浅谈秸秆生物质炭在农业生产中的应用

汪振国 马媛媛 王西娜 姬强

摘 要：秸秆高温炭化形成生物质炭，而生物炭由于自身丰富的微孔隙结构、比表面积大、芳香族官能团多，能够有效增加土壤有机碳的稳定性，提高土壤肥力。该文综述了生物质炭在农业生产中应用的作用，包括对土壤理化性质、植物根际微区域、地膜覆盖、作物产量等的影响，以期为扩大生物质炭的应用范围、助力绿色低碳经济发展提供参考。

关键词：秸秆;生物质炭;农业生产;应用

中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）24-0154-03

Application of Straw Biomass Carbon in Agricultural Production

WANG Zhenguo1 et al.

（1School of Agriculture， Ningxia University，Yinchuan 750021， China）

Abstract：Straw is carbonized at high temperature to form biomass charcoal. Biochar，due to its rich micro-pore structure，large specific surface area and many aromatic functional groups，can effectively increase the stability of soil organic carbon and improve soil fertility. In this paper，the application of biochar in agricultural production was reviewed，including its effects on soil physical and chemical properties，plant rhizosphere microregions，mulch，crop yield，etc.，in order to provide reference for expanding the application scope of biochar and facilitating the development of green and low-carbon economy.

Key words：Straw; Biochar; Agricultural production; Application

我国是农业大国，秸秆资源丰富，全国秸秆理论量高达8.4亿t，其中可收集量约为7亿t。同时，国内主要粮食产区相对集中，粮食主产省（区）秸秆理论量占全国理论量的73%[1]，便于秸秆资源的收集、储运。秸秆因富含碳、氮等多种元素，在我国一直被认为是一种重要的农业资源，但很多农村地区的秸秆利用方式仅以粗放的秸秆燃烧为主，引发了严重的环境问题。随着经济的快速发展，新型生物质能源越来越受到关注，而秸秆就是宝贵的生物资源之一。目前，我国秸秆的主要利用方式还是以过腹还田、焚烧、工业利用为主[2]，大多农村地区的利用方式较粗放。因此，改变传统的秸秆利用方式，拓宽秸秆多元化利用渠道，延长产业链，增加附加值，对于各地区的经济发展具有重要意义。秸秆生物质炭能够使废弃的秸秆变废为宝，使秸秆利用方式多元化;同时，土壤中输入秸秆生物质炭，可以有效固定土壤中的碳排放，稳定土壤结构，提高土壤肥力。

生物质炭通过截获和质流作用可以疏松土壤、改善土壤结构、增加土壤中的微量元素、提高土壤肥力，是良好的土壤改良剂和重金属吸附剂[3]。近年来，全球气候变暖已成为国内外关注的热点，减少CO2排放是延缓全球变暖的关键。在农业领域，生物质炭作为一种农业增汇减排技术正得到不断的开发和应用。另外，农村中的白色污染对环境的压力也不容小觑，引入生物质炭可能会为这些问题的解决提供新的途径。有研究表明[4]，增施生物质炭可以提高土壤碳库容量，有效降低农田温室气体排放，明显改善土壤结构，修复土壤污染。基于我国农业高质量发展和绿色低碳农业发展的根本要求和趋势，本研究围绕生物质炭理化特性，综述了生物质炭用于改良土壤和影响环境的研究现状，评价利用生物质炭改良土壤所具有的突出优势和潜力，提出了基于生物质炭实现循环农业的技术途径，以期为我国低碳经济提供参考。

1 生物质炭概念及理化特性

生物质炭（bio-char）是由植物（秸秆、垃圾、樹木、粪肥等）等生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[5，6]，是生物质在无氧或限氧状态高温（240～700℃）裂解下分离可燃气体后剩余的含碳丰富的固态产品。生物质炭的元素组成主要有碳（66.6%～87.9%）、氢（1.2%～2.9%）、氧（10.6%～26.6%），此外还有钾、钙、钠、镁、硅等。生物质炭有着较大的比表面积以及较多的酸性和碱性官能团，可以改善土壤的物理性质（孔隙状况）和化学性质（离子代换量、保肥性、缓冲性等）。

2 生物质炭在农业应用的作用

2.1 影响土壤理化性质 由于生物质炭具有稳定的碳结构，比表面积大，输入土壤后能够有效减少土壤碳排放。Lehmann[7]研究指出，生物质炭输入土壤经过长时间的稳定后，经过迁移和扩散作用，能显著提高土壤含水率，降低土壤容重，增加土壤保肥保熵能力。秸秆炭化后（即生物质炭）具有稳定的理化性质，因此输入土壤中具有很强的碳封能力。研究表明[8]，由于生物质炭的碳封作用，土壤中的CO2无法外排，反而增加了土壤的孔隙度，有利于协调土壤水肥气热间的比例，促进土壤呼吸。在粘土中输入生物质炭能够很好地解决土壤透气性差的问题，而在砂土中输入生物质炭则可有效提高土壤的保肥性。生物质炭还具有较强的吸附能力，能有效吸附固定重金属以及农药等污染物，对土壤污染修复具有至关重要的作用。

2.2 影响植物根际微区域 植物根际对植物的养分吸收具有重要作用，根际的微环境直接影响植物的新陈代谢。有些地区种植作物品种单一，比如多年生植物（枸杞树、苹果树等）多年不能倒茬，连作障碍造成病虫害滋生、土壤板结透气性差、土壤肥力下降，进而严重影响植物根系活力。为扩大根系与土壤的接触面，在耕作层0～20cm处输入生物质炭，为植物根系提供良好的生长环境促进根系生长，通过质流、扩散和离子交换等将养分运输到植物体内;同时也能为根际区域的微生物提供良好的活动场所，提高微生物活性。研究表明[9-11]，向土壤中输入生物质炭，可有效改善土壤结构，减少因连作障碍所引起的病虫害。

2.3 影响地膜覆盖效果 在我国西北干旱半干旱的地区，缺水是农作物最主要的限制性因子，利用地膜覆盖已经成为西北地区提高土壤含水率和保熵的重要措施，也是西北干旱地区节水的重要措施。但由于西北干旱地区风沙大，大多数地膜使用1年即被风化，地膜造成的“白色污染”成为农村地区最为严重的环境问题。近年来，地膜的降解成为许多学者关注的热点。目前，我国使用的农膜强度低、耐用性差、使用寿命短，而且熔融指数高，极难降解，甚至一些不宜用作农膜的树脂（如耐老化性差的高密度聚乙烯）也被作为农膜原料，其用量占农膜总量的1/5。这些劣质农膜易破碎，不易清除，这是造成农膜污染的主要原因。而新研发的生物降解地膜由于成本高，目前在农村还难以大面积推广使用。有研究表明[12]，输入生物质炭能够延长地膜的使用时间，原因可能是生物质炭是一类多孔富碳、高度芳香化、难降解、类似活性炭的物质，输入土壤长时间后，土壤结构稳定，能够长时间封存土壤中的CO2向外排放，从而减少了CO2与地膜的化学反应，延长了地膜的使用时间。

2.4 影响作物产量 大部分研究结果表明，土壤中输入生物质炭具有促进作物生长和增产的作用，但输入量不同，增产的幅度也不一样。据统计，农田施用生物质炭平均增产8%，三大主粮作物中小麦增产幅度最大（11.3%），其次是玉米（8.4%）和水稻（6.6%），这种增产效应在贫瘠土壤或存在一定障碍因子的土壤上表现较好。刘易等[13]研究表明，施用生物质炭能缓解盐胁迫对玉米幼苗生长的抑制，干物质累积量、叶面积、SPAD等较对照均有显著提高，除了主粮作物以外，其他蔬菜作物也增产显著，且品质也得到一定的提升。有研究表明，施用生物质炭能提高小白菜产量26.50%～49.98%，叶面积提高 20.84%～21.58%，并可提高可溶性蛋白质33.11%～42.93%和维生素C 15.16%～46.06%。

3 结语

绿色农业已经成为未来农业的发展趋势，如何在有限的耕地面积上实现作物产量最大化将是我国农业亟待解决的问题。长年单一使用化肥导致土壤肥力下降，土地生产能力大幅下降，而秸秆炭化可以作为良好的土壤改良剂，既能改善土壤结构、提高土壤肥力，还能实现资源的循环利用。同时，生物质炭还具有封存CO2的能力，能够减少土壤中的CO2排放，减轻环境压力，延缓全球变暖的趋势。地膜覆盖是西北干旱地区粮食增产的主要措施，但地膜的使用寿命及其引发的“白色污染”问题一直制约着地膜的大面积应用。而生物质炭输入土壤后，能够封存土壤中的CO2，延长地膜使用寿命，形成良性循环，对未来高效高产的绿色低碳经济发展具有重要作用。

参考文献

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（责编：徐世红）