生物質炭在我國蔬菜地應用的研究現狀與展望

張繼寧，周勝，孫會峰，張鮮鮮

（上海市農業科學院生態環境保護研究所/上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201403）

生物質炭是生物質在限氧或無氧條件加熱分解而獲得的含碳量豐富的固態物質[1-3]。眾多的研究結果表明生物質炭在農業生產方面具有廣闊的應用前景。國內外的研究涵蓋了生物質炭提高作物產量[4]、改良土壤性質[5]、提高發酵產物肥效[6-7]、固定重金屬在土壤中遷移[8]和減少溫室氣體減排[9]等方面的研究。

蔬菜地是特殊的旱地農業生態系統，其具有高施肥量、高復種指數、高經濟效益、高頻度農事操作等特點。針對我國蔬菜地土壤出現的退化現象，研究表明生物質炭能夠增加蔬菜地土壤有機碳含量，有效減少N2O排放[9]；也可作為改良劑對酸化土壤、黏重土壤以及鹽漬化土壤進行改良[4]。生物質炭在蔬菜地生產領域的應用研究日益受到關注，有必要成為改良蔬菜地土壤的措施之一。本文從生物質炭對蔬菜地土壤環境的影響及其作用機制兩個方面出發，重點闡述了近年來我國蔬菜地應用生物質炭的研究進展，總結和分析了生物質炭在提升蔬菜產量和品質、減緩溫室氣體排放、削減面源污染和鈍化重金屬遷移等方面的機理機制，以期為改良蔬菜地土壤性質、提高氮肥利用率、削減菜園面源污染和減緩溫室氣體提供理論基礎。

1 生物質炭的性質及其影響因素

生物質炭含有穩定的碳元素，其中碳主要由芳香烴、單質碳或具有類石墨結構的碳構成。這樣的表面結構特性決定了它具有較高的化學穩定性和生物學穩定性[1-3]。生物質炭具有豐富的表面微孔結構，比表面積較大，吸附能力較強，對重金屬、無機物、有機污染物具有較高的親和性，能較強地吸附它們并影響其在土壤中的遷移、降低其在土壤中的生物可利用性或減少其流失[10]。生物質炭可為作物生長提供養分補充，在農田土壤改良[5]，發酵調控[6-7]等方面具有改善作用。

不同的炭化原料、炭化工藝產生的生物質炭性質差異較大，而生物質炭在農業方面的效應與其特性密不可分。生物質炭特性的影響因素，主要包括炭化原料、熱解溫度和熱解停留時間。

1.1 炭化原料

同樣的熱解溫度條件下，不同的炭化材料制備的生物質炭性質不同。600 ℃條件制備的木質生物質炭、草稈生物質炭、棉花秸稈生物質炭和葡萄藤生物質炭產量相比，木質生物質炭和草稈生物質炭的產量16.1%（wt/wt）較高，而葡萄藤生物質炭的產量8.5%（wt/wt）較低[11]（表1）。生物質炭的產量指風干生物質熱解炭化后的干重，主要與生物質中的纖維素和木質素含量有關。同樣的溫度條件下，不同來源生物質炭的灰分含量變化較大，秸稈類生物質炭的灰分含量較高22.2%～35.1%（wt/wt），而木炭和竹炭的灰分含量較低3.8%～5.0% （wt/wt）[11-12]。一般來說，木本科的生物質炭含碳量較高，礦質養分較少；畜禽糞便和草本植物生產的生物質炭含碳量較低，礦質元素含量較高。

表1 600 ℃熱解溫度條件下不同原料生物質炭的產量與灰分含量Table 1 The biochar’s yield and ash contents from different biomass under pyrolysis temperature 600 ℃

1.2 熱解溫度與熱解停留時間

一般來說在熱解過程中隨著溫度的升高，生物質炭的產量會逐漸降低、生物質炭的比表面積和孔隙結構會變得更加豐富。已有研究表明，污泥生物質炭的產量由300 ℃時的64.3%（wt/wt）下降到900 ℃時的 42.2%（wt/wt）；而比表面積由300 ℃時的4.9 m2/g增加到900 ℃時的34.2 m2/g[3]（表2）。生物質炭表面的-COOH、-COH和-OH等含氧官能團逐漸增多，由此產生的表面負電荷使得生物質炭具有較高的陽離子交換量（CEC）。熱解溫度越高，生物質炭的pH越高，這是由于熱解過程中會產生大量灰分，其中的礦質元素溶于水后呈堿性所致。

生物質炭具有復雜的孔隙結構，其孔徑大小決定其比表面積。而生物質炭的孔徑大小與熱解停留時間也有關系。當熱解停留時間為20～30 min時，生物質炭的平均孔徑相對于停留時間10 min時的孔徑尺寸提高了4.8%～8.5%[11]（表3）。灰分含量也會隨著熱解停留時間的延長而增加。Tan等[11]分析結果表明熱解停留時間為20 min，生物質炭的灰分含量為7.0%；停留時間為60 min，其灰分含量增加至15.7%。這是由于熱解停留時間長，易于有機物質揮發而殘留更多的灰分。

表2 不同熱解溫度對生物質炭性質的影響Table 2 Effect of pyrolysis temperature on the biochar’s characteristics

表3 不同熱解停留時間對生物質炭性質的影響Table 3 Effect of different pyrolysis retention time on biochar’s characteristics

2 我國蔬菜地存在的問題

我國蔬菜的播種面積和產量分別占世界的43%和49%[13]。2015年我國蔬菜的播種面積為2.2×107hm2，占我國耕地總面積的13.2%，其中設施蔬菜種植面積達到5.8×106hm2[13]。蔬菜地氮肥施用量通常是蔬菜生長所需量的6～8倍，是常規大田的幾倍甚至10倍以上[14]，氮素的高投入導致低下的氮肥利用率和大量的土壤氮素殘留。如曹兵等[15]對番茄菜地進行了研究，結果顯示番茄地的氮素利用率為16.4%～28.8%，氮素在土壤中的殘留率為37.0%～37.5%，損失率為34.2%～46.0%。

設施蔬菜地環境封閉、缺少降雨的自然淋溶，施用的大量礦質肥料殘留在土壤耕層。設施菜園溫度較高，土壤水分蒸發量較大，土壤上層水分消耗快、下層水分和地下水向上運移致使鹽分被水帶至表層，加速了鹽分在土壤表層的積累。設施蔬菜地濕度也較大，土壤團粒結構易被破壞，通透性變差、不利于鹽分向下滲透。此外，設施土壤溫度高，也會加速原生礦物的風化、促進鹽基離子的釋放，最終加劇了設施蔬菜地的土壤次生鹽漬化[16]。土壤在物理性質方面表現為耕作層變淺、土壤板結、透水透氣性下降；在化學性質方面表現為土壤酸化、Ca2+和NO3-含量顯著增加[16]。對于蔬菜來說，土壤次生鹽漬化使植株矮小、發育遲緩、產量降低。蔬菜地土壤中過多的硝酸鹽使蔬菜積累大量硝酸鹽，人類食用這些蔬菜會對健康產生危害。

蔬菜地的氮素通過徑流遷移和N2O排放進入環境，引發蔬菜地的面源污染和溫室效應等環境問題。曾招兵等[17]研究表明廣州市郊菜地總氮的年徑流損失量高達321 kg/hm2，占氮肥投入量的14.0%。據統計，我國設施蔬菜地土壤的N2O排放占農田土壤N2O總排放的20%[18]。因此，降低蔬菜地的氮素以地表徑流遷移、滲漏、N2O排放途徑而損失，已經成為我國蔬菜地生產亟需解決的重大問題。

隨著工農業的快速發展，大量重金屬污染物通過各種途徑進入土壤，從而引起蔬菜地土壤重金屬超標。土壤重金屬污染主要與施入化肥和畜禽糞便有機肥等密切相關。何夢媛等[19]報道，連續4年施用豬糞顯著增加了耕層土壤中Cu和Cd含量，與對照相比，增幅分別為43.9%～118.6%和28.2%～44.9%。重金屬污染成為影響人類生活質量、威脅人類健康的環境和社會問題。程家麗等[20]報道了我國各主要大中城市郊區的蔬菜均存在重金屬超標現象，包括Pb、Cd、Hg、Cu和As。井永蘋等[21]研究表明，設施蔬菜地土壤重金屬含量隨著蔬菜地的使用年限的增加而加重，棚齡16～20年和21～25年的土壤Cu含量較棚齡1～5年的Cu含量增加19.2%和25.4%；棚齡16～20年和21～25年的土壤Cd含量較棚齡1～5年的Cd含量增加2倍。總而言之，栽培年限、輪作方式和土壤特性均對土壤中重金屬的積累產生影響。因此，如何在保證農產品安全生產并改善農業生態環境的前提下對重金屬中輕度污染蔬菜地土壤進行修復從而實現我國農業的高效、安全和可持續發展也是當前亟待解決的課題之一。

3 生物質炭在我國蔬菜地的應用現狀

3.1 生物質炭對土壤理化性質和蔬菜品質的影響

生物質炭的添加緩解了土壤酸化。如酸化菜地土壤種植小白菜，小麥秸稈生物質炭的添加減緩了土壤pH下降[22]；紅壤中施加10%的稻殼生物質炭栽培芥藍，紅壤pH有所提高[23]。設施蔬菜地土壤次生鹽漬化的主要離子為NO3-和 Ca2+[16]，生物質炭的混施改善了土壤的次生鹽漬化。農明英等[24]以生菜為供試作物，與不施肥不施生物質炭的對照處理相比，小麥秸稈生物質炭的添加有效降低了土壤的全鹽、NO3-和Ca2+含量，降低幅度分別為23.9%、45.2%和23.9%。杜衍紅等[23]研究表明稻殼生物質炭的添加相對于施肥而不施生物質炭的對照處理，土壤速效氮含量呈10%的降低趨勢。

生物質炭的添加改善了土壤的物理性質。由于生物質炭密度小，可降低土壤容重和調節土壤孔隙度。劉玉學等[25]研究表明水稻秸稈生物質炭和竹炭的添加均降低了菜地土壤的容重。生物炭表面的官能團具有親水性，可以提高土壤持水量。何飛飛等[26]研究表明蕹菜盆栽試驗結束后、土壤持水量隨生物質炭的施入量增加而增大。當生物質炭的投加比例為干土重的2%～10%，土壤持水量可增加5.0%～36.5%。生物質炭的添加也改善了土壤的化學性質。杜衍紅等[23]在紅壤中施加10%的稻殼生物質炭，栽培芥藍后土壤CEC提高了214.3%，土壤中有機質、速效磷和速效鉀含量也有顯著提高。程效義等[27]以連作15年的設施土壤為研究對象，以黃瓜為供試作物，施加40 t/hm2的玉米秸稈生物質炭可顯著改善土壤中脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性。

生物質炭對蔬菜產量的影響，涵蓋了葉菜類、茄果類和塊根類等蔬菜；生物質炭的類型包括了秸稈生物質炭（小麥秸稈生物質炭、水稻秸稈生物質炭和玉米秸稈生物質炭等）、稻殼炭、竹炭以及幾種生物質配比制備的混合生物質炭。劉玉學等[25]研究表明水稻秸稈生物質炭和竹炭對小青菜的生長均有促進作用，以配施氮肥不施生物質炭的處理為對照，當生物質炭施加量為40 t/hm2時，小青菜的總糖含量分別提高31.2%和19.5%；青菜中硝酸鹽含量分別降低15.0%和16.4%。黃連喜等[28]連續16個月定位多茬蔬菜（上海青—油麥菜—生菜）輪作的田間試驗結果表明，與施等量復合肥而不施生物炭的對照處理而言，5 t/hm2的小麥秸稈生物質炭促進蔬菜增產15.6%～124.3%。武春成等[29]通過黃瓜桶栽試驗表明，與施肥而不施生物質炭的對照相比，5%的玉米秸稈生物質炭促進黃瓜增產25.0%，黃瓜的可溶性糖含量提高了23.8%、硝酸鹽含量降低了23.1%。這些研究表明，正是由于合理地添施生物質炭增加了土壤孔隙度和土壤持水性、改善了土壤物理性狀，促進了蔬菜根系生長[25]；降低了氮素在土壤中的淋失、提高了土壤中有效磷、鉀、鎂和鈣含量，促進了蔬菜對土壤養分的吸收利用[25-29]；提高了原生菌、真菌等的活性，為微生物群落的生存提供了較大空間[27]；生物質炭表面豐富的羧基和酚羥基等含氧官能團，使陽離子交換活動更加活躍，土壤CEC得以提高[23]。因此，生物質炭的添加在改善土壤性質的同時，促進了蔬菜增產和品質提升。

3.2 生物質炭對蔬菜地溫室氣體排放的影響

目前，生物質炭添加對蔬菜地CO2排放的影響沒有一致的定論，有研究表明促進CO2排放，也有研究認為抑制CO2排放。何飛飛等[26]在紅壤中栽培蕹菜，發現生物質炭（水稻秸稈和花生殼混合制備的生物質炭）促進了土壤中CO2的排放，增加幅度為4.1%～85.1%。賈俊香和熊正琴[30]以玉米秸稈生物質炭和菜心為研究對象，也得出了生物質炭促進CO2排放的結論，累計CO2排放量增加了74.8%～109.2%。陸扣萍等[31]研究表明，一次性施入20 t/hm2豬骨生物質炭可使空心菜—小青菜輪作的土壤中CO2排放量增加12.9%～13.3%，而一次性施入20 t/hm2竹炭，致使土壤CO2排放量減少了9.2%～15.7%。這可能由于豬骨生物質炭、秸稈生物質炭含有較多的灰分，向土壤中帶入了較多的易分解有機碳以及無機養分，為微生物提供了碳源，所以增加了土壤中CO2的釋放[31]。由此可見，生物質炭的炭化原料對CO2的排放產生出不同的結果：木本科來源的生物質炭（木炭、竹炭）由于碳含量較高而灰分含量較低，在土壤中的固碳能力優于禾本科炭化原料制備的生物炭（秸稈生物質炭、稻殼生物質炭等）[32]。實際上，即便生物質炭促進土壤中CO2的排放，排放的CO2僅占生物質炭總量的0.1%～0.8%[33]。添加生物質炭并未對蔬菜地的CH4排放產生影響[29-31]。

在我國蔬菜地，關于生物質炭對N2O排放影響的研究報道較多，空心菜、小青菜、番茄、黃瓜或茄子等蔬菜地施入竹炭或水稻秸稈生物質炭后，土壤N2O累積排放量均呈減少趨勢[30-31,34]。生物質炭減少土壤N2O排放的原因主要有：1）生物質炭可能增加土壤對NH4+的吸附，減少硝化作用底物的濃度，從而抑制硝化過程中N2O的排放[35-37]；2）生物質炭可能通過提高土壤中N2O還原酶（nosZ）相關基因的豐度，促進N2O還原為N2釋放到大氣，直接減少了土壤N2O的排放[9,38]；3）也有研究認為，生物質炭的C/N比（7～400）較高, 容易引起土壤氮固持，抑制了土壤N2O排放[39]。在蔬菜地高硝態氮背景下，生物質炭配施有機肥模式可大大降低菜地土壤N2O的排放。陳晨等[38]在莧菜、空心菜、菜秧和香菜輪作條件下，單施氮肥顯著增加了N2O的累計排放量，增幅為31.2%～116.4%；單施秸稈生物質炭也增加了N2O排放。但綜合考慮了氮肥和秸稈生物質炭（20～40 t/hm2）的協同作用后，蔬菜地土壤的N2O累計排放量減少了1.6%～24.4%。易瓊等[40]研究也表明在有機肥部分替代化肥氮的模式中，生物質炭能有效抑制菜地土壤N2O的排放，降低幅度為38.8%。

3.3 生物質炭對蔬菜地面源污染的影響

氮和磷是蔬菜所必需的大量養分元素。由于氮磷肥的大量施用，未被蔬菜利用的氮磷養分殘留于蔬菜地表層土壤，在降雨或灌溉條件下，氮磷養分易發生淋溶損失。例如，施入土壤的肥料中大約有30%～50%的氮素發生了淋溶損失，致使地下水中氮素含量超標[41]。蔬菜地地表徑流中氮素遷移主要以硝態氮（NO3--N）和銨態氮（NH4+-N）為主。通過添施生物質炭削減我國蔬菜地面源污染中氮、磷流失的研究相對較少。

土壤—水體中氮磷等養分的轉化與遷移是造成蔬菜地面源污染的主要原因。生物質炭進入土壤后，微生物對其表面進行氧化，促進土壤中含氧官能團的增加、CEC的提高、疏水性的降低，從而減緩了養分的流失[42]。對于氮素來說，生物質炭能夠吸附土壤中未被作物利用的氮素，主要是NH4+和NO3，延緩其在土壤中的釋放。而土壤中磷素淋溶作用很小，一般情況下，土壤吸附固定磷的能力很大，磷素在土壤中很難移動。土壤中磷素的淋失主要與土壤類型、土壤富磷程度、施肥措施、農業耕種、水文條件和土壤質地有關。生物質炭能否直接吸附磷，目前的研究結論并不統一[10,37,42]。而經過改性處理（負載鐵或鎂）的生物質炭可以顯著吸附磷[43]。生物質炭可能促進酸性土壤外源磷的有效性，增加土壤電導率，降低土壤磷酸酶活性；生物質炭也可能提高土壤pH，直接吸附土體中的Al3+、Fe3+和Ca2+等離子，從而間接提高土壤磷素的有效性，最終影響土壤對磷的吸附和解吸。

3.4 生物質炭對蔬菜和土壤中重金屬含量的影響

針對蔬菜中Cd累積程度而言，劉阿梅等[44]推薦栽種蘿卜的最佳松木生物質炭的投加量為土壤干重的10%～20%。土壤中添加3.0 mg/kg重金屬Cd的背景下，不加生物質炭處理中的蘿卜根中Cd含量為0.48 mg/kg；而添加生物質炭處理的蘿卜根中Cd含量降低為0.28 mg/kg，降低幅度為41.7%。吳繼陽等[45]以污泥生物質炭為改良劑，在污染土壤中種植小青菜，結果表明按照風干土重5%的投加比例可使小青菜可食部位的Cd含量降低14.8%。劉沖等[46]將水稻秸稈生物質炭（風干土重的1.5%～3.0%）添加到污染土壤中，供試作物油麥菜的地下部Cd含量和地上部Cd含量分別降低了47.6%～57.2%和26.1%～31.9%。對于土壤中Cd累積程度而言，王艷紅等[47]在土壤中混入25 g/kg的稻殼生物質炭栽培生菜，土壤中醋酸銨提取態Cd含量和弱酸提取態Cd含量分別比對照污染土壤降低了17.9%和10.4%。劉旭東等[48]在土壤中添加10 t/hm2的水稻秸稈生物質炭栽培生菜，土壤中有效態Cd降低了45.0%～62.0%；添加20 t/hm2的水稻秸稈生物質炭，土壤中有效態Cd降低幅度更為明顯，達66.0%～89.0%。

生物質炭對土壤中重金屬Cd的鈍化機制主要包括提高土壤pH和對Cd的固持作用。生物質炭進入土壤后可增加土壤pH，從而會影響土壤中重金屬的水解平衡。當土壤中的重金屬離子以金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽的沉淀形式存在，即降低了其在土壤中的移動性[46]；生物質炭的表面官能團在土壤中與重金屬離子結合，形成的金屬配合物會固持與特定配位體有較強親和力的重金屬[45]。生物質炭進入重金屬污染的土壤后，主要通過調節土壤理化性質以及與重金屬發生靜電、沉淀、絡合等作用，促進土壤中重金屬失活。最終，生物質炭的添加降低了重金屬在土壤中的生物有效性和可遷移性，阻控了重金屬由土壤向蔬菜的可食部分運移富集，降低了蔬菜產品中的重金屬含量，減弱了重金屬污染的危害[48]。

4 展望

生物質炭為提高蔬菜品質、減少蔬菜地污染排放提供了可靠途徑和有效措施。為加深生物質炭對蔬菜生產影響機制的理解、推廣其在我國蔬菜生產領域的應用，今后需要進一步加強以下幾個方面的研究方向。

1）明確生物質炭在不同蔬菜土壤環境條件下的適用性。由于生物質炭種類的多樣性和不同地域氣候條件和耕作制度多樣化等因素，生物質炭的應用效果存在差異。加強各因素間的相關性研究，了解生物質炭在蔬菜地環境的影響機制，進行區域間橫向對比研究，對生物質炭的合理化應用具有重要意義。

2）開展生物質炭在蔬菜地應用的長期定位監測。生物質炭應用技術實施的不同年限對蔬菜地環境的影響程度不同，將短期與長期定位試驗相結合進行縱向比較研究，對于揭示生物質炭在蔬菜地環境的長期影響效果、探索生物質資源化利用有效方式以及建立可持續農業發展模式有重要意義。

3）降低生物質炭的生產成本。目前國內關于生物質炭的理論研究基礎逐漸加強，制備生物質炭的設備和技術應用正在陸續大面積地推廣。降低生物質炭的生產成本，可以有效促進生物質炭的大規模產業化推廣。此外，也應該綜合考慮生物質炭應用與配肥技術、生物技術、耕作措施等關鍵環節的統籌與協調，對優化蔬菜地生態環境、增加社會效益具有重要意義。

4）識別生物質炭的潛在風險。施加生物質炭導致土壤C/N失調、鹽基離子含量過高，而且生物質炭中含有的有毒物質會釋放，這些負面效果可能會影響土壤生物區系，最終致使蔬菜減產。應加強生物質炭的生態毒理學研究，對客觀評價生物質炭的作用、提高蔬菜的產量與品質、促進設施蔬菜地的可持續發展具有重要意義。