生物質碳在農業中的應用

吳麗凝　葉永上　劉羽　林欣瑜　沈桂釗

摘要 目前我國還有大量的生物質碳廢棄物未得到有效利用，將這些大量未得到利用的生物質廢棄物在缺氧或者無氧的條件下發生熱化學反應，可生成一種含有大量碳素的孔隙結構的固體顆粒物質，也就是俗稱的生物質碳。生物質碳含有農作物生長所需要的營養元素，擁有較強的吸附性和一定的持水性，在農業生產中具有重要應用，可為農作物和土壤提供養分、提高土壤pH值或作為緩釋肥料。主要闡述了生物質碳在農業上的應用。

關鍵詞 生物質碳;農業;應用

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0120–02

農業發展與人們的日常飲食息息相關，隨著工業化進程的加快，世界范圍內每年都會產生生物質廢棄物大約有百億噸，把這些含有大量碳的生物質廢棄物在無氧或者缺氧條件下通過熱化學反應轉變成生物質碳，將其添加到土壤中，達到改善土壤理化性質和增產的目的，提高生物質廢棄物利用價值的同時推動農業高效、可持續發展。

1 生物質廢棄物的來源

生物質碳的制備原料充分，林業廢棄物、農作物廢棄物和人們生活的有機垃圾等均是生物質廢棄物的主要來源。生物質碳廢棄物每天都在以肉眼可見的速度增加，世界范圍內每年所產生的生物質廢棄物數量高達百億噸。農作物廢棄物是生物質廢棄物的主要來源之一，據不完全統計，我國每年所產生各種各樣的農作物秸稈廢棄物就有7億～10億 t左右，其中30%的農作物秸稈沒有得到有效利用。此外，國內居民生活有機垃圾堆積量也已高達70億 t。目前我國城市內的有機生活垃圾量仍在以平均每年4.8%的速度增長。大量的生物質廢棄物未能得到有效利用。將這些大量未得到利用的生物質廢棄物在缺氧或無氧的條件下使之發生熱化學反應，可以生成一種含有大量碳素的孔隙結構的固體顆粒物質，即生物質碳。

2 生物質碳的定義

生物質碳是由生物質廢棄物在限氧的條件下經過熱分解轉變成的。生物質碳由碳、氫、氧3種元素構成，還含有少量的灰分。生物質碳的碳含量與熱分解溫度呈線性相關，若在生物質廢棄物熱分解過程溫度越高，生物質碳的含量也就越高。生物質碳在農業、治理環境污染等方面有重要的應用，具有很好的綠色發展前景。目前生物質碳在農業上的應用主要體現在以下4個方面。

2.1 固碳作用

生物質碳可以將農作物的有機碳轉變為惰性碳，減低了土壤中的微生物對有機碳的利用能力，因此能夠提高土壤封存碳的能力。

2.2 作為緩釋肥料的載體

生物質碳的穩定性強，可在土壤中保留2000年左右，可作為緩釋肥料的固體載體，制成新型的肥料，減少有機化肥在農田的使用，因此在農田上起到溫室氣體減排的效果。

2.3 提高農作物的產量及其品質

生物質碳本身含有大量營養元素，適量添加生物碳到土壤中，一方面可以改善土壤的理化性質，另一方面可為農作物提供了長所需要的營養物質，從而提高農作物的產量及品質。

2.4 在酸性土壤中的應用

生物質碳呈堿性，可以升高酸性土壤的pH值，使農作物能更好地生長。目前生物質碳作為具有綠色發展前景的物質，被廣泛應用農業上。

3 生物質碳對土壤的作用

生物質碳能與土壤中的礦物質結合，提高土壤營養物質的含量，對提高農作物的產量和改善土壤的理化性質起著重要作用。生物質碳還是綠色環保的土壤改良劑，有修復土壤的作用。生物質碳的pH值一般為5～12，呈堿性，生物質碳堿性物質以碳酸鹽為存在的主要形式，其表面含氧活性官能團對酸堿有一定的緩沖能力，添加生物質碳到土壤中，可以增加土壤的pH值，起到降低土壤酸性的作用。我國酸性土壤主要分布在東南地區，目前我國土壤酸化程度和酸化面積正逐年增加。土壤偏酸不利于農業的發展，會導致農作物的根壞死、大量養分流失、泥土厚重，不適合農作物的種植等。Novak等[1]研究表明添加適量的核桃殼生物質碳到酸性土壤里，土壤的pH值由原來的4.8上升到6.3，生物質碳可以改變土壤的酸堿度，使得土壤更加適合農作物的生長，從而對提高農作物的產量具有一定的作用。

由于生物質碳有著豐富的孔隙結構和大量的含氧活性官能團物質，因此具有一定的持水能力，但隨著在生物質碳制備過程中熱分解反應溫度越高，生物質碳的持水能力就變得越弱。此外生物質碳具有較強的吸附特點，可吸附土壤和農作物所需要的營養元素、能減少土壤的養分流失、提高農作物對營養物質的利用效率及加強土壤的肥沃。施加生物質碳到土壤里，可以增加土壤的孔隙度和保水能力，還能降低土壤容重。有研究表明[2]，添加生物質碳到土壤中，土壤容重降低了9%。生物質碳的多孔結構也為微生物群落提供了較大的生存空間，防止其因空間不足或者密度較大而導致營養物質枯竭死亡，在一定程度上提高了微生物菌群的活性，起到維持土壤生態平衡的作用。

生物質碳可以加深土壤的顏色，從而促進太陽能的吸收，提高土壤的溫度，緩解春寒和冬寒對農作物的損害。生物質碳富含大量的含氧官能團，這使得其表面帶有負電荷，因此生物質碳擁有較強的陽離子交換能力（CEC）。添加其到土壤中可以增加土壤的陽離子。根據杜衍紅等[3]的研究，在紅壤中添加10%的稻殼生物質碳，土壤的陽離子交換能力提高了214%。

此外，生物質碳是一種高度芳香化的物質，生物質碳的高度芳香化結構特點使得生物質碳具有較強穩定性，它可以和土壤中的礦物質結合，降低微生物分解泥土中營養物質的速度。生物質碳也具有固碳能力，能將農作物中的有機碳轉變成惰性碳，不但增加了土壤中碳的含量，而且減少溫室氣體向大氣的排放[4]。據統計顯示，添加1 t的生物質碳到土壤里，就會有2.15 t的CO2被固定到土壤中，1 t的生物質碳可以代替氮肥0.58 t。添加1 t的生物質碳可以獲得的固碳減排效益大概為13.15美元。將生物質碳當作緩釋肥料載體，制造成有機復合肥，這樣不僅可以促進農作物生長，還能有利于減少有機肥料的使用。

農田中NO2的排放量與使用有機肥的含量有關。使用有機化肥會導致大量的NO2產生。因此，在農業上使用生物質碳還能降低使用有機肥料對環境所造成的污染。添加生物質碳到土壤中改善了土壤性質，在促進農作物產量的同時，更好地提升了農作物的品質，使得蔬菜等農作物產量提高28%～48%。生物質碳在農業上具有良好的應用前景，是農業發展的又一推動力。

4 結束語

制成生物質碳的原料充分，所需要的技術和成本不高，生物質碳在農業發展上有著十分重要的應用，如改良土壤的理化性質、土壤固碳、作為緩釋肥料載體、降低土壤酸性等。

參考文獻

[1] Novak J M， Busscher W J， Laird D L， et al. Impact of biochar amendment on fertility of a Southeastern Coastal Plain soil[J]. Soil Science， 2009，174（2）： 105-112.

[2] Oguntunde P G， Abiodun B J， Ajayi A E， et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 2008（4）： 591-596

[3] 杜衍紅，蔣恩臣，劉傳平，等.生物質碳對華南典型紅壤水分滲透及持水性的影響[J].生態環境學報，2019，28（2）：276-282.

[4] Goldstein B D. Erythrocyte glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency does not pose an increased risk for black Americans exposed to oxidant gases in the workplace or general environment[J]. Toxicology and Industrial Health， 1985， 1（1）： 75-80.

責任編輯：黃艷飛

Application of Biochar in Agriculture

WU Li-ning et al（Beijing Institute of Technology Zhuhai， Zhuhai， Guangdong 519088）

Abstract At present our country still have a lot of waste biomass carbon has not been used， these are not get use of biomass waste for its lack of oxygen or thermal chemical reaction in anaerobic conditions， The formation of a solid granular material containing a large amount of carbon pore structure， which is commonly known as biomass carbon. Biochar contains nutrients needed for crop growth and has strong adsorption and certain water holding capacity. Biochar therefore has important agricultural applications， such as providing nutrients to crops and soils， raising soil pH value， and as a slow-release fertilizer. This paper described the application of biochar in agriculture.

Key words Biochar; Agriculture; Appli-cation

作者簡介 吳麗凝（2002—），女，廣東湛江人，主要從事生物工程研究。

收稿日期 2021-09-10