基于文献计量的秸秆生物炭研究进展

曹丽花，连玉珍，刘合满*

(1.信阳农林学院，河南信阳 464000；2.周口市农业农村局，河南周口 466099)

秸秆是农业生产中的最大收获物[1]，其富含有机碳、氮、磷、钾等物质，被认为是一种来自土壤并可归还于土壤、实现农业循环的重要物质和养分资源。中国是秸秆资源大国，每年有超过10亿t的农作物秸秆产生[2]，据估算，2017年我国秸秆养分总含量分别为758.55万t(N)、238.84万t(P2O5)和1 316.36万t(K2O)，如果全量还田，则可分别替代当年约34.15% 的氮肥、29.59%的磷肥和212.40%的钾肥，具有巨大的化肥替代潜力[3]。此外秸秆还田能显著提高土壤微生物量、碳、氮、磷含量和酶活性[4]，如果这些养分资源能通过科学合理的途径归还于土壤，则成为降低环境风险和资源浪费、实现农业物质循环的重要途径，得到政府和广大学者的重视。2008年开始，农业部印发了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》《全国农作物秸秆资源调查与评价工作方案》《关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知》《秸秆农用十大模式》等一系列文件，充分体现了秸秆资源综合利用的重要性。

粉碎还田是秸秆资源综合利用的一项重要措施，可以直接实现秸秆物质向土壤中的归还。然而，随着农业的集约化发展，农作物秸秆产量增加，直接还田秸秆的低分解速率和病虫害残留等问题成为限制秸秆直接还田实践的一个重要因素，并可能使秸秆从一项资产变为一种负债。因此，秸秆以何种方式还田，还田后的科学管理与物质贡献评价成为秸秆农业化利用过程中的一个关键问题。

秸秆炭化利用是秸秆资源综合利用的一种新手段，被纳入秸秆农用十大模式，得到政府和学者的高度重视，并在不同制取条件下生物炭的性质[4]、生物炭在提高土壤有机碳含量改良土壤性质[5-6]、治理土壤重金属污染[7]等方面进行了系统研究和探讨，为生物炭的科学高效施用提供理论和实践基础。为阐明我国关于秸秆生物炭利用方面的研究动态和主要进展，笔者以中国知网数据库为基础检索相关论文，并对发表论文数量、研究主题、发表单位等进行综合分析，旨在探索秸秆生物炭研究未来的发展方向并为相关研究的合作提供指导。

1 研究方法

以“秸秆生物炭”为主题词，在中国知网(www.cnki.net)上进行文献检索，共得到已发表论文1 058篇，其中学术期刊论文908篇，学位论文125篇。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物炭的文献计量特征

2.1.1秸秆生物炭研究的时间特征。1998—2011年为生物炭研究的一个探索阶段，发文量较少，之后开始快速增加，由2011年的2篇增加到2019年的228篇(图1)。这说明随着国家对秸秆资源战略要求的提升，学者快速将秸秆生物炭作为研究的焦点。

注：B.生物炭(包含生物炭、Biochar、Biochars)；SB.秸秆生物炭；MS/MB.玉米秸秆/玉米秸秆生物炭；Ads.吸附特性；RS/RB.水稻秸秆/水稻秸秆生物炭；Bioa.生物有效性；PC.理化特性；WS/WB.小麦秸秆/小麦秸秆生物炭；SR.秸秆还田；PT.热解温度。Note：B.Biochar;SB.Straw biochar;MS/MB;Corn straw/Corn stalk biochar;Ads.Adsorption characteristics;RS/RB.Rice straw/ Rice straw biochar;Bioa.Bio-availability.PC.Physicochemical property;WS/WB.Wheat straw/Wheat straw biochar;SR.Straw returning to field;PT.Pyrolysis temperature.图1 发表文献数量与主题Fig.1 Number of published literatures on straw biochar and main research topic during 1996-2020

2.1.2主要研究主题。研究主题排名前10位的文献数量分布如图1所示，以生物炭为主题文献数量最多，为511篇，其次是秸秆生物炭，为120篇。对于不同种类农作物秸秆而言，玉米、水稻和小麦3类作物秸秆生物炭研究位列前3，同时也是中国农作物秸秆资源总量最多的三大粮食作物，2017年分别为37.2亿、19.1亿和14.7亿t[8]，故这些秸秆资源的利用将是实现循环农业物质管理的一个核心。生物炭施用对土壤重金属生物活性的影响是研究的一个核心问题，旨在通过生物炭的合理施用，实现对土壤重金属的吸附和钝化，降低其生活有效性和农产品质量安全风险。关于理化特性主题的研究主要集中在不同加工条件下生物炭的理化性质和生物炭施用对土壤主要理化性质的影响方面以及针对不同秸秆材料制取生物炭性质的讨论[9]。例如，水稻秸秆在100～300 ℃条件下热解所得生物炭呈弱酸性，而在400 ℃以上呈碱性，同时碳基团、阳离子交换量、比表面积等亦不同[10]。

2.1.3发表期刊。由表1可知，发表期刊以Bioresource Technology、农业环境科学学报和Environmental Science and Pollution Research发文最多，分别占期刊发文量的4.07%、3.19%和2.97%。其中，中文期刊农业环境科学学报2012年南开大学李力《玉米秸秆生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附机理研究》被引频次最高，为290次，其次为吉林大学的徐楠楠2014年发表的《玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附特性及影响因素》，被引频次为134次，在秸秆生物炭对重金属吸附与土壤重金属治理方面具有重要的影响。发表在环境科学上被引频次最高的论文为中国地质大学柯跃进2013年发表的《水稻秸秆生物炭对耕地土壤有机碳及其CO2释放的影响》，被引119次，主要从不同裂解温度、不同施用浓度生物炭对土壤有机碳和CO2排放量影响角度进行研究。其次为南京大学黄华2014年发表的《不同烧制温度下玉米秸秆生物炭的性质及对萘的吸附性能》，不同温度(300、500和700 ℃)条件下烧制玉米秸秆生物炭，研究其主要碳性质变化特征及对萘的吸附特征。农业工程学报发文中，2013年安徽科技学院李飞跃等[11]发表的“中国粮食作物秸秆焚烧排碳量及转化生物炭固碳量的估算”被引频次181次，主要估算了中国主要粮食作物秸秆产量及因焚烧产生的碳排放量，并指出中国农作物秸秆全部转化为生物炭后，可实现年均0.96×108t的固碳量。

表1 秸秆生物炭发文前10位期刊

2.1.4研究机构。从研究机构看，沈阳农业大学关于秸秆生物炭方面发表的论文最多，为40篇，其次为东北农业大学、南京农业大学和华中农业大学等(图2)。在沈阳农业大学，以陈温福院士领衔组建的生物炭工程研究中心为代表，开展了秸秆生物炭化生产工艺、性质及改良土壤、钝化重金属等方面的研究。在发表的中文论文中，战秀梅发表在植物营养与肥料学报上的《生物炭及炭基肥改良棕壤理化性状及提高花生产量的作用》具有最高的引用率，被引频次92。从论文被引频次看，2012年南开大学李力发表在农业环境科学学报上的《玉米秸秆生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附机理研究》，被引频次最高，为292次；其次为华侨大学安增莉2011年在环境化学上发表的《水稻秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附特性》，被引频次为261次；华中农业大学付庆灵团队2016年发表在环境科学学报上的《水稻秸秆生物炭对镉、铅复合污染土壤中重金属形态转化的短期影响》，为该机构在秸秆生物炭论文中被引频次最高，为120次；2015年，南京农业大学潘根兴课题组发表在农业环境科学学报上的《不同作物秸秆生物炭对溶液中Pb2+、Cd2+的吸附》被引频次达到130次，成为该期刊发表的秸秆生物炭领域最高被引论文。从这些高被引论文主要研究内容来看，关于秸秆生物炭方面的研究主要集中在重金属吸附及钝化、降低重金属危害方面。

图2 研究机构发文数量比较Fig.2 Comparison of literature number of research institutions

从被引频次看，被引最高的前10篇论文中，有5篇的研究内容为秸秆生物炭对重金属Cd、Pb形态、吸附方面的研究，即在土壤重金属污染治理方面得到重视，且具有良好的利用前景。

2.2 主要研究结果

2.2.1制取工艺对秸秆生物炭性质的影响。秸秆生物炭的制取工艺主要表现在裂解温度和时间2个方面，在不同裂解温度和时间条件下，秸秆物质转化和释放特征不同，最终形成了有机碳含量、炭结构、酸碱性等不同的生物炭，并最终影响施用后对土壤的改良效果。一般地，随着热裂解温度的升高，生物炭炭化程度越高，所得炭稳定性越强，生物炭pH亦呈增加趋势[12]。在500和700 ℃温度条件下制取生物炭pH分别为9.09和11.30，且在700 ℃条件下生物炭比表面积是500 ℃时的3.92倍，但低温裂解生物炭对土壤总有机碳具有更高的贡献[13]。不同类型秸秆所制取生物炭的pH及成分含量亦不同，从而对土壤的改良效果存在差异。辣椒秸秆500 ℃下裂解4 h[14]，玉米、水稻、油菜秸秆500 ℃下裂解6 h所得生物炭pH分别为10.04、8.23、9.59和9.55[15]。表2为不同秸秆生物炭主要性质比较。

表2 不同秸秆生物炭主要性质比较

相同秸秆材料在不同制取温度下，一般生物炭碳元素含量随裂解温度升高而升高，玉米秸秆制取生物炭材料碳含量由300 ℃时的66.79%上升到700 ℃时的76.30%，这可能与高温条件下生物炭产率下降有关[20]。但有研究表明，在高温条件下(>600 ℃)小麦秸秆生物炭有较低的有机碳含量，而在200～400 ℃条件下碳化则有机碳含量高[21]。

2.2.2秸秆生物炭对土壤主要性质的影响。生物炭对土壤性质影响的研究一般采用盆栽和大田试验2种方式，室内盆栽模拟培养的施用浓度一般为1%～5%[22]，而在田间施用时，有采用1.0、5.0和10 t/hm2[23]，施用浓度将直接影响对土壤性质的改良。pH是土壤的重要属性，直接影响了如土壤养分转化和有效性、土壤微生物区系构成与活性等化学和生物学属性及植物的生长。然而，随着氮肥的大量施用和大气氮沉降的增加，中国农田土壤已显著酸化[24]，这将直接影响土壤的生产力和可持续利用。生物炭是一种碱性高分子含碳有机化合物，施入土壤可以有效提高土壤pH，对于酸化土壤具有良好的改良效果。采用500 ℃裂解1 h的水稻秸秆生物炭，按照5%的比例添加生物炭，可以使pH增加0.31～1.05[25]。添加3%比例的生物炭试验的结果表明，在生物炭施入初期可以显著提高土壤pH，水稻、玉米、小麦秸秆生物炭分别使土壤pH提高了0.30、0.35和0.33，随着施用时间的延长，pH的提高效应呈降低趋势，但pH均高于不施生物炭的处理[26]。侯建伟等[15]分别采用1%、2%和4%的比例添加玉米、水稻和油菜秸秆生物炭，培养186 d后土壤pH得到提高，同一种生物炭随着施用浓度的增加，pH呈增加趋势，以4%油菜秸秆生物炭施用量提高pH效果最显著，提高18.04%。

生物炭富含有机碳，施入土壤后可以快速增加土壤有机碳含量，并通过影响土壤微生物生活基质物质构成和活性，而进一步影响土壤物质循环系统。不同种类作物秸秆生物炭中碳含量分布范围较广，在20.00%～77.0%，几种主要类型秸秆中，又以水稻(248.6 g/kg)和小麦(474 g/kg)秸秆生物炭含碳量较低，玉米(671 g/kg)、油菜(522 g/kg)较高，但施入土壤均可有效提高土壤有机碳含量[18]。

容重和孔隙度是影响土壤物质转化、植物生长的重要物理因素。生物炭的施用可以显著增加土壤的总孔隙度，并使土壤容重显著下降[27]，增加土壤总孔隙度调节孔隙比，并显著提高土壤的团聚体稳定性[28]。生物炭对土壤孔隙度和容重的影响直接决定了土壤的水分属性，有研究表明，生物炭施用引起土壤最大持水量的增加[29-30]；但亦有研究表明，生物炭的施用对土壤含水量无显著影响[27]，这可能主要取决于生物炭颗粒大小、生物炭孔隙属性、土壤类型等。大颗粒生物炭一般促进土壤大孔隙的形成，从而增强了土壤的导水性，砂性土壤施用生物炭可能对土壤保水性具有更好的效果。有研究表明，生物炭对土壤饱和导水率的影响受生物炭用量和土壤质地的影响。粗砂和细砂质地土壤中添加生物炭后，土壤饱和导水率下降，且随着生物炭施用浓度的增加而降低，即砂性土壤施用生物炭有利于促进土壤对水分的保蓄，黏土和壤土饱和导水率则随生物炭施用浓度的增加而先增加后降低[22]。

2.2.3秸秆生物炭对土壤物质循环的影响。碳、氮循环是土壤生态系统物质循环的核心。秸秆生物炭以高浓度有机碳形式向土壤中归还，可以快速改变土壤有机物碳的含量和构成。同时生物炭的施用可以有效提高土壤温度、降低土壤日温差[31]及微生物生活基质营养条件、改变土壤微生物体系，从而影响土壤碳、氮物质循环进程。有研究表明，生物炭施用初期，引起土壤呼吸释放CO2量增加，即表现出阶段性的激发效应，但培养一段时间后，土壤-生物炭系统排放CO2的累积量低于未施生物炭处理，即经过短期的矿化作用后，生物炭中碳组分及土壤有机碳组分趋于稳定[13]，并逐步以稳定态有机碳贮存在土壤中，增加土壤有机碳含量[32]。

秸秆生物炭的施用对农田N2O具有巨大的减排潜力，且促进对氮肥的固持[33]。研究表明，在短时间尺度上，秸秆生物炭的施入加速土壤氮循环，使N矿化速率提高185%～221%，硝化作用提高10%～69%，NH4+消耗率增加333%～508%，同时促进N从稳定有机态氮库向活性有机氮库转变[34]。生物炭促进植物的共生固氮(63%)，促进植物对N的吸收(11%)，降低土壤N2O排放(32%)，减少土壤N淋溶损失(26%)，但增加了土壤NH3的挥发损失风险(19%)[35]。添加2%的棉花秸秆生物炭可以显著降低自养硝化作用产生的N2O(20.6%)；当施用量为2%和5%时，异养硝化作用N2O的产生量分别减少15.7%和13.2%，反硝化作用N2O排放量分别降低40.9%和11.7%[19]。

2.3 研究方向展望

2.3.1秸秆生物炭的化肥替代定量评价。秸秆对农业生产化肥的可能贡献已得到学者的广泛重视和研究，但秸秆生物炭中的养分形态及在土壤中的长期转化过程和对植物营养的供应定量评价尚鲜见报道。目前的研究主要集中在元素含量及可能对土壤养分的贡献，但这些养分元素施入土壤后的转化及对植物养分供应的定量评价尚缺乏系统的研究，这不利于研究人员基于秸秆生物炭施用背景下的化肥的合理施用。

2.3.2基于不同质地土壤生物炭施用效应及机制。不同质地土壤颗粒吸附力、胶体的带电性等特征不同，使土壤颗粒与生物炭的结合时间、结合程度等存在差异，并进一步影响土壤的颗粒团聚性、带电性、导水率等特征，从而使土壤质地成为影响生物炭施用效果的重要因素[22，36]。然而，目前针对基于土壤质地的生物炭施用研究主要集中在影响特征方面，而对于长期施用条件下的作用机制的研究还很薄弱。

2.3.3秸秆生物炭与土壤结合的微尺度研究。施入土壤中的秸秆生物炭与土壤颗粒的结合速率、结合程度等直接影响了生物炭的施用效果和持续时间。然而，目前在生物炭与土壤颗粒结合的微观特征方面研究还很少，如生物炭与土壤颗粒结合的时间、生物炭在土壤中的转化等的研究。

3 结论

1998—2020年间，秸秆生物炭的研究逐渐得到重视，其中以玉米、水稻和小麦3种作物秸秆研究最多。对秸秆生物炭的研究主要集中在吸附钝化土壤重金属、降低农产品污染风险，对土壤理化、生物学属性的改良和促进植物生长等方面。从研究机构看，以沈阳农业大学发文最多。不同秸秆材料、热解温度和时间等因素直接影响了生物炭的属性及对土壤的改良效果。结合目前的主要研究进展，认为生物炭化肥替代的定量评价、生物炭与土壤互作效应及机制方面有待进一步加强研究。