生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展

魏春辉，任奕林，刘 峰，邓宇玄，苑晓辰

(华中农业大学 工学院，湖北 武汉430070)

生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展

魏春辉，任奕林*，刘 峰，邓宇玄，苑晓辰

(华中农业大学 工学院，湖北 武汉430070)

生物炭可作为土壤改良剂单独施入土壤，改善土壤环境条件，也可与肥料混合制成生物炭基肥，其具有养分缓释、增产稳定等一系列优点，在农业上的应用越来越广泛。主要从生物炭对土壤理化性质、微生物、农业温室气体排放、作物生长和产量的影响，对农田土壤污染的治理，以及生物炭基肥对肥料养分、作物生长和产量的影响这几个方面，对生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展进行综述，阐明其优点和不足，并提出了进一步的研究方向，旨在为生物炭和生物炭基肥在农业中的应用研究提供参考。

生物炭； 生物炭基肥； 农业； 应用进展

生物炭是通过热解过程从生物质中获得的富含碳元素的固体物质，具有羟基、羧基、脂族双键等亲水基团和芳香化结构[1]，拥有丰富的多孔结构和较大的比表面积[2]。生物炭独特的结构决定了它拥有特殊的性质，例如改良土壤、改善土壤环境等。但生物炭也有不足之处，它自身所含矿质养分含量有限，满足不了作物生长发育的需求，为弥补该缺陷，生物炭基肥应运而生。生物炭基肥是将生物炭作为载体，与肥料混合制成的一种长效肥料[3]。生物炭基肥将生物炭和普通化肥有机结合起来，具有改良土壤、提高化肥利用率、稳定增产、减少化肥使用次数和数量、降低环境污染等优点。它是一种长效肥料，具备较高的研究价值，具有良好的发展前景。

纵观最新研究成果，重点阐述了生物炭对农田土壤理化性质、微生物、作物生长和产量的影响，以及生物炭基肥对肥料养分、作物生长和产量的影响，并指出了目前研究中的不足以及未来研究方向，以期为生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究提供参考。

1 生物炭在农业中的应用研究进展

1.1 生物炭对农田土壤的影响

1.1.1 生物炭对农田土壤物理性质的影响 生物炭可以影响土壤持水量、透水性、容重等物理性质，这种影响作用与生物炭的特殊结构及其施用量等有关。生物炭具有羧基、羟基、脂族双键等亲水基结构，从而具有极强的吸附和持水能力。研究表明，在农场土壤中添加20 g/kg生物炭，田间持水量增加15%[4]。生物炭对土壤持水量的影响，与生物炭所施入的土壤类型也有一定关系。与壤土、黏土相比，生物炭更加有助于改善砂质土壤持水量[5]。Asai等[6]研究发现，生物炭能够改善土壤饱和导水率，表明土壤透水性得到提高。生物炭还可改善土壤结构，这归因于生物炭的多孔结构增大了土壤表层的孔隙度，降低了其容重。多数研究表明，土壤容重随生物炭施用量的增加而降低[4,7]。

1.1.2 生物炭对农田土壤化学性质的影响

1.1.2.1 pH值 施用生物炭会提高土壤pH值。这是因为生物炭中含有矿质元素如K、Ca、Mg等，溶于水后显碱性，会交换土壤中的一部分 H+，降低其浓度，从而使土壤的pH值变大。另外，Uzoma等[8]研究表明，随着生物炭施加量的增加，土壤pH值直线上升。但生物炭对碱性钙质土壤pH值影响不显著[9]。值得一提的是，生物炭生产过程中会产生一种可用于改良盐碱土壤的副产品木醋液，这使得使用生物炭来改良土壤酸碱度的作用更加突出，具有广阔的前景。

1.1.2.2 阳离子交换量(CEC) 施用生物炭可提高土壤CEC[10]。这是因为生物炭含有丰富的官能团。此外，生物炭比表面积大，这也有助于提高土壤CEC[11]。生物炭对土壤CEC的影响主要受土壤类型、生物炭类型、生物炭制备工艺、生物炭施用量以及生物炭在土壤中的作用时间等因素影响[12-13]。

1.1.2.3 土壤肥力 生物炭具有提高土壤肥力的潜力。这是因为一方面，生物炭有丰富的微孔结构，比表面积较大，施入土壤后能吸附多种离子，可以减少氮和可溶性磷这些养分的淋溶损失[14-15]，提高土壤肥力；另一方面，生物炭含有丰富的有机碳，可以增加土壤有机质含量[16]。然而，生物炭对土壤有机质含量的影响也有相反结论的报道。Contina等[17]研究发现，生物炭会导致土壤有机质损失。因此，关于生物炭对土壤有机质含量的影响方面还有待继进一步研究。另外，生物炭的种类及其作用的土壤类型对土壤有机质含量也有很大影响[9]。

1.1.3 生物炭对农田土壤微生物的影响 生物炭独特的结构是其对微生物影响的关键基础条件。生物炭的微孔结构，为微生物的繁殖提供了温床，使它们免遭干燥等不利条件的影响，同时也为微生物提供了生存空间，减少了生存竞争。生物炭的孔隙使其能够吸附大量水分、养分物质，可为微生物提供充足的营养物质。生物炭可以调控土壤的理化性质，进而影响微生物的新陈代谢；同时，微生物的活动也会反过来对其生存的环境施加影响。这使得生物炭对土壤微生物的影响呈现出复杂性，其作用机制尚未研究清楚。

1.1.3.1 微生物组成 生物炭对土壤微生物的影响首先体现在土壤微生物组成的变化上。生物炭对微生物群落种类分布具有一定的管控作用。Grossman等[18]对含生物炭和不含生物炭2种不同土壤样品中的微生物群落种类进行比较发现，含有生物炭的土壤中微生物种类基本相同，并且与不含生物炭的土壤中的种类明显不同。

1.1.3.2 微生物数量 生物炭还能影响土壤微生物数量的变化。研究发现，经高施用量(6 000 kg/hm2)生物炭处理过的棕壤土大豆田，在大豆成熟期，细菌数量增长94.9%，真菌数量减少1.26倍[19]。

1.1.4 生物炭对农田土壤污染的影响

1.1.4.1 重金属污染物 重金属是农田土壤的一大污染物。汞、镉、铅、铬和砷(毒性较强)以及铜、镍、锌(微小毒性)等重金属元素通过某些渠道在土壤中过量沉积，造成土壤污染，进而在植物体内富集，再经过食物链进入人体，会对人体健康产生损伤。将生物炭施入土壤中，可降低重金属离子的富集程度，提高土壤品质[20-21]。生物炭颗粒大小、pH值、施加量、制备生物炭时的热解温度等，都会使生物炭对重金属的治理情况有所影响[20-21]。此外，生物炭的种类也是一个重要因素。玉米秆炭对Pb2+的除净率高达90.3%，而麦秆炭和花生壳炭的除净率分别为52%和47%[20]。

将生物炭施入被污染的土壤中，能够有效降低土壤中有害物质的含量。其主要是通过直接与重金属离子发生作用，吸附其中的重金属离子或其表面的官能团从而与有很强亲和力的重金属离子相结合，使重金属污染物的存在形式发生变化，进而影响其生物有效性。Cao等[22]研究发现，不同浓度的生物炭溶液可以使Pb以β-Pb9(PO4)6、Pb3(CO3)2(OH)2的形式成为沉淀。其也可以通过影响土壤理化性质或被酸碱改性来间接发挥作用，抑制重金属离子的迁移[23]。

1.1.4.2 有机污染物 生物炭可以治理土壤中的有机污染物。它能通过吸附作用来降低土壤中酚类[24]、苯和甲苯[25]等有机污染物的累积。Spokas等[26]研究发现，将生物炭添加到土壤中，其可大量吸收莠去津、乙草胺，降低这2种除草剂的耗散速率。有机污染物被生物炭吸附后，再经沉淀作用固然可以移除部分有害物，但吸附作用不能毁灭它，要想达到更好的效果，最好是能将有机污染物降解。生物炭也表现出这方面的潜力。Fang等[27]以乙醇作为自由基清除剂，证实了生物炭悬浮液中产生的羟基可以有效降解邻苯二甲酸二乙酯。

1.2 生物炭对农业温室气体排放的影响

CO2、CH4、N2O是造成全球温室效应的主要“凶手”。生物炭对农业温室气体排放的影响主要是通过生物炭的强吸附性[28]、影响土壤的理化性状[29]、影响土壤中相关微生物的种群结构或活性[26,30]来实现的。不同原料制成的生物炭、生物炭的施用量、炭化温度以及所施加的土壤类型均会对农业温室气体的排放产生影响，这是综合作用的结果。

1.2.1 生物炭对土壤释放CO2的影响 生物炭可抑制土壤中CO2的释放。Steiner等[31]研究发现，添加生物炭后，土壤碳含量仅仅损失4%～8%。可能是因为，生物炭的强吸附性可将酶和有机物吸附到它的多孔结构上，或者生物炭可使参与CO2产生的微生物活性降低，最终减少土壤释放CO2的量。

1.2.2 生物炭对土壤释放CH4的影响 一般认为，生物炭的施用会减少甚至完全抑制土壤中CH4的排放。Liu 等[30]指出，水稻田中添加竹炭后，从土壤中释放的CH4量减少了51.1%。Rondon等[32]在土豆田里进行的试验表明，在有生物炭处理时CH4的排放完全受到抑制。

1.2.3 生物炭对土壤释放N2O的影响 生物炭对土壤释放N2O的影响尚未有定论。主流观点认为，生物炭应用到农业中可以显著减少农业N2O的排放[33]。但也有少数研究者不以为然。Singh等[34]曾报道，用家禽粪便制得的生物炭来改良土壤，N2O的释放量反而增加。而Clough等[35]发现，在土壤中添加生物炭并不能减少N2O的释放量。

在生物炭对N2O释放起抑制作用方面，其抑制机制尚未达成共识。Cayuela等[36]认为，生物炭提高了土壤pH值，随后促进N2O还原为N2。生物炭可以降低土壤容重，提高土壤通气性，使得土壤中的反硝化细菌多样性提高[37]、活性降低[38]，从而影响N循环过程。Case等[39]则认为，从砂壤土中释放的N2O与土壤通气性的提高无关。

1.3 生物炭对作物生长和产量的影响

生物炭对作物的生长和产量主要起促进作用，这在豆科作物、小麦、玉米、圣女果等作物中均有报道。生物炭会增加豆科植物的竞争力，进而增加豆科植物在牧场中的数量和比例[40]。Vaccari等[41]发现，当生物炭施用量为30 t/hm2和60 t/hm2时，地中海气候条件下的硬粒小麦产量分别增加32.1%和23.6%。研究表明，添加生物炭可以促进玉米地上和地下部分的生长[42]；另外，施用生物黑炭还可提高玉米千粒质量、产量[43]。在土壤中添加由废水污泥制得的生物炭可提高土壤中营养元素的可利用程度，改善土壤化学条件，进而提高圣女果产量达64%[21]。不过，生物炭在某些作物上需要借助于某些条件才能表现出正效应。Chan等[44]曾报道，在没有施加氮肥的情况下，即使生物炭的添加量很高，在淋溶土中栽培的萝卜产量也没有增加。

2 生物炭基肥在农业中的应用研究进展

生物炭基肥既秉承了生物炭可以改良土壤、改善土壤环境的优点，又有其特殊之处。它可使肥料养分缓慢释放，并且对作物生长和产量有更稳定的促进作用。

2.1 生物炭基肥对肥料养分的影响

相较于单独施用生物炭，生物炭基肥赋予肥料养分缓释性，提高了肥料利用率。掺混法是制备生物炭基肥最简单的方法。Steiner等[45]通过掺混法制备的生物炭基复合肥，显著延长了氮素供应时间，增加了土壤总氮量、有效磷含量。生物炭粉包裹颗粒肥料可用来制备包膜型生物炭基肥。王剑等[46]就利用转鼓式糖衣包膜机，以聚乙烯醇作为粘结剂将稻壳炭包裹到尿素颗粒表面制得了包膜型炭基肥料，其包裹层越厚，养分释放速度越小。生物炭的多孔结构可以吸附肥料养分。基于该原因，Khan等[47]将含氮、磷、钾的肥料溶液浸入到木炭中，制备出木炭基缓释肥，该肥在蒸馏水和模拟的土壤溶液中养分淋失缓慢。

2.2 生物炭基肥对作物生长和产量的影响

生物炭基肥可促进作物生长，提高作物产量，这在水稻[48]、小麦[3]、玉米[49]等作物上均有报道。在促进作物生长和产量方面，生物炭基肥比单施生物炭和常规化肥更加稳定、高效。研究表明，单独施用生物炭会导致当季或几季作物增产效应不稳定，甚至减产[6,50]。Schulz等[51]指出，单独施用生物炭可以略微促进作物生长，而将生物炭与矿物质肥料掺混使用，则对作物生长发挥显著的协同效应。此外，生物炭基肥对作物生长的促进、产量的增加作用也优于常规肥料[49,52]。

生物炭基肥对作物生长和产量的作用效果与其施用量、种类、组分比例有关。马铃薯单株结薯数、单薯质量、产量会随生物炭基肥施用量的增加呈递增趋势[53]。不同原料制成的生物炭基肥对同一作物的影响可能存在差异。麦秸炭基肥可促进青椒根系生长，而且表现出良好的增产效果；而稻壳炭基肥和花生壳炭基肥可显著提升青椒品质，但对产量影响不显著[54]。甚至，同组分、不同比例的炭基肥对玉米产量、产量性状的影响也不同[49]。

3 展望

基于生物炭的一系列优点，生物炭及炭基肥受到越来越多的关注和研究。生物炭及其应用的相关研究虽已取得了一些成果，但许多都是短期的、不系统的、不全面的。生物炭的基础研究较弱，关于其结构和性质的研究时间很短。生物炭作为土壤改良剂的应用研究也基本都是短期性的。同时，生物炭的碳固定及碳减排作用的试验数据说服力还不足。目前，在一些关键问题上，还存在争议，这与生物炭的种类、制备工艺及其所投入使用的土壤环境等因素有关，需要进一步深入研究。

生物炭基肥虽有一系列优越性，但也不可盲目推广使用，必须研究清楚一些问题。如：因生物炭在制备时会产生多环芳烃，它对一些植物、动物、微生物会产生毒害作用，因此必须对生物炭基肥中的多环芳烃水平进行评估。此外，生物炭基肥的制备工艺和成型设备的研制工作亟待开展，并且要探索制备多功能生物炭基肥的新方法。从目前的研究结果来看，生物炭对土壤环境的积极影响占主流，但其对土壤和农业环境影响的作用机制还未完全研究清楚。应该进一步研究生物炭大规模应用的生态影响，长期、系统、全面地评估诸如它是否会威胁生物多样性和生态系统平衡此类的生态风险等。相信随着研究的不断深入，生物炭和生物炭基肥会得到科学合理的广泛应用，不仅可以节约农林废弃物这些宝贵资源，而且可以减少环境污染，为生态农业发展做出贡献。

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Research Progress of Application of Biochar and Biochar-based Fertilizer in Agriculture

WEI Chunhui，REN Yilin*，LIU Feng，DENG Yuxuan，YUAN Xiaochen

(College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

When biochar is putted into the soil alone, it can be used as a soil conditioner to improve soil conditions. Additionally, it can be combined with fertilizer, turning into biochar-based fertilizer, with a series of advantages such as slow-release of nutrients, stable increase of yield, etc., which is being applied more and more widely in agriculture. This paper reviewed the research progress of application of biochar and biochar-based fertilizer in agriculture mainly from following several aspects: the effect of biochar on soil physical and chemical properties, microorganisms, greenhouse gas emissions, crop growth and yield, the management of biochar on pollution of farmland soil, and the effect of biochar-based ferti-lizer on fertilizer nutrients, crop growth and yield, and clarified the advantages and disadvantages. The further research issues were also proposed, which would provide references for the application of biochar and biochar-based fertilizer in agriculture.

biochar; biochar-based fertilizer; agriculture; application progress

2015-09-20

国家科技支撑计划项目(2014BAD11B03)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014PY044)

魏春辉(1991-)，男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工技术与装备。 E-mail:weichunhuixyz@126.com

*通讯作者：任奕林(1970-)，女，湖北天门人，副教授，博士，主要从事农产品贮藏加工及农产品检测研究。 E-mail:renyiling@mail.hzau.edu.cn

S156.2

A

1004-3268(2016)03-0014-06