生物炭在園林環保領域的研究進展

呂高明　蔣琳琳　張敬沙　金一鳴

摘 要：該文從生物炭作為基質、改良土壤、增加植物產量、提高植物觀賞價值、作為建筑材料、降低維護成本、固碳減排等方面介紹了生物炭在園林環保領域的應用進展，分析了當前生物炭在實際應用中存在的問題，并提出了今后的研究方向。

關鍵詞：生物炭;園林環保;研究進展

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）12-0090-05

Abstract： With the developing of biochar′s research and application， the research and application of biochar in garden landscaping were carried out gradually. The main advanced research and application of biochar and its role in garden landscaping were introduced， including acting as substrates， improving soil， increasing plant yield， increasing plant ornamental value， acting as building materials and reducing maintenance costs， etc. Finally， the current problems of biochar in landscaping applications were pointed out and the directions of future research were brought forward.

Key words： Biochar; Landscaping and environmental protection; Research progress

Lehmann和Joseph將生物炭定義為“一個含有豐富碳元素的生物質（如木材、糞肥或葉子）在一個極少或無空氣的密閉裝置中加熱后生成的物質。”生物炭的主要元素組成為碳，大約占總質量分數的66.6%～87.9%。生物炭表面含有大量的含氧活性基團及孔隙度大的特征，使其應用范圍廣，可作為替代活性炭及其他碳材料的環境友好型材料。

1 生物炭研究進展

1.1 來源 生物質通過熱分解轉化為氣體、生物油和生物炭，其中氣體和生物油可以代替化石燃料，而生物炭則被應用于環境、農業及綠化等領域。生物質不僅包括活的生物體如植物、動物，還包括動物的排泄物、污泥及廢棄的木材等[1]。

1.1.1 農作物秸稈 農作物秸稈是最常見的生物炭原材料，其特點是碳含量較高。我國每年都會產生大量的農作物秸稈，但其資源化利用率較低，秸稈生物比表面積大、空隙結構復雜、官能團豐富，是優良的吸附劑和催化劑[2]。秸稈生物炭可用于重金屬修復、有機物修復、改良土壤、減少溫室氣體排放等領域。

1.1.2 畜禽糞便 畜禽糞便也是常見的生物炭的原材料，糞便生物炭制品的碳含量低于秸稈生物炭，但其含有大量的羧基、羥基、羰基等官能團，具有良好的吸附性能和穩定性[3]。

1.1.3 餐廚垃圾 餐廚垃圾來自于公共食堂、家庭、餐飲行業等在餐前及餐后產生的食品殘余，含有大量的蛋白質、碳水化合物和脂類，是制備生物炭的優質原料。餐廚垃圾的產生量大，2018年全國共產生10800萬t，同比增長8.3%，據預測未來我國餐廚垃圾將持續增加。目前，對餐廚垃圾的處置主要有焚燒和填埋，但這些技術在處理過程中均會造成二次污染，目前將餐廚垃圾熱解制成生物碳是一種環境友好型處理技術[4]。

1.1.4 污泥 污泥是在工業及生活廢水處理工藝中產生的副產物，目前我國產量不斷增高，在2018年我國污水處理廠共產生污泥5665萬t，大量污泥亟需進行處置及利用。當前，對污泥的處置主要包括焚燒和填埋，而污泥熱解制備生物炭技術因為具有能夠減少能耗、控制重金屬溢出等優點而受到廣泛關注[5]。污泥制生物炭制品不僅可實現資源化利用，還可以降低污泥中的重金屬活性及生物有效性[6]。

1.1.5 園林廢棄物 是指園林植物自然凋落或人工修剪所產生樹葉，枝條，殘花和果實等的植物殘體，其具有較高的碳含量，是制備生物炭的優良原材料。園林廢棄物生物炭制品可吸附水體中的重金屬，且不同原材料的園林廢棄物生物炭制品、同一原材料的不同部位的生物炭制品對重金屬的吸附效率不同[7]。

1.2 作用 生物炭制備價格低廉、對環境友好，有多種用途，如土壤修復，廢物管理，減少溫室氣體排放和能源生產等。

1.2.1 去除土壤及水體重金屬 生物炭與重金屬可以通過陽離子-π作用、離子交換、絡合反應、共沉淀反應、氧化還原作用和靜電吸附等方式將土壤或水體中的重金屬脫附達到去除重金屬的目的[8]。

1.2.2 去除土壤及水體有機物 生物炭可吸附土壤中農藥殘留，例如可提高異丙隆吸附5倍，在吸附的同時減少農藥的生物有效性，從而減少對生態系統的毒害;在水環境中生物炭可減少農藥淋溶到地下水中的量[9]。

1.2.3 改良土壤 生物炭容重低、粘性低，有增加鹽基飽和度、孔隙度、持水量、陽離子交換容量和保持土壤養分的能力，從而達到改善土壤質地和耕地性能。

1.2.4 增加土壤碳庫并減少溫室氣體排放 生物炭被固定到土壤中以后，會對土壤肥力產生積極影響[10]。生物炭的高持水能力可以增加土壤中碳的保留能力;生物炭中高濃度的鉀含量可以抑制產甲烷微生物的活性，減少甲烷的排放;生物炭可提高土壤pH，加強氧化亞氮（N2O）還原酶的活性，抑制N2O產生量;有些生物炭還可以釋放一些有毒有害物質對微生物產生毒害，影響溫室氣體的排放;生物炭可提供電子穿梭體，與促進溫室氣體產生的微生物競爭電子，達到減少溫室氣體排放的目的[11]。

2 生物炭在園林環保領域應用

2.1 作為基質

2.1.1 育苗 生物炭目前已廣泛應用于設施栽培和無土栽培，主要是利用其保水保肥特性，可減緩土傳疾病、連作障礙、次生鹽堿化等[12]。無土栽培基質中添加生物炭，可以增加鹽基飽和度、孔隙度、持水量、陽離子交換容量，保持土壤養分，調節微生物群落組成以及控制土傳疾病的危害。生物炭中營養物質的流失速度快，可以給植物補充養分[13];生物炭的加入可調節基質的pH和電導率，改善空心菜在基質栽培的生長環境;在繡球的培育過程中加入含生物炭的基質，可以提高基質的持水能力，進而降低灌溉頻率;將生物炭與其他基質混合，可以促進番茄幼苗的發育;木材制成的生物炭可在不影響盆栽植物生長的情況下代替20%的泥炭基質[14]。

2.1.2 綠色屋頂生長介質 屋頂綠化是指在各類建筑、構筑物的屋頂或露天區域種植綠色植物（樹木或花卉）的園林工程。在綠化區域需要施加肥料，減少營養素流失顯得至關重要[15]。用生物炭作為綠色屋頂基質的優點在于：（1）在酸雨產生的地區，生物炭的加入可以提高酸雨的pH;（2）生物炭通過物理、化學、生物的作用，可以減少屋頂徑流量和體積;（3）改善徑流水質，減少水中污染物（有機物、重金屬）的含量;（4）供給植物生長所需營養。值得注意的是其還可以避免產生氮、磷等污染源。在意大利北部城市一項添加生物炭的屋頂綠化研究中證明，生物炭可滯留水分、延遲滯留時間[16]。

2.1.3 垂直綠化栽培 垂直綠化由于垂直空間的關系，其基質一般需要具有固定植物、保持水分、質地輕的特性，而基質的養分流失快一直是困擾垂直綠化的難題之一。垂直綠化的基質保肥性的開發是其推廣與開發的重點。生物炭的保水保肥性能好、通氣性強的特點，使其成為垂直綠化基質的良好材料。研究表明，在垂直綠化中添加稻殼生物炭后，基質的孔隙度較高，全磷的流失速率較快，可以及時提供養分給植物;少量稻殼生物炭的加入，可改善基質的物理結構，延長有效養分的供給[13]。

2.1.4 商業草坪 商業草坪在草皮移植過程中要切除表層的土壤，從而造成土壤有機質及肥力的下降。在草坪土壤中添加生物炭，可改善草皮的健康狀況：在土壤中添加生物炭，可促進植物的生長和減緩養分的流失[17]。

2.1.5 海綿城市 在多雨季節，短時間內大量降水造成城市內澇現象時有發生，我國自2014年起推出海綿城市的城市雨洪管理理念，其目的是減少城市徑流，減緩污染物下滲。將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料可吸附污染物質，減少徑流量和延緩雨水的下滲。研究表明，生物炭大量的毛管孔隙可有效儲存水分，減少填料總磷的含量，因此，可將生物炭作為填料滯留池[18]。生物炭還可加入城市中樹木種植的樹坑中，作為基質的成分加入后，可以減少城市徑流及污染物的下滲[19]。

2.2 改良土壤 生物炭改良土壤的機制在于：（1）生物炭可以幫助保持水分和養分;（2）生物炭持水能力提高，使得植物灌溉頻率下降;（3）生物炭可以增加水脅迫抗性;（4）生物炭可以提供一些營養物質。主要應用包括以下幾個方面：

2.2.1 改良鹽堿土壤 生物炭中含有大量的鉀、鎂、磷等，可以在改良鹽堿土壤，生物炭∶土壤為1∶5添加到園林植物土壤中時，可使多年生木本植物的根系變粗大，并增加植物的抗性[20]。

2.2.2 改良污染土壤 生物炭去除土壤中的重金屬及有機物，可以減少污染物質對植物的毒害及植物的吸收量。2.2.3 修復退化土壤 生物炭可以調復墾土壤中植物的成活率和生長量，并改善土壤的質量[21]。

2.2.4 增加土壤肥力 添加生物炭可以減少土壤酸度提高pH，降低土壤密度，增加土壤含水量，增加土壤養分。稻殼制成的生物炭的養分含量豐富，且全磷流失速率較快，需及時給植物補充養分[13]。

2.2.5 對土壤微生物的影響 生物炭可以增加溶解性有機碳、氮、磷，進而影響微生物的群落[22];生物炭可促進有益于植物生長的微生物（假單胞細菌、芽孢細菌和木霉菌等）的生長，其多孔結構可以為微生物提供良好的生存繁殖環境[12]。有研究表明，3%生物炭可減少71%～74%的變形菌，而對假單胞菌屬的細菌及真菌沒有影響[11];生物炭加入土壤可抑制土壤細菌和真菌引起的植物土傳病害，將有機廢料制成的生物炭加入土壤可抑制立枯絲核菌引起的黃瓜猝倒病[12];生物炭的加入可以降低西紅柿和甜椒葉面致病真菌（灰霉病和白粉）的發病率;最近也有研究表明，加入生物炭后反而會增加微生物引起的一些疾病，比如，50%（V/V）生物炭加入到多種土壤中可以增加致病性致死腐霉（Pythium ultimum）的豐度;生物炭的添加可能潛在地影響土壤中氮碳和磷循環相關的某些微生物的生長[11];在杉木人工林土壤施用300℃杉葉炭生物炭，提高了土壤細菌的豐度，而添加其他生物炭則降低了細菌豐度。

2.2.6 作為緩釋肥料載體 由于生物炭比表面積大，土壤持水量大，其一方面可以延緩肥料的釋放，另一方面增加了土壤養分吸附交換，從而增加了土壤養分是良好的緩釋肥料載體。

2.3 增加植物生物量 生物炭可增加土壤孔隙度、提高土壤含水量、增加土壤養分，進而有利于植物生長[23]。Meta研究表明，生物炭可以提高樹種幼苗生長量[24]，增加生物量[25]。研究表明，當泥炭基質中加入生物炭的量大于25%，對植物生長的促進作用明顯[26];覆蓋生物炭可以土壤促進紫嬌花和北美海棠生長[27];在室溫條件下，添加生物炭到盆栽土壤中，具有低密度和高孔隙度的生物炭可提高羅勒和生菜的生物量[25];生物炭可以提高植物抗水的抗脅迫能力[28]，進而間接也促進植物的生長;生物炭可提高植物的光能和水分利用率，有效地改善黃連木的光合生理特性，從而促進植株生長[29]。

2.4 減少植物病害 基質或土壤中加入生物炭可以使植物免受化感物質的毒害;生物炭可防止一些土傳病害（病原菌分泌的致病因子）引起的植物病害;生物炭還能誘導植物產生對病害的抗性。研究表明，土壤中添加生物碳后，紫嬌花的黃葉、枯葉及不良長勢下降20%～100%;北美海棠的不良長勢、枯枝率和根基萌芽下降50%～80%[27];加入30%生物炭可以減少幼苗的根區萎蔫率;較低濃度（≤1%）生物炭的常常抑制幾種疾病對植物病害[26];連續2年施加灌溉5%的生物炭在土壤可增加植物的防御能力，從而減少北美紅櫟（Quercus rubra）[15]和紅花槭（Acer rubrum L.）植物的患病率[30]。

2.5 提高植物觀賞價值 添加生物炭的土壤或者基質，可以改善植物的生長狀態，減少不良長勢的概率，增加觀賞性[31]。錢新鋒研究表明，土壤表面覆蓋生物炭可以促進紫嬌花和北美海棠的生長，降低紫嬌花的黃葉、枯葉和不良長勢，降低北美海棠的不良長勢和枯枝率和根基萌芽[27];添加生物炭的培養基質簕杜鵑冠幅提高40.1%，3葉片葉綠素值提高25.2%;在基質中添加生物炭和腐殖酸，可增加龜背竹的觀賞性;加入生物炭可以提高觀賞植物矮牽牛和天竺葵的高度及開花數目[32];新加坡二級城市樹種雨樹薩滿和白樹屬多花植物，在生物炭和堆肥混合施加后植物的高度增高[33];加入生物炭后觀賞植物竹芋莢株高，冠寬度，葉片分別增加89.1%、31.1%、94.1%[34];在美國紅楓幼苗基質中添加不同含量生物炭，會使土壤養分、幼苗養分和植株體內多種色素含量均發生變化，其葉片變色較快，呈色最紅，紅葉持續時間長，適合后期觀賞[35]。

2.6 作為建筑材料 生物炭可以添加入水泥、隔音材料或者玻璃里，提高建筑材料的實用性。雖然水泥中加入生物炭還未被量產，但研究表明，水泥的機械性能和耐久性在加入生物炭后均有所提高。生物炭顆粒的大小可影響水泥的流體性能、強度及滲透性：大的孔隙度生物炭（直徑2～100um）加入水泥漿時，不影響水泥的水化作用;小的孔隙度生物炭（直徑小于2um）可提高水泥水化初期的強度及密度;生物炭混合氧化鎂及低灰分的大米秸稈[24]添加進水泥，均可來調劑水泥材料的自發縮小現象;提前浸泡好的生物炭顆粒加入水泥后可減少其吸水性，水的滲透深度可增加60%[32，36];加入生物炭或者生物炭全部替代水泥的超高強度混凝土經電鏡掃描發現：生物炭可以增加混凝土相互之間的作用：水泥水合物沉積物的表面及生物炭表面孔隙表面具有致密界面過渡區，進一步說明生物炭可改進水化作用。除此之外，自然陶土和生物炭混合加入到隔音材料里，可以提高材料對水蒸氣的耐受性[37];生物炭加入玻璃纖維混合材料里，降低阻尼率并增加儲能模量到4GPa，并在體積比為10%生物炭時的剛度最大[38]。

2.7 降低維護成本 對于公路兩側及難抵達的區域植物維護成本高。生物炭可以提高品種的越冬能力，強化樹木承受灰塵、風、雨雪傷害的能力，減少維護次數，降低維護成本。在芬蘭中南部城市圖爾庫為了視覺上的美觀，在一條繁忙的高速公路兩側以污水污泥和落葉制成生物炭堆肥消化后當作生長介質，種植多年生草本植物、觀賞草和灌木，經過2個生長季的持續觀測發現生物炭沒有影響灌木的生長，但是可增加草本植物的越冬性[39]。

2.8 增加土壤固碳能力，減緩溫室效應 生物炭應用于松樹森林土壤中可降低31.5%的二氧化碳（CO2）排放量[40];雞糞制成的生物炭可顯著促進森林土壤吸收甲烷[41];竹葉制成的生物炭可顯著降低人工林地板栗林區土壤N2O的排放量[42-43]。因此，生物炭可以降低林地土壤溫室氣體的排放，從而減緩溫室效應。

3 展望及建議

綜上，生物炭在園林環保領域應用中具有積極作用并且具有廣闊的應用前景，但對于生物炭的標準化方面尚有所欠缺。因此，提出以下建議：

（1）由于制備原料和制備條件的不同，今導致生物炭產率、理化性質以及使用過程中產生的效果不盡相同，因此，應將生物炭原料和制備條件標準化;

（2）不同應用場景對生物炭功能需求不同，因此，應將生物炭的應用標準化，并在應用過程中不斷優化生物炭各項指數指標。

（3）生物炭作為建筑材料的研究尚處在實驗室研究階段，在今后的研究中，可根據項目的需求，結合實驗室研究成果合理使用。

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