2）、BC3处理（20 t/hm2）的4 a田间温室气体排放总量分别为19.5、15.6、16.1、12.4 t/hm2，BC1、BC2和BC3处理相对CK处理的总减排百分比分别为19.70%、17.46%和36.40%。综合生物炭全生命周期各阶段温室气体排放，CK、BC1、BC2和BC3处理的4 a总净排放量分别为19.5、20.3、10.9、4.2 t/hm2，BC1处理的4a净排放相对CK处理增加4.3%，BC2和BC3处理的4 a净排放相对CK处理分别减少了44.0%、78.6%。3个生物炭用量中，生物炭施用量越低，经济效益越好。稻田施用生物炭能够降低其温室气体排放；全生命周期评估结果表明中量和高量生物炭能够起到减排效果，高量生物炭减排效果最好；经济效益分析结果表明随着生物炭施用量增加，经济效益降低。

温室气体；排放控制；生物炭；CH4；N2O；生命周期评价（LCA）；碳足迹

0 引 言

甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是2种重要的温室气体，稻田生态系统是CH4和N2O的主要排放源，中国是世界上最大的水稻生产国，据联合国粮农组织统计数据，2016年中国水稻种植面积占世界水稻种植总面积的19%，产量占全球的28.5%(FAO，2017)。因此，研究减少稻田温室气体排放的措施，对于中国发展低碳农业，减缓全球气候变暖具有重要的意义。自20世纪末“生物炭”概念出现至今，其作为一种高效的碳封存技术受到了广泛的关注。以往学者经过研究已经证实，生物炭在改善环境污染、改良土壤结构、提高作物产量等方面有着重要的作用[1-2]。相关研究表明，施用生物炭能够减少农田温室气体排放[3-4]，有的研究结果则与此相反[5]。不同生物炭用量对CH4和N2O排放影响也是不同的，李露等[6]研究表明生物炭施用量为20 t/hm2时，对稻田N2O和CH4的排放无显著影响，生物炭施用量为40 t/hm2时，生物炭能显著降低CH4的排放。而程效义等[7]研究表明，生物炭施用量为20 t/hm2时，能够降低N2O排放，施用量为40 t/hm2时，效果与此相反。罗晓琦等[8]利用meta分析方法得出，当生物炭添加量处于20～160 t/hm2时，生物炭对土壤N2O的减排效果随添加量增加而增强。Zhang等[9]设置生物炭施用量为10、20、40 t/hm2配施氮肥来研究不同生物炭施用量对稻田CH4和N2O排放的影响，发现生物炭用量为20 t/hm2时，不论是否施用氮肥，CH4季节排放总量均为最高，同时发现，用量为10、40 t/hm2的温室气体排放总量没有显著性改变。本文设置生物炭添加量为5、10、20 t/hm2，连续进行4a大田试验，研究不同生物炭施用量对稻田温室气体排放影响，并利用生命周期评估（life cycle assessment，LCA）方法评价了不同生物炭用量的碳足迹及其经济效益，这也弥补了以往研究在利用此方法评估生物炭碳足迹时，田间排放量数据大部分来自文献及估算数据，很少来自大田实测数据这一问题。生物炭能否真正减少稻田温室气体排放，生物炭施用量为多少时可以减少稻田温室气体排放，针对这一科学问题还存在很多争议。本研究采用静态箱-气相色谱法对华南双季稻温室气体排放进行长期定位监测，最终获得不同处理早晚稻排放量，计算不同用量生物炭的减排效果；基于大田实测数据应用LCA方法综合评估不同用量生物炭在广东双季稻田应用的减排效果和经济可行性。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验站位于广东省惠州市农业科学研究所国家水稻品种区域试验田（23°19'N，114°36'E），该试验站是华南地区双季稻种植推广区，属于亚热带季风气候区，年日照时数1 500～1 800 h、年平均气温21.9～22.6 ℃、年平均降雨量在1 600 mm左右。供试土壤基础理化特性以及生物炭性质见表1。

表1 供试土壤和生物炭的理化特性

注：—代表无此项数据。

Note：— means not available.

1.2 试验设计

试验于2012年3月至2015年12月进行。试验采用单因素随机区组设计，设置4个处理3次重复，小区面积5 m×6 m。4个处理如下：1）CK：习惯施肥，不添加生物炭；2）BC1：生物炭添加量为5 t/hm2；3）BC2：生物炭添加量为10 t/hm2；4）BC3：生物炭添加量为20 t/hm2。生物炭于2012年早稻移栽以前一次性添加，此后不再添加。供试生物炭为小麦秸秆炭，由河南三利新能源公司生产，热裂解炭化温度350～500 ℃。

在4 a试验期间，早晚稻品种均为银黄丝苗，施肥方案一致。早晚稻施肥分别为4次，水稻移栽前施基肥，水稻移栽后第7、14、21 天施用3次追肥。基肥施用复合肥和普钙（折合纯N、P2O5、K2O分别为：72、79.2、72 kg/hm2），第1次追肥施用尿素（折合纯N 54 kg/hm2），第2次追肥施用尿素（折合纯N 55.2 kg/hm2）和氯化钾（折合纯K2O 45 kg/hm2），第3次追肥施用复合肥（折合纯N、P2O5、K2O均为36 kg/hm2）。具体施肥方案见表2。灌溉管理按照当地习惯，即水稻移栽后淹水，移栽后30 d左右晒田，2周后复水，黄熟期再次晒田直至水稻收获。

表2 施肥方案

1.3 温室气体监测及计算

试验采用静态箱-气相色谱法[10]手动监测稻田CH4和N2O排放。在双季稻生长季前期（从移栽到晒田结束）采气频率为每2天1次，晒田结束后到收获前每3天1次。采气时间于上午09:00－11:00之间进行[11]，每次罩箱以后，分别在第0、8、16、24和32 min用注射器抽取约30 mL气体，并注入12 mL真空瓶内，同时记录箱内空气温度、土壤温湿度、土壤Eh值和pH值等环境要素。采气结束后，于24 h内送实验室利用Agilent 7890A（Agilent Technologies Inc.，U.S.A，2011）气相色谱仪测定CH4和N2O浓度。CH4由氢火焰离子检测器（FID）检测，N2O由电子捕获检测器（ECD）检测，2种检测器的工作温度分别为200和330 ℃，分离时柱温为50 ℃，载气为高纯氮和高纯氢[12]。测定所用标准气体由国家计量研究院标准气体研究中心提供，CH4和N2O标准气体的浓度分别为1.94×10-6和3.02×10-7mol/mol。

对气相色谱测得的CH4和N2O的浓度，线性拟合同一处理5个气样浓度与时间的变化斜率，若拟合度2<0.86，则舍弃此次观测值。排放通量计算参考Zheng等的方法[13]，由当日排放通量乘以时间计算出当日排放量，由内插加权法累计得出季节排放总量。

根据CH4和N2O的全球增温潜势，利用公式（1）将CH4和N2O的排放量转换成二氧化碳当量（CO2e）。CH4和N2O的全球增温潜势(global warming potential，GWP)分别为CO2的25、298倍[14]。

GHGCO2e=GHGCH4×25+GHGN2O×298 （1）

所有试验数据均为同一处理3个重复的平均值，数据方差分析和多重比较采用SPSS19.0完成，图表绘制采用Excel2010完成。

1.4 生命周期评估方法

LCA方法是一种用来对产品整体环境影响进行评估的方法[15]。本文利用此方法来计算生物炭生产及应用的各个生命周期阶段的温室气体排放或减排量，以期深入认识生物炭的碳足迹。

本研究的基线情景设定为不施用生物炭的背景排放。LCA的系统边界包括生物炭制备原料的收集阶段、生物炭生产阶段和农业应用阶段3大部分。原料收集阶段需要考虑秸秆收集和运输过程中能源、电力的消耗以及农业器具的消耗，其中秸秆运输过程的能耗是重点。生物炭生产阶段是另一个能耗分析的重点环节，包括秸秆的分解、干燥和热裂解过程，秸秆分解和干燥的前处理过程能耗不可或缺，最重要的是热裂解过程，其不仅产生生物炭，还产生生物油和气。农业应用是生物炭的最后一个阶段，这部分主要考虑碳增汇和温室气体减排量。LCA的关键计量环节包括：①生物炭原料-秸秆的避免焚烧产生的减排量；②秸秆收集过程产生的排放量；③生物炭生产过程产生的排放量，包括在生产过程中产生的能源副产品的替代减排量；④生物炭运输至农田过程的排放量；⑤生物炭的田间撒播排放量；⑥土壤碳汇增加量；⑦作物生长季温室气体排放量。图1直观的显示了生物炭全生命周期评估的LCA系统边界，以及各阶段的温室气体排放。

注：T代表运输，虚线加(-)表示替代减排。

1.5 各个环节温室气体排放的计算方法

1.5.1 避免秸秆焚烧排放量

秸秆焚烧产生的温室气体仅考虑CH4和N2O，不考虑CO2，因为秸秆的生长过程固定CO2，焚烧相当于将固定的CO2释放出来。生物炭制备需要的秸秆量可由田间施用的生物炭量和秸秆的生物炭产率来计算。避免秸秆焚烧减排量由公式（2）计算。

式中1表示将秸秆制成1 t生物炭能够避免的焚烧排放量，kg/t。其他参数含义见表3。

1.5.2 秸秆收集过程、生物炭运输过程产生的排放量

假设秸秆的主要运输工具是汽车，用油为柴油。根据IPCC第四次评估报告[20]，柴油的CO2排放因子为74 100 kg/TJ，柴油的净热值为43 TJ/Gg，故单位质量柴油完全燃烧排放的CO2质量是3.186 3 kg/kg。秸秆收集、生物炭运输过程排放量由式（3）－式（5）计算。

式中1表示运输1t秸秆到生物炭生产公司的排放量，kg/t；2表示运输1 t生物炭到田间的排放量，kg/t；2表示生产1 t生物炭的原料收集、成品运输过程排放量，kg/t。其他参数含义见表3。

1.5.3 生物炭生产过程排放量

生物炭的制备主要包括原料的预处理和热解反应，预处理主要是对原料含水量和原料粒径大小2个因素进行处理，热解过程除了产生生物炭以外，还会产生生物油和生物气两种能源副产物[21,26]。

在生物炭生产过程中得到的能源副产物能够起到替代减排效果。根据目前对生物油和生物气这两种能源的利用方式[27-28]，本文假设生物气直接用来生产电力。因此，生物炭生产过程排放量除了生产直接排放量，还应考虑能源副产物替代电能的减排量，计算公式如下：

3=3−4（8）

式中3表示生产1 t生物炭的排放量，kg/t；4表示生产1 t生物炭产生的能源副产物替代电能的减排量，kg/t；3表示生产1 t生物炭的净排放量，kg/t。其他参数含义见表3。

1.5.4 生物炭的田间撒播排放量

生物炭在田间撒播过程中必然要有一定的能耗，导致温室气体排放，但是目前基本没有文献报道生物炭田间撒播的直接能耗和排放量数据。因此本文参考其他土壤添加剂在田间施用过程中的能耗和排放量数据[29]，施用1 t生物炭的能耗为566 MJ，释放CO2当量45.32 kg。用4表示施用1 t生物炭的田间撒播排放量（kg/t），即

4=45.32 kg/t

1.5.5 生物炭添加对土壤碳排放的影响

生物炭的高度稳定性使其能够将碳长期封存在土壤碳库中，起到了很好的固碳效果[30]。本试验根据实测的土壤有机质变化，计算了使用生物炭后土壤有机碳变化情况。利用公式（9）计算不同处理0～20 cm土壤有机碳储量

5=(SOC×BD×Depth×100)×44÷12 （9）

式中SOC为土壤有机碳含量，g/kg；BD为土壤容重，g/cm3；Depth是土壤深度，20 cm；5为不同生物炭处理的土壤有机碳储量，kg/hm2。

1.5.6 生物炭添加造成的生长季排放量

生长季排放量6为大田实测值，单位为kg/hm2。根据以上公式整理得出生物炭全生命周期净温室气体排放（）计算公式如式（10）。

式中BCm为生物炭用量，kg/hm2，为生物炭全生命周期净温室气体排放，kg/hm2。

表3 生命周期分析过程参数清单

1.6 经济效益分析方法

本文引入收益增加百分比来评估不同生物炭用量的经济效益。生物炭的收益增加百分比={[BC（收入-成本）-CK（收入-成本）]/CK（收入-成本）}×100%，本文确定不同处理的收入包括减排收入和产量收入。

水稻生产的成本包括物质与服务成本、人工成本、土地成本，物质与服务成本又包括直接成本和间接成本，直接成本包括种子费、化肥费、农药费、农膜费、租赁作业费、燃料动力费等，间接成本包括固定资产折旧、修理维护费、技术服务费等。本研究将基线情景成本设定为1.15万元/hm2[31]，生物炭市场价为1 800元/t（河南三利新能源有限公司，2012），碳市场交易价格为32.55元/t（7个试点碳交易价格平均值）[32]，稻谷售价为3.2元/kg。

2 结果与分析

2.1 生物炭的碳足迹

本节计算的是2012－2015年生物炭碳足迹，利用生物炭每年碳分解率[33]计算得出1 t生物炭需要64.5 a分解完全，为将生物炭的1次性排放分配到4a排放上，需要将生物炭的1次性排放乘以1/16。生物炭的1次性排放包括：减少秸秆焚烧而达到的减排量、收集和运输过程排放量、生产过程排放量以及田间应用过程的田间撒播排放量。根据不同处理生物炭用量，结合方法中的公式，计算得出生物炭的碳足迹（表4）。BC1处理的生物炭全生命周期（除生长季排放量）的温室气体排放以增加土壤碳分解排放为主，其一次性生产排放量也非常大，但分配到4a上，生产排放量大大减小，减排途径主要以避免秸秆焚烧排放为主。BC2处理和BC3处理的温室气体排放主要来自生产排放，减排途径以固碳减排为主，其次为避免秸秆焚烧的减排量。

表4 2012－2015年生物炭全生命周期排放量

2.2 水稻生长季节温室气体排放

2012年，除BC2对稻田CH4排放没有起到抑制作用，BC1和BC3均抑制了CH4排放，4个处理之间无显著差异。2013－2015年，生物炭处理均降低了CH4排放，生物炭施用量越大，抑制效果越好，BC2和BC3处理相对CK处理均显著降低了CH4排放（<0.05）。2012年和2013年的稻田CH4排放量明显高于2014年和2015年，这与生物炭添加后，土壤中可供水稻生长利用的有机碳增多，促进其生长，较为发达的通气组织导致CH4排放量较多，这种效应超过了生物炭引起的能够抑制CH4排放的反应机理，同时也与田间管理措施等因素有关。

除2015年BC1相对CK处理没有降低N2O排放，BC2和BC3均对N2O排放起到抑制作用。2012－2014年，生物炭处理均降低了N2O排放。不同生物炭用量对于每一年的N2O排放抑制效果没有明显规律，但是综合2012－2015年不同处理的N2O总排放量，可以看出，生物炭施用量越大，对于N2O排放的抑制效果越好。不同年份N2O排放量差异很大，总的来说，2014年和2015年的N2O排放量要高于前2a，与CH4排放呈现此消彼长规律，这说明田间管理措施等其他因素对温室气体排放起到了一定的影响作用。

2012－2015年，生物炭处理的综合温室效应均低于CK处理。除2012年，其余年份均表现为生物炭施用量越高，综合温室效应越低。2014年和2015年的综合温室效应明显低于2012年和2013年，这主要是与后2a田间较低的CH4排放有关。计算不同处理的4a总排放量发现，3个生物炭处理的总排放量均低于CK处理，其中BC3处理最低（4a总排放量12 387.2 kg/hm2），其次为BC1（15 639.6 kg/hm2）和BC2（16 077.5 kg/hm2），BC1、BC2、BC3相对CK处理分别降低温室气体排放百分比为19.70%、17.46%、36.40%。

表5 2012－2015年不同处理温室气体排放量

注：数值后标注不同字母的处理间两两差异显著（<0.05）。

Note: Different letters following the value in the same column mean significant difference among treatments at 5% level.

2.3 不同处理温室气体净排放

根据实测土壤有机质变化，BC1处理添加后造成土壤释放一定量的CO2，导致总排放量高于CK处理，BC2和BC3处理因较高的固碳量，使得净排放量均低于CK处理（表6）。3个生物炭用量处理中，BC1和BC2处理的净排放量较高，这主要是由于其施用量较低，避免秸秆焚烧排放量较低，尤其是土壤增汇，明显低于BC3处理。BC3处理由于其较高的土壤增汇（4 a能够增加土壤碳汇8.7 t/hm2）和较低的生长季排放量，使得其全生命周期净排放最低。可以说，生物炭施用量越大，净排放量越低，BC1处理的4a温室气体净排放量为20 313.6 kg/hm2，相对CK处理增排4.3%，BC2和BC3处理的净排放分别为109 04.2、4 171.2 kg/hm2，相对CK处理分别减少了44.0%、78.6%。LCA结果表明，低量生物炭处理会增加排放，中量和高量生物炭处理均具有减排效果，且高量生物炭减排效果最好。

表6 不同生物炭用量处理的温室气体净排放

表6中排放量包括避免秸秆焚烧排放、秸秆收集和生物炭运输排放、生物炭生产排放、生物炭田间撒播排放、生物炭施入田间后的作物生长季排放。

2.4 不同生物炭用量的经济效益分析

仅依据生物炭全生命周期排放量，其最佳推荐用量是高量生物炭（20 t/hm2），但是生物炭施用量越大，生产成本较高，因此，有必要继续评估不同生物炭用量减排的经济可行性。

不同处理的经济收入包括减排收入和产量收入，从表7可以看出，产量收入是经济收入的支撑，依据目前的碳排放市场交易价格计算，减排带来的收入很小。生物炭施用量越高的，减排收入和产量收入越高。不同生物炭处理由于生物炭造价高，导致其总成本较高，仅从4a结果看，生物炭处理的收益均低于CK处理，因此，收益增加百分比均为负值。3个生物炭用量中，随着生物炭施用量增加，经济效益降低。仅从经济可行性角度分析，生物炭最佳推荐用量为低量生物炭（5 t/hm2）。

表7 不同处理的减排百分比和收益增加百分比

3 讨 论

3.1 生物炭本身性质和外界环境对生物炭分解速率的影响

本文在计算生物炭对土壤碳储量影响方面，采用的是实测值，没有考虑外界环境对生物炭分解速率的影响。然而，生物炭在土壤中的分解速率受多种因素影响，包括生物炭原材料、裂解温度、生物炭所在的环境条件等[34]。Bruun等[33]采用14C同位素标记生物炭，2a土壤培养试验结果表明生物炭（裂解温度300 ℃）的碳分解率为3.1%。Luo等[35]研究发现土壤培养87 d后，700 ℃裂解的生物炭在pH值3.7和pH值7.6土壤中的矿化率分别为0.14%和0.18%；350 ℃的生物炭的矿化率分别为0.61%和0.84%。另外，还有研究表明，生物炭在土壤水分饱和条件下的分解速率显著低于水分饱和与不饱和交替及水分不饱和条件[36]，生物炭分解速率随着环境温度的升高而增加[37]。因此，为使生物炭的碳储量数据更具推广性，还应进行深入探讨。此外，本研究在计算生物炭分解排放CO2量方面，没有考虑生物炭对土壤有机碳的正负激发效应。有研究表明，向土壤中施加低温热解制备的生物炭、草本植物制备的生物炭易对土壤本身有机碳的分解产生正激发效应[38]；而向土壤中施加高温热解制备的生物炭、硬木制备的生物炭易对土壤本身有机碳的分解产生负激发效应[39]。

3.2 生物炭添加对作物生长季温室气体排放的影响

从4a生物炭添加试验效果看，生物炭添加能够有效抑制稻田CH4和N2O排放，且高量生物炭的抑制效果最好。以往研究表明，生物炭添加能够增加[40]或减少[41-42]稻田CH4排放，同样，关于生物炭添加对N2O排放影响研究结果也是有促进[43]也有抑制[40,44]。Feng等指出，生物炭能显著减少CH4排放，并利用分子生物学技术分析表明生物炭添加显著增加土壤CH4氧化菌群落，减少了土壤产CH4菌与CH4氧化菌的比率[45]。生物炭施入土壤后易与土壤中的矿物质结合，难以被土壤微生物利用，从而降低CH4、N2O排放[46]。此外，生物炭添加能够提高土壤pH值[47]，CH4氧化菌适宜微酸性环境，不利于CH4排放减少，但较高的pH值能够增加N2O还原酶的活性，从而减少N2O形成。关于生物炭对CH4和N2O排放影响的机理研究有待进一步查阅相关文献，并通过试验探索和验证。

3.3 生物炭添加对温室气体净排放的影响

本文通过对不同生物炭用量净排放量进行计算表明，低量生物炭处理会增加排放，中量和高量生物炭处理均具有减排效果。张阿凤等[48]利用生命周期方法，对秸秆生物炭稻田施用的总效应进行了估算，结果表明秸秆生物炭能够产生的净碳汇（未考虑生物炭固碳量）为0.25～0.40 t/t原料。本文在用LCA方法估算生物炭减排效果时，没有考虑生物炭的肥料替代减排效果，这是因为在数据收集过程中无法量化相同产量所需要的其他肥料用量。此外，为方便应用可行性，秸秆收集和生物炭运输至田间距离的选取均相对理想化，而实际情况比较复杂，因此实际排放量与估算结果会存在一定差异。

3.4 生物炭添加的经济性分析

生物炭投入成本为一次性，而其减排增产效果是持续的，减排收入和产量收入持续增加，但是生物炭实际市场价格较高，从4a结果看，其收益增加百分比仍然为负值。这与Brown等[49]研究结果一致，他在考虑固碳、减排价值的情况下对快速热解和慢速热解2种热解方式分析生物质原料的经济性问题，最后认为在一个相对低的CO2当量减排价格下，生物炭为目标产品的利用方式在经济上不具可行性。因此，有必要继续研究改进生物炭生产工艺，以期能够降低投入成本，获得最大收益。

3.5 生物炭添加的最佳用量

为综合考虑生物炭的减排可行性和经济可行性，得出生物炭的最佳推荐用量，本文将减排可行性的重要程度权重值设为，经济可行性重要程度的权重值设为，假设BC1、BC2、BC3的减排百分比为1、2、3，收益增加百分比为1、2、3，那么BC1为最佳推荐用量需要同时满足以下3个条件：1×+1×>2×+2×；1×+1×>3×+3×；+=1，BC2和BC3处理同理类推。据此，计算得出当减排可行性权重值<0.143，经济可行性权重值>0.857，也就是决策分析高于85.7%考虑的是经济效益，只有不到14.3%考虑的是减排效益时，生物炭最佳推荐用量是低量生物炭处理（5 t/hm2）；当决策分析中减排效益权重高于27.1%，经济效益权重低于72.3%时，生物炭最佳推荐用量是高量生物炭处理（20 t/hm2）；当决策分析中减排效益权重在14.3%~27.1%之间，经济效益权重在72.3%~85.7%之间时，生物炭最佳推荐用量是中量生物炭处理（10 t/hm2）。

4 结 论

生物炭添加能够有效抑制稻田温室气体排放，BC1(5 t/hm2)、BC2(10 t/hm2)、BC3(20 t/hm2)处理相对CK处理分别降低温室气体排放百分比为19.70%、17.46%、36.40%，高量生物炭的抑制效果最好；全生命周期评估不同施用量的生物炭净排放效果显示，低量生物炭增加排放，增加百分比为4.3%，中量和高量生物炭能够降低排放，其相对CK处理分别降低44.0%、78.6%；生物炭添加的经济性分析结果表明，随着生物炭施用量增加，经济效益降低。

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Estimation on GHG emission reduction in double cropping rice paddy with application of biochar in long-term period using LCA method

Zhang Weihong1,2, Li Yu’e1※, Qin Xiaobo1, Li Jianling1, Wan Yunfan1, Wang Bin1, Gao Qingzhu1, Liu Shuo1

(1.100081,; 2.071000,)

Methane and N2O are two important greenhouse gases, which are the main emission in paddy ecology system. China is the highest rice planting country, so the greenhouse gas emission is huge in China. Application of biochar in paddy field can decrease the emissions of greenhouse gases. In this study, we investigated the greenhouse gas (GHG) emissions, carbon sequestration and economics of different rates of biochar application in a double rice cropping system. The experiment was carried out in rice variety area promotion experiment field in Huizhou of Guangdong from March 2012 to September 2015. Four treatments were designed as CK (famer traditional operation without biochar application), BC1 (biochar amendment at 5 t/hm2), BC2 (biochar amendment at 10 t/hm2), and BC3 (biochar amendment at 20 t/hm2), each treatment has 3 repeat. Biochar used in this study was obtained from wheat straw and produced by Henan Sanli New Energy Company. LCA (life cycle assessment) method was employed to calculate GHG emissions from the collection and transportation of raw materials, the production, transportation, and broadcasting of biochar, and from the avoidance of the straw burning and the soil carbon stocks. Static chamber-GC (gas chromatography) method was used to monitor the CH4and N2O emissions under different rates of biochar application from 2012 to 2015. Then, the net GHG emissions and the percentage of emission reduction in the paddy field with different biochar amendment rates were calculated. The total GHG emissions from the double rice cropping system were 19.5, 15.6, 16.1, and 12.4 t/hm2under CK, BC1, BC2, and BC3 treatments respectively in four years. Moreover, the total GHG emission reduction percentage of BC1, BC2 and BC3 were 19.70%, 17.46%, and 36.40%, respectively. Considering the GHG emissions of biochar in all stages of life cycle, the net GHG emissions of CK, BC1, BC2 and BC3 in the four years were 19.5, 20.3, 10.9, and 4.2 t/hm2, respectively, the treatment of BC1 increased the net emissions of 4.3% in the four years. BC2 and BC3 reduced the net GHG emissions by 44% and 78.6%, respectively in four years. The economic analysis indicated that the BC1treatment had more economic benefits compared to other treatments. The different biochar amendment rates significantly reduced the GHG emissions from the double rice cropping system, the highest application rate of biochar had the best emission reduction effect. The LCA of biochar application indicated that from medium to high application levels, biochar reduces emissions, for higher application rates of biochar, the effects are stronger. Moreover, the economic analysis indicated that the more amounts of biochar application, the least profitable to gain economic benefits.

greenhouse gases; emission control; biochar; CH4; N2O; LCA; carbon footprint

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.017

S511.4+2

A

1002-6819(2018)-20-0132-09

2018-03-26

2018-08-18

农田草地生态系统减排计量与评估方法体系研究（2015BAC02B06）；公益性行业（农业）科研专项经费（201103039）

张卫红，主要从事农田温室气体排放研究。Email：weiihong2008@163.com

李玉娥，研究员，博士生导师。主要从事农田温室气体排放核算与减排技术研究。Email：liyue@caas.cn

张卫红，李玉娥，秦晓波，李健陵，万运帆，王 斌，高清竹，刘 硕. 长期定位双季稻田施用生物炭的温室气体减排生命周期评估[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：132－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.017 http://www.tcsae.org

Zhang Weihong, Li Yu’e, Qin Xiaobo, Li Jianling, Wan Yunfan, Wang Bin, Gao Qingzhu, Liu Shuo. Estimation on GHG emission reduction in double cropping rice paddy with application of biochar in long-term period using LCA method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 132－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.017 http://www.tcsae.org