生物炭與生物炭基肥利用研究進展

余慧敏 郭熙

摘 要：生物炭由于其自身具有的優良性狀，可以用作土壤改良劑，改善土壤條件與環境。將生物炭與肥料融合制備生物炭基肥，在秉承其原有優良特性的基礎上，能進一步促進作物增產，并對減少化肥施用具有重要意義。文章在總結國內外已有研究的基礎上，從生物炭與生物炭基肥對土壤的物理、生化性狀及對作物生長的影響進行綜述，并簡要綜述不同量的生物炭基肥替代化肥施用對土壤與作物生長的影響，闡述當前生物炭與生物炭基肥研究中存在的問題與不足，提出進一步的研究方向，旨在為農業生產提供施肥依據。

關鍵詞：生物炭；生物炭基肥；土壤理化性狀；作物

中圖分類號：S14 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.12.023

Abstract： Due to the good properties， biochar can be used as soil amendment to improve soil conditions and environment.Combining biochar with fertilizer to produce biochar-based fertilizer， it can further increase crop yield and has important significance to reduce the application of chemical fertilizers on the basis of adhering to the original excellent properties. This paper based on the summary of the existing research， reviewed the effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil physical and biochemical characters and crop growth， briefly reviewed the effects of different amounts of biochar-based fertilizer substitute for fertilizer utilization on soil and crop growth，described the problems and shortcoming in current research on biochar and biochar-based fertilizer， further research issues were also proposed， aiming at providing fertilization basis for agricultural production.

Key words： biochar； biochar-based fertilizer； physical and chemical properties of soil； crop

近年來，我國農業生產中化肥使用量持續增加，但作物產量卻增長緩慢，肥料利用率也十分低下[1]。長期大量施用化肥不僅加大了農業生產成本，還導致了土壤肥力的下降與土壤質地的惡化，并對環境造成一定的污染，嚴重阻礙了農業可持續發展[2]。在此嚴峻的形勢下，農業部于2015年制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出了“施肥結構進一步優化”、“施肥方式進一步改進”、“肥料利用率穩步提高”等3個目標任務，號召高效施肥、糧食增產與生態環境安全并行。

此外，我國每年農業種植產生大量的水稻、小麥、玉米等農作物秸稈，總量多于6.5億t，大都是就地燃燒或者隨意堆放，沒有得到合理的處理利用，這不僅造成了資源浪費，也導致了環境污染，成為未來我國在促進農業低碳、循環、可持續發展，全面推進生態建設中必須面對并加以解決的問題[3-4]。

2005年，中國工程院院士陳溫福提出了“秸稈炭化還田”理念與技術體系，即將秸稈加工成生物炭后施入農田，不僅改善了土壤理化性質與微生態環境，也提高了土壤生產性能與產品品質[5]。利用生物質廢物原料制備生物炭，既能實現農林廢棄物的高效處理與資源化利用，又能有效解決其棄置、焚燒和隨意排放造成的環境問題，是農業可持續發展的必由之路[6]。研究表明，生物炭與肥料混合制備而成的新型肥料——生物炭基肥，能減少化肥使用量、改善土壤理化性狀、促進作物優質生長與增產、降低農業生產成本[7-9]。生物炭與土壤肥料的相互融合提供了更多的農業施肥選擇[5]。

1 生物炭與生物炭基肥對土壤的影響

1.1 對土壤物理性狀的影響

1.1.1 生物炭對土壤物理性狀的影響 生物炭具有疏松多孔、比表面積大、官能團豐富等優點，將其施加到土壤中，對于提高土壤持水能力、改善土壤孔隙結構、降低土壤容重等具有很大的作用，此外，由于生物炭多呈堿性，將其加入到土壤中能夠中和土壤酸度，提高土壤pH值。ASAI等[10]在老撾北部對旱稻進行了3個不同的生物炭施用試驗，結果表明，施用生物炭提高了表層土的飽和導水率和水稻的木質部液流。DAVID等[11]研究表明，土壤中添加生物炭后能夠顯著降低土壤容重、增強土壤持水能力。KRISTIINA等[12]研究表明，生物炭對土壤改良起著重要作用，在土壤中加入生物炭能促進對甲烷的吸收，減少CO2的排放，并能增強土壤持水性。UZOMA等[13]利用牛糞生物炭在砂質土壤上對玉米進行溫室試驗，結果表明，施用牛糞生物炭可以提高飽和砂土的滲透系數，從而提高凈水分的利用率。XU等[14]研究了施用尿素情況下玉米秸稈生物炭對土壤的影響，結果表明，施加生物炭后，土壤pH值增加，土壤持水能力、導電率、和土壤呼吸速率也得到增強。RANDOLPH等[15]利用固體廢棄物制備生物炭進行試驗，研究表明，施加生物炭能夠增加土壤pH值，提高土壤導電率、團聚體的穩定性、保水性。WANG等[16]通過對我國陜西黃土高原5種土壤應用生物炭進行試驗，結果表明，添加生物炭可以減少土壤的累積蒸發量，增加土壤平均含水量。

1.1.2 生物炭基肥對土壤物理性狀的影響 在生物炭的基礎上制備而成的生物炭基肥秉承了生物炭的一些優點，也能改變土壤環境，改善土壤性狀。OH等[17]通過用厭氧消化漿料浸漬的橘皮炭、木炭和污泥炭所得的生物炭基緩釋肥用于萵苣栽培試驗，結果表明，施用生物炭基緩釋肥，土壤持水能力增加，土壤pH值升高。盧廣遠等[7]研究表明，施用炭基肥料能提高疏松土壤的容重，從而改善其通氣透水性能，并能調節土壤pH值向中性靠近。王智慧等[9]研究表明，生物炭基肥對土壤呼吸均有一定促進作用。張鍇[18]研究表明，炭基肥可增大土壤通透性，提高土壤持水性能，改善土壤的酸堿度。

1.2 對土壤化學性狀和土壤微生物的影響

1.2.1 生物炭對土壤化學性狀和土壤微生物的影響 生物炭較多的孔隙結構以及較強的吸附能力使得其在土壤中具有較強的元素吸收能力，生物炭具有的一些性質還能影響元素的穩定性、土壤微生物的活性，從而能促進土壤的陽離子交換，改善與維持土壤的肥力狀況。GLASER等[19]研究表明，在熱帶潮濕的低地土壤中，黑碳可以作為一個重要的碳匯，增強土壤的營養保持能力，是土壤可持續性肥沃的關鍵因素。LIANG等[20]研究表明，土壤中加入黑炭有利于土壤陽離子交換量的增加，增加土壤總有機碳含量，對土壤養分保持有重要影響。UZOMA等[13]研究表明，在砂土上施用牛糞生物炭，顯著增加了土壤中全碳、全氮、Oslen磷、交換性陽離子含量以及陽離子交換容量。馬彥茹等[21]利用棉花秸稈生物炭對土壤進行試驗，結果表明，施用生物炭后，土壤pH值、陽離子交換量、速效磷和速效鉀的含量均得到提高。PATRYK等[22]利用農藥和生物炭對土壤進行試驗，研究表明，在所有的試驗處理中，生物炭可以激發土壤酶的活性，此外，它能降低農藥對土壤酶活性以及在風險評估微生物檢測中對某些微生物的不利影響。ALEXANDRA等[23]研究表明，將生物炭添加到土壤中能夠降低根際啟動的影響，從而有利于土壤有機碳的長期儲存。GASC等[24]利用豬糞在2種不同溫度條件下制備的生物炭對土壤進行改良試驗，結果表明，生物炭能夠降低土壤碳礦化，在300 ℃下制備的生物炭對土壤脫氫酶活性有積極作用，而500 ℃下制備的生物炭對土壤酶活性基本沒有影響。CAROLINE等[25]研究表明，施加生物炭能夠增加土壤細菌多樣性，改變根際微生物群落組成。XU等[14]研究表明，玉米秸稈生物炭能夠減少土壤氮素的淋失，且氮素的淋失量隨生物炭的增加而減少，同時，施加生物炭增加了土壤微生物量、細菌多樣性，改變了土壤細菌群落結構。

1.2.2 生物炭基肥對土壤化學性狀和土壤微生物的影響 生物炭基肥能夠改善土壤肥力狀況、改變土壤微生物活性。張鍇[18]研究表明，生物炭基肥能夠增加土壤中銨態氮、硝態氮含量，在等量氮磷鉀條件下炭基肥對提高土壤速效養分含量的作用好于普通的氮磷鉀肥料。楊勁峰等[26]研究表明，施用炭基肥在提高土壤有機質、全鉀、速效鉀含量方面效果優于其他處理方式。潘全良等[27]利用炭基肥、生物炭、豬廄肥以及秸稈對花生進行6年微區田間試驗，結果表明，施用生物炭基肥與傳統土壤培肥方式相比抑制了蔗糖酶與過氧化氫酶的活性，對脲酶活性的影響不明顯，提高微生物活性的能力高于秸稈還田處理，但低于施用豬廝肥。王智慧等[9]研究表明，不同配比的生物炭基肥均對土壤全氮、有效磷、速效鉀有一定促進作用。

2 生物炭與生物炭基肥對作物生長的影響

生物炭與生物碳基肥不僅僅對土壤的改良有較大的作用，同時對作物的生長和改善作物品質有較大的影響。

2.1 生物炭對作物生長的影響

生物炭一般能夠促進作物的生長發育，在許多研究已均有發現。LEHMANN等[28]研究表明，木炭的添加能夠促進植物對營養元素的吸收，有利于植物生長。ASAI等[9]試驗表明，施用生物炭會導致磷有效性低的部位的籽粒產量增加，并能提高對N和NP化肥處理的響應；但是，生物炭的施用降低了旱稻葉片SPAD值，這可能是減少土壤氮素的有效性，說明生物炭施用的效果與土壤肥力狀況以及肥料管理有很大的關系。UZOMA 等[13]研究表明，牛糞生物炭的施用可以促進玉米的養分吸收量，提高玉米的產量。SCHULZ等[29]通過對燕麥施用相同原料但不同的生物炭/堆肥的盆栽試驗的研究表明，生物炭能促進植株的生長，生物炭添加量越多，植物生長越快，土壤肥力越高。也有研究表明，生物炭促進作物生長的效果與氮肥有關，張愛平等[30]通過對水稻施用不同水平的生物炭量與氮肥量的試驗表明，生物炭與氮肥配施，水稻產量得到提高，且水稻產量、株高和穗粒數均隨生物炭用量的增加而增加；此外，氮肥利用率與農學效率也與生物炭用量成正比；但在未施氮肥情況下，生物炭的添加對水稻產量無明顯影響。

2.2 生物炭基肥對作物生長的影響

生物炭基肥融合了生物炭與肥料所具有的肥力，加上其自身的結構特點與穩定性，可以使養分緩慢釋放，肥效更持久，因而能更加穩定地促進作物生長，一些研究已有證實。盧廣遠等[7]研究表明，施用合適種類的炭基肥，有利于玉米的生長發育，可提高玉米產量，且其效果顯著優于化學肥料。HARDY等[31]利用生物炭、有機肥和無機肥對燕麥進行溫室試驗，結果表明，生物炭與有機肥混合施用比單獨施用生物炭促進植株生長的效果更強。陳琳等[8]研究表明，施用生物炭基復混肥可不同程度地提高水稻每穗總粒數、單穗質量及水稻經濟產量，可減少氮肥施用量，促進氮素向水稻籽粒的分配，提高水稻氮素利用效率。王智慧等[9]研究表明，不同配比的生物炭基肥均對玉米植株干物質積累有一定促進作用。而DALILA等[32]將生物炭與堆肥對生菜分別進行單施、混施，結果表明，生物炭與堆肥混合施用并沒有比堆肥單獨施用對作物產量和土壤肥力產生的效果好，這與前面已有的研究結論相反，可能是由于在本試驗高肥力水平條件下，堆肥的效應掩蓋了生物炭的作用。

2.3 生物炭基肥替代量的研究

現有研究表明，生物炭基肥在改良土壤、培育作物等方面具有優良特性，但未揭示生物炭基肥替代化肥的用量，為此，有必要進一步闡明生物炭基肥替代化肥的效果，這對我國當前實行的“化肥減施”行動也將有著積極的推動作用。

呂一甲[33]研究表明，與當地常規施肥相比，施用生物炭基肥特別是在減少養分投入30%和等養分投入的條件下，耕層土壤含水率顯著提高，土壤容重隨生物炭基肥施用量的增大而減小，土壤肥力水平明顯提高，玉米干物質積累量與經濟產量均有明顯提高。夏文斌[34]利用不同秸稈還田方式與生物炭基肥施用模式對玉米進行試驗，研究表明，秸稈以生物炭基肥方式還田在減少氮肥用量20%條件下，可以保證作物產量穩定，對實現作物增產、化肥減施、減少溫室氣體排放具有良好作用。

3 問題與展望

3.1 存在問題

目前，國內外關于生物炭的研究已有一定的范圍和廣度，但有關生物炭制備的原料、工藝、條件等的不同對其自身性質的影響以及應用于土壤、作物后產生的影響差異的研究尚淺。生物炭應用的試驗大多集中于短期、小型的盆栽或者溫室試驗，不具有代表性。不同的土壤類型、溫度、濕度等環境條件下生物炭對土壤及作物的作用效果也存在一定差異。生物炭施加到不同的溫度、濕度條件下其自身的氧化作用以及生物炭表面和土壤顆粒間的相互作用與聚集的研究不足。施加生物炭的具體量及其施加后對農田環境和生態系統的影響不明確。關于生物炭施加到不同類型的土壤中引起的土壤持水能力的增強是否會進一步導致植物有效含水量的增加，還未有科學合理的研究。

隨著越來越多相關研究人員認識到生物炭基肥的優點，對生物炭基肥的制備以及作為肥源應用的研究也在逐漸增多。但目前關于生物炭基肥的研究仍處于初級階段，制備生物炭基肥的生物炭與肥料的混合比、實際施用量的不同對土壤與作物產生作用的差異，還未有深入研究。生物炭基肥施用后產生的效果未開展不同地域、不同環境條件下的長期、定位對比試驗。生物炭基肥的肥效隨時間動態變化的研究不足。生物炭基肥應用后對農業生態環境的影響研究尚淺。目前，關于生物炭基肥對土壤與作物生長的影響大多集中于定性研究，有關生物炭基肥替代量的研究較少。此外，生物炭基肥施用對土壤有機磷礦化—固定過程的動態作用機制、生物炭基肥養分釋放損失研究、生物炭基肥施用對土壤水分的時空作用特征機制、生物炭基肥對作物果實品質改善機制亟待進一步研究。

3.2 展 望

針對當前生物炭與生物炭基肥研究領域中存在的不足，未來應加大對生物炭內在性質的研究，探索更加科學、高效、安全的生物炭制備工藝與方法，深入研究生物炭基肥制備的最佳配比量，探索最合適的生物炭基肥施用量，進一步開展生物炭基肥與肥料之間替代量的研究。同時，要開展不同地區、不同條件下的長期、大規模的田間試驗，探索生物炭、生物炭基肥作用的內在機制，考究其施用對環境的具體影響，為實現生物炭基肥的推廣應用提供科學的理論基礎，以促進化肥減施、農藥零增長，實現農業可持續發展，保障社會經濟穩定發展。

參考文獻：

[1]張福鎖， 王激清， 張衛峰， 等.中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報， 2008， 45（5）： 915-924.

[2]趙軍， 李勇， 冉煒， 等. 有機肥替代部分化肥對稻麥輪作系統產量及土壤微生物區系的影響[J]. 南京農業大學學報， 2016， 39（4）： 594-602.

[3]于浩. 陳溫福. 糧食安全的基礎是耕地質量[J]. 中國人大， 2013（5）： 12.

[4]王寧， 焦曉燕， 武愛蓮，等.生物炭對土壤磷、鉀養分影響研究進展[J]. 山西農業科學， 2016，44（9）：1402-1405.

[5][佚名].我國農村秸稈炭化還田技術取得新突破[J].農業科技與信息， 2017（18）： 98.

[6]張繼寧， 周勝， 陳桂發， 等.基于文獻統計的農業領域生物炭研究現狀[J].環境科學與技術， 2015， 38（S2）： 240-245， 250.

[7]盧廣遠， 張艷， 王祥福， 等. 炭基肥料種類對土壤物理性質及玉米產量的影響[J].河北農業科學， 2011， 15（5）： 50-53.

[8]陳琳， 喬志剛， 李戀卿， 等.施用生物質炭基肥對水稻產量及氮素利用的影響[J]. 生態與農村環境學報， 2013， 29（5）： 671-675.

[9]王智慧， 唐春雙， 范博文， 等. 不同配比炭基肥對玉米生長、土壤養分及呼吸的影響[J].黑龍江八一農墾大學學報， 2017， 29（3）： 1-4.

[10]ASAI H， SAMSON B K， STEPHAN H M， et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos： 1. Soil physical properties， leaf SPAD and grain yield[J]. Field crops research， 2009， 111： 81-84.

[11]DAVID A L， PIERCE F， DEDRICK D D， et al. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma， 2010， 158： 443-449.

[12]KRISTIINA K， TUOMAS M， IRINA B， et al. Biochar addition to agricultural soil increased CH4 uptake and water holding capacity' Results from a short-term pilot field study[J].Agriculture ecosystems and environment，2011，140：309-313.

[13]UZOMA K C， INOUE M， ANDRY H， et al. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J].Soil use and management，2011，27：205-212.

[14]XU N， TAN G C， WANG H Y， et al. Effect of biochar additions to soil on nitrogen leaching， microbial biomass and bacterial community structure[J]. European journal of soil biology， 2016， 74： 1-8.

[15]RANDOLPH P， BANSODE R R， HASSAN O A， et al. Effect of biochars produced from solid organic municipal waste on soil quality parameters[J].Journal of environmental management，2017，192：271-280.

[16]WANG T T， CATHERINE E. Effects of biochar addition on evaporation in the five typical Loess Plateau soils[J].Catena， 2018，162：29-39.

[17]OH T K， SHINOGI Y Y， LEE S J， et al. Utilization of biochar impregnated with anaerobically digested slurry as slow-release fertilizer[J].Journal of plant nutrition and soil Science， 2014，177： 97-103.

[18]張鍇.生物炭及炭基肥對土壤理化性質的影響[J].綠色科技，2015（4）：196-198.

[19]GLASER B， HAUMAIER L， GUGGENBERGER G， et al. The‘Terra Preta phenomenon： A model for sustainable agriculture in the humid tropics[J]. Naturwissenschaften，2001， 88：37-41.

[20]LIANG B， LEHMANN J， SOLOMON D， et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J]. Soil science society of america journal，2006，70（5）：1719-1730.

[21]馬彥茹，楊新華，葛春輝，等.棉桿生物質炭對兩種石灰性土壤速效磷，速效鉀的激活效應研究[J]. 新疆農業科學，2014，51（4）：660-666.

[22]PATRYK O， IZABELA J， BARBARA F， et al. Effect of pesticides on microorganisms， enzymatic activity and plant in biochar-amended soil[J]. Geoderma， 2014， 214/215： 10-18.

[23]ALEXANDRA K， BALWANT S，FEIKE A D. Biochar reduces the rhizosphere priming effect on soil organic carbon[J].Soil biology and biochemistry，2015，88：372-379.

[24]GASC G， PAZ-FERREIRO J， CELY P， et al. Influence of pig manure and its biochar on soil CO2 emissions and soil enzymes[J]. Ecdogical engineering， 2016，95：19-24.

[25]CAROLINE A D T， JANE D， BART V， et al.Biological， physicochemical and plant health responses in lettuce and strawberry in soil or peat amended with biochar[J]. Applied soil ecology，2016，107：1-12.

[26]楊勁峰， 江彤， 韓曉日， 等. 連續施用炭基肥對花生土壤性質和產量的影響[J]. 中國土壤與肥料， 2015（3）： 68-73.

[27]潘全良， 宋濤， 陳坤， 等.連續6年施用生物炭和炭基肥對棕壤生物活性的影響[J].華北農學報，2016，31（3）：225-232.

[28]LEHMANN J， SILVA J P D， STEINER C， et al. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin： fertilizer， manure and charcoal amendments[J]. Plant and soil，2003，249（2）：343-357.

[29]SCHULZ H， DUNST G， GLASER B. Positive effects of composted biochar on plant growth and soil fertility[J]. Agronomy for sustainable development， 2013， 33： 817-827.

[30]張愛平， 劉汝亮， 高霽， 等.生物炭對寧夏引黃灌區水稻產量及氮素利用率的影響[J].植物營養與肥料學報，2015，21（5）：1352-1360.

[31]HARDY S， BRUNO G. Effects of biochar compared to organic and inorganic fertilizers on soil quality and plant growth in a greenhouse experiment[J]. Journal of plant nutrition and soil science，2012，175：410-422.

[32]DALILA T，CLAUDIA C，SILVIA B，et al. The effects of biochar and its combination with compost on lettuce （Lactuca sativa L.） growth， soil properties，and soil microbial activity and abundance[EB/OL]. [2018-01-28].http：//www.hindawi. com/journals/ija/2017/3158207/ref/.

[33]呂一甲.生物炭肥對土壤性質、玉米生長及水肥利用效率影響試驗研究[D]. 呼和浩特： 內蒙古農業大學， 2014.

[34]夏文斌. 秸稈還田方式與不同施肥模式對華北平原玉米產量與綜合減排效應影響[D].南京： 南京農業大學， 2014.