長(zhǎng)期定位雙季稻田施用生物炭的溫室氣體減排生命周期評(píng)估

張衛(wèi)紅，李玉娥，秦曉波，李健陵，萬(wàn)運(yùn)帆，王 斌，高清竹，劉 碩

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長(zhǎng)期定位雙季稻田施用生物炭的溫室氣體減排生命周期評(píng)估

張衛(wèi)紅1,2，李玉娥1※，秦曉波1，李健陵1，萬(wàn)運(yùn)帆1，王 斌1，高清竹1，劉 碩1

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院河北分院，保定 071000）

該文評(píng)估了雙季稻田施用生物炭的溫室氣體排放和固碳及經(jīng)濟(jì)效益。采用生命周期（life cycle assessment，LCA）方法核算了生物炭原料收集與運(yùn)輸、生物炭生產(chǎn)、運(yùn)輸和撒播以及避免秸稈燃燒等過(guò)程中的溫室氣體排放和土壤碳儲(chǔ)量；采用靜態(tài)箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)了不同生物炭施入量在4 a 8個(gè)生育期的稻田CH4和N2O排放量；計(jì)算了不同生物炭施入量處理的凈溫室氣體排放量和減排百分比。水稻生長(zhǎng)季溫室氣體排放結(jié)果顯示，CK處理（不添加生物炭）、BC1處理（5 t/hm2）、BC2處理（10 t/hm2）、BC3處理（20 t/hm2）的4 a田間溫室氣體排放總量分別為19.5、15.6、16.1、12.4 t/hm2，BC1、BC2和BC3處理相對(duì)CK處理的總減排百分比分別為19.70%、17.46%和36.40%。綜合生物炭全生命周期各階段溫室氣體排放，CK、BC1、BC2和BC3處理的4 a總凈排放量分別為19.5、20.3、10.9、4.2 t/hm2，BC1處理的4a凈排放相對(duì)CK處理增加4.3%，BC2和BC3處理的4 a凈排放相對(duì)CK處理分別減少了44.0%、78.6%。3個(gè)生物炭用量中，生物炭施用量越低，經(jīng)濟(jì)效益越好。稻田施用生物炭能夠降低其溫室氣體排放；全生命周期評(píng)估結(jié)果表明中量和高量生物炭能夠起到減排效果，高量生物炭減排效果最好；經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果表明隨著生物炭施用量增加，經(jīng)濟(jì)效益降低。

溫室氣體；排放控制；生物炭；CH4；N2O；生命周期評(píng)價(jià)（LCA）；碳足跡

0 引 言

甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是2種重要的溫室氣體，稻田生態(tài)系統(tǒng)是CH4和N2O的主要排放源，中國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年中國(guó)水稻種植面積占世界水稻種植總面積的19%，產(chǎn)量占全球的28.5%(FAO，2017)。因此，研究減少稻田溫室氣體排放的措施，對(duì)于中國(guó)發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，減緩全球氣候變暖具有重要的意義。自20世紀(jì)末“生物炭”概念出現(xiàn)至今，其作為一種高效的碳封存技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。以往學(xué)者經(jīng)過(guò)研究已經(jīng)證實(shí)，生物炭在改善環(huán)境污染、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高作物產(chǎn)量等方面有著重要的作用[1-2]。相關(guān)研究表明，施用生物炭能夠減少農(nóng)田溫室氣體排放[3-4]，有的研究結(jié)果則與此相反[5]。不同生物炭用量對(duì)CH4和N2O排放影響也是不同的，李露等[6]研究表明生物炭施用量為20 t/hm2時(shí)，對(duì)稻田N2O和CH4的排放無(wú)顯著影響，生物炭施用量為40 t/hm2時(shí)，生物炭能顯著降低CH4的排放。而程效義等[7]研究表明，生物炭施用量為20 t/hm2時(shí)，能夠降低N2O排放，施用量為40 t/hm2時(shí)，效果與此相反。羅曉琦等[8]利用meta分析方法得出，當(dāng)生物炭添加量處于20～160 t/hm2時(shí)，生物炭對(duì)土壤N2O的減排效果隨添加量增加而增強(qiáng)。Zhang等[9]設(shè)置生物炭施用量為10、20、40 t/hm2配施氮肥來(lái)研究不同生物炭施用量對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭用量為20 t/hm2時(shí)，不論是否施用氮肥，CH4季節(jié)排放總量均為最高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，用量為10、40 t/hm2的溫室氣體排放總量沒(méi)有顯著性改變。本文設(shè)置生物炭添加量為5、10、20 t/hm2，連續(xù)進(jìn)行4a大田試驗(yàn)，研究不同生物炭施用量對(duì)稻田溫室氣體排放影響，并利用生命周期評(píng)估（life cycle assessment，LCA）方法評(píng)價(jià)了不同生物炭用量的碳足跡及其經(jīng)濟(jì)效益，這也彌補(bǔ)了以往研究在利用此方法評(píng)估生物炭碳足跡時(shí)，田間排放量數(shù)據(jù)大部分來(lái)自文獻(xiàn)及估算數(shù)據(jù)，很少來(lái)自大田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)這一問(wèn)題。生物炭能否真正減少稻田溫室氣體排放，生物炭施用量為多少時(shí)可以減少稻田溫室氣體排放，針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題還存在很多爭(zhēng)議。本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)華南雙季稻溫室氣體排放進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，最終獲得不同處理早晚稻排放量，計(jì)算不同用量生物炭的減排效果；基于大田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用LCA方法綜合評(píng)估不同用量生物炭在廣東雙季稻田應(yīng)用的減排效果和經(jīng)濟(jì)可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)站概況

試驗(yàn)站位于廣東省惠州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所國(guó)家水稻品種區(qū)域試驗(yàn)田（23°19'N，114°36'E），該試驗(yàn)站是華南地區(qū)雙季稻種植推廣區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年日照時(shí)數(shù)1 500～1 800 h、年平均氣溫21.9～22.6 ℃、年平均降雨量在1 600 mm左右。供試土壤基礎(chǔ)理化特性以及生物炭性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤和生物炭的理化特性

注：—代表無(wú)此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

Note：— means not available.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年3月至2015年12月進(jìn)行。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積5 m×6 m。4個(gè)處理如下：1）CK：習(xí)慣施肥，不添加生物炭；2）BC1：生物炭添加量為5 t/hm2；3）BC2：生物炭添加量為10 t/hm2；4）BC3：生物炭添加量為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。供試生物炭為小麥秸稈炭，由河南三利新能源公司生產(chǎn)，熱裂解炭化溫度350～500 ℃。

在4 a試驗(yàn)期間，早晚稻品種均為銀黃絲苗，施肥方案一致。早晚稻施肥分別為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?；适┯脧?fù)合肥和普鈣（折合純N、P2O5、K2O分別為：72、79.2、72 kg/hm2），第1次追肥施用尿素（折合純N 54 kg/hm2），第2次追肥施用尿素（折合純N 55.2 kg/hm2）和氯化鉀（折合純K2O 45 kg/hm2），第3次追肥施用復(fù)合肥（折合純N、P2O5、K2O均為36 kg/hm2）。具體施肥方案見(jiàn)表2。灌溉管理按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣，即水稻移栽后淹水，移栽后30 d左右曬田，2周后復(fù)水，黃熟期再次曬田直至水稻收獲。

表2 施肥方案

1.3 溫室氣體監(jiān)測(cè)及計(jì)算

試驗(yàn)采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[10]手動(dòng)監(jiān)測(cè)稻田CH4和N2O排放。在雙季稻生長(zhǎng)季前期（從移栽到曬田結(jié)束）采氣頻率為每2天1次，曬田結(jié)束后到收獲前每3天1次。采氣時(shí)間于上午09:00－11:00之間進(jìn)行[11]，每次罩箱以后，分別在第0、8、16、24和32 min用注射器抽取約30 mL氣體，并注入12 mL真空瓶?jī)?nèi)，同時(shí)記錄箱內(nèi)空氣溫度、土壤溫濕度、土壤Eh值和pH值等環(huán)境要素。采氣結(jié)束后，于24 h內(nèi)送實(shí)驗(yàn)室利用Agilent 7890A（Agilent Technologies Inc.，U.S.A，2011）氣相色譜儀測(cè)定CH4和N2O濃度。CH4由氫火焰離子檢測(cè)器（FID）檢測(cè)，N2O由電子捕獲檢測(cè)器（ECD）檢測(cè)，2種檢測(cè)器的工作溫度分別為200和330 ℃，分離時(shí)柱溫為50 ℃，載氣為高純氮和高純氫[12]。測(cè)定所用標(biāo)準(zhǔn)氣體由國(guó)家計(jì)量研究院標(biāo)準(zhǔn)氣體研究中心提供，CH4和N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度分別為1.94×10-6和3.02×10-7mol/mol。

對(duì)氣相色譜測(cè)得的CH4和N2O的濃度，線性擬合同一處理5個(gè)氣樣濃度與時(shí)間的變化斜率，若擬合度2<0.86，則舍棄此次觀測(cè)值。排放通量計(jì)算參考Zheng等的方法[13]，由當(dāng)日排放通量乘以時(shí)間計(jì)算出當(dāng)日排放量，由內(nèi)插加權(quán)法累計(jì)得出季節(jié)排放總量。

根據(jù)CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)，利用公式（1）將CH4和N2O的排放量轉(zhuǎn)換成二氧化碳當(dāng)量（CO2e）。CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)(global warming potential，GWP)分別為CO2的25、298倍[14]。

GHGCO2e=GHGCH4×25+GHGN2O×298 （1）

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為同一處理3個(gè)重復(fù)的平均值，數(shù)據(jù)方差分析和多重比較采用SPSS19.0完成，圖表繪制采用Excel2010完成。

1.4 生命周期評(píng)估方法

LCA方法是一種用來(lái)對(duì)產(chǎn)品整體環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估的方法[15]。本文利用此方法來(lái)計(jì)算生物炭生產(chǎn)及應(yīng)用的各個(gè)生命周期階段的溫室氣體排放或減排量，以期深入認(rèn)識(shí)生物炭的碳足跡。

本研究的基線情景設(shè)定為不施用生物炭的背景排放。LCA的系統(tǒng)邊界包括生物炭制備原料的收集階段、生物炭生產(chǎn)階段和農(nóng)業(yè)應(yīng)用階段3大部分。原料收集階段需要考慮秸稈收集和運(yùn)輸過(guò)程中能源、電力的消耗以及農(nóng)業(yè)器具的消耗，其中秸稈運(yùn)輸過(guò)程的能耗是重點(diǎn)。生物炭生產(chǎn)階段是另一個(gè)能耗分析的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，包括秸稈的分解、干燥和熱裂解過(guò)程，秸稈分解和干燥的前處理過(guò)程能耗不可或缺，最重要的是熱裂解過(guò)程，其不僅產(chǎn)生生物炭，還產(chǎn)生生物油和氣。農(nóng)業(yè)應(yīng)用是生物炭的最后一個(gè)階段，這部分主要考慮碳增匯和溫室氣體減排量。LCA的關(guān)鍵計(jì)量環(huán)節(jié)包括：①生物炭原料-秸稈的避免焚燒產(chǎn)生的減排量；②秸稈收集過(guò)程產(chǎn)生的排放量；③生物炭生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的排放量，包括在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能源副產(chǎn)品的替代減排量；④生物炭運(yùn)輸至農(nóng)田過(guò)程的排放量；⑤生物炭的田間撒播排放量；⑥土壤碳匯增加量；⑦作物生長(zhǎng)季溫室氣體排放量。圖1直觀的顯示了生物炭全生命周期評(píng)估的LCA系統(tǒng)邊界，以及各階段的溫室氣體排放。

注：T代表運(yùn)輸，虛線加(-)表示替代減排。

1.5 各個(gè)環(huán)節(jié)溫室氣體排放的計(jì)算方法

1.5.1 避免秸稈焚燒排放量

秸稈焚燒產(chǎn)生的溫室氣體僅考慮CH4和N2O，不考慮CO2，因?yàn)榻斩挼纳L(zhǎng)過(guò)程固定CO2，焚燒相當(dāng)于將固定的CO2釋放出來(lái)。生物炭制備需要的秸稈量可由田間施用的生物炭量和秸稈的生物炭產(chǎn)率來(lái)計(jì)算。避免秸稈焚燒減排量由公式（2）計(jì)算。

式中1表示將秸稈制成1 t生物炭能夠避免的焚燒排放量，kg/t。其他參數(shù)含義見(jiàn)表3。

1.5.2 秸稈收集過(guò)程、生物炭運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的排放量

假設(shè)秸稈的主要運(yùn)輸工具是汽車(chē)，用油為柴油。根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告[20]，柴油的CO2排放因子為74 100 kg/TJ，柴油的凈熱值為43 TJ/Gg，故單位質(zhì)量柴油完全燃燒排放的CO2質(zhì)量是3.186 3 kg/kg。秸稈收集、生物炭運(yùn)輸過(guò)程排放量由式（3）－式（5）計(jì)算。

式中1表示運(yùn)輸1t秸稈到生物炭生產(chǎn)公司的排放量，kg/t；2表示運(yùn)輸1 t生物炭到田間的排放量，kg/t；2表示生產(chǎn)1 t生物炭的原料收集、成品運(yùn)輸過(guò)程排放量，kg/t。其他參數(shù)含義見(jiàn)表3。

1.5.3 生物炭生產(chǎn)過(guò)程排放量

生物炭的制備主要包括原料的預(yù)處理和熱解反應(yīng)，預(yù)處理主要是對(duì)原料含水量和原料粒徑大小2個(gè)因素進(jìn)行處理，熱解過(guò)程除了產(chǎn)生生物炭以外，還會(huì)產(chǎn)生生物油和生物氣兩種能源副產(chǎn)物[21,26]。

在生物炭生產(chǎn)過(guò)程中得到的能源副產(chǎn)物能夠起到替代減排效果。根據(jù)目前對(duì)生物油和生物氣這兩種能源的利用方式[27-28]，本文假設(shè)生物氣直接用來(lái)生產(chǎn)電力。因此，生物炭生產(chǎn)過(guò)程排放量除了生產(chǎn)直接排放量，還應(yīng)考慮能源副產(chǎn)物替代電能的減排量，計(jì)算公式如下：

3=3?4（8）

式中3表示生產(chǎn)1 t生物炭的排放量，kg/t；4表示生產(chǎn)1 t生物炭產(chǎn)生的能源副產(chǎn)物替代電能的減排量，kg/t；3表示生產(chǎn)1 t生物炭的凈排放量，kg/t。其他參數(shù)含義見(jiàn)表3。

1.5.4 生物炭的田間撒播排放量

生物炭在田間撒播過(guò)程中必然要有一定的能耗，導(dǎo)致溫室氣體排放，但是目前基本沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道生物炭田間撒播的直接能耗和排放量數(shù)據(jù)。因此本文參考其他土壤添加劑在田間施用過(guò)程中的能耗和排放量數(shù)據(jù)[29]，施用1 t生物炭的能耗為566 MJ，釋放CO2當(dāng)量45.32 kg。用4表示施用1 t生物炭的田間撒播排放量（kg/t），即

4=45.32 kg/t

1.5.5 生物炭添加對(duì)土壤碳排放的影響

生物炭的高度穩(wěn)定性使其能夠?qū)⑻奸L(zhǎng)期封存在土壤碳庫(kù)中，起到了很好的固碳效果[30]。本試驗(yàn)根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)變化，計(jì)算了使用生物炭后土壤有機(jī)碳變化情況。利用公式（9）計(jì)算不同處理0～20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

5=(SOC×BD×Depth×100)×44÷12 （9）

式中SOC為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；BD為土壤容重，g/cm3；Depth是土壤深度，20 cm；5為不同生物炭處理的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，kg/hm2。

1.5.6 生物炭添加造成的生長(zhǎng)季排放量

生長(zhǎng)季排放量6為大田實(shí)測(cè)值，單位為kg/hm2。根據(jù)以上公式整理得出生物炭全生命周期凈溫室氣體排放（）計(jì)算公式如式（10）。

式中BCm為生物炭用量，kg/hm2，為生物炭全生命周期凈溫室氣體排放，kg/hm2。

表3 生命周期分析過(guò)程參數(shù)清單

1.6 經(jīng)濟(jì)效益分析方法

本文引入收益增加百分比來(lái)評(píng)估不同生物炭用量的經(jīng)濟(jì)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%，本文確定不同處理的收入包括減排收入和產(chǎn)量收入。

水稻生產(chǎn)的成本包括物質(zhì)與服務(wù)成本、人工成本、土地成本，物質(zhì)與服務(wù)成本又包括直接成本和間接成本，直接成本包括種子費(fèi)、化肥費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)、農(nóng)膜費(fèi)、租賃作業(yè)費(fèi)、燃料動(dòng)力費(fèi)等，間接成本包括固定資產(chǎn)折舊、修理維護(hù)費(fèi)、技術(shù)服務(wù)費(fèi)等。本研究將基線情景成本設(shè)定為1.15萬(wàn)元/hm2[31]，生物炭市場(chǎng)價(jià)為1 800元/t（河南三利新能源有限公司，2012），碳市場(chǎng)交易價(jià)格為32.55元/t（7個(gè)試點(diǎn)碳交易價(jià)格平均值）[32]，稻谷售價(jià)為3.2元/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭的碳足跡

本節(jié)計(jì)算的是2012－2015年生物炭碳足跡，利用生物炭每年碳分解率[33]計(jì)算得出1 t生物炭需要64.5 a分解完全，為將生物炭的1次性排放分配到4a排放上，需要將生物炭的1次性排放乘以1/16。生物炭的1次性排放包括：減少秸稈焚燒而達(dá)到的減排量、收集和運(yùn)輸過(guò)程排放量、生產(chǎn)過(guò)程排放量以及田間應(yīng)用過(guò)程的田間撒播排放量。根據(jù)不同處理生物炭用量，結(jié)合方法中的公式，計(jì)算得出生物炭的碳足跡（表4）。BC1處理的生物炭全生命周期（除生長(zhǎng)季排放量）的溫室氣體排放以增加土壤碳分解排放為主，其一次性生產(chǎn)排放量也非常大，但分配到4a上，生產(chǎn)排放量大大減小，減排途徑主要以避免秸稈焚燒排放為主。BC2處理和BC3處理的溫室氣體排放主要來(lái)自生產(chǎn)排放，減排途徑以固碳減排為主，其次為避免秸稈焚燒的減排量。

表4 2012－2015年生物炭全生命周期排放量

2.2 水稻生長(zhǎng)季節(jié)溫室氣體排放

2012年，除BC2對(duì)稻田CH4排放沒(méi)有起到抑制作用，BC1和BC3均抑制了CH4排放，4個(gè)處理之間無(wú)顯著差異。2013－2015年，生物炭處理均降低了CH4排放，生物炭施用量越大，抑制效果越好，BC2和BC3處理相對(duì)CK處理均顯著降低了CH4排放（<0.05）。2012年和2013年的稻田CH4排放量明顯高于2014年和2015年，這與生物炭添加后，土壤中可供水稻生長(zhǎng)利用的有機(jī)碳增多，促進(jìn)其生長(zhǎng)，較為發(fā)達(dá)的通氣組織導(dǎo)致CH4排放量較多，這種效應(yīng)超過(guò)了生物炭引起的能夠抑制CH4排放的反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)也與田間管理措施等因素有關(guān)。

除2015年BC1相對(duì)CK處理沒(méi)有降低N2O排放，BC2和BC3均對(duì)N2O排放起到抑制作用。2012－2014年，生物炭處理均降低了N2O排放。不同生物炭用量對(duì)于每一年的N2O排放抑制效果沒(méi)有明顯規(guī)律，但是綜合2012－2015年不同處理的N2O總排放量，可以看出，生物炭施用量越大，對(duì)于N2O排放的抑制效果越好。不同年份N2O排放量差異很大，總的來(lái)說(shuō)，2014年和2015年的N2O排放量要高于前2a，與CH4排放呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)規(guī)律，這說(shuō)明田間管理措施等其他因素對(duì)溫室氣體排放起到了一定的影響作用。

2012－2015年，生物炭處理的綜合溫室效應(yīng)均低于CK處理。除2012年，其余年份均表現(xiàn)為生物炭施用量越高，綜合溫室效應(yīng)越低。2014年和2015年的綜合溫室效應(yīng)明顯低于2012年和2013年，這主要是與后2a田間較低的CH4排放有關(guān)。計(jì)算不同處理的4a總排放量發(fā)現(xiàn)，3個(gè)生物炭處理的總排放量均低于CK處理，其中BC3處理最低（4a總排放量12 387.2 kg/hm2），其次為BC1（15 639.6 kg/hm2）和BC2（16 077.5 kg/hm2），BC1、BC2、BC3相對(duì)CK處理分別降低溫室氣體排放百分比為19.70%、17.46%、36.40%。

表5 2012－2015年不同處理溫室氣體排放量

注：數(shù)值后標(biāo)注不同字母的處理間兩兩差異顯著（<0.05）。

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

2.3 不同處理溫室氣體凈排放

根據(jù)實(shí)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)變化，BC1處理添加后造成土壤釋放一定量的CO2，導(dǎo)致總排放量高于CK處理，BC2和BC3處理因較高的固碳量，使得凈排放量均低于CK處理（表6）。3個(gè)生物炭用量處理中，BC1和BC2處理的凈排放量較高，這主要是由于其施用量較低，避免秸稈焚燒排放量較低，尤其是土壤增匯，明顯低于BC3處理。BC3處理由于其較高的土壤增匯（4 a能夠增加土壤碳匯8.7 t/hm2）和較低的生長(zhǎng)季排放量，使得其全生命周期凈排放最低?？梢哉f(shuō)，生物炭施用量越大，凈排放量越低，BC1處理的4a溫室氣體凈排放量為20 313.6 kg/hm2，相對(duì)CK處理增排4.3%，BC2和BC3處理的凈排放分別為109 04.2、4 171.2 kg/hm2，相對(duì)CK處理分別減少了44.0%、78.6%。LCA結(jié)果表明，低量生物炭處理會(huì)增加排放，中量和高量生物炭處理均具有減排效果，且高量生物炭減排效果最好。

表6 不同生物炭用量處理的溫室氣體凈排放

表6中排放量包括避免秸稈焚燒排放、秸稈收集和生物炭運(yùn)輸排放、生物炭生產(chǎn)排放、生物炭田間撒播排放、生物炭施入田間后的作物生長(zhǎng)季排放。

2.4 不同生物炭用量的經(jīng)濟(jì)效益分析

僅依據(jù)生物炭全生命周期排放量，其最佳推薦用量是高量生物炭（20 t/hm2），但是生物炭施用量越大，生產(chǎn)成本較高，因此，有必要繼續(xù)評(píng)估不同生物炭用量減排的經(jīng)濟(jì)可行性。

不同處理的經(jīng)濟(jì)收入包括減排收入和產(chǎn)量收入，從表7可以看出，產(chǎn)量收入是經(jīng)濟(jì)收入的支撐，依據(jù)目前的碳排放市場(chǎng)交易價(jià)格計(jì)算，減排帶來(lái)的收入很小。生物炭施用量越高的，減排收入和產(chǎn)量收入越高。不同生物炭處理由于生物炭造價(jià)高，導(dǎo)致其總成本較高，僅從4a結(jié)果看，生物炭處理的收益均低于CK處理，因此，收益增加百分比均為負(fù)值。3個(gè)生物炭用量中，隨著生物炭施用量增加，經(jīng)濟(jì)效益降低。僅從經(jīng)濟(jì)可行性角度分析，生物炭最佳推薦用量為低量生物炭（5 t/hm2）。

表7 不同處理的減排百分比和收益增加百分比

3 討 論

3.1 生物炭本身性質(zhì)和外界環(huán)境對(duì)生物炭分解速率的影響

本文在計(jì)算生物炭對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響方面，采用的是實(shí)測(cè)值，沒(méi)有考慮外界環(huán)境對(duì)生物炭分解速率的影響。然而，生物炭在土壤中的分解速率受多種因素影響，包括生物炭原材料、裂解溫度、生物炭所在的環(huán)境條件等[34]。Bruun等[33]采用14C同位素標(biāo)記生物炭，2a土壤培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明生物炭（裂解溫度300 ℃）的碳分解率為3.1%。Luo等[35]研究發(fā)現(xiàn)土壤培養(yǎng)87 d后，700 ℃裂解的生物炭在pH值3.7和pH值7.6土壤中的礦化率分別為0.14%和0.18%；350 ℃的生物炭的礦化率分別為0.61%和0.84%。另外，還有研究表明，生物炭在土壤水分飽和條件下的分解速率顯著低于水分飽和與不飽和交替及水分不飽和條件[36]，生物炭分解速率隨著環(huán)境溫度的升高而增加[37]。因此，為使生物炭的碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)更具推廣性，還應(yīng)進(jìn)行深入探討。此外，本研究在計(jì)算生物炭分解排放CO2量方面，沒(méi)有考慮生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳的正負(fù)激發(fā)效應(yīng)。有研究表明，向土壤中施加低溫?zé)峤庵苽涞纳锾?、草本植物制備的生物炭易?duì)土壤本身有機(jī)碳的分解產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)[38]；而向土壤中施加高溫?zé)峤庵苽涞纳锾?、硬木制備的生物炭易?duì)土壤本身有機(jī)碳的分解產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)[39]。

3.2 生物炭添加對(duì)作物生長(zhǎng)季溫室氣體排放的影響

從4a生物炭添加試驗(yàn)效果看，生物炭添加能夠有效抑制稻田CH4和N2O排放，且高量生物炭的抑制效果最好。以往研究表明，生物炭添加能夠增加[40]或減少[41-42]稻田CH4排放，同樣，關(guān)于生物炭添加對(duì)N2O排放影響研究結(jié)果也是有促進(jìn)[43]也有抑制[40,44]。Feng等指出，生物炭能顯著減少CH4排放，并利用分子生物學(xué)技術(shù)分析表明生物炭添加顯著增加土壤CH4氧化菌群落，減少了土壤產(chǎn)CH4菌與CH4氧化菌的比率[45]。生物炭施入土壤后易與土壤中的礦物質(zhì)結(jié)合，難以被土壤微生物利用，從而降低CH4、N2O排放[46]。此外，生物炭添加能夠提高土壤pH值[47]，CH4氧化菌適宜微酸性環(huán)境，不利于CH4排放減少，但較高的pH值能夠增加N2O還原酶的活性，從而減少N2O形成。關(guān)于生物炭對(duì)CH4和N2O排放影響的機(jī)理研究有待進(jìn)一步查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并通過(guò)試驗(yàn)探索和驗(yàn)證。

3.3 生物炭添加對(duì)溫室氣體凈排放的影響

本文通過(guò)對(duì)不同生物炭用量?jī)襞欧帕窟M(jìn)行計(jì)算表明，低量生物炭處理會(huì)增加排放，中量和高量生物炭處理均具有減排效果。張阿鳳等[48]利用生命周期方法，對(duì)秸稈生物炭稻田施用的總效應(yīng)進(jìn)行了估算，結(jié)果表明秸稈生物炭能夠產(chǎn)生的凈碳匯（未考慮生物炭固碳量）為0.25～0.40 t/t原料。本文在用LCA方法估算生物炭減排效果時(shí)，沒(méi)有考慮生物炭的肥料替代減排效果，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)收集過(guò)程中無(wú)法量化相同產(chǎn)量所需要的其他肥料用量。此外，為方便應(yīng)用可行性，秸稈收集和生物炭運(yùn)輸至田間距離的選取均相對(duì)理想化，而實(shí)際情況比較復(fù)雜，因此實(shí)際排放量與估算結(jié)果會(huì)存在一定差異。

3.4 生物炭添加的經(jīng)濟(jì)性分析

生物炭投入成本為一次性，而其減排增產(chǎn)效果是持續(xù)的，減排收入和產(chǎn)量收入持續(xù)增加，但是生物炭實(shí)際市場(chǎng)價(jià)格較高，從4a結(jié)果看，其收益增加百分比仍然為負(fù)值。這與Brown等[49]研究結(jié)果一致，他在考慮固碳、減排價(jià)值的情況下對(duì)快速熱解和慢速熱解2種熱解方式分析生物質(zhì)原料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，最后認(rèn)為在一個(gè)相對(duì)低的CO2當(dāng)量減排價(jià)格下，生物炭為目標(biāo)產(chǎn)品的利用方式在經(jīng)濟(jì)上不具可行性。因此，有必要繼續(xù)研究改進(jìn)生物炭生產(chǎn)工藝，以期能夠降低投入成本，獲得最大收益。

3.5 生物炭添加的最佳用量

為綜合考慮生物炭的減排可行性和經(jīng)濟(jì)可行性，得出生物炭的最佳推薦用量，本文將減排可行性的重要程度權(quán)重值設(shè)為，經(jīng)濟(jì)可行性重要程度的權(quán)重值設(shè)為，假設(shè)BC1、BC2、BC3的減排百分比為1、2、3，收益增加百分比為1、2、3，那么BC1為最佳推薦用量需要同時(shí)滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：1×+1×>2×+2×；1×+1×>3×+3×；+=1，BC2和BC3處理同理類(lèi)推。據(jù)此，計(jì)算得出當(dāng)減排可行性權(quán)重值<0.143，經(jīng)濟(jì)可行性權(quán)重值>0.857，也就是決策分析高于85.7%考慮的是經(jīng)濟(jì)效益，只有不到14.3%考慮的是減排效益時(shí)，生物炭最佳推薦用量是低量生物炭處理（5 t/hm2）；當(dāng)決策分析中減排效益權(quán)重高于27.1%，經(jīng)濟(jì)效益權(quán)重低于72.3%時(shí)，生物炭最佳推薦用量是高量生物炭處理（20 t/hm2）；當(dāng)決策分析中減排效益權(quán)重在14.3%~27.1%之間，經(jīng)濟(jì)效益權(quán)重在72.3%~85.7%之間時(shí)，生物炭最佳推薦用量是中量生物炭處理（10 t/hm2）。

4 結(jié) 論

生物炭添加能夠有效抑制稻田溫室氣體排放，BC1(5 t/hm2)、BC2(10 t/hm2)、BC3(20 t/hm2)處理相對(duì)CK處理分別降低溫室氣體排放百分比為19.70%、17.46%、36.40%，高量生物炭的抑制效果最好；全生命周期評(píng)估不同施用量的生物炭?jī)襞欧判Ч@示，低量生物炭增加排放，增加百分比為4.3%，中量和高量生物炭能夠降低排放，其相對(duì)CK處理分別降低44.0%、78.6%；生物炭添加的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果表明，隨著生物炭施用量增加，經(jīng)濟(jì)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

農(nóng)田草地生態(tài)系統(tǒng)減排計(jì)量與評(píng)估方法體系研究（2015BAC02B06）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201103039）

張衛(wèi)紅，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放研究。Email：weiihong2008@163.com

李玉娥，研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事農(nóng)田溫室氣體排放核算與減排技術(shù)研究。Email：liyue@caas.cn

張衛(wèi)紅，李玉娥，秦曉波，李健陵，萬(wàn)運(yùn)帆，王 斌，高清竹，劉 碩. 長(zhǎng)期定位雙季稻田施用生物炭的溫室氣體減排生命周期評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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