溫室氣體減排和碳生態封存是應對全球變暖的兩個關鍵過程。生物炭可以在土壤環境中長時間穩定存續進行直接碳封存，還可以通過改善土壤結構和優化微生物群落、減少土壤中溫室氣體排放、促進植物源碳的固存。目前，生物炭已成為促進土壤生態固碳以及溫室氣體減排領域的研究熱點。然而，生物炭在進入土壤后的穩定機制、對土壤碳源的激發效應（圖1）、對溫室氣體排放和養分循環的影響機制、土壤應用等核心限制因素方面的認知差距，制約了生物炭材料在土壤中的安全應用。近期，中國科學院生態環境研究中心劉振剛課題組在Environmental Science & Technology和Resources, Conservation & Recycling上，發表了綜述論文（Carbon sequestration strategies in soil using biochar: Advances, challenges, and opportunities）和觀點論文（Hydrochar: A promising activator for legacy phosphorus in soil）。

綜述論文厘清了生物炭（biochar）、熱解炭（pyrochar）和水熱炭（hydrochar）的定義內涵；比較了熱解炭、水熱炭在土壤環境不同穩定性及主控因素；探討了熱解炭和水熱炭誘導土壤有機碳分解的激發效應作用機制等關鍵問題。文章首次提出了土壤環境中有效態C/N化學計量比是影響生物炭穩定性和有機碳在土壤環境轉化的關鍵因素的觀點（圖2）；闡述了生物炭中氮形態轉化對土壤生態系統溫室氣體排放的重要貢獻；通過對生物炭在土壤應用閾值、經濟成本等方面限制生物炭在土壤固碳應用因素的分析，建議開展應用生命周期評價方法指導生物炭的固碳應用、降低其環境風險的相關研究。

基于生物炭在土壤固碳減排研究，未來研究需要基于生物炭-土壤-植物系統，加強微觀機制與長期田間試驗相結合的研究，完善生物炭整個生產和應用系統的生態效益和經濟效益之間的權衡分析。同時，研究應遵循科學數據FAIR共享原則，提高試驗數據的質量和完整性。文章提出，生物炭并非農田土壤實現碳中和的唯一解決方案，碳封存也不是生物炭在土壤中的唯一目的。根據土壤特性施用合適種類和用量的生物炭，有望實現促進土壤固碳和提高土壤生態的雙贏，助力提升土壤生態功能和實現農業碳中和。      

遺留磷是過量施肥而在土壤中盈余累積的磷，提高遺留磷利用效率是緩解當前磷資源短缺同時保障糧食安全的最重要途徑。水熱炭化作為有機固廢資源化重要的負碳技術，處理過程可將有機固廢中作物難以利用的有機磷轉化為無機磷；水熱炭富含的活性有機碳，可通過絡合金屬陽離子、競爭吸附位點抑制磷在土壤界面吸附等作用釋放土壤固定的磷；水熱炭可通過提升土壤微生物種群和磷酸酶活性，觸發激發效應和酶促反應，促進土壤中與有機碳結合的有機磷的礦化分解，提高土壤遺留磷（酶解）活化和生物有效性。基于此，研究提出水熱炭有望在提高土壤遺留磷的有效性和利用效率、實現土壤遺留磷和有機固廢高效循環利用等方面的發揮重要作用（圖3）。

研究工作得到國家自然科學基金和山東省重大科技創新工程項目等的支持。

論文鏈接：1、2

圖1. 生物炭在土壤環境中關鍵反應過程和影響因素       

圖2. 生物炭中氮素形態轉化及化學計量C/N對生物炭誘導土壤激發效應影響的示意圖       

圖3. 土壤遺留磷循環及水熱炭的潛在影響作用機制