在农业生产中，每个生长季都会产生大量稻草、稻壳和秸秆等农作物废弃物。传统处理方式，如焚烧、犁回田地、作动物饲料或堆肥，均会释放甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)和二氧化碳(CO2)等温室气体，不仅加剧气候变化，还对粮食安全构成长期威胁。不过，中国科学家的一项新研究为这一难题提供了环保且有效的解决方案——生物炭。

生物炭是一种类似木炭的物质，通过在低氧条件下加热农业废弃物(热解)制成。由中国科学院南京土壤研究所颜小元教授和夏龙龙教授领衔的研究团队发现，长期在农田施用生物炭能为粮食安全和气候减缓带来持久且显著的效益。尤为突出的是，每年重复施用生物炭，不仅能维持其对作物产量、土壤健康和温室气体减排的积极作用，还能进一步增强效果。

该研究团队深入分析了438项高质量田间试验记录，其中包含29项长期田间试验的连续年度数据。相关研究成果发表于《美国国家科学院院刊》，数据显示，四年或更长时间的年度生物炭施用，可使全球作物产量平均提升10.8%，甲烷排放量减少13.5%，氧化亚氮排放量降低21.4%，土壤有机碳(SOC)含量提高52.5%。尽管单独施用生物炭会因老化效应导致效果随时间减弱，但产量和SOC仍会持续上升，CH4和N2O也会持续减排，只是趋势有所变缓。

“我们致力于探究长期应用生物炭对全球农田碳封存和减排的潜力。”研究第一作者、中国科学院上海海洋大学地球科学与技术学院博士生杨景瑞介绍道。基于当前秸秆和生物炭管理实践，研究人员估算，将70%的秸秆转化为农田生物炭，每年可使全球粮食产量增加1.9亿吨，二氧化碳去除(CDR)潜力提高2.01 Pg CO2当量，约为2018年至2021年中国年平均粮食产量的30%。即便考虑生物炭生产过程中的温室气体排放(每吨生物炭排放0.25吨二氧化碳)，净CDR潜力仍达每年1.84Pg二氧化碳当量，可抵消全球化石燃料二氧化碳排放量的约4.6%。

研究还指出，采取多年间隔或在年度施用之间设置间歇期的策略性生物炭施用方式，既能保持其效益，又能降低风险。扩大田间试验范围，开展不同土壤类型、气候条件和种植制度下的对比试验，对于完善施用策略、确定最佳施用频率和施用量至关重要。

然而，推广生物炭施用面临一定挑战。虽然根据当地情况定期施用可降低成本、确保长期优势，但初始经济负担可能使厌恶风险的农民望而却步。颜教授表示：“除非有确凿证据表明增加投入成本是值得的，否则农民很难接受。因此，在华北平原和美国玉米带等主要粮食产区开展大规模示范试验，对证明其经济和环境效益十分关键。”

研究团队的成本效益分析显示，产量提高和温室气体减排可补偿约81%的生物炭采购成本，若将减少氮损失纳入考量，收益可能更大。研究人员认为，政府出台补贴和支持性政策，对于扩大生物炭应用、实现其在全球可持续农业和气候减缓方面的潜力不可或缺。

更多信息： Jingrui Yang 等，《长期施用生物炭对粮食安全和减缓气候变化的持续效益》，《美国国家科学院院刊》(2025)。