生物質炭在農業生產中應用的研究進展

王春芳 張文豪 張琨琨 張書紅 馮夢喜

摘要 綜述了近年來生物質炭在農業生產中應用的研究進展，包括土壤修復、減排固碳、作為緩釋肥料載體、吸附污染物、改善土壤微生物生態環境，以期為生物質炭在農業生產中的應用提供參考。

關鍵詞 生物質炭；土壤改良劑；緩釋肥料載體

中圖分類號 S156.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）13-0174-02

Research Progress on Application of Biochar in Agriculture Production

WANG Chun-fang ZHANG Wen-hao ZHANG Kun-kun ZHANG Shu-hong FENG Meng-xi *

（Henan Xinlianxin Fertilizer Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453731）

Abstract The research progress on the application of biochar in agriculture production in recent years was reviewed，including soil remediation，reducing carbon sequestering and emission，and slow-release fertilizer carrier，pollutant adsorption，improving soil microbial ecological environment，in order to provide references for the application of biochar in agricultural production.

Key words biochar；soil amendment；slow-release fertilizer carrier

生物質炭（biochar）是指生物質在限氧或無氧條件下經高溫熱解炭化而形成的固態物質。科學家首先于巴西亞馬遜發現了黑色土壤，隨著研究的逐漸深入，生物質炭成為科研工作者關注的焦點，并擴大至生態系統高度[1]。生物質炭在未來農業生產和環境保護中應用前景廣闊。生物質炭不僅可以直接或間接影響作物的生長進程，提高產量，也可以降低部分溫室氣體的排放，例如N2O和 CO2等。生物質炭的孔洞結構十分容易聚集營養物質和有益微生物。使用生物質炭作載體的復混肥，可以實現對肥料和水的長效緩釋[2]。

1 土壤改良劑

生物質炭可作為土壤改良劑，其改良土壤的原理可概括為表面電荷效應、平衡酸堿度、增大比表面積、提高孔隙率、提高陽離子交換能力及提供養分等。生物質炭可提高土壤中有效營養元素及有機質的含量，促進植物生長發育，改變微生物在土壤中的生態環境[3]。研究表明，施用生物質炭的土壤持水能力提高了18%，土壤中硼、鉬等微量元素的含量也有所提高，養分淋洗損失有所減少。生物質炭呈堿性，可提高土壤pH，還可以提高土壤的有效磷含量。試驗表明，在酸性及砂質土壤中使用生物質炭，可降低Al、Cu、Fe等金屬可交換態的含量，提高K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力[4]。通過增加土壤團粒結構、改善土壤的疏松狀況、降低土壤容重，生物質炭可解決長期施用化肥造成的土壤板結情況。但長期施用生物質炭是否會對土壤產生不良影響有待進一步研究。

2 溫室氣體的減排固碳

生物質炭可減排固碳，這是由于其可以吸附土壤中易被微生物分解的土壤有機碳，降低微生物的分解利用。生物質炭對農田土壤產生的N2O等溫室氣體有很強的降低排放作用。因此，科學家認為生物質炭還田是應對全球氣候變暖的一條重要途徑。Wang等[5]發現，生物質炭施入水稻土壤后N2O排放平均值減少了73.1%，同時N2O累計排放抑制率高達51.4%～93.5%。陳紅衛等[6]研究表明，生物質炭基肥施入土壤對CO2排放產生的影響具有年際波動性，但可明顯降低溫室氣體排放強度（GHGI）和全球增溫潛勢（GWP），在施用量為30 t/hm2時效果更加明顯，而且具有一定的持續性和穩定性。雖然當前關于生物質炭對溫室氣體排放影響的研究較多，但其碳匯穩定性和生態效應尚不完全清楚，因而需要進一步加強對生物質炭固碳減排機理的研究。

3 緩釋肥料載體

將生物質炭與肥料復合制備成生物炭基肥料，成為生物質炭在農業生產中應用的一個新發展方向。使用生物質炭作為載體的有機-無機復混肥，可實現對肥料和水的長效緩釋。目前，化工行業主要使用包膜、堆肥、摻混、吸附和反應等工藝將生物質炭作為肥料載體，通過土壤培養和尿素淋溶等室內試驗研究其作為緩釋肥料載體的性能。孫櫻萁等[7]將生物質炭與磷酸二氫鉀混合制備的生物質炭基顆粒肥料應用于溫室黑麥草盆栽試驗，結果表明，不同生物質炭基肥料對黑麥草的出苗率無顯著影響，但對其根長、株高和生物量等生物特性都起到了一定的促進作用。需要注意的是，由于生物質炭能改變土壤pH，所以在作為肥料使用時要考慮其對土壤的影響，這樣才能保證土壤肥力提升[8]。

4 污染物吸附劑

生物質炭通過吸附固定作用，可降低鉻、汞、銅、鎳等重金屬和多環芳烴（PAHs）等有機污染物對土壤的影響，達到修復土壤的目的。Chen等[9]認為生物質炭對有機污染物的吸附/解吸過程可以使用雙模式（dual-mode Sorption）模型描述。通常認為生物質炭中存在2種碳，一部分是無定形組分，即“軟碳”，對有機污染物吸附的機理主要以線性分配為主；另一部分是濃縮型組分，即“硬碳”，對有機污染物吸附的機理主要以非線性表面吸附為主[10-12]。生物質炭對有機污染物的吸附機理則由這2種組分碳組成的比例決定。通常生物質炭的制備溫度較低時，無定型組分含量相對較高，對有機污染物的吸附容量、解吸遲滯性和最大不可逆吸附量都較低；隨著生物質炭制備溫度的升高，生物質炭逐漸由脂肪性碳轉變為芳香性碳，對有機污染物的吸附機理逐漸轉變為非線性表面吸附。

5 改善土壤微生物生態環境

生物質炭對土壤微生物的影響主要表現在種群構成和生物量2個方面。Steriner等[13]研究表明，功能微生物數量和生物量隨著生物質炭施入量的增加呈線性增加。生物質炭對微生物的附著作用與生物質炭的孔徑大小緊密相關，研究表明，當生物質炭孔徑約為微生物的2～5倍時，吸附效果最佳。此外，研究還表明，生物質炭可通過改變土壤微生物的代謝途徑提高微生物的繁殖和修復性能[14]。生物質炭可以增強作物根部真菌的繁殖能力，增加叢枝菌根或泡囊叢枝狀菌根真菌含量，改變土壤硝化微生物菌群活性。Khodadad等[15]研究不同生物質炭對土壤微生物多樣性的影響指出，無論低溫還是高溫狀態下制備的生物質炭都會降低土壤微生物的多樣性，但細菌的相對豐富度有所增加。原因可能是低溫下制備的生物質炭含有豐富的碳，可為微生物提供易利用的碳源；高溫下制備的生物質炭具有豐富的比表面積，可為微生物的生存生長提供有利的環境。

6 結語

生物質炭來源廣泛，實現對生物質廢棄物的再利用是一條綠色可持續發展之路。在土壤問題日趨嚴重的當下，將生物質炭應用于農業生產中，可修復土壤，吸附有機污染物，改善土壤微生物生態環境，并可減排固碳，將生物質炭與肥料復合制備成生物炭基肥料成為生物質炭在農業生產中應用的一個新發展方向。但長期施用生物質炭是否會對土壤產生不良影響有待進一步研究。

7 參考文獻

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