生物炭在农业上的应用进展

吕贝贝，张贵云，张丽萍，刘 珍，范巧兰，姚 众

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

IPCC（联合国政府间气候变化专业委员会）第四次评估报告曾指出，农业是温室气体的第二大重要来源[1]。随着经济全球化的逐步推进和农业现代化进程的加快，农业废弃物的数量日趋上升，农业问题也日益突出。农业废弃物也称农业垃圾，指的是整个农业生产过程中所废弃的有机物质，其种类较多，大体上可分为农业加工产生的废弃物、农林业活动产生的植物类废弃物、牧渔业活动产生的动物类废弃物，以及农村城镇生活垃圾等[2]。我国是目前世界上农业废弃物产出数量最大的国家[3]，农业废弃物是一种放错了的资源，置之不理就是污染源，将其合理的利用可以变成取之不尽的再生资源[4]。以农业废弃生物质为主要原料制备的生物炭，在处理农业问题上独具优势，可以同时实现经济效益、环境效益与社会效益的协调统一，备受研究人员的青睐。

自20世纪80年代以来，全球范围对生物炭的研究相继展开，生物炭与农业发展息息相关，它的出现一方面有效解决了大量农业废弃物处理的难题，维持农业可持续发展；另一方面作为碳汇产品，为缓解全球温室效应作出了重要贡献[5]，在农业生产和农业生态环境中扮演着重要的角色。

本研究在结合国内外研究的基础上，总结了生物炭在农业方面的应用，指出存在的问题，并提出了未来的发展方向，以推动农业的可持续发展。

1 生物炭概述

生物炭是由生物质在高温限氧的控制条件下经过裂解炭化而成的固体物质，其形成过程中产生的烟气经过冷却分离可以得到木醋液、生物油及可燃气体3种副产品[6]。生物炭中主要含有C，H，O，N及少量微量元素，与原材料相比，C的含量有所增加，此外还含有一定比例的灰分[7]，灰分是生物质原料在燃烧后所残留的含 K，Ca，Mg，Si等元素的矿物质，热解的温度越高，灰分所占的比例也随之升高[8]。

多项研究表明，不同的原料和热解条件下所制备的生物炭，理化性质也有很大的差别[9]。对于木本植物、草本植物或畜禽粪便这3种原料分别制得的3类生物炭而言，其含碳量顺序由高到低依次为木本植物、草本植物、畜禽粪便，而灰分的含量则恰好相反[8]。即便如此，科学家们在其结构和功能基础的认知上仍存在一致观点，概括起来有以下3个方面：一是含碳量丰富，尤其是稳定碳，芳香化程度高，有稳定的理化性质和较强的抗生物分解能力，是生物炭实现碳封存的基础；二是富含微孔，比表面积大，具有很强的吸附能力，表面含有丰富的官能团，施入土壤可改善土壤状况；三是含有植物生长所必需的营养元素，可减少化肥的使用[10]。

2 生物炭在农业上的应用

生物炭的结构和性质决定了其在许多行业都具有广泛的用途，如工业、农业、环境治理、建筑业等[11]。笔者主要介绍生物炭在土壤改良、农业作物生长、农业环境及其相关产品上的应用。

2.1 生物炭在农业土壤改良上的应用

生物炭的性质稳定，可以长期固定于土壤中[12]，作为一种土壤改良剂，对土壤的影响主要表现在以下几点：（1）生物炭可以提高土壤的pH值。生物炭中含有一定量的矿物质元素，这些元素溶于水后呈碱性，加入到土壤后，中和土壤的酸性，从而提高土壤的pH值。这一点对于改良酸性土壤具有重大意义，但对碱性土壤pH的影响并不明显。（2）生物炭丰富的微孔结构和较大的比表面积使得其可以吸附水和多种离子，减少可溶性离子的损失，提高土壤的保水保肥能力[13]，还可以吸附土壤中的重金属（如Pb，Cd）、有机污染物（如农药）等[14]。此外，还可以改善土壤的通透性[15]，降低土壤容重及密度[16]。（3）生物炭较大的比表面积和表面丰富的芳环结构、羟羧基等官能团可以提高土壤的阳离子交换量（CEC）[17]。土壤CEC的大小基本代表土壤可能保持的养分量，即土壤保肥性的高低，生物炭对低CEC、酸性土壤CEC有明显改善作用[18]。（4）生物炭富含有机碳，在土壤中加入生物炭能够增加土壤有机碳、腐殖质或有机质的含量，提高土壤持水量和养分吸持量[19]。（5）加入生物炭可以调节土壤中微生物的菌群结构及土壤酶活力，增加微生物的数量[20]。同时，微生物呼吸会释放出CO2，白天可以增强植物光合作用积累有机物，夜间可以抑制植物呼吸，减少有机物的消耗。此外，施用生物炭还可以为植物生长提供丰富的氮肥[21]，促进根瘤菌、丛枝状菌根（AM）菌的侵染和繁殖[22]。

2.2 生物炭在农作物生长上的应用

生物炭不仅可以改良土壤，还可以发挥肥料作用[18]。生物炭含有植物生长所必需的营养元素，具有良好的物理性质和调控养分的作用[23]，这使得其在施入土壤后，会与土壤相互作用，发生一系列复杂的反应，促进植物种子萌发和植株生长，从而提高农作物产量[24]。生物炭可以减少肥料可用有效养分如铵离子、磷酸根离子的流失，延长肥料供肥时间，从而利于作物生长[25]。此外，SPOKAS等[26]研究发现，生物炭还可以释放乙烯，影响土壤微生物和植物生长发育进程。添加生物炭后土壤中微生物菌群结构的改变，也有助于植物抵抗病害，促进作物生长[20]。

也有研究发现，添加生物炭对作物的生长发育和产量没有影响甚至存在抑制作用[27]。HIDETOSHI等[28]研究发现，生物炭并没有促进作物产量的提高。而张晗芝等[29]通过田间盆栽试验发现，加入不同水平由小麦秸秆制成的生物炭，对苗期玉米的生长均有不同程度的抑制，随着玉米的生长，抑制作用也逐渐减少。通常情况下，生物炭的不同施用量对作物产量的影响也不同，用量较低可以增加作物生物量，用量较高反而会减少作物生物量[18]。

2.3 生物炭在农业环境方面的应用

2.3.1 生物炭在农业污染治理方面的应用 土壤的重金属包括铜、镉、铅等，不合理的污水灌溉、废气排放及重金属制品的使用都会导致土壤重金属污染[30]。重金属污染不仅会影响植物根和叶的正常发育，威胁粮食安全，还会危及周边及地下水体。据调查，农业生产活动中喷施的粉剂农药中，仅有10%会附着在植物体上发挥作用；液剂农药中仅有20%会附着在植物体上发挥作用，40%～60%会降落在地面上，还有一部分会漂浮在空气中，那些落在地面的农药会随降雨等渗进地表及地下水体，形成农业面源污染[31]。此外，不合理的灌溉方式和施肥方式也会使部分营养元素不能被作物利用，随之进入地表及地下水体，尤其是氮、磷的流失，造成水体富营养化，引起农业面源污染[32]。多项研究表明，生物炭的施入不仅可以吸附土壤中的重金属元素、农药中的有机污染物，降低其生物有效性，还可以抑制氮、磷的流失，改善农业污染状况[33]。

2.3.2 生物炭在农业生态环境上的应用 农田温室气体主要有 CO2，CH4，N2O[34]，这些温室气体的排放会加剧全球变暖。将农业废弃物制成生物炭可以减轻秸秆等农作物燃烧所造成的环境污染，降低温室气体排放量。研究结果表明，土壤中施加生物炭，其NOx的排放可大约减少80%，CH4的排放抑制率几乎能达到100%[35]。不仅如此，在土壤中加入生物炭可以增加土壤C库，而且生物炭高的稳定性还可以实现C封存[36]，同时生物质炭化还田还有益于土壤C/N平衡及农田生态系统平衡，维持耕地可持续生产[10]。

2.4 生物炭相关产品在农业上的应用

2.4.1 生物炭基肥在农业上的应用 生物炭基肥是以生物质炭为基质，根据不同区域土地的特点、不同作物生长的特点以及科学施肥原理，添加有机质或无机质配制而成的生态环保型肥料。生物炭基肥的模式主要有3种：炭基有机肥模式、炭基无机肥模式、炭基有机无机复混肥模式[37]。农业生产离不开化肥，但化肥的利用率普遍较低，将生物炭与化肥混合配施不仅可以保留生物炭原本的性能，而且也能缓释肥效，提高化肥利用率，实现化肥减施[38]。

2.4.2 木醋液在农业上的应用 木醋液是生物质在热裂解过程中产生的烟气经过冷凝后产生的一种弱酸性水溶液[39]。木醋液可以用于杀菌防病防虫，防治植物病虫害[40]。将木醋液喷施到土壤或叶面上，可以改善作物性状，促进作物生长，提高作物产量，有效激活土壤中微生物，促进微生物繁殖，尤其是细菌的增殖[41]。此外，木醋液配合叶面肥或农药使用可以使二者得到高效利用，从而减少化肥农药的用量，提高农产品品质[11]。

3 展望

生物炭在农业及其他领域上发挥了明显的作用，拥有巨大的潜力，但在一些关键问题上还存在较大争议。（1）不同的原料和制备条件制成的生物炭理化性质有较大差异；（2）对其作用机制的研究还不彻底；（3）一些研究由于缺乏长期大量试验，数据说服力不足，有些研究结果甚至相互矛盾；（4）生物炭在制取过程中会产生有毒有害物质，对动植物和微生物有毒害作用；（5）长期大量施用生物炭的效果和风险不完全清楚；（6）有关生物炭基肥的研究仍处于小规模试验阶段等。因此，急需深入探索生物炭的作用机制[42]，根据农业应用的具体需要，加强对不同类型生物炭制取工艺的研究，优化生物炭的特性[43]；充分利用农业废弃物资源，降低制造成本，实现生物炭的规模化生产；寻求高效的炭基缓释肥、炭肥配施方案，真正实现化肥农药减施，减少农业面源污染；此外，由于生物炭作为微生物载体，可以对某些有机物进行降解，在环境污染修复方面已展现出广阔的应用前景，故应加强其对农业环境污染修复治理方面的研究[44]。总之，要科学合理的使用生物炭，充分发挥其在农业中的作用，注重交叉学科的应用，建立健全长期全面系统的评估机制，以利实现农业可持续发展。