生物炭對農田土壤改良作用的研究進展

摘要：為了客觀全面地了解國內應用生物炭時農田土壤改良的現狀和動態以及未來的主要發展趨勢，基于中國知網數據庫，對有關生物炭改良農田土壤的相關文獻進行了檢索與分析。結果表明：我國生物炭改良土壤方面的研究從發文量來看正處于快速發展階段;我國生物炭改良土壤領域的研究，發文量最多的機構是西北農林科技大學，被引頻次最多的也是西北農林科技大學;發文量最多的是華中農業大學姜存倉教授，被引頻次最多的則是西北農林科技大學何緒生教授。該領域的研究主要以國家層面的基金資助為主，占到了72.33%;生物炭改良土壤研究的熱點研究主要集中于土壤改良、土壤養分、重金屬修復等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

關鍵詞：生物炭;改良;農田土壤;CNKI數據庫

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0072-04

1 引言

生物炭是在無氧或者厭氧環境下通過熱解生物質而獲得的一種含有豐富孔隙、含碳量高，并且具有較高熱值而無污染的固體生物燃料川，屬于黑炭的一種，其主要特征是顆粒細致、質地輕、呈蓬松狀態，主要元素包括碳、氫、氧、氮等，其中碳含量一般在70%以上，是碳在環境中存在的一種非常穩定的形態，其自身的生物降解速率以及氧化速率極慢，可在環境中存在長達1000年以上[2]。它的原料來源十分廣泛，一些常見的農業廢棄物，諸如秸稈、畜禽糞便、木屑等以及工業有機廢棄物和城市污泥等都可以作為生產生物炭的原料[3，4]，常見的生物炭有竹炭、木炭、桔稈炭、污泥炭、稻殼炭等。生物炭可溶性極低，具有較大的比表面積、孔隙度和離子吸附交換能力，由于這些性質，使得生物炭具有較強的吸附性能、抗氧化能力以及抗生物分解的能力，這些性質也決定了其他土壤中高效的改良作用[5]。在土壤中添加生物炭不僅可以改善土壤結構進而提高土壤質量，還可以有效保存水分和養分，促進作物增產;此外，生物炭還在污染土壤修復、廢棄生物質資源再利用等方面具有巨大的潛力。

目前，全球對于生物炭的科學研究重視源于對亞馬遜盆地中部黑土的認識[6]。然而在20世紀80年代以前，全球關于生物炭相關的科學研究論文極少[7]，隨后日本一些科學家將生物炭用于盆景植物土壤的改良劑以及生物菌肥的載體開展了一些相關研究，并發表了論文[8]。全球真正科學認識生物炭主要始于20世紀90年代，一些科學家認識到生物炭在俘獲二氧化碳和封存方面具有重要作用，從此關于生物炭改良土壤的相關研究和應用日益增加。

然而有關于生物炭作為土壤改良材料的研究（制備方法、制備材料、使用方法等）眾多，以文獻閱讀、歸納總結、定性探討等為主要方法的傳統文獻綜述存在一定的局限性，無法客觀和全面地反映該領域的發展動態和熱點。因此，本文擬采用文獻計量的方法，利用目前中國收錄文獻最全、更新時間最快、涉及學科范圍最廣的中文數據庫CNKI數據庫，對國內生物炭改良土壤的相關研究進行歸納分析，明確研究的進展，為生物炭材料的高效和合理利用提供理論依據。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

CNKI數據庫是國內目前提供引文回溯數據最深的數據庫，所收錄的文獻基本覆蓋了全國最重要和最有影響力的研究成果，是國內公認的進行科學統計和評價的主要檢索工具[9]。

2.2 研究方法

運用文獻計量學方法進行統計分析。本文基于CNKI中國期刊全文數據庫，采用高級檢索方式，以“生物炭”+“土壤改良”為篇名進行檢索，檢索跨度為1990年1月1日至2019年10月1日，共檢索文獻1423篇，逐篇去除不相關文獻43篇，獲得生物炭改良土壤的文章1380篇。利用Excel進行文獻統計分析，統計指標主要有文獻類型和數量、研究機構、期刊、作者、研究層次及熱點等，揭示我國生物炭改良土壤研究領域的動態和趨勢。

3 結果分析與討論

3.1 文獻發表數量

文獻的發表數量是科學界對某一領域關注程度的總體表現，在一定程度上反映了該領域的發展速度、現狀和趨勢。2019年10月1日前，CNKI數據庫收錄的生物炭改良土壤的相關論文1380篇（剔除不相關文獻），總體上該領域發表的論文隨時間變化呈顯著的上升趨勢，由于2019年文獻不全，因此圖1中只截取了2018年12月31日以前的相關論文。通過統計擬合發現，我國應用生物炭改良土壤的相關研究文獻數量年度變化逐年遞增，其決定系數R²=0.9896，表明我國在該方向開展的研究越來越多，對生物炭改良土壤的相關研究越來越受到重視。根據統計分組方法可以發現，19992013年之間，該方向的研究處于初期起步階段，總計發表論文107篇，期間多年沒有相關論文的發表，年均發表論文7.64篇，發展極為緩慢;2014年以后為快速發展階段，截至目前，總共發表1141篇，年均發表論文190.17篇，發展速度極為迅猛。根據這種態勢可以推測，未來一段時間內，研究生物炭改良土壤的相關研究仍將是相關領域關注的熱點課題。

我國最早關于生物炭改良土壤的報道發表與1999年《世界環境》上的論文《新的炭生產技術使炭大規模應用于環境工程成為可能》，該論文綜述了生物炭在改良土壤方面的作用和機制，認為土壤施加生物炭之后，有助于土壤吸收太陽光和熱量，提高地表溫度，增強土壤的透氣性能，有助于防止土壤板結等[10]。

3.2 主要研究機構

期刊論文被重要數據庫收錄的數量和被引頻次反映了該研究機構的整體科研能力和影響力[11]。本文重點關注了關于生物炭改良土壤方面研究發文量居前十位的科研機構（表1）。除浙江大學和中國科學院大學以外，該方向的研究主要集中在各農業大學。我國生物炭改良土壤的研究主要集中在高校，科研院所較少，二者之間發文量的比例達18：1。其中，發表相關研究論文數量最多的是西北農林科技大學，共發表104篇。居前十的科研機構依次為西北農林科技大學、沈陽農業大學、河南農業大學、東北農業大學、浙江大學、華中農業大學、湖南農業大學、山東農業大學、內蒙古農業大學和中國科學院大學。

3.3 資金資助

基金資助情況可以反映某領域的受關注程度。因此，本文還重點關注了生物炭改良土壤相關研究所受資助的基金情況（圖2）。通過CNKI統計發現，1380篇有關于生物炭改良土壤的研究論文共涉及資助基金582個，其中國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、“863”計劃、“973”計劃、水利部“948”、農業部“948”等國家級的基金資助文章為421篇，占總資助量的72.33%，可見該方面的研究受到了國家層面的重點關注和重視。此外，該方面研究還受到了中科院和各省自然科學基金的資助，其中江蘇、湖南和福建等南方省份極為重視該領域的科學研究。江蘇省自然科學基金對于生物炭改良土壤的研究資助較多，主要與南京農業大學、中科院南京土壤所的研究機構有關。

3.4 高引論文和核心作者分析

通過分析生物炭改良土壤領域高頻次引用論文，可以有助于評估相關研究機構的科研能力與學術水平;對該領域主要作者的分析，有助于了解作者的研究概況，促進學術交流。研究發現（表2），通過對選定的論文按照被引頻次進行排序，可以發現被引頻次校稿的論文主要發表在農業工程學報、中國農學通報和環境化學等EI期刊上;通過進一步分析發表生物炭改良土壤領域的核心作者發現（圖3），發文量前10為的作者共計發表論文95篇，僅占總發文量的6.88%，表明從事該領域研究的作者數量較多。其中，華中農業大學的姜存倉教授發表相關論文是數量最多，共計13篇。其中，西北農林科技大學何緒生教授的論文被引頻次最高，分別占據了被引頻次論文的前兩位，分別是發表在《農業工程學報》的《生物炭生產與農用的意義及國內外動態》以及發表在《中國農學通報》的《生物炭對土壤肥料的作用及未來研究》，對于開展相關研究具有重要的啟發和指導作用。

3.5 期刊來源

研究刊載生物炭改良土壤的相關期刊有助于科研人員確定該研究領域的重點期刊，進而有選擇性和針對性的投稿和閱讀文獻。表3是我國在生物炭改良土壤研究方面發文前20位的期刊，發文總量為334篇，占總發文量的24.20%。《沈陽農業大學學報》是發表生物炭改良土壤相關文獻最多的期刊，總發文量為41篇，其次是《東北農業大學學報》和《西北農林科技大學學報》，均為36篇。總體來看，農業類大學的學報發表的相關研究較多，此外《農業機械學報》、《環境科學》等EI類期刊以及《水土保持學報》、《土壤通報》、《農業環境科學學報》等核心期刊發表的先關論文數量也比較多，表明該方面的研究較為深入。

3.6 主要研究熱點分析

隨著我國發展的不斷加快，對于耕地質量的提高需求越來越大，如何生態環保的提高土壤質量成為時下研究的熱點，由于生物炭自身的特性及其無污染的優勢，對于生物炭改良土壤的研究逐漸成為研究熱門，尤其是在廢棄資源再利用以及高標準農田建設等方面具有十分巨大的潛力。由圖4可知，搜索“生物炭”+“土壤改良”的熱點研究主要集中于土壤改良、土壤養分、重金屬修復等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

4 結論

（1）我國生物炭改良土壤方面的研究從發文量來看正處于快速發展階段。

（2）我國生物炭改良土壤領域的研究，發文量最多的機構是西北農林科技大學，被引頻次最多的也是西北農林科技大學;發文量最多的是華中農業大學姜存倉教授，被引頻次最多的則是西北農林科技大學何緒生教授。該領域的研究主要以國家層面的基金資助為主，占到了72.33%。

（3）生物炭改良土壤研究的熱點研究主要集中于土壤改良、土壤養分、重金屬修復等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

參考文獻：

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[10]佚名.新的炭生產技術使炭大規模應用于環境工程成為可能[J].世界環境，1999（2）.

[11]安顯金，李維.基于CNKI的我國生物炭研究趨勢文獻計量學分析[J].農業資源與環境學報，2018，35（6）.

收稿日期：2019-10-11

作者簡介：單玉琳（1986-），女，工程師，主要從事土地工程研究相關工作。