生物質(zhì)炭基肥料及作物施用技術研究進展

黃 慶，劉忠珍，朱根發(fā)，魏 嵐，黃連喜，李 翔，黃玉芬，陳偉盛

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境園藝研究所，廣東 廣州 510640）

近年來，糧食生產(chǎn)和耕地土壤退化之間的矛盾日益突出，根據(jù)《中國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定》報告，全國耕地評定為15個等別，1等耕地質(zhì)量最好，15等最差。我國耕地平均質(zhì)量等別為9.80等，質(zhì)量水平總體偏低，其中中低產(chǎn)地占全國耕地總面積的67.35%［1］。耕地土壤質(zhì)量退化問題制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也逐步影響到我國糧食安全。肥料過量施用是導致耕地肥力退化的主要原因之一，因此，農(nóng)業(yè)部于2015年2月17日制定頒布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出了推進新肥料新技術應用。國家農(nóng)業(yè)政策圍繞“穩(wěn)糧增收調(diào)結構，提質(zhì)增效轉(zhuǎn)方式”的工作主線，大力推進化肥減量提效，積極探索產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。

我國秸稈廢棄物每年平均產(chǎn)生量約為7.35億t，一直以來，大量農(nóng)作物秸稈處理主要以還田和焚燒，如果沒有得到更低碳更優(yōu)化的合理處理利用，不僅造成了直接的資源浪費，也導致了間接的環(huán)境風險，成為全面推進生態(tài)建設中必須面對并加以解決的問題［2］。研究表明，作物秸稈不但是優(yōu)質(zhì)的土壤有機質(zhì)碳源，同時也是良好的生物質(zhì)原材料，秸稈的炭化處理較其他處理方式可以更有效降低氮和磷養(yǎng)分的損失率。不同輪作制下秸稈炭化還田較秸稈直接還田均能提高作物產(chǎn)量和土壤理化性狀［3］，說明農(nóng)作物秸稈炭化比其他形式的資源化更具優(yōu)勢，具有更大的研究價值和市場前景。

生物質(zhì)炭（Biochar）是以作物秸稈等農(nóng)林植物廢棄物為原料，在絕氧或有限氧氣供應條件下，400～700 ℃熱解得到的穩(wěn)定固體富碳產(chǎn)物。國內(nèi)外關于生物炭在農(nóng)業(yè)上的試驗研究主要集中于改良土壤、對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響等方面。近年來，隨著生物炭應用研究的不斷深入，生物炭與肥料結合的研究日益受到重視，先后制定了相關的行業(yè)標準——生物質(zhì)炭基肥料（Biochar based fertilizer）和生物炭基有機肥（Biochar-based organic fertilizer）［4-5］。本文綜合分析多年來生物質(zhì)炭基肥料的組成原材料與制備工藝配方技術，及其在主要農(nóng)作物上的試驗研究結果，以期為研發(fā)適用于不同土壤和作物的生物質(zhì)炭基肥料，為其高效環(huán)保施用技術提供參考。

1 生物質(zhì)炭基肥原材料與制備工藝

Joseph等［6］研究表明，生物質(zhì)炭具有復雜的碳晶格結構，具有芳香族和脂肪族結構域、酸性和堿性基團、空位、金屬和非金屬元素以及自由基。生物質(zhì)炭也有獨立的礦物氧化物、硅酸鹽和鹽相，以及大小不同的有機分子。施入土壤后存在于植物根際的生物質(zhì)炭，有效參與“土壤-微生物-植物”連續(xù)體的化學和生物過程，包括養(yǎng)分循環(huán)、金屬螯合和穩(wěn)定、氧化還原反應和自由基清除等。作為生物質(zhì)炭基肥料的基本載體，生物質(zhì)炭的原材料及其制備工藝至關重要，作為生物質(zhì)炭基肥料的載體成分，它們決定了生物質(zhì)炭基肥料的理化性狀，影響著土壤的供肥保水性，對土壤、肥料養(yǎng)分、作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等產(chǎn)生舉足輕重的影響。

1.1 生物質(zhì)炭原材料與制備溫度

制備生物質(zhì)炭的原材料來源十分廣泛，不同來源的生物質(zhì)理化性狀千差萬別。根據(jù)國際生物質(zhì)炭協(xié)會（IBI）制定的生物質(zhì)炭標準《IBI Biochar Standards V2.1 Final（2015）》［7］。生物質(zhì)原料可以分為“未加工”原料和“加工”原料兩大類，未加工原料指直接取自植物界或僅被機械處理，但未經(jīng)動物體或者人為化學處理過的生物材料。根據(jù)近年來公開發(fā)表的文獻，絕大多數(shù)制備生物質(zhì)炭原材料均屬于“未加工”的原料，具體有竹子［8-9］、小麥秸稈［10-13］、玉米秸稈［10,14-18］、水稻谷殼［9,13,19-20］、花生殼［10,13,21］、甘蔗渣［22］、棉花秸稈［21,23-24］、園林廢棄物［25］、玉米芯［26］、煙草秸稈［27］等。只有極少部分是所謂被“加工”過的原料，例如豬糞［28］和制糖慮泥［29］等。可以看出，從植物型的農(nóng)作物秸稈、園林廢棄物，到禽畜糞便、甚至工業(yè)有機廢棄物等均可以作為生物質(zhì)炭潛在的制備原料。

溫度是熱解生物質(zhì)向生物質(zhì)炭方向轉(zhuǎn)變的必要條件，不同原料熱解炭化溫度所得到的生物質(zhì)炭的理化性狀表現(xiàn)出較大差別。制備條件中，裂解溫度是影響生物質(zhì)炭特性的主要因素。一般來說，提高溫度可以增加生物質(zhì)炭的固碳含量。制備溫度可以明顯影響生物質(zhì)炭的孔隙度和吸附性能，隨著制備溫度的提高，生物質(zhì)炭芳香化程度增強，化學穩(wěn)定性增強［30］。從一系列文獻中可以看出，水稻稻殼炭化溫度為400 ℃［20］，園林廢棄樹干枝條混合物［25］、玉米秸稈［18］炭化溫度為400 ℃，小麥秸稈［12］、花生殼［31］炭化溫度為350 ℃，甘蔗渣炭化、制糖慮泥炭化溫度均為500℃［22,29］，玉米芯［26］炭化溫度為450 ℃。利用流化床熱解煙草秸稈制備生物質(zhì)炭也是一大工藝特色［27］。以生物質(zhì)炭和膨潤土為原料，采用微波輻射法合成可生物降解的緩釋NPK復混肥，具有較好的保水保肥性［32］。在現(xiàn)有文獻中，有不少試驗研究所采用的生物質(zhì)炭基肥料并沒有提供生物質(zhì)炭制備的溫度參數(shù)。作為組成生物質(zhì)炭基肥料的主要原材料——農(nóng)作物秸稈的炭化溫度絕大多數(shù)采用350～500 ℃的熱解溫度，采用較高一點的炭化溫度基本上也不會超過700 ℃［19］。

1.2 生物質(zhì)炭基肥料的制備工藝

根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《生物炭基肥料NY/T3041-2016》，生物質(zhì)炭基肥料分為Ⅰ型和Ⅱ型：Ⅰ型總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）≥20%，生物質(zhì)炭（以C計）≥9%；Ⅱ型總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）≥30%，生物質(zhì)炭（以C計）≥6%［4］。按生物質(zhì)炭組合的材料類型，生物質(zhì)炭基肥料可以分為生物質(zhì)炭基有機-無機復混肥（Biochar-based organic inorganic compound fertilizer）、生物質(zhì)炭基有機肥（Biochar-based organic fertilizer）和生物質(zhì)炭基無機肥（Biocharbased inorganic fertilizer）等［33］。

廣義上，“生物質(zhì)炭+肥料”都可以稱之為生物質(zhì)炭基肥料，其中生物質(zhì)炭是一個載體，所含有作物必須的營養(yǎng)成分不多，只在其灰分中含有少量的磷、鉀，以及鈣、鎂、硅等中微量元素。因此，提供作物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)成分主要是肥料組分。生物質(zhì)炭基肥料的肥料組成大多采用“生物質(zhì)炭+復混肥”的方式，部分采用“生物質(zhì)炭+單質(zhì)化學肥料”的方式［18,20,34-35］，也可以是“生物質(zhì)炭+有機肥/生物有機肥”［10］。同時采用生物質(zhì)炭、化肥和有機肥混合作為生物質(zhì)炭基肥料的方式也是可行的［19］。更為復雜的是利用生物質(zhì)炭、氮磷鉀肥料和豬糞堆肥制成具有土壤改良效果的生物質(zhì)炭基肥料［10,36］。

生物質(zhì)炭基肥料的制備多數(shù)采用常規(guī)的有機-無機復混肥的生產(chǎn)工藝，將生物質(zhì)炭與有機肥、無機復混肥或單質(zhì)肥料直接粉碎摻混而成。具體采用的化學氮肥有尿素、氯化銨，同時含有氮和磷素的復合肥磷酸一銨、磷酸二銨，鉀肥多數(shù)以氯化鉀、硫酸鉀為主［18,20,34-35］。

生物質(zhì)炭與肥料混合后可以經(jīng)過擠壓工藝流程進行造粒［16］；用生物質(zhì)炭對尿素進行包膜制成生物黑炭包裹尿素［23］；采用平底造粒機，將生物質(zhì)炭對尿素和過磷酸鈣顆粒進行包衣，制得類似于有機-無機復混生物質(zhì)炭基肥料產(chǎn)品［37］；通過熔融高壓、水溶浸泡等更加復雜的工藝制備生物炭質(zhì)基肥料［25］；利用糖廠濾泥炭化，慮泥生物質(zhì)炭與尿素以5∶1的比例吸收尿素產(chǎn)生緩釋生物質(zhì)炭基肥料顆粒［29］。有的試驗還添加褐煤［20］、木醋液［15,17,34］、膨潤土［32］等強化某種功能的輔助材料。

根據(jù)作物的營養(yǎng)需求，生物質(zhì)炭基肥料中的“肥∶炭”按不同比例進行調(diào)配，可以是8∶2或者 7∶3配比［14］。與普通的復混肥料相似，生物質(zhì)炭基肥料所含肥分N-P2O5-K2O比例不同，氮磷鉀總養(yǎng)分也不盡相同。根據(jù)不同作物的需肥特點和施肥量，生物質(zhì)炭基肥料中氮磷鉀總養(yǎng)分變幅為28.8%～51%［13,20-21,28,38-40］。此外，由于造肥制粒工藝技術、結合改土和提質(zhì)增效的需要，生物質(zhì)炭基肥料所含的碳量也不盡相同，生物質(zhì)炭基肥所含C量為18%～35%［9,16,28,35,38,41］。

從化學組成來講，生物質(zhì)炭基肥料是一種有機-無機復混肥料。總體上，生物質(zhì)炭基肥料吸收了無機復混肥和傳統(tǒng)有機肥料的長處，同時克服了兩者各自的缺點，炭基復混肥料可以達到肥效緩釋可控、土壤增碳和農(nóng)業(yè)減排的效果。目前，不少試驗研究直接利用市售的生物質(zhì)炭基肥料產(chǎn)品作為供試材料［28,34,38,40,42-46］。

2 生物質(zhì)炭基肥料作物施用技術和效果

從已有的試驗研究來看，生物質(zhì)炭基肥料的應用涉及大田作物有水稻、玉米、小麥、花生、馬鈴薯、甘薯、大豆、棉花、煙草、黑麥草、碭山酥梨和蔬菜等，其中蔬菜作物包括白菜、番茄、辣椒、青椒、朝天椒、小白菜、芹菜和生菜等。根據(jù)公開發(fā)表的文獻，整理出生物質(zhì)炭基肥料供試作物、試驗方法、炭基肥的組成及其施用技術、施用量和施用效果等（表1）。

從表1可以看出，在水稻、玉米和小麥等糧食作物上的系列試驗研究均證明，生物質(zhì)炭基肥能提高肥料利用率，促進植株對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，增加植株各部位的生物量，從而提高作物產(chǎn)量［12,19,28］；在減少施N量的情況下，生物炭基肥依然能有效提高水稻植株的吸氮、磷和鉀能力，并提高氮素偏生產(chǎn)力［10,47］。生物炭基肥有效提高水稻穗粒數(shù)、單穗重和降低癟粒率［8］；對玉米的穗長、穗粗、出籽率、穗粒數(shù)和千粒重均有促進作用［34］；增加小麥的千粒重、每穗粒數(shù)及每667 m2穗數(shù)，同時提高氮肥偏生產(chǎn)力［22,42,49］。值得關注的是，炭基肥還能使水稻根際土壤與根膜電位差增加，從而降低根系養(yǎng)分積累所需的自由能，提高水稻植株養(yǎng)分含量和生物量［11］。

生物炭基肥能有效提高蔬菜作物的光合效率和SPAD值［41］，增加植株各部位的生物量［13,31］，從而提高蔬菜作物產(chǎn)量［9,16,21,23,25,41］；同時，生物炭基肥能有效改善蔬菜收獲物的品質(zhì)，具體表現(xiàn)在提高菜品維生素C［13,16,21,23,25,41］、可溶性糖［21］和蛋白質(zhì)含量［13］，降低硝酸鹽含量等［9,16,21,23,25,41］。

表1 生物質(zhì)炭基肥料作物施用技術和效果Table 1 Application techniques and effects of biochar-based fertilizer

生物質(zhì)炭基肥在花生上的施用效果主要體現(xiàn)在提高單株飽果數(shù)、百果重、百仁重、出仁率和莢果產(chǎn)量上［35,41,44］，同時在水分脅迫的不利條件下起到一定抗旱作用［38-39］。

目前收集到的文獻中，生物質(zhì)炭基肥在馬鈴薯、甘薯、大豆、煙草、棉花、牧草和果樹等作物上的試驗研究較少，總體上均表現(xiàn)在增加植株生物量和提高產(chǎn)量方面［17,18-24,40,45-46,51］；對于煙草，生物炭基肥則起到提高烤煙的經(jīng)濟性狀和品質(zhì)的作用［52-53］。

綜上所述，生物質(zhì)炭基肥料的試驗研究在全國各地均有開展，而且適用于不同的地域和土壤類型。試驗方法以大田小區(qū)為主，少數(shù)的保護地小區(qū)試驗［13,23,25］；其余多為盆栽試驗；極少的袋栽試驗［11］和微區(qū)試驗［26］；從試驗周期長短來看，有2年［47］或4年［26,31,50］的定位試驗。生物質(zhì)炭基肥的施用量、施用時期和施用方法，基本沿用作物專用肥和土壤改良劑的技術模式。作物應用效果總體顯示為正效應，具體表現(xiàn)在增加作物產(chǎn)量、提高農(nóng)作物植株的農(nóng)藝性狀、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提升氮磷鉀肥料的利用率、改良土壤理化性狀、節(jié)水省肥以及低碳減排等方面。

3 展望

國內(nèi)外公開文獻表明，關于生物質(zhì)炭基肥料制備及其在作物上施用技術的研究不斷增多，且有一定的深度和廣度，已成為農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領域關注的熱點。但是，生物質(zhì)炭基肥料的作物試驗大多集中于短期小區(qū)、小型的盆栽或者保護地微區(qū)試驗；生物質(zhì)炭基肥料的輸入對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的整體影響尚不明確；關于生物質(zhì)炭基肥中“炭-肥-土”等之間的互作機理、“土壤-作物-養(yǎng)分”等因素的動態(tài)作用機制、以及對土壤微生物和水分脅迫等因素的時空變化研究尚淺。因此，提出以下建議：（1）加大生物質(zhì)炭基肥料對土壤、作物和環(huán)境的系統(tǒng)性研究，進一步開展生物質(zhì)炭基肥料與傳統(tǒng)肥料之間的共通性和差異性、及其養(yǎng)分控/緩釋規(guī)律性的試驗研究。（2）探索生物質(zhì)炭基肥料中“肥-水”耦合的過程及機制。（3）突破更加科學、高效、安全的生物質(zhì)炭基肥料配方工藝技術，尤其是生物質(zhì)炭基肥料造粒制肥設備與輔助材料的研發(fā)。（4）開展不同地域、不同土壤類型和環(huán)境條件下生物質(zhì)炭基肥料的長期定位研究。結合土壤、作物的需肥特點制定生物質(zhì)炭基肥料高效環(huán)保施用技術規(guī)程，為種植業(yè)的提質(zhì)增效做貢獻。