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这篇综述聚焦生物炭在我国南北稻田的应用。探讨其对温室气体（GHG）排放、土壤理化性质及水稻生长的影响，发现南方生物炭减少 CH4排放效果佳，北方则对降低 N2O 排放更显著，为农业减排提供理论依据。
生物炭在缓解中国北方和南方稻田温室气体排放中的不同作用
全球变暖对人类生存发展构成严重威胁，减少温室气体（GHG）排放迫在眉睫。农业生态系统中，稻田排放的 CH4和 N2O 是重要的温室气体来源，对全球温室效应贡献显著。中国提出 “双碳” 目标，低碳环保的水稻生产至关重要。生物炭作为一种特殊的土壤改良剂，在减少 GHG 排放方面潜力巨大，本文对其在我国南北稻田中的作用展开综述。
1. 生物炭对中国南方稻田温室气体排放、土壤理化性质及水稻生长的影响
稻田 CH4排放包含生产、再氧化和大气传输三个过程。南方长期的淹水管理使稻田土壤形成还原厌氧环境，利于产甲烷菌繁殖，加上一年两季的种植模式，导致南方稻田 CH4排放机制有其独特性。施用生物炭后，稻田土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的相对丰度发生变化。在湖南长沙双季稻的研究中，生物炭增加了甲烷氧化菌属的相对丰度。不过，生物炭对不同季节水稻稻田 CH4排放的影响不同，对晚季稻 CH4排放的抑制作用更明显，对早季稻可能效果不佳甚至增加排放，这与生物炭的施用量和材料有关。此外，生物炭的热解温度也会影响其对 CH4排放的作用，500°C 热解的生物炭能更有效降低稻田 CH4排放。在稻麦轮作地区，生物炭可抑制产甲烷菌活性，减少 CH4排放。
生物炭对南方不同种植系统中 GHG 排放的影响各异。在稻麦轮作和油菜 - 稻轮作系统中，生物炭可减少 GHG 排放，但对南方双季稻地区的累积 N2O 排放通量影响不显著。生物炭与氮肥配施对 N2O 累积排放有明显交互作用，且生物炭老化对 N2O 排放的影响也需考虑，目前关于其长期影响的研究还不充分。
生物炭的结构和性质使其能改善土壤基本和生物学性质。南方稻田土壤 pH 值低，长期大量施用化肥导致土壤质量和水稻产量下降。生物炭能提高酸性土壤的 pH 值，增加土壤总碳、碳氮比（C/N）和有效钾（AK）含量。不过，生物炭对水稻产量的影响因多种因素而异，在不同种植系统中，其对水稻产量的短期和长期影响存在争议。
2. 生物炭对中国北方稻田温室气体排放、土壤理化性质及水稻生长的影响
北方冬季农田土壤进入修复期，反复冻融循环改变土壤结构和水热传输过程，影响土壤微生物的生化过程和养分积累，导致土壤成为大气 GHG 的重要来源。生物炭可通过自身特性影响土壤温度，进而影响 CH4排放。不同热解温度的生物炭对 CH4排放影响不同，高温热解（500°C）的生物炭在高氮水平下抑制 CH4产生，低温热解（300°C）的生物炭在低氮水平下抑制作用相对较强。但冻融作用会破坏生物炭结构，降低其抑制 CH4产生的能力。
北方东北地区土壤多为黑土，其 N2O 排放机制与南方不同。黑土中异养硝化对 N2O 排放的贡献率较高，生物炭的施用可增强硝化和反硝化功能基因的丰度。温度对北方 N2O 排放影响明显，低温下微生物仍有活性，冻融过程形成的特殊土壤环境为硝化和反硝化提供了有利条件。生物炭可通过影响稻田土壤理化性质，降低反硝化细菌及其酶的活性，抑制 N2O 排放。生物炭的 C/N 比、含氮量、热解温度等性质都会影响土壤 N2O 排放。
在北方稻田施用生物炭可抑制土壤团聚体破坏，有利于土壤结构稳定，但过量施用会影响土壤三相比。生物炭能提高土壤温度，对冻融期土壤温度影响更大。适量添加生物炭到育苗基质中，可改善微生态环境，减轻早春低温危害。生物炭虽不能直接为水稻提供氮营养，但能减少氮素淋失和挥发，提高土壤氮素有效性和利用效率（NUE）。施用生物炭可促进水稻根系形态形成，增加干物质积累，提高水稻产量。
3. 生物炭与田间管理相结合减少温室气体排放
水稻生长对水分要求特殊，水管理对控制稻田 GHG 排放很重要。在南方昆山，节水灌溉处理的稻田 CH4排放通量低于常规灌溉；在北方绥化，生物炭在不同灌溉制度下都能显著抑制稻田 CH4排放。生物炭与节水灌溉结合，可提高土壤对氮素的固定能力，改变相关基因丰度，还能促进水稻节水增产，减少 CH4排放，但对水稻生长、产量、土壤有机碳（SOC）含量和 GHG 排放的综合影响还需进一步研究。
在南方重庆、南宁等地，生物炭与化肥结合是有效的减排策略。控释尿素可减少稻田 CH4排放，但缓释或控释肥料的效果存在差异。生物炭与化肥配施时，需合理施用生物炭并减少氮肥用量，以保证水稻产量稳定。生物炭与肥料有机结合制成生物炭基肥料，可提高土壤和肥料利用率，减少污染。有机或生物肥料与生物炭配施，能降低温室气体强度（GHGI）。
硝化抑制剂和脲酶抑制剂与生物炭结合，为减排提供了新途径。在海南，硝化抑制剂双氰胺（DCD）与生物炭结合，抑制 N2O 排放的效果比单独施用更好。脲酶抑制剂正丁基硫代磷酸三酰胺（NBPT）与生物炭结合，可降低土壤硝酸盐氮含量，减少 N2O 排放。不过，这些抑制剂与生物炭结合的处理对土壤 CO2和 CH4排放有促进作用，且除生物炭与脲酶抑制剂处理外，其他处理对全球变暖潜势（GWP）有抑制作用。
4. 未来研究方向
生物炭性质受生物质原料类型、碳化温度、加热速率和停留时间等因素影响。目前研究多聚焦单一变量，未综合考虑所有影响因素，且未充分考虑南北地区差异。未来需针对现有数据不足的试验开展补充研究，根据当地条件选择合适的生物炭类型。
生物炭老化对 GHG 减排的影响存在争议，其是否受区域气候、土壤性质、种植系统和耕作方式等差异影响尚不明确。未来需开展不同地区生物炭老化对减排长期影响的研究，为持续减排提供理论依据。
生物炭在土壤中的固碳效果取决于土壤和生物炭的性质。不同耕作方式下生物炭的减排差异、不同气候条件下生物炭的关键性质以及最佳的组合方式等问题有待研究。目前对生物炭使用后的处理、回收方法及效率缺乏系统研究，需了解其生命周期和回收利用率，合理使用生物炭，同时测量与生物炭相关的碳排放，为实现 “双碳” 目标提供科学依据。
土壤既是碳源也是碳汇，生物炭可将光合作用固定的 CO2以稳定碳的形式封存于土壤中，有利于固碳减排，还能改善土壤肥力、提高作物产量和控制污染。但生物炭在土壤中会发生复杂的相互作用，可能导致碳和氮通量变化，影响 GHG 排放。需要进一步研究生物炭对土壤碳汇、GHG 减排和水稻产量的影响，明确其作用机制、优缺点及有效年限。
生物炭可改变土壤有机碳（SOC）分解速率，促进植物残体向 SOC 转化，增加微生物量，促进 SOC 积累。但生物炭对稻田土壤的主动减排效果需更多实验验证，需大规模、多条件收集稳定可靠的数据，综合分析评估其固碳减排潜力，利用同位素标记和分子生物学技术分析其对微生物、酶和有机碳代谢过程的影响。
生物炭生产过程涉及能源消耗，评估其减排潜力时需关注生产能耗。通过改进设备、优化工艺、使用可再生能源和扩大生产规模等方式可降低能耗。同时，要进行碳足迹评估，计算生物炭生命周期内的 GHG 排放，准确了解其减排作用，为政府制定政策提供科学支持。评估 GHG 减排效果可采用 GHG 排放、GWP、GHGI 和净生态系统经济预算（NEEB）等指标。
5. 结论
中国南方和北方稻田 GHG 排放机制存在差异，南方受气候和土壤类型影响，温暖湿润环境利于产甲烷菌生长，多样种植系统影响累积排放；北方则受特殊气候和土壤类型影响，冻融作用改变土壤结构和微生物活动，促进矿化、硝化和反硝化。生物炭对南方稻田土壤性质有积极影响，为甲烷氧化菌创造适宜环境；对北方稻田，生物炭可缓解季节变化影响，促进反硝化，加速 N2O 转化为 N2。生物炭的制备条件和材料影响其减排效果。未来应深入研究生物炭的制备条件、长期应用效果、潜在弊端，并结合具体地理环境进行综合评估，不断完善生物炭应用策略。
