生物炭在農業上的應用進展

呂貝貝，張貴云，張麗萍，劉 珍，范巧蘭，姚 眾

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000）

IPCC（聯合國政府間氣候變化專業委員會）第四次評估報告曾指出，農業是溫室氣體的第二大重要來源[1]。隨著經濟全球化的逐步推進和農業現代化進程的加快，農業廢棄物的數量日趨上升，農業問題也日益突出。農業廢棄物也稱農業垃圾，指的是整個農業生產過程中所廢棄的有機物質，其種類較多，大體上可分為農業加工產生的廢棄物、農林業活動產生的植物類廢棄物、牧漁業活動產生的動物類廢棄物，以及農村城鎮生活垃圾等[2]。我國是目前世界上農業廢棄物產出數量最大的國家[3]，農業廢棄物是一種放錯了的資源，置之不理就是污染源，將其合理的利用可以變成取之不盡的再生資源[4]。以農業廢棄生物質為主要原料制備的生物炭，在處理農業問題上獨具優勢，可以同時實現經濟效益、環境效益與社會效益的協調統一，備受研究人員的青睞。

自20世紀80年代以來，全球范圍對生物炭的研究相繼展開，生物炭與農業發展息息相關，它的出現一方面有效解決了大量農業廢棄物處理的難題，維持農業可持續發展；另一方面作為碳匯產品，為緩解全球溫室效應作出了重要貢獻[5]，在農業生產和農業生態環境中扮演著重要的角色。

本研究在結合國內外研究的基礎上，總結了生物炭在農業方面的應用，指出存在的問題，并提出了未來的發展方向，以推動農業的可持續發展。

1 生物炭概述

生物炭是由生物質在高溫限氧的控制條件下經過裂解炭化而成的固體物質，其形成過程中產生的煙氣經過冷卻分離可以得到木醋液、生物油及可燃氣體3種副產品[6]。生物炭中主要含有C，H，O，N及少量微量元素，與原材料相比，C的含量有所增加，此外還含有一定比例的灰分[7]，灰分是生物質原料在燃燒后所殘留的含 K，Ca，Mg，Si等元素的礦物質，熱解的溫度越高，灰分所占的比例也隨之升高[8]。

多項研究表明，不同的原料和熱解條件下所制備的生物炭，理化性質也有很大的差別[9]。對于木本植物、草本植物或畜禽糞便這3種原料分別制得的3類生物炭而言，其含碳量順序由高到低依次為木本植物、草本植物、畜禽糞便，而灰分的含量則恰好相反[8]。即便如此，科學家們在其結構和功能基礎的認知上仍存在一致觀點，概括起來有以下3個方面：一是含碳量豐富，尤其是穩定碳，芳香化程度高，有穩定的理化性質和較強的抗生物分解能力，是生物炭實現碳封存的基礎；二是富含微孔，比表面積大，具有很強的吸附能力，表面含有豐富的官能團，施入土壤可改善土壤狀況；三是含有植物生長所必需的營養元素，可減少化肥的使用[10]。

2 生物炭在農業上的應用

生物炭的結構和性質決定了其在許多行業都具有廣泛的用途，如工業、農業、環境治理、建筑業等[11]。筆者主要介紹生物炭在土壤改良、農業作物生長、農業環境及其相關產品上的應用。

2.1 生物炭在農業土壤改良上的應用

生物炭的性質穩定，可以長期固定于土壤中[12]，作為一種土壤改良劑，對土壤的影響主要表現在以下幾點：（1）生物炭可以提高土壤的pH值。生物炭中含有一定量的礦物質元素，這些元素溶于水后呈堿性，加入到土壤后，中和土壤的酸性，從而提高土壤的pH值。這一點對于改良酸性土壤具有重大意義，但對堿性土壤pH的影響并不明顯。（2）生物炭豐富的微孔結構和較大的比表面積使得其可以吸附水和多種離子，減少可溶性離子的損失，提高土壤的保水保肥能力[13]，還可以吸附土壤中的重金屬（如Pb，Cd）、有機污染物（如農藥）等[14]。此外，還可以改善土壤的通透性[15]，降低土壤容重及密度[16]。（3）生物炭較大的比表面積和表面豐富的芳環結構、羥羧基等官能團可以提高土壤的陽離子交換量（CEC）[17]。土壤CEC的大小基本代表土壤可能保持的養分量，即土壤保肥性的高低，生物炭對低CEC、酸性土壤CEC有明顯改善作用[18]。（4）生物炭富含有機碳，在土壤中加入生物炭能夠增加土壤有機碳、腐殖質或有機質的含量，提高土壤持水量和養分吸持量[19]。（5）加入生物炭可以調節土壤中微生物的菌群結構及土壤酶活力，增加微生物的數量[20]。同時，微生物呼吸會釋放出CO2，白天可以增強植物光合作用積累有機物，夜間可以抑制植物呼吸，減少有機物的消耗。此外，施用生物炭還可以為植物生長提供豐富的氮肥[21]，促進根瘤菌、叢枝狀菌根（AM）菌的侵染和繁殖[22]。

2.2 生物炭在農作物生長上的應用

生物炭不僅可以改良土壤，還可以發揮肥料作用[18]。生物炭含有植物生長所必需的營養元素，具有良好的物理性質和調控養分的作用[23]，這使得其在施入土壤后，會與土壤相互作用，發生一系列復雜的反應，促進植物種子萌發和植株生長，從而提高農作物產量[24]。生物炭可以減少肥料可用有效養分如銨離子、磷酸根離子的流失，延長肥料供肥時間，從而利于作物生長[25]。此外，SPOKAS等[26]研究發現，生物炭還可以釋放乙烯，影響土壤微生物和植物生長發育進程。添加生物炭后土壤中微生物菌群結構的改變，也有助于植物抵抗病害，促進作物生長[20]。

也有研究發現，添加生物炭對作物的生長發育和產量沒有影響甚至存在抑制作用[27]。HIDETOSHI等[28]研究發現，生物炭并沒有促進作物產量的提高。而張晗芝等[29]通過田間盆栽試驗發現，加入不同水平由小麥秸稈制成的生物炭，對苗期玉米的生長均有不同程度的抑制，隨著玉米的生長，抑制作用也逐漸減少。通常情況下，生物炭的不同施用量對作物產量的影響也不同，用量較低可以增加作物生物量，用量較高反而會減少作物生物量[18]。

2.3 生物炭在農業環境方面的應用

2.3.1 生物炭在農業污染治理方面的應用 土壤的重金屬包括銅、鎘、鉛等，不合理的污水灌溉、廢氣排放及重金屬制品的使用都會導致土壤重金屬污染[30]。重金屬污染不僅會影響植物根和葉的正常發育，威脅糧食安全，還會危及周邊及地下水體。據調查，農業生產活動中噴施的粉劑農藥中，僅有10%會附著在植物體上發揮作用；液劑農藥中僅有20%會附著在植物體上發揮作用，40%～60%會降落在地面上，還有一部分會漂浮在空氣中，那些落在地面的農藥會隨降雨等滲進地表及地下水體，形成農業面源污染[31]。此外，不合理的灌溉方式和施肥方式也會使部分營養元素不能被作物利用，隨之進入地表及地下水體，尤其是氮、磷的流失，造成水體富營養化，引起農業面源污染[32]。多項研究表明，生物炭的施入不僅可以吸附土壤中的重金屬元素、農藥中的有機污染物，降低其生物有效性，還可以抑制氮、磷的流失，改善農業污染狀況[33]。

2.3.2 生物炭在農業生態環境上的應用 農田溫室氣體主要有 CO2，CH4，N2O[34]，這些溫室氣體的排放會加劇全球變暖。將農業廢棄物制成生物炭可以減輕秸稈等農作物燃燒所造成的環境污染，降低溫室氣體排放量。研究結果表明，土壤中施加生物炭，其NOx的排放可大約減少80%，CH4的排放抑制率幾乎能達到100%[35]。不僅如此，在土壤中加入生物炭可以增加土壤C庫，而且生物炭高的穩定性還可以實現C封存[36]，同時生物質炭化還田還有益于土壤C/N平衡及農田生態系統平衡，維持耕地可持續生產[10]。

2.4 生物炭相關產品在農業上的應用

2.4.1 生物炭基肥在農業上的應用 生物炭基肥是以生物質炭為基質，根據不同區域土地的特點、不同作物生長的特點以及科學施肥原理，添加有機質或無機質配制而成的生態環保型肥料。生物炭基肥的模式主要有3種：炭基有機肥模式、炭基無機肥模式、炭基有機無機復混肥模式[37]。農業生產離不開化肥，但化肥的利用率普遍較低，將生物炭與化肥混合配施不僅可以保留生物炭原本的性能，而且也能緩釋肥效，提高化肥利用率，實現化肥減施[38]。

2.4.2 木醋液在農業上的應用 木醋液是生物質在熱裂解過程中產生的煙氣經過冷凝后產生的一種弱酸性水溶液[39]。木醋液可以用于殺菌防病防蟲，防治植物病蟲害[40]。將木醋液噴施到土壤或葉面上，可以改善作物性狀，促進作物生長，提高作物產量，有效激活土壤中微生物，促進微生物繁殖，尤其是細菌的增殖[41]。此外，木醋液配合葉面肥或農藥使用可以使二者得到高效利用，從而減少化肥農藥的用量，提高農產品品質[11]。

3 展望

生物炭在農業及其他領域上發揮了明顯的作用，擁有巨大的潛力，但在一些關鍵問題上還存在較大爭議。（1）不同的原料和制備條件制成的生物炭理化性質有較大差異；（2）對其作用機制的研究還不徹底；（3）一些研究由于缺乏長期大量試驗，數據說服力不足，有些研究結果甚至相互矛盾；（4）生物炭在制取過程中會產生有毒有害物質，對動植物和微生物有毒害作用；（5）長期大量施用生物炭的效果和風險不完全清楚；（6）有關生物炭基肥的研究仍處于小規模試驗階段等。因此，急需深入探索生物炭的作用機制[42]，根據農業應用的具體需要，加強對不同類型生物炭制取工藝的研究，優化生物炭的特性[43]；充分利用農業廢棄物資源，降低制造成本，實現生物炭的規模化生產；尋求高效的炭基緩釋肥、炭肥配施方案，真正實現化肥農藥減施，減少農業面源污染；此外，由于生物炭作為微生物載體，可以對某些有機物進行降解，在環境污染修復方面已展現出廣闊的應用前景，故應加強其對農業環境污染修復治理方面的研究[44]。總之，要科學合理的使用生物炭，充分發揮其在農業中的作用，注重交叉學科的應用，建立健全長期全面系統的評估機制，以利實現農業可持續發展。