GCB丨全球土壤有机碳变化与生物炭应用的经济收益

论文内容

研究背景：

生物炭被认为是一种很有前途的二氧化碳负排放技术，可以缓解未来的气候变化，并带来增加农业产量的额外好处。然而，土壤有机碳(SOC)对农田添加生物炭的空间响应仍不确定，大规模实施生物炭的经济可行性尚不清楚。本研究通过389对野外测量，分析了土壤有机碳对添加生物炭的响应。结果表明，添加生物炭可显著提高土壤有机碳含量，平均提高45.8%，且区域差异较大。利用土壤、气候、生物、生物炭和管理因素训练的随机森林模型，我们发现有机碳对生物炭添加的响应主要取决于生物炭施用量、初始有机碳、土壤(如pH)和气候(如年平均降水量)变量。结合生物炭添加对全球农田有机碳变化的预测，采用生命周期分析方法对世界上现有和潜在的热解装置进行了生物炭系统收益评估。现有的144个热解装置的净收入随着装置容量的增大和碳价的上涨而增加。在美国和欧洲等地区，建设新工厂的潜在收益较高，但在土壤贫瘠、作物残茬利用率低、交通不便的地区，潜在收益较低。全球生物炭的二氧化碳去除应用为6.6TgCO2eY-1，对于目前生物质处理能力为20,000t-1年的热解工厂，碳价格为50t-1CO2，净收入为1.77亿美元。我们的研究提供了理想的生物炭添加方案的全面经济评估，并确定了具有最大潜在收入的新热解工厂的位置。

研究内容：

本研究采用 meta-analysis的方法以及生命周期评价法进行分析，选择出版物的标准如下:(1)生物炭添加试验必须在有明确位置的田间农田进行;(2)至少有一对有机碳数据(对照和生物炭改性处理)可用。从70篇同行评议的出版物中提取了389组对照处理和生物炭处理的野外有机碳数据，其空间位置如图S3所示。大多数数据的实验持续时间为短期(83.8%的站点在3年内)。从可用的生物炭应用试验出版物中提取6个属性(表S1):(1)土壤有机碳浓度(控制[SOC_ini]和添加生物炭的SOC)和土壤性质，包括粘土(clay)、砂(sand)、粉土(淤泥)、容重(BD)、碱饱和度(BS)、pH、阳离子交换容量(CEC)、年平均土壤水分(SM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)和C/N比(图S4);(2)气候，包括年平均气温(MAT)、年平均降水(MAP)、月平均最低气温(Tmin)和月平均最高气温(Tmax);(3)生物变量(当前大田作物净初级生产力[NPP]);(4)生物炭特性，包括生物炭原料类型(即生产生物炭的生物质源类型FS)、热解温度(Temp_BC)、生物炭施用量(Rate_BC)、生物炭老化时间(Age_BC，即施用生物炭与土壤取样的间隔时间);(5)管理实践，包括灌溉和施肥量(肥料)(图S5);(6)其他辅助变量，包括坐标(经纬度)、试验持续时间、作物类型、是否轮作、收获月份等。

每个处理的有机碳浓度和土壤性质变量的平均值和标准偏差(或误差)也从上下文或补充材料中提取出来进行meta分析(第2.2节)。在大田试验中，基肥被广泛应用于提高作物产量，因此一些研究探讨了生物炭与肥料配施对土壤有机碳的影响。这些数据被记录为肥料处理和“肥料+生物炭”。对于有多个实验的站点，每个实验被视为独立的成对数据。

LCA包括:(a)原料收集，(b)从农田到生物炭热解工厂的原料运输，(c)生物质热解，(d)从工厂到农田的返回运输，(e)生物炭的应用及其衍生影响;(f)由(c)产生的能量;(g) (e)过程中SOC、N2O排放和NPK肥料利用效率的变化。计算各过程的成本和收益以及碳排放和减少排放量，进行经济和碳平衡分析。由于生物炭添加(20 t ha - 1)引起的有机碳变化来自RF投影输出(即ACSOC)。为了进一步分析，LCA中使用了三种碳价格(20美元、50美元和100美元)。

研究结论：

在1 km × 1 km分辨率下，明确估算了添加生物炭对全球农田有机碳变化的影响，并对现有热解工厂和潜在的新工厂进行了初步的LCA。长期的生物炭田间试验对提高长期效应的射频预测和了解生物炭对土壤有机碳变化的影响机制具有重要意义。它还有助于在基于过程的模型中实现生物炭效应，这些模型可以进一步耦合到陆地表面模型中，以模拟生物炭诱导的有机碳变化与未来气候变化的相互作用。对于LCA，需要更明确的空间参数来准确计算生物炭系统的成本和收益，并在全球范围内评估生物炭添加的可行性。由于原料收集和热解成本高，碳交易价格低，生物炭系统的潜在经济效益不高。在各种减缓气候变化的备选方案下(例如，利用生物质残渣捕获和储存生物能源)，农业废弃物资源的多样化利用将进一步增加原料供应的成本。因此，需要更多的研究来分析这些减缓气候变化的备选方案之间的权衡。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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