????糧食安全與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展關(guān)乎人類社會可持續(xù)發(fā)展。近年來，生物炭作為土壤改良劑已經(jīng)在全球被廣泛應(yīng)用。然而，土壤性質(zhì)的空間變異性導(dǎo)致生物炭對土壤溫室氣體減排的全球應(yīng)用和區(qū)域性長期應(yīng)用效益存在不確定性，同時，生物炭減控土壤溫室氣體的分子動力學(xué)機制尚不清楚。
????針對上述問題，成都山地所朱波研究員團(tuán)隊通過長期田間試驗結(jié)合分子模型計算技術(shù)和Meta分析，對比研究了生物炭與秸稈長期施用對小麥-玉米輪作體系中紫色土溫室氣體排放的影響，模擬分析了優(yōu)化生物炭的全球應(yīng)用策略對全球耕地溫室氣體減排的增益效果，系統(tǒng)揭示了生物炭的原料選擇和制備工藝對其表面性質(zhì)及溫室氣體減排影響機制。
????基于中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)試驗站長期觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)施肥和秸稈還田，生物炭施用分別減少31.5%（2004 kg CO?eq ha?1 yr?1）和52.13%（4752.9 kg CO?eq ha?1）的溫室氣體排放。結(jié)合分子模型與全球土壤數(shù)據(jù)庫，團(tuán)隊構(gòu)建了生物炭參數(shù)與區(qū)域土壤特性的匹配模型。模擬結(jié)果顯示，通過優(yōu)化原料選擇（如木質(zhì)廢棄物、作物殘體）與熱解溫度（500-700℃），生物炭規(guī)?；瘧?yīng)用可實現(xiàn)684.25 Tg yr?1 CO?當(dāng)量減排，相當(dāng)于削減全球耕地溫室氣體排放總量的7.87%（圖2）。研究進(jìn)一步通過分子動力學(xué)模擬與表面表征技術(shù)，揭示了生物炭減排的微觀機制。原料類型與熱解溫度是調(diào)控其表面特性的關(guān)鍵：高溫?zé)峤獯偈股锾刻脊羌芨叨确枷慊偷秃豕倌軋F(tuán)（如羧基、酚羥基），從而增強抗微生物分解能力，延長碳封存周期，顯著減少土壤CH4和CO2排放。同時高比表面積與多孔結(jié)構(gòu)為N?O提供了大量吸附位點，表面電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)進(jìn)一步增強了N?O的物理捕獲，使其難以以氣態(tài)形式釋放。
????這一增益效果在熱帶與亞熱帶地區(qū)尤為顯著，因其土壤酸化程度高、碳損失速度快，生物炭的固碳與控酸協(xié)同效應(yīng)可發(fā)揮更大價值。針對酸化土壤，生物炭能顯著降低酸性紫色土14.1-72.71%的交換性Al3+，并提升土壤有機質(zhì)含量。進(jìn)一步密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)生物炭表面羧基/羥基官能團(tuán)可特異性結(jié)合土壤中的交換性Al3?，通過競爭吸附釋放Ca2?、Mg2?、K+、Na+等堿基離子。這一機制不僅降低了土壤酸度，還改善了養(yǎng)分有效性，實現(xiàn)了“控鋁抑酸-肥力提升-減排固碳”的協(xié)同效應(yīng)。
????上述研究為生物炭在平衡耕地碳封存和土壤溫室氣體排放和農(nóng)業(yè)廢棄物優(yōu)化利用策略方面提供了理論依據(jù)，相關(guān)成果已在Agriculture,Ecosystems and Environment、Biochar、Science of The Total Environment、Journal of Environmental Managemen、Ecotoxicology and Environmental Safety等農(nóng)學(xué)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊上發(fā)表。上述研究獲得了國家自然科學(xué)基金（U20A20107）、國家農(nóng)業(yè)科技重大項目西南酸瘦課題（NKE3A3030030）的資助。
生物炭全球應(yīng)用效益模擬
生物炭對酸瘦紫色土的抑酸控鋁、肥力提升的協(xié)同機制