生物炭在园艺生产上的应用研究进展

勒 思，魏清江，辜青青

（江西农业大学农学院，江西南昌 330045）

生物炭（Biochar）是指生物质原材料在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度（＜700℃）热解产生的含碳量高、具有较大比表面积的固体产物，主要施用于农林业土壤[1-2]。生物炭这一概念出现于20 世纪80 年代，但当时生物炭相关研究论文数量很少，生物炭还没有被人们所重视。近年来，生物炭因其自身性质及应用价值备受重视，受到广泛关注。仅2020 年CNKI 数据库生物炭相关研究论文就有6539 篇，发展十分迅猛。

1 生物炭及其性质

20 世纪60 年代，在巴西的亚马孙河流域，荷兰科学家宋布鲁克发现一片神奇的黑色土地，与周边土壤具有明显的区别，有机碳（来源于包括动物粪便，鱼、动物骨头和植物废物等生物炭）含量高达35%，人们主要靠这些原生态材料制造的生物炭来肥沃土地[3]。生物炭是一种理化性质稳定，芳香化结构的富碳物质，可用作土壤改良剂施于土壤，有效改善土壤的理化性质和微生态环境，对农业污染土壤进行修复；施用生物炭还有利于作物生长发育，增加作物产量，提高品质[4]。

生物炭主要由碳组成，并富含矿物质元素氮、磷、钾、钙、钠、镁和硅等[5]。生物炭具有较高的pH 值，可用于改良酸性土壤。生物炭具有丰富的孔隙结构，比表面积大，且表面分布着大量的负电荷，表现出巨大的吸附潜力，能有效修复农业污染土壤。生物炭具有芳香化多碳结构，施用到土壤中后，可以实现固碳，且长期不易分解并保持稳定。生物炭的性能主要取决于其原料来源和热解条件，其中热解温度是关键因素。生物炭这些性质和功能特性使其在土壤改良、作物生长、修复农业污染土壤等方面发挥重要作用，广泛应用于农业、环境领域[6-7]。

2 生物炭对土壤的改良作用

生物炭对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用。生物炭多孔结构可以使土壤表层的孔隙度增大、容重降低，有助于解决因长期过量施用化肥而引起的土壤板结问题。生物炭可以吸附和保持水分，且能够增强土壤水分的渗透性[8-9]。Lydia 等[10]研究结果表明，生物炭可以改善土壤物理结构和孔隙度，从而提高土壤持水性和土壤水分有效性，改善土壤水分状况，提高生态系统的抗旱性。由于生物炭中含有一定的矿质元素如K、Ca、Mg 等，其以氧化物或碳酸盐的形式存在，溶于水后呈现碱性，具有较高pH 值，施于酸性土壤后，可以显著提高南方强酸性红壤土、弱酸性黄棕壤土、紫色土、北方白浆土、北方典型酸性棕壤土pH 值[11-14]，降低土壤酸度，还可以增加土壤pH 的缓冲能力，通常用作酸性土壤的中和剂。

生物炭具有固炭、贮存养分、提高土壤肥力的能力[15]。生物炭施入土壤后，可以吸附多种离子，显著提高土壤有效氮的比例，显著提高土壤速效磷、钙、镁含量，从而提高肥料利用率[7]。生物炭含有丰富的有机碳，可以显著改变土壤有机物质的组成，提高土壤有机质或腐殖质含量。生物炭具有丰富的孔隙结构，富含碳和矿物质元素氮、磷、钾、钙、钠、镁和硅等，给微生物供给生长所需营养物质，有利于微生物的生长[16]。Zhang等[17]研究结果表明，生物炭可以缓解污染物对土壤微生物的毒害作用，增加真菌生物量和群落结构多样性。

3 生物炭对园艺作物的影响

施用生物炭能有效促进园艺作物生长发育，提高产量，改善品质。生物炭处理显著增加了南丰蜜橘春梢长度和粗度，增加叶片营养成分，提高南丰蜜橘的产量，改良果实的风味品质和化渣性品质[4]。郭昌勋[18]研究结果表明，生物炭施用增加了生长在酸性红壤中的盆栽枳壳幼苗的光合作用，改良了土壤理化性质，使枳壳幼苗根系结构发生改变、根内丛枝菌根真菌多样性增加，促进了根系生长，显著增加了枳壳生物量的积累。土壤微生物是引起连作障碍的重要因素，王玫等[19]研究结果表明，生物炭和有机肥配施可调整土壤微生物结构，提高连作条件下平邑甜茶幼苗的生物量和根系呼吸速率，促进根系结构生长。生物炭施入土壤后，土壤水肥利用率提高，肥料淋失减少，番茄产量增加56.1%[20]。李彬等[21]研究结果表明，施用生物炭可促进葡萄植株叶片的生长和果实糖分的积累，并提高糖酸比。Muhammad 等[22]研究结果表明，生物炭显著增加了番茄幼苗生物量的积累，显著增加叶片叶绿素含量，显著降低了干旱条件下番茄幼苗超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性和丙二醛活性，改善番茄幼苗生理机能。Mumtaz 等[23]研究结果表明，在土壤中施用生物炭能显著增加洋葱鳞茎重和叶长，显著增加洋葱鳞茎中全氮和全钾含量，增加洋葱的产量，提高土壤肥力。Wang[24]等研究结果表明，生物炭能有效抑制辣椒疫病，降低病原菌丰度，改变土壤细菌群落结构，富集有益细菌，改善土壤理化性质。Lin 等[25]研究结果表明，生物炭可以通过提高酸性土壤的pH 值和速效养分来降低铝毒，从而促进甘蓝的生长，提高甘蓝产量。

4 生物炭在污染治理中的应用

随着工农业的不断进步和人类活动的迅速增加，土壤环境中的污染已经引起了极大的关注，其中主要为重金属污染和有机物污染。由于这些污染物通常不可生物降解，很容易在环境中积累，对动植物特别是人类的生存造成严重威胁。吸附通常被认为是修复污染土壤最有效的方法之一。生物炭来源丰富，制作简便，比表面积较大，孔隙结构丰富，表面官能团数量较多，表现出巨大的吸附潜力，被认为是一种高效环保、低成本的吸附剂，广泛运用于环境保护[26-27]。

生物炭施入土壤后，土壤中汞、铅、铬、镉重金属含量显著下降[4]。Wang 等[28]研究结果表明，竹炭、玉米秸秆生物炭和猪粪生物炭对镉均有较好的吸附性，其中猪粪生物炭的吸附效果最佳，不同原料的生物炭吸附机理不同。J.H.F.deJesus 等[29]研究表明，椰子和柑橘废弃物制备的生物炭对多环芳烃具有较好的去除效果，其中椰子废弃物生物炭效果更佳。生物炭能改变土壤重金属有效性，降低植株内重金属的转运吸收，促进植物生长[30]。Tang 等[31]研究表明，生物炭与堆肥联合施用对重金属污染土壤pH、有机质、有机碳和速效钾的改善更为有效，显著降低了镉和锌的有效性。施用生物炭能缓解铝毒对小白菜的抑制效果，显著改善小白菜的生长状况，降低小白菜铝含量[32]。Saba 等[33]研究表明，生物炭可以修复咪唑啉酮类除草剂对土壤的污染，降低咪唑啉酮类化合物的持久性，咪唑啉酮类化合物的生物降解速度明显加快，对环境的危害降至最低。

5 展望

当前的生物炭研究使用的生物炭原料各种各样，研究方法也不尽相同，且大部分的研究集中于短期效果，使得研究结果缺乏可比较性。不同原材料、热解条件下制备出的生物炭性质差异很大，且生物炭的使用效果因生物炭的性质、土壤类型、作物的生物学特性、生物炭施用方式各有不同。生物炭制备标准研究，以及将生物炭研究与生物环境效应进行关联以观察其综合表现，对园艺作物生产和环境保护具有重要意义。每年果树冬季修剪产生大量的修剪物，如何炭化回田进行综合利用，亦值得深入研究。