粮食安全与农业绿色发展关乎人类社会可持续发展。近年来，生物炭作为土壤改良剂已经在全球被广泛应用。然而，土壤性质的空间变异性导致生物炭对土壤温室气体减排的全球应用和区域性长期应用效益存在不确定性，同时，生物炭减控土壤温室气体的分子动力学机制尚不清楚。
针对上述问题，成都山地所朱波研究员团队通过长期田间试验结合分子模型计算技术和Meta分析，对比研究了生物炭与秸秆长期施用对小麦-玉米轮作体系中紫色土温室气体排放的影响，模拟分析了优化生物炭的全球应用策略对全球耕地温室气体减排的增益效果，系统揭示了生物炭的原料选择和制备工艺对其表面性质及温室气体减排影响机制。
基于中国科学院盐亭紫色土农业试验站长期观测数据，发现相较于常规施肥和秸秆还田，生物炭施用分别减少31.5%（2004 kg CO₂eq ha⁻¹ yr⁻¹）和52.13%（4752.9 kg CO₂eq ha⁻¹）的温室气体排放。结合分子模型与全球土壤数据库，团队构建了生物炭参数与区域土壤特性的匹配模型。模拟结果显示，通过优化原料选择（如木质废弃物、作物残体）与热解温度（500-700℃），生物炭规模化应用可实现684.25 Tg yr⁻¹ CO₂当量减排，相当于削减全球耕地温室气体排放总量的7.87%（图2）。研究进一步通过分子动力学模拟与表面表征技术，揭示了生物炭减排的微观机制。原料类型与热解温度是调控其表面特性的关键：高温热解促使生物炭碳骨架高度芳香化和低含氧官能团（如羧基、酚羟基），从而增强抗微生物分解能力，延长碳封存周期，显著减少土壤CH4和CO2排放。同时高比表面积与多孔结构为N₂O提供了大量吸附位点，表面电荷转移效应进一步增强了N₂O的物理捕获，使其难以以气态形式释放。
这一增益效果在热带与亚热带地区尤为显著，因其土壤酸化程度高、碳损失速度快，生物炭的固碳与控酸协同效应可发挥更大价值。针对酸化土壤，生物炭能显著降低酸性紫色土14.1-72.71%的交换性Al3+，并提升土壤有机质含量。进一步密度泛函理论计算发现生物炭表面羧基/羟基官能团可特异性结合土壤中的交换性Al³⁺，通过竞争吸附释放Ca²⁺、Mg²⁺、K+、Na+等碱基离子。这一机制不仅降低了土壤酸度，还改善了养分有效性，实现了“控铝抑酸-肥力提升-减排固碳”的协同效应。
上述研究为生物炭在平衡耕地碳封存和土壤温室气体排放和农业废弃物优化利用策略方面提供了理论依据，相关成果已在Agriculture,Ecosystems and Environment、Biochar、Science of The Total Environment、Journal of Environmental Managemen、Ecotoxicology and Environmental Safety等农学与环境科学领域权威期刊上发表。上述研究获得了国家自然科学基金（U20A20107）、国家农业科技重大项目西南酸瘦课题（NKE3A3030030）的资助。
生物炭全球应用效益模拟
生物炭对酸瘦紫色土的抑酸控铝、肥力提升的协同机制