生物质炭服务农田生态系统“碳中和”的机制和潜力研究进展

李晓娜，张睿含，张倩影，崔芷茁，李婉婧，田静雯，宋 洋，王震宇*

1.江南大学环境与土木工程学院，绿色低碳技术与可持续发展研究中心，江苏 无锡 214122

2.江南大学，生物质能源与减排技术江苏省工程实验室，江苏 无锡 214122

3.中国科学院南京土壤研究所，中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室，江苏 南京 210008

当前，人类旺盛的生产需求和资源过度开采使用导致环境污染、气候变暖、生态系统恶化等严峻问题.“碳中和”是指调节碳的排放量和吸收量相同，实现CO2的净排放归零[1].服务“碳中和”是世界各国和地区应对全球气候变化的重要举措之一.在“碳中和”战略的践行进程中，开发可再生资源、清洁生产、增加碳封存和减少CO2排放等形式的低碳措施至关重要[2].

农田生态系统是温室气体排放的主要场所，政府气候变化专门委员会(IPCC)报告指出，提高农田土壤固碳水平可减少89%的农田温室气体排放潜力.生物质炭还田技术是促进农田生态系统“碳中和”的重要切入点，这可归功于炭化减排、地上促生和地下增碳的三管齐下(见图1).植物年均固碳量高达2 200×108t，这些碳在生物质老化废弃过程中自然分解回到大气中，会增加“碳中和”负担.大宗农田废弃植物生物质面广量大，而中国作为农业大国，由此产生的环境负担尤为严重.据农业农村部统计，我国每年农业秸秆产量高达9×108t (http://www.kjs.moa.gov.cn/hbny/201904/t20190418_6185503.htm).生物质炭以农业废弃生物质为原料，将其在低于700 ℃的高温和厌氧环境下裂解炭化[3].生物质炭起源于亚马逊流域黑土，具有多孔级孔隙结构、稳定的芳香性结构、比表面积大、表面官能团丰富、富碳富养分等特征.将农业废弃植物源生物质热解炭化为生物质炭，既能减少自然分解过程中的碳排放，又可以得到经济环保材料[3].这种“变废为宝”的生态循环理念是实现资源整合和减排增碳的重要途径之一.

图1 生物质炭助力农田生态系统中“碳中和”机制Fig.1 Mechanisms that biochar serves for ‘carbon neutrality’ in an agroecosystem

近20年来，生物质炭在土壤改善与地力提升、土壤固碳减排和环境修复等方面表现出良好效益，此外，生物质炭还田有利于植物根系发育和养分吸收，从而促进作物生长，增加植物光合固碳能力.因此，“以炭助生”和“以炭增碳”一直是生物质炭研究的重要发展方向[4-5].国际上先后成立了多个专门的生物质炭研究机构以保障其规范生产和推广应用.该文对生物质炭服务农田生态系统“碳中和”的作用和机制进行综述，并对生物质炭的生产和应用进行展望，以期为未来应用生物质炭技术实现农田土壤增碳增产提供科学指导.

1 生物质炭助力农田生态系统中“碳中和”的植物途径

1.1 生物质炭提高植物生物质碳

1.1.1 光合固碳

植物的光合固碳是增加农田生态系统中碳吸收的重要途径.生物质炭促进植物光合作用和作物体内干物质累积，增加植物碳库[6].研究[7]表明，生物质炭的施加提高了植物叶片中叶绿素含量，增强了光能捕获能力；与未施加生物质炭相比，施加生物质炭(pH=8.6，有机质含量为367.6 g/kg)使谷子(Setaria italica)叶片净光合速率增加50.4%、气孔导度增加50.1%、蒸腾速率增加47.7%.稻壳生物质炭使植物叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率和气孔导度分别提高约34.3%、22.7%、26.5%和38.8%[8].与C4植物相比，生物质炭对C3植物净光合作用的促进作用更显著[9]，这主要是由于施加生物质炭可提高土壤保水保肥能力，而C3植物相比于C4植物其对水分和土壤肥力(如氮水平)的要求更高.

1.1.2 根系促生

根系健康和发育程度决定了作物产量的高低.生物质炭与植物根系直接接触，影响植物根系发育.基于136篇文献中2 108组数据的整合分析结果表明，与未施加生物质炭相比，施用生物质炭使植物根系生物量增加了32%、根长增加了52%、根尖数增加了17%[10].生物质炭有利于植物分根的形成，提高根系吸收水分和养分的能力，从而改善整体植物根系发育与生长.同种生物质炭对单子叶植株(如小麦)根系生长的促进作用优于双子叶植物(如黄瓜)，这与添加量为80.0 g/kg的生物质炭主要作用于植物的分根发育有关[11].通常，植物主根的发育决定了植物根系寿命的长短[12-13].双子叶植物对高剂量生物质炭施加尤为敏感，其主根生长被显著抑制[11].

生物质炭可提高土壤容重和毛细管孔隙度，增强土壤持水能力并降低土壤水分蒸发量，改善土壤团聚体结构，这为植物根系的伸展和深扎提供了空间，为根系发育创造了良好条件[4].与低温炭相比，高温炭具有更大的比表面积，更易于与植物根系接触，在促进根伸长方面具有更佳效果.Hagner等[14]发现，低温炭对莴苣根系生长甚至具有抑制作用，这是由于低温炭热解不完全，含有较高浓度的有毒物质组分.因此，低温炭的施加剂量应尽量控制在相对较低的水平.通常，中高温炭(500 ℃)的促生效果最佳，这主要是由于这类生物质炭的孔隙结构最为发达，对土壤改良效果更佳[15].此外，作物根系活力的提升伴随着根系对物质的吸收、转运和再分配能力的提高，有利于作物有机质积累和生物量提高[10].Olmo等[16]提出，小麦秸秆和橄榄树枝生物质炭对根系形态和活力的影响是提高作物养分利用效率的主要原因.同时，因自身氮、磷、钾等养分的释放，生物质炭对玉米根系活力的提升也是增强作物对这些养分利用效率的关键，实现促生增产[17].

1.2 影响生物质炭增产效果的因素

基于97篇文献中819组数据的整合分析结果表明，与不施生物质炭相比，生物质炭施加使作物平均增产14.8%；其中作物秸秆类原料生物质炭可使作物增产15.2%，而壳渣类生物质炭的增产效果相对较低，为11.9%[18].玉米秸秆生物质炭的增产效果(10.7%)优于小麦和水稻秸秆生物质炭(分别为8.1%和5.9%)[19].这主要是因为，与壳渣生物质炭相比，秸秆炭中含有更丰富的速效磷和有效氮；玉米秸秆炭比小麦和水稻秸秆生物质炭中含有更高浓度的大量元素(如氮和磷)和微量营养元素(如钙和镁)[20-22].与以非豆科植物为原料制备的生物质炭相比，豆类植物生物质炭具有较高的碱度和营养成分，因此，后者对土壤酸化改良和作物增产表现更佳[23].通常，生物质炭的营养元素含量主要取决于原料类型，而热解温度主要决定了生物质炭的结构性质.随着热解温度的升高，所制备的生物质炭对番茄单果质量和单株产量的促进作用均呈现先升高后降低的趋势，其中500 ℃生物质炭处理的连作番茄平均单果质量提高达36.9%，番茄果实中维生素C、可溶性糖、番茄红素含量及糖酸比分别显著提升了51.6%、35.0%、37.4%和65.0%[24].这正是由于500 ℃生物质炭具有最佳的比表面积和微孔率，更有利于土壤结构改良和植株生长.低温生物质炭的孔隙结构不发达且含有更多的有毒有害物质，过高的热解温度会引起木质素软化熔融，造成生物质炭气孔堵塞和孔隙结构变差[24].

计算得出第一册AWL覆盖率为4.30%介于1.4%与10%之间，更倾向于通用英语，由图1可知，第一册各文本AWL覆盖率在0.83%-7.28%之间波动，变化幅度较大，但该册教材各单元AWL覆盖率衔接性较为良好，考虑到学习者学习能力应呈逐渐增加的趋势，该册教材AWL覆盖率也出现逐渐增大趋势。

生物质炭可改良土壤结构、调节土壤碳氮比、有效缓解土壤酸化、增加土壤中钙和镁等营养元素的可利用率，这均有利于作物产量的提升[25-26].生物质炭对中性土壤(6.5≤pH＜7.5)的保水性和团聚体结构改良效果最佳，对酸性土壤(pH＜6.5)的肥力提升作用优于碱性土壤(pH≥7.5)，因此，生物质炭对小麦在中性土壤中的增产效果依次优于酸性土壤和碱性土壤[19].在碱性土壤中施加生物质炭，由于其对矿质养分的吸附固定及对土壤pH的持续碱化，会阻碍作物对养分的吸收，产生负面影响[27].此外，生物质炭对小麦的增产效果还会因土壤质地和肥力而异，表现为壤土中最佳(16%)，沙土中次之(7.4%)，而在黏土中效果不显著；低肥力土壤中生物质炭的增产效果优于高肥力土壤[28].

不同添加量生物质炭对作物增产效果也会存在差异.通常，随着生物质炭施加量的增加，作物增产效果更佳[29].但是，也有研究[30]表明，高剂量的小麦秸秆生物质炭施加并没有使玉米显著增产，而只是显著提高了玉米地上部生物量.这是由于高剂量生物质炭主要提高了玉米生长前期光合作用，促进植株干物质的累积，但其在玉米生长后期导致玉米早衰，不利于养分向籽粒转移.因此，选择适宜的生物质炭添加量在生物质炭增产应用中至关重要，探究生物质炭对作物全生育期生长的影响具有实际意义.

1.3 生物质炭对植物生长的分子调控机制

随着分子生物学技术的发展，越来越多的研究发现生物质炭可调控植物生长基因表达和代谢活动，这对揭示生物质炭通过植物途径提高农田生态系统中“碳中和”的机制至关重要[31].光合作用和三羧酸循环等植物初级代谢途径为植物生长提供物质和能量转化基础.生物质炭可调控参与植物体糖、蛋白质和脂肪酸等初级代谢过程的基因[32].例如，山毛榉木生物质炭显著提高了水稻叶片中三种蛋白质分解代谢基因〔丝氨酸蛋白酶基因(+24%)、天冬氨酸蛋白酶基因(+162%)和半胱氨酸蛋白酶基因(+257%)〕和两种蛋白质合成代谢基因〔编码Rubisco的小亚基(+33%)和大亚基(+30%)〕的表达，促进了水稻叶片中蛋白的周转，尤其有利于Rubiso活化酶的生物合成.Rubiso酶既可以催化卡尔文循环中的羧化反应，又有利于加氧反应的进行，促进植物光呼吸.生物质炭对植物Rubiso酶活性的提升是其促进水稻卡尔文循环和光合作用增强的主要机制[33].

植物次生代谢是植物适应环境而进化的结果.初级代谢产物提供了次生代谢所需的能量和代谢底物，为植物防御环境胁迫(如病虫害和干旱等)提供保障.生物质炭调控参与生长素、赤霉素及信号分子等合成和转运的次级代谢过程的相关基因表达.Viger等[34]应用全球基因表达阵列技术提出杨树木屑生物质炭导致调控细胞壁结构相关基因(木聚糖内转葡糖基酶Transglucosylase、扩张蛋白Expansin和阿拉伯半乳聚糖蛋白Arabinogalactan)、水传输相关基因(水通道蛋白表达基因PIP1b)以及糖传输和信号传导相关基因(糖转运体基因ParSuSy5)的表达上调，从而促使植物体内生长素和油菜素甾体等信号分子的传递和植物细胞扩张，促进植物对水和营养物质的吸收，提高植物体内碳水化合物的代谢[34-35]，以上基因表达的上调共同促使拟南芥的根系发育和生物量提高.此外，生物质炭可使拟南芥的赤霉素负反馈调节基因SIGA20ox1表达上调，促使叶细胞扩增，从而导致拟南芥叶面积显著提高130%[35].生物质炭能够刺激植物的防御基因启动，特别是导致乙烯和茉莉酸合成相关基因的表达上调，这也是生物质炭提高番茄对灰霉菌感染的抗性的主要分子学机制[36].生物质炭可释放大量可溶性有机碳物质，其中包含生长素类似物(例如，与吲哚乙酸结构类似的2-乙酰-5-甲基呋喃类物质)，该类物质在提高作物与生长素结合蛋白合成基因(ABP1和TIR1)和调控赤霉素代谢途径蛋白合成基因(P50-1、P450-3、P450-4、ggs2和des)的表达中起重要作用，从而加快作物生长，提高作物生物量[37].生物质炭浸提液促进水稻根系钾离子转运蛋白基因(OsHAK7和OsHAK10)的表达上调，提高水稻耐干旱和盐胁迫的能力[38].生物质炭能够在缺氮条件下提高紫花苜蓿中异黄酮酶(Isoflavone synthase)的表达，增加异黄酮信号分子的合成，促进紫花苜蓿与根瘤菌之间信号传递以增加根系结瘤固氮[31].生物质炭施加有利于番茄体内防御基因(如FaPR1、Faolp2、Fraa3、Falox和FaWRKY1)的相对表达上调.其中，Falox，FaPR1和Fraa3可分别促进植物体内生成植物激素乙烯、茉莉酸和茉莉酸甲酯，Faolp2和FaWRKYI可促进脱落酸的生物合成，以上抗性基因的表达诱导植物获得对真菌侵染的抗性，这是生物质炭增强草莓抗逆性、改良草莓品质和提高草莓产量的主要机制[39].此外，生物质炭提高生菜体内抗生素抗性基因的表达，不仅降低了生菜中抗生素的累积系数，减少植物氧化胁迫，同时增强了生菜光合固碳，提高了生菜产量[40].

综上，生物质炭能够提高植物光合固碳能力，促进作物生长和增产，这主要是因为：①生物质炭自身含有丰富的营养元素，可直接调节植物根系生长和养分吸收.②生物质炭具有发达的孔隙结构、大的比表面积和丰富的官能团，有利于提高土壤保水保肥性能，提高养分利用效率.③生物质炭对土壤性质的改良可间接促进植物生长.例如，生物质炭提高土壤团聚体结构和通气性能，有利于植物根系的活力提升和伸长.④生物质炭所释放的活性物质具分子调控作用，参与植物初级和次生代谢.

2 生物质炭助力农田生态系统中“碳中和”的土壤途径

生物质炭助力农田生态系统“碳中和”的土壤途径主要体现在减排和增汇两方面.在减排方面，生物质炭是对废弃生物质的资源化利用，该过程减少了生物质自然分解对CO2排放的贡献，此外，生物质炭对土壤碳代谢的负激发作用减少了土壤本底CO2排放.据估计，废弃植物生物质制备为生物质炭(以50%的生物质碳转化率为例)的减排效益可达22%[41].在增汇方面，生物质炭在土壤中可稳定存留长达上千年，这部分稳定性有机碳的供给直接增加了土壤碳库.此外，生物质炭独特的结构性质有利于改良土壤团聚体结构，增加土壤碳的吸收和封存[42].据估计，生物质炭的固碳减排效益可抵消12%以上的人为碳排放量[41]，其在助力“碳中和”中具有良好的应用潜力(见图2).

图2 生物质炭减排增汇数据统计Fig.2 Data statistics about emission reduction and soil carbon pool increase resulting from biochar application

2.1 生物质炭降低土壤碳排放

植物生物质通过自然分解或人为燃烧等途径释放CO2[58].生物质炭制备过程能够迅速且高效地将生物质碳封存以供再利用，是相比焚烧和堆肥更高效环保的生产工艺[59].生物质炭对生物质源碳的封存能力大于50%，并主要以高度稳定的芳香族碳组分形式被保留[59].与自然分解相比，秸秆生物质炭的制备可减少我国约13.2%的碳排放；与秸秆焚烧相比，秸秆生物质炭的制备可减少50%以上的碳排放[60].

生物质炭施加可显著提高土壤惰性有机碳组分，提高碳库稳定性.与其他固碳方式(如植树造林)相比，施加生物质炭对土壤CO2排放的抑制作用更强且固碳效果更持久[61].果木生物质炭(600 ℃)富含烯烃等长链结构和芳香环结构的大分子碳水化合物，该类生物质炭可增加土壤团聚体结构，有效吸附固定土壤有机碳，降低土壤有机碳分解释放的CO2[62].木材生物质炭可减少稻田中74%的CH4排放量；施加2.5%的木炭和秸秆炭可分别减少51.1%和91.2%的CH4排放；大豆田中施加2%的生物质炭亦可减少20.4%的CH4排放[63].与原料还田相比，施加等碳量的生物质炭可使CH4排放减少80%[64].这主要是由于生物质炭增加了土壤孔隙度和溶氧量，促进了CH4的氧化.Feng等[65]在施加生物质炭的水稻田中发现甲烷氧化菌相对丰度显著提高.目前，稻田中施加生物质炭已成为提高太湖流域土壤有机碳稳定性和实现稻田温室气体减排的最有效方法之一；两年的大田试验结果表明，施加20 t/hm2的竹炭对CH4排放通量和累积排放的抑制效果最佳[66].不同的农业活动(如施肥)会改变生物质炭的固碳效果.例如，与不施肥土壤相比，施肥土壤中施加生物质炭对CH4排放的抑制效果更佳.这是由于不施肥土壤中生物质炭更易对微生物产生正激发效应，尤其为异养型产甲烷菌提供代谢底物，促进CH4排放[67-69].而施肥土壤中，甲烷氧化菌活性和数量大幅提升，CH4在排放之前被氧化，其更易被生物质炭吸附固定，该物理截留过程是减少温室气体排放的有效机制之一.

但是，相比于土壤本底有机碳的分解，土壤微生物对生物质炭本身的降解是缓慢且痕量的，其对土壤中CO2排放可忽略不计.研究[71]表明，生物质炭施加3年仅有4.5%的碳以CO2形式被消耗.长期培养试验结果表明，生物质炭对土壤有机碳总矿化量呈现先升高再降低的趋势，与传统施肥处理相比，生物质炭固碳减排效果依然显著[76].这可归功于生物质炭的CO2捕捉能力以及降低土壤有机碳对微生物的生物有效性，这尤其在培养后期会显著降低有机碳的矿化速率[77].可见，生物质炭对土壤微生物的激发效应是动态变化的，这也决定了生物质炭的固碳减排效果.

生物质炭的减排效应主要归功于其介导下土壤本底有机碳的分解速率降低.整合分析结果表明，生物质炭可减少3.8%的土壤有机碳分解释放CO2[78].

原料的碳材料组成决定着生物质炭对土壤碳库的激发效应[58]，相比于竹炭，玉米秸秆生物质炭和核桃壳生物质炭对土壤CO2的减排效果更佳.这是由于部分原料(如小麦、玉米、棉花、大豆、大米等的秸秆[79])中的碳以木质素和纤维素为主，这类原料所制备的生物质炭提高土壤碳的能源转化率效果更佳，因此具有更优的减排效果[80].生物质炭中惰性有机碳含量大于70%，且随着热解温度升高和热解时间延长，惰性有机碳含量升高，因此，高温炭的减效应更持久[81].低温热解下生物质分解不完全，生物质炭中挥发性有毒有害物质(如酚类和多环芳烃等)含量较多，这类炭对土壤微生物呼吸的抑制作用更强，对土壤碳库的负激发效应更显著[80].低温热解秸秆制备生物质炭可显著降低土壤有机碳分解释放CO2，降幅可达20%[78].

生物质炭对土壤碳的减排效应还取决于土壤性质.研究[81]表明，施加生物质炭可有效改良土壤团聚体结构，尤其对以大孔隙为主的砂土改良效果更佳，提高了土壤的保水性和保肥性.生物质炭施加到砂土中对土壤微生态的改善增强了微生物活性，使其对土壤有机碳的分解增加21%，提高了砂土中CO2排放[78].但是，对于黏性土壤而言，秸秆炭的施加增加了土壤通气性，使土壤有机碳矿化量降低约13.7%[72].也有研究[45,70,74]表明，施加生物质炭能够提高砂土中的碳氮比，显著降低该类土壤中CH4排放量，但对壤土和黏土中CH4减排效果不显著.与砂土相比，黏土具有较大的电导率、更高的土壤含水率以及更丰富、活跃的微生物群落[82].通常，生物质炭对砂土中温室气体排放的调控主要通过改良土壤理化性质实现，而对黏性土壤中温室气体排放的调控主要是通过改变微生物活动实现[82].与酸性黏土相比，生物质炭对碱性黏土中CO2减排效果更显著，这主要是由于碱性土壤中生物质炭对土壤有机碳的负激发效应更易启动[61,83].此外，相比于稻田，生物质炭对旱地土壤CO2的减排效果更好[84].施肥并未改变生物质炭对温室气体排放的影响效果[74].由于生物质炭在不同土壤中的分解矿化差异不显著，因此，在不同土壤中施加生物质炭，其介导土壤中碳减排的效果差异主要取决于其对本底土壤中有机碳分解效率的影响.

2.2 生物质炭增加土壤碳库

土壤碳库包括有机碳和无机碳，其中有机碳含量可高达60%[85]，土壤有机碳库包括微生物量碳、水溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳和可矿化态有机碳等.生物质炭中含碳量可高达88.0%[86]，其施加主要增加了土壤有机碳库[86]，生物质炭增加土壤有机碳库的主要机制可归结于五方面：①生物质炭为土壤提供可溶性有机碳，抑制微生物对本底土壤有机碳的分解；②生物质炭中富含高度稳定性的芳香性碳，其特殊的碳骨架结构有利于增强土壤有机质的稳定性；③生物质炭自身可释放出大量的活性有机碳物质，该类物质可调控土壤微生物的碳代谢过程，提高碳源利用效率；④生物质炭可固定微生物呼吸产生的CO2，从而提高土壤有机碳库中的微生物量碳；⑤生物质炭促进土壤有机碳中弱酸性官能团的去质子化，提高土壤中活性有机碳的亲水性，提高土壤有机碳库中的溶解性有机碳组分[87].土壤有机碳库比例的提升是土壤碳库质量改良的重要指标之一，因此，生物质炭对土壤碳库的影响很可能表现为对土壤有机碳库容量和碳库质量的综合提高.

生物质炭制备原料和热解温度对其物质和结构性质的影响决定了其土壤增碳效果(见图3).研究[88]表明，与椰壳生物质炭相比，小麦秸秆和柳树枝生物质炭对土壤有机碳容量的提高效果更佳.这主要是由于后者含有更多的生物可利用碳，丰富的有机阴离子促进了土壤微生物的脱羧反应，有利于提高土壤保水保肥性.通常，秸秆类、污泥和粪便类原料制备的生物质炭比木材类生物质炭含有更多的生物可利用有机碳，其对土壤碳库的增加效果也更显著[88].此外，生物质炭中高度稳定且结构复杂的芳香环与杂环结构碳是长期稳定提高土壤碳库的关键[89].因此，与低温炭对土壤微生物活动的调控不同，高温炭主要通过改良土壤团聚体结构和碳稳定性，提高土壤有机碳库.生物质炭的多孔级结构和巨大的比表面积是其典型结构特征之一.随着热解温度升高，生物质炭的总孔容增加且以微孔为主要吸附结构；热解温度高于700 ℃可能导致碳架结构坍塌，微孔最终会消失殆尽.研究[90]表明，高温生物质炭表现出良好的固碳效果，这可归结于其对有机碳分解中间产物的吸附作用，减少了碳损失.因此，生物质炭碳组分和结构性质共同决定了其对土壤碳库稳定性的影响.

图3 生物质炭性质决定其助力“碳中和”的潜力Fig.3 Properties of biochar determine their potential to serve ‘carbon neutrality’

在不同土壤中施加生物质炭的增碳效果也会不同.通常，生物质炭的施加会提高土壤pH和阳离子交换量，从而提升土壤肥力和有机碳含量[91-92].生物质炭对砂土的保水、保肥性和土壤团聚体结构改良远优于壤土和黏土；因此，对于阳离子交换量小和本底土壤有机碳含量低的酸性土壤以及比表面积小的砂土，生物质炭会表现出优越的增碳效果[93].此外，与稻田相比，生物质炭对旱地土壤微生物量碳的提高效果更显著[94].生物质炭对土壤微生物量碳的调控是其对土壤结构、微生物代谢活性和碳利用效率综合影响的结果.

大量的研究已表明应用生物质炭在实现植物促生增产的同时也可实现土壤固碳减排，具有可观的推广潜力.然而，在生物质炭的推广和应用进程中，如何因地制宜和选择适宜的生物质炭类型和施用剂量成为重要难题.例如，生物质炭中携带内源性有机和无机污染物，这些污染物随着生物质炭的生产和施用进入环境中，可能会抑制植物生长，降低农作物产量，影响微生物活性，危害人类健康，带来潜在环境健康风险[95].生物质炭尤其是畜禽粪便类原料制备的生物质炭中含有高浓度的铵、抗生素和病虫害，大量的施加可导致土壤高度铵化和生态功能降低[96]，不利于植物和土壤动物的生长.研究[97]表明，生物质炭自身矿物养分具有较低的生物可利用性，碱性土壤中施加高剂量生物质炭阻碍了植物对养分的吸收，其对土壤pH的持续升高导致土壤过度碱化，进一步降低了土壤中钙、镁等微量营养元素的生物有效性.生物质炭中的持久性自由基可诱导植物氧化胁迫，大量施用生物质炭会损伤根茎，不利于植物生长发育[98].综上，不同类型生物质炭的施加很可能存在各类潜在危害，明晰生物质炭合成原料和制备条件对其生态健康风险的影响至关重要.近年来，通过改性生物质炭提高其应用性能、降低其环境健康风险的研究备受关注.例如，在秸秆类生物质炭上负载磷酸盐可使其内源重金属污染物(如铜、锌和镉等)的浸出率降低89%，这对有效控制其环境健康风险具有重要意义[56,99].

3 农田土壤生物质炭应用的未来研究方向

生物质炭在农田土壤中的应用具有良好的环境和经济效益，前景广阔.但亦有许多关键科学问题目前仍不清楚.根据上述对生物质炭服务农田生态系统“碳中和”的机制和潜力研究进展的总结，未来仍需在以下几方面进一步开展研究.

3.1 加强生物质炭促生增碳相关机理研究

随着生物质炭相关研究的推进，生物质炭促生增碳的相关机制应该进一步深入研究.例如，生物质炭在植物根系界面上的反应机制会如何驱动养分吸收和信号分子传导？生物质炭如何调控根际菌群、介导根际微生物的竞争和合作关系，在分子水平上如何反映植物生长代谢的响应机制？生物质炭如何调控植物固碳相关基因的表达，在培育强固碳植物物种方面有怎样的应用潜力？生物质炭与土壤颗粒(如不同土壤矿物和有机质等)间的相互作用机制如何？不同的作用机制如何决定生物质炭对土壤性质的改良效果，又会如何间接介导植物的生长？生物质炭施加对生物地球化学过程的影响以及对微生物群落结构和功能的调控如何贡献于土壤中增碳减排过程？以上科学问题的解答是深入理解生物质炭-土壤-植物共存体系稳定性和环境可持续性的关键，也为有针对性地精准设计和应用生物质炭奠定理论基础.

3.2 探究生物质炭施加的长期生态效应

在实际应用中，随着生物质炭在农田土壤中的长期老化，在包括耕作、灌溉、干湿交替、施肥等复杂农业活动的作用下，生物质炭的理化性质也会发生改变[100].然而，目前针对生物质炭的环境效益多来自短期研究试验结果，生物质炭长期生态效应(例如，对温室气体排放的长期调控，对土壤理化性质和微生物群落结构与功能变化的长期驱动)亟需被考证，生物质炭服务农田生态系统“碳中和”的长效性机制还有待探究.随着生物质炭相关研究的增加，大量的试验数据已被报道，然而生物质炭与土壤相互作用复杂，加强作用机制的研究和规律性的总结至关重要，因此，将这些数据进行整合分析、深度学习和模型构建，对探究生物质炭的长期生态效应、指导生物质炭的合理应用具有重要意义.

3.3 生物质炭基“智慧土壤”的研发

生物质炭对农田土壤的改良和环境效益显著，研发生物质炭基“智慧土壤”可缓解土壤资源紧缺、推广生物质炭的农业应用.建议：一方面，对生物质炭基质进行多元功能化，如生物质炭基杀虫剂、功能肥、缓释肥、植物生长促生剂等；另一方面，在稳定的生物质炭碳基结构上搭载传感器，实时监测农田环境(如土壤pH、温度、营养成分、含水量、根系形态、病菌生长、线虫活动和CO2排放等)并建立控制终端信息反馈系统进行实时调控，保障作物健康生长.同时，可研发微型生物质炭基“智慧土壤胶囊”，解决传统水培或基质种植中基质消耗量大、管理成本高、植物根系易缺氧烂根、病虫害多发、后期养分供应不足等问题，是一种新型的无土栽培方式.

3.4 生物质炭制备工艺的标准化和规模化

生物质炭的生产仍存在体量小、精准控制和监测生产过程不足、副产物多且资源化过程复杂、生物质炭产品性质不均一等问题.为了推进生物质炭的生产和应用，生物质炭生产技术必须有效改进和标准化，尤其在以下几方面亟需加强：①提高生物质炭的炭得率；②资源化利用生物质炭制备过程中的副产物(如沥青、生物油和木醋液等)，科学应用生物质炭生产过程产生的可燃气进行循环供热，构建循环经济体系，增加经济效益；③基于生物质炭在不同领域的应用需求，精准控制生产工艺(如气流量、温度和原料组成等)，以期制备出不同功效的生物质炭产品，构建稳定的生物质炭制备生产线；④研究改性生物质炭，提高其多元性能.对以上技术问题的突破有利于推进生物质炭的大规模生产应用，实现生物质资源的高效整合再利用，更好地服务“碳中和”目标.