淺談秸稈生物質炭在農業生產中的應用

汪振國 馬媛媛 王西娜 姬強

摘 要：秸稈高溫炭化形成生物質炭，而生物炭由于自身豐富的微孔隙結構、比表面積大、芳香族官能團多，能夠有效增加土壤有機碳的穩定性，提高土壤肥力。該文綜述了生物質炭在農業生產中應用的作用，包括對土壤理化性質、植物根際微區域、地膜覆蓋、作物產量等的影響，以期為擴大生物質炭的應用范圍、助力綠色低碳經濟發展提供參考。

關鍵詞：秸稈;生物質炭;農業生產;應用

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）24-0154-03

Application of Straw Biomass Carbon in Agricultural Production

WANG Zhenguo1 et al.

（1School of Agriculture， Ningxia University，Yinchuan 750021， China）

Abstract：Straw is carbonized at high temperature to form biomass charcoal. Biochar，due to its rich micro-pore structure，large specific surface area and many aromatic functional groups，can effectively increase the stability of soil organic carbon and improve soil fertility. In this paper，the application of biochar in agricultural production was reviewed，including its effects on soil physical and chemical properties，plant rhizosphere microregions，mulch，crop yield，etc.，in order to provide reference for expanding the application scope of biochar and facilitating the development of green and low-carbon economy.

Key words：Straw; Biochar; Agricultural production; Application

我國是農業大國，秸稈資源豐富，全國秸稈理論量高達8.4億t，其中可收集量約為7億t。同時，國內主要糧食產區相對集中，糧食主產省（區）秸稈理論量占全國理論量的73%[1]，便于秸稈資源的收集、儲運。秸稈因富含碳、氮等多種元素，在我國一直被認為是一種重要的農業資源，但很多農村地區的秸稈利用方式僅以粗放的秸稈燃燒為主，引發了嚴重的環境問題。隨著經濟的快速發展，新型生物質能源越來越受到關注，而秸稈就是寶貴的生物資源之一。目前，我國秸稈的主要利用方式還是以過腹還田、焚燒、工業利用為主[2]，大多農村地區的利用方式較粗放。因此，改變傳統的秸稈利用方式，拓寬秸稈多元化利用渠道，延長產業鏈，增加附加值，對于各地區的經濟發展具有重要意義。秸稈生物質炭能夠使廢棄的秸稈變廢為寶，使秸稈利用方式多元化;同時，土壤中輸入秸稈生物質炭，可以有效固定土壤中的碳排放，穩定土壤結構，提高土壤肥力。

生物質炭通過截獲和質流作用可以疏松土壤、改善土壤結構、增加土壤中的微量元素、提高土壤肥力，是良好的土壤改良劑和重金屬吸附劑[3]。近年來，全球氣候變暖已成為國內外關注的熱點，減少CO2排放是延緩全球變暖的關鍵。在農業領域，生物質炭作為一種農業增匯減排技術正得到不斷的開發和應用。另外，農村中的白色污染對環境的壓力也不容小覷，引入生物質炭可能會為這些問題的解決提供新的途徑。有研究表明[4]，增施生物質炭可以提高土壤碳庫容量，有效降低農田溫室氣體排放，明顯改善土壤結構，修復土壤污染。基于我國農業高質量發展和綠色低碳農業發展的根本要求和趨勢，本研究圍繞生物質炭理化特性，綜述了生物質炭用于改良土壤和影響環境的研究現狀，評價利用生物質炭改良土壤所具有的突出優勢和潛力，提出了基于生物質炭實現循環農業的技術途徑，以期為我國低碳經濟提供參考。

1 生物質炭概念及理化特性

生物質炭（bio-char）是由植物（秸稈、垃圾、樹木、糞肥等）等生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態物質[5，6]，是生物質在無氧或限氧狀態高溫（240～700℃）裂解下分離可燃氣體后剩余的含碳豐富的固態產品。生物質炭的元素組成主要有碳（66.6%～87.9%）、氫（1.2%～2.9%）、氧（10.6%～26.6%），此外還有鉀、鈣、鈉、鎂、硅等。生物質炭有著較大的比表面積以及較多的酸性和堿性官能團，可以改善土壤的物理性質（孔隙狀況）和化學性質（離子代換量、保肥性、緩沖性等）。

2 生物質炭在農業應用的作用

2.1 影響土壤理化性質 由于生物質炭具有穩定的碳結構，比表面積大，輸入土壤后能夠有效減少土壤碳排放。Lehmann[7]研究指出，生物質炭輸入土壤經過長時間的穩定后，經過遷移和擴散作用，能顯著提高土壤含水率，降低土壤容重，增加土壤保肥保熵能力。秸稈炭化后（即生物質炭）具有穩定的理化性質，因此輸入土壤中具有很強的碳封能力。研究表明[8]，由于生物質炭的碳封作用，土壤中的CO2無法外排，反而增加了土壤的孔隙度，有利于協調土壤水肥氣熱間的比例，促進土壤呼吸。在粘土中輸入生物質炭能夠很好地解決土壤透氣性差的問題，而在砂土中輸入生物質炭則可有效提高土壤的保肥性。生物質炭還具有較強的吸附能力，能有效吸附固定重金屬以及農藥等污染物，對土壤污染修復具有至關重要的作用。

2.2 影響植物根際微區域 植物根際對植物的養分吸收具有重要作用，根際的微環境直接影響植物的新陳代謝。有些地區種植作物品種單一，比如多年生植物（枸杞樹、蘋果樹等）多年不能倒茬，連作障礙造成病蟲害滋生、土壤板結透氣性差、土壤肥力下降，進而嚴重影響植物根系活力。為擴大根系與土壤的接觸面，在耕作層0～20cm處輸入生物質炭，為植物根系提供良好的生長環境促進根系生長，通過質流、擴散和離子交換等將養分運輸到植物體內;同時也能為根際區域的微生物提供良好的活動場所，提高微生物活性。研究表明[9-11]，向土壤中輸入生物質炭，可有效改善土壤結構，減少因連作障礙所引起的病蟲害。

2.3 影響地膜覆蓋效果 在我國西北干旱半干旱的地區，缺水是農作物最主要的限制性因子，利用地膜覆蓋已經成為西北地區提高土壤含水率和保熵的重要措施，也是西北干旱地區節水的重要措施。但由于西北干旱地區風沙大，大多數地膜使用1年即被風化，地膜造成的“白色污染”成為農村地區最為嚴重的環境問題。近年來，地膜的降解成為許多學者關注的熱點。目前，我國使用的農膜強度低、耐用性差、使用壽命短，而且熔融指數高，極難降解，甚至一些不宜用作農膜的樹脂（如耐老化性差的高密度聚乙烯）也被作為農膜原料，其用量占農膜總量的1/5。這些劣質農膜易破碎，不易清除，這是造成農膜污染的主要原因。而新研發的生物降解地膜由于成本高，目前在農村還難以大面積推廣使用。有研究表明[12]，輸入生物質炭能夠延長地膜的使用時間，原因可能是生物質炭是一類多孔富碳、高度芳香化、難降解、類似活性炭的物質，輸入土壤長時間后，土壤結構穩定，能夠長時間封存土壤中的CO2向外排放，從而減少了CO2與地膜的化學反應，延長了地膜的使用時間。

2.4 影響作物產量 大部分研究結果表明，土壤中輸入生物質炭具有促進作物生長和增產的作用，但輸入量不同，增產的幅度也不一樣。據統計，農田施用生物質炭平均增產8%，三大主糧作物中小麥增產幅度最大（11.3%），其次是玉米（8.4%）和水稻（6.6%），這種增產效應在貧瘠土壤或存在一定障礙因子的土壤上表現較好。劉易等[13]研究表明，施用生物質炭能緩解鹽脅迫對玉米幼苗生長的抑制，干物質累積量、葉面積、SPAD等較對照均有顯著提高，除了主糧作物以外，其他蔬菜作物也增產顯著，且品質也得到一定的提升。有研究表明，施用生物質炭能提高小白菜產量26.50%～49.98%，葉面積提高 20.84%～21.58%，并可提高可溶性蛋白質33.11%～42.93%和維生素C 15.16%～46.06%。

3 結語

綠色農業已經成為未來農業的發展趨勢，如何在有限的耕地面積上實現作物產量最大化將是我國農業亟待解決的問題。長年單一使用化肥導致土壤肥力下降，土地生產能力大幅下降，而秸稈炭化可以作為良好的土壤改良劑，既能改善土壤結構、提高土壤肥力，還能實現資源的循環利用。同時，生物質炭還具有封存CO2的能力，能夠減少土壤中的CO2排放，減輕環境壓力，延緩全球變暖的趨勢。地膜覆蓋是西北干旱地區糧食增產的主要措施，但地膜的使用壽命及其引發的“白色污染”問題一直制約著地膜的大面積應用。而生物質炭輸入土壤后，能夠封存土壤中的CO2，延長地膜使用壽命，形成良性循環，對未來高效高產的綠色低碳經濟發展具有重要作用。

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（責編：徐世紅）