生物质炭在农业生产中应用的研究进展

王春芳 张文豪 张琨琨 张书红 冯梦喜

摘要 综述了近年来生物质炭在农业生产中应用的研究进展，包括土壤修复、减排固碳、作为缓释肥料载体、吸附污染物、改善土壤微生物生态环境，以期为生物质炭在农业生产中的应用提供参考。

关键词 生物质炭；土壤改良剂；缓释肥料载体

中图分类号 S156.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）13-0174-02

Research Progress on Application of Biochar in Agriculture Production

WANG Chun-fang ZHANG Wen-hao ZHANG Kun-kun ZHANG Shu-hong FENG Meng-xi *

（Henan Xinlianxin Fertilizer Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453731）

Abstract The research progress on the application of biochar in agriculture production in recent years was reviewed，including soil remediation，reducing carbon sequestering and emission，and slow-release fertilizer carrier，pollutant adsorption，improving soil microbial ecological environment，in order to provide references for the application of biochar in agricultural production.

Key words biochar；soil amendment；slow-release fertilizer carrier

生物质炭（biochar）是指生物质在限氧或无氧条件下经高温热解炭化而形成的固态物质。科学家首先于巴西亚马逊发现了黑色土壤，随着研究的逐渐深入，生物质炭成为科研工作者关注的焦点，并扩大至生态系统高度[1]。生物质炭在未来农业生产和环境保护中应用前景广阔。生物质炭不仅可以直接或间接影响作物的生长进程，提高产量，也可以降低部分温室气体的排放，例如N2O和 CO2等。生物质炭的孔洞结构十分容易聚集营养物质和有益微生物。使用生物质炭作载体的复混肥，可以实现对肥料和水的长效缓释[2]。

1 土壤改良剂

生物质炭可作为土壤改良剂，其改良土壤的原理可概括为表面电荷效应、平衡酸碱度、增大比表面积、提高孔隙率、提高阳离子交换能力及提供养分等。生物质炭可提高土壤中有效营养元素及有机质的含量，促进植物生长发育，改变微生物在土壤中的生态环境[3]。研究表明，施用生物质炭的土壤持水能力提高了18%，土壤中硼、钼等微量元素的含量也有所提高，养分淋洗损失有所减少。生物质炭呈碱性，可提高土壤pH，还可以提高土壤的有效磷含量。试验表明，在酸性及砂质土壤中使用生物质炭，可降低Al、Cu、Fe等金属可交换态的含量，提高K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力[4]。通过增加土壤团粒结构、改善土壤的疏松状况、降低土壤容重，生物质炭可解决长期施用化肥造成的土壤板结情况。但长期施用生物质炭是否会对土壤产生不良影响有待进一步研究。

2 温室气体的减排固碳

生物质炭可减排固碳，这是由于其可以吸附土壤中易被微生物分解的土壤有机碳，降低微生物的分解利用。生物质炭对农田土壤产生的N2O等温室气体有很强的降低排放作用。因此，科学家认为生物质炭还田是应对全球气候变暖的一条重要途径。Wang等[5]发现，生物质炭施入水稻土壤后N2O排放平均值减少了73.1%，同时N2O累计排放抑制率高达51.4%～93.5%。陈红卫等[6]研究表明，生物质炭基肥施入土壤对CO2排放产生的影响具有年际波动性，但可明显降低温室气体排放强度（GHGI）和全球增温潜势（GWP），在施用量为30 t/hm2时效果更加明显，而且具有一定的持续性和稳定性。虽然当前关于生物质炭对温室气体排放影响的研究较多，但其碳汇稳定性和生态效应尚不完全清楚，因而需要进一步加强对生物质炭固碳减排机理的研究。

3 缓释肥料载体

将生物质炭与肥料复合制备成生物炭基肥料，成为生物质炭在农业生产中应用的一个新发展方向。使用生物质炭作为载体的有机-无机复混肥，可实现对肥料和水的长效缓释。目前，化工行业主要使用包膜、堆肥、掺混、吸附和反应等工艺将生物质炭作为肥料载体，通过土壤培养和尿素淋溶等室内试验研究其作为缓释肥料载体的性能。孙樱萁等[7]将生物质炭与磷酸二氢钾混合制备的生物质炭基颗粒肥料应用于温室黑麦草盆栽试验，结果表明，不同生物质炭基肥料对黑麦草的出苗率无显著影响，但对其根长、株高和生物量等生物特性都起到了一定的促进作用。需要注意的是，由于生物质炭能改变土壤pH，所以在作为肥料使用时要考虑其对土壤的影响，这样才能保证土壤肥力提升[8]。

4 污染物吸附剂

生物质炭通过吸附固定作用，可降低铬、汞、铜、镍等重金属和多环芳烃（PAHs）等有机污染物对土壤的影响，达到修复土壤的目的。Chen等[9]认为生物质炭对有机污染物的吸附/解吸過程可以使用双模式（dual-mode Sorption）模型描述。通常认为生物质炭中存在2种碳，一部分是无定形组分，即“软碳”，对有机污染物吸附的机理主要以线性分配为主；另一部分是浓缩型组分，即“硬碳”，对有机污染物吸附的机理主要以非线性表面吸附为主[10-12]。生物质炭对有机污染物的吸附机理则由这2种组分碳组成的比例决定。通常生物质炭的制备温度较低时，无定型组分含量相对较高，对有机污染物的吸附容量、解吸迟滞性和最大不可逆吸附量都较低；随着生物质炭制备温度的升高，生物质炭逐渐由脂肪性碳转变为芳香性碳，对有机污染物的吸附机理逐渐转变为非线性表面吸附。

5 改善土壤微生物生态环境

生物质炭对土壤微生物的影响主要表现在种群构成和生物量2个方面。Steriner等[13]研究表明，功能微生物数量和生物量随着生物质炭施入量的增加呈线性增加。生物质炭对微生物的附着作用与生物质炭的孔径大小紧密相关，研究表明，当生物质炭孔径约为微生物的2～5倍时，吸附效果最佳。此外，研究还表明，生物质炭可通过改变土壤微生物的代谢途径提高微生物的繁殖和修复性能[14]。生物质炭可以增强作物根部真菌的繁殖能力，增加丛枝菌根或泡囊丛枝状菌根真菌含量，改变土壤硝化微生物菌群活性。Khodadad等[15]研究不同生物质炭对土壤微生物多样性的影响指出，无论低温还是高温状态下制备的生物质炭都会降低土壤微生物的多样性，但细菌的相对丰富度有所增加。原因可能是低温下制备的生物质炭含有丰富的碳，可为微生物提供易利用的碳源；高温下制备的生物质炭具有丰富的比表面积，可为微生物的生存生长提供有利的环境。

6 结语

生物质炭来源广泛，实现对生物质废弃物的再利用是一条绿色可持续发展之路。在土壤问题日趋严重的当下，将生物质炭应用于农业生产中，可修复土壤，吸附有机污染物，改善土壤微生物生态环境，并可减排固碳，将生物质炭与肥料复合制备成生物炭基肥料成为生物质炭在农业生产中应用的一个新发展方向。但长期施用生物质炭是否会对土壤产生不良影响有待进一步研究。

7 參考文献

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