生物炭在設施蔬菜生產中的應用研究進展

張功臣 王 波 秦玉紅 李 磊 張守才

（青島市農業科學研究院，山東青島 266100）

生物炭（biochar）通常是指由農林生物質廢棄物（如鋸木屑、秸稈、稻殼、糞肥等）在無氧或缺氧狀態下經相對低溫（≤700 ℃）熱裂解成的固態富碳物質，其主要用于耕地土壤改良和環境污染修復等領域，以此區分于用作燒烤或取暖的木炭（Lehmann &Joseph，2009；Chen et al.，2019）。生物炭的使用可以追溯到前哥倫比亞時期，亞馬遜原住民利用在土坑或戰壕中燃燒農業廢棄物產生的黑炭改良土壤，提高作物產量。歐洲移民稱這些燃燒之后的黑炭為黑土。亞馬遜地區的土壤在經歷了上千年的歷史演變后依然是世界上最肥沃的土壤，這其中黑土發揮了至關重要的作用（王典 等，2012）。

生物炭不僅在固碳減排領域發揮巨大的作用（Lehmann，2007），還廣泛應用于土壤改良、水土保持、重金屬污染修復等農業生產領域（Wu et al.，2019）。近年來，生物炭在蔬菜栽培中的應用研究取得了諸多進展，如改良退化菜地土壤、促進蔬菜作物生長、增強蔬菜作物抗病性和抗逆性等。本文聚焦于生物炭在設施蔬菜生產中的應用，綜述了生物炭在改良設施土壤、提高設施蔬菜產量及抗逆性等方面的研究進展，并提出了今后的發展方向，以期為設施蔬菜綠色發展提供新的思路。

1 生物炭的制備及理化特性

1.1 生物炭的制備

生物炭的生產方法主要有限氧或無氧熱裂解、氣化、水熱碳化和閃蒸碳化等（金梁 等，2015）。目前常用的生物炭制備方法主要是熱裂解法，根據熱裂解溫度和滯留時間又可以分為慢速裂解法和快速裂解法（Wang &Wang，2019）。慢速裂解法是將生物炭原料提前放入反應釜中，逐漸升溫至所需溫度，維持半小時至幾小時完成碳化。快速裂解法是將生物炭原料直接投放到已經升溫至目標溫度的反應釜中，瞬間完成碳化過程。慢速裂解法因其具有生物炭產率高、易操作等優點，是生產中生物炭的主要制備方法。

生產生物炭的設備多種多樣，既有大型多聯產式炭化設備，也有小型、中型可移動式炭化爐（張偉明 等，2019）。大型多聯產式炭化設備價格高昂，綜合生產成本高，僅適合于具備對秸稈進行集中收儲運輸條件的大型農場。科研人員針對我國大部分地區耕地小而分散的國情，研發的低成本、可移動式小型炭化設備，適于分散型秸稈資源，突破了秸稈收儲運的限制，使得生物炭的大量制備利用成為可能（張偉明 等，2019）。

1.2 生物炭的理化特性

生物炭是一類含碳量豐富、具有良好多孔性結構、理化性質穩定的物質，其表面含有羥基、羧基等多種官能團。因此，生物炭具有吸收和吸附兩種特性，生物炭中的大小孔隙可以貯存空氣、吸收水分和養分，而巨大的表面積及其表面攜帶的電荷可以吸附離子及帶電化合物（Wilson，2014）。生物炭和富含有機質的糞肥混合堆肥后，在生物炭多孔隙的表面形成一層營養豐富的有機覆蓋層，有機覆蓋層增加了生物炭的親水特性、氧化還原特性以及中小孔隙，進而增強了生物炭的持水性和養分保持能力，在促進作物生長方面發揮重要作用（Hagemann et al.，2017）。

生物炭除了含有大量的碳還含有一定量的氮、磷、鉀等養分，特別是作物秸稈來源的生物炭含鉀量豐富，可以供給作物生長所需養分。生物炭理化性質受原材料來源、裂解溫度、裂解時間等因素的影響，同種類或不同種類之間差異較大。如表1 所示，生物炭的含碳量在17.41%～72.38%，含氮量在0.59%～3.00%，含磷量在0.20%～3.00%，含鉀量在0.60%～7.75%等較大范圍內發生變化。

表1 常見代表性生物炭的養分特性

通常作物秸稈和畜禽糞肥等原料來源的生物炭呈堿性（pH ＞7.5），這主要是因為生物炭在裂解過程中會有碳酸鹽、磷酸鹽以及灰分的形成（Downie et al.，2009）。Yuan 等（2010）發現生物炭表面的-COO-和-O-等有機官能團和生物炭中的碳酸鹽是堿的主要存在形態，碳酸鹽對生物炭堿的貢獻隨制備溫度的升高而增加，有機官能團的貢獻呈相反的趨勢。因此生物炭的pH 隨裂解溫度的升高而升高。然而，部分木材來源的生物炭的pH 值較低甚至呈酸性，例如在300 ℃條件下裂解的樺木生物炭pH 值低至4.48（Enders et al.，2012）。

2 生物炭改善設施土壤理化性狀

設施蔬菜栽培具有生產高度集約化，長年連作及不平衡施肥引起土壤板結、鹽漬化、酸化等土壤障礙，嚴重降低蔬菜產量和品質。生物炭在設施連作土壤改良、連作障礙綠色防控方面應用前景廣泛，其作為土壤改良劑使用時，可均勻撒施于土壤表面，通過翻耕混勻，也可以采用壟施或溝施的方法集中施用（張偉明 等，2015），施用量一般在5～40 t·hm-2之間（韓召強 等，2018；肖婧 等，2018；黃修梅 等，2019）。生物炭生產成本較高，過高的生物炭施用量在生產中難以推廣利用。此外，將生物炭與其他化學肥料或有機物料、微生物菌劑等進行科學混配，開發生物炭基肥，改善土壤結構，提高土壤肥力，可提高生物炭的附加值，促進生物炭的科學利用（李嫚 等，2019）。

2.1 降低土壤容重

生物炭含有豐富的多孔隙結構，施入土壤后能顯著降低土壤容重，改善植物根系生長環境。潘潔等（2013）研究發現，日光溫室土壤中施入7.5～30.0 t·hm-2棉花秸稈炭可降低土壤容重2.65%～15.73%。陳紅霞等（2011）通過華北平原高產農田3年定位試驗研究發現，土壤中施用2 250 kg·hm-2和4 500 kg·hm-2生物炭，耕層0～7.5 cm 土壤容重降低幅度分別為4.5%和6.0%。王彩云等（2019）研究發現，施用5%的玉米秸稈炭可顯著降低連作6年和10年的設施土壤容重。

2.2 提高土壤養分含量

生物炭對土壤養分的影響較為復雜，土壤養分含量與生物炭類型、施用量、土壤類型和施入時間等密切相關。生物炭施用后可提高設施土壤中的C、N、P、K、Ca、Mg 等養分含量（程效義 等，2017；王彩云 等，2019）。生物炭中鉀含量特別豐富，施用生物炭顯著提高了土壤速效鉀含量，且隨生物炭施用量的增加，土壤速效鉀含量升高。然而生物炭對土壤有效磷含量并無顯著影響，對土壤堿解氮含量的影響因作物類型而異（李麗 等，2018）。此外，也有研究表明生物炭單一施用對土壤堿解氮含量無明顯的改善（Bi et al.，2017；Boersma et al.，2017）。由于設施土壤肥力處于較高水平，而生物炭中養分含量有限，其施入后提高土壤養分含量，促進作物增產的效應在實際生產中難以觀測。

2.3 提高作物養分利用率

提高化學肥料利用率是我國設施蔬菜生產中亟待解決的難題。李大偉等（2016）研究發現，生物炭基肥與化肥配施可以顯著提高番茄、辣椒產量和氮素農學利用率。Li 等（2017）研究發現，蔬菜集約化生產中施用生物炭可顯著提高氮肥偏生產力（PPFN）和氮素表觀利用率（ARN），并且這種作用效果隨著氮素投入量的增加而降低。然而，也有研究表明生物炭施用對氮素利用率并無顯著影響或受其他因素影響較大。Zhu 等（2014）在酸性紅壤土利用15N 標記的肥料評估玉米的氮素利用率，在7 個土壤樣本中，僅有2 個樣本施用生物炭可提高氮素利用率，其余5 個樣本施用生物炭后氮素利用率與單施化肥相比并無顯著差異。Wang 等（2017）開展連續4 個種植周期的蔬菜栽培試驗，發現生物炭和生物炭堆肥處理對氮素利用率的影響存在種植周期的差異。程效義等（2016）報道，生物炭對氮肥利用效率的影響與生物炭的施用量有關，棕壤玉米旱田氮肥利用效率隨著生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，與單施氮肥相比，在施氮基礎上增施20 t·hm-2的生物炭時氮肥利用效率提高6.21%，而增施40 t·hm-2的生物炭時氮肥利用效率反而下降16.97%。因此，需要更多的研究證據闡釋生物炭施用對蔬菜集約化種植中氮素利用率的影響。

3 生物炭在設施蔬菜抗病中的應用

生物炭可誘導蔬菜作物產生系統抗性，提高植株抗病能力（Elad et al.，2010）。Mehari 等（2015）報道，施用生物炭可以誘導番茄系統抗性，降低灰霉病的發病率，且這一作用效果依賴于茉莉酸途徑。Lu 等（2016）研究發現，施用生物炭可以顯著降低土壤中青枯病病原菌的數量，降低番茄青枯病發生率，主要是由于生物炭的施用提高了土壤肥力和土壤酶活性，導致土壤細菌群落結構變化，進而提高番茄的抗病能力（Gao et al.，2019）。生物炭的這一特性拓展了其在農業生產中的應用價值，具有良好的開發潛力。

4 生物炭在鹽漬化土壤改良方面的 應用

連續多年種植的設施土壤存在不同程度的鹽漬化現象（黃紹文 等，2016；李濤 等，2018）。生物炭為解決這一問題提供了新的方向，其良好的離子交換能力以及較強的吸收吸附特性對改善設施土壤次生鹽漬化具有很好的效果（She et al.，2018）。前人研究中詳細闡述了生物炭用于鹽漬化土壤改良的機遇與挑戰（Ali et al.，2017；Saifullah et al.，2018）。生物炭施用可以通過提高土壤有機質和養分含量（特別是K+、Ca2+、Mg2+等陽離子含量）、增加陽離子交換量以及表面積、穩定土壤結構、改善土壤物理性狀、增加多價陽離子含量、促進Na+置換等途徑改良鹽漬化土壤（Saifullah et al.，2018）。同時，生物炭還可改善土壤微生物群落結構，促進有益微生物的定殖，提高作物耐鹽性（Zheng et al.，2018）。此外，生物炭還可以加速土壤中鹽分的洗脫，減少土壤中鹽分的滯留（Yue et al.，2016）。

5 生物炭與根際微生物協同提高蔬菜抗逆性

5.1 生物炭改善土壤微生態

健康的土壤微生物群落結構對作物生長至關重要。施用生物炭可以直接或間接地引起土壤微生物群落結構變化（韓光明 等，2012；黃修梅 等，2019）。一方面生物炭通過提高土壤pH 值，增加土壤持水性能，以及C、N、K、P、Ca、Mg 等養分含量，作為生長促進因子促進土壤微生物生長（Palansooriya et al.，2019）；另一方面，生物炭良好的多孔性結構和表面積為微生物提供了生存空間，有利于微生物的定殖（Jaafar et al.，2015）。鄒春嬌等（2015）研究發現，施用生物炭后連作黃瓜栽培基質內細菌和放線菌數量增加，而真菌數量則降低，并且生物炭處理能夠顯著提高基質內細菌的群落結構多樣性。王彩云等（2019）也報道，生物炭處理連作黃瓜土壤顯著提高了土壤細菌數量，降低了真菌和尖孢鐮刀菌數量，使土壤類型由真菌型向細菌型轉變，同時生物炭處理顯著提高土壤微生物活性、Shannon 指數和均勻度指數。土壤微生物群落結構受多重因素影響，研究發現土壤細菌和總微生物豐度與土壤可溶性有機碳含量呈正相關，生物炭和秸稈共同處理可顯著提高連作番茄土壤細菌和總微生物豐度（Zhang et al.，2018）。土壤微生物菌群結構劣變是連作障礙發生的主要原因之一，生物炭改善土壤微生物群落結構的良好潛力為連作障礙防控提供新途徑。

5.2 炭菌協同提高作物產量及抗逆性

生物炭和微生物菌肥配施對改善土壤理化性狀、促進作物生長、提高作物產量等方面具有協同促進作用（Saxena et al.，2013；Akhtar et al.，2015；Egamberdieva et al.，2018）。在非鹽脅迫條件下生物炭和叢枝菌根同時施用可顯著促進葉用萵苣（生菜）生長，生菜的地上部生物量顯著高于兩者單獨施用處理，說明生物炭和土壤共生微生物存在協同作用（Hammer et al.，2015）。生物炭、堆肥和根際促生菌協同施用可顯著促進干旱脅迫條件下黃瓜生長，緩解干旱脅迫傷害（Nadeem et al.，2017）。因此，生物炭與根際促生菌配施或生物炭作為載體制備生物炭基菌肥在農業生產中具有良好的應用前景（Hale et al.，2014，2015；王瀟敏，2016；Sun et al.，2016）。然而，目前有關生物炭與根際促生菌協同改善土壤理化性狀、提高作物抗逆性的研究在大田作物，如小麥、玉米上報道較多（Danish &Zafar-ul-Hye，2019；Ijaz et al.，2019；Sarfraz et al.，2019；Danish et al.，2020），在蔬菜作物上報道較少，兩者協同作用機理還不十分清楚。

6 展望

設施蔬菜栽培具有高度集約化、高肥水投入、高產出等特點。但是長期的連作種植、不平衡施肥使得菜地土壤理化性狀持續惡化，土壤酸化、次生鹽漬化、自毒物質積累、微生物菌群失調等連作障礙現象頻發；此外，化肥農藥的大量投入帶來了土壤面源污染、生態平衡破環等嚴重的環境污染問題。改善蔬菜種植土壤條件，減少或控制化肥農藥的過度投入是目前蔬菜生產面臨的重要問題。農林生物質廢棄物為來源的生物炭因其在固碳減排、資源循環利用、水土保持、土壤重金屬修復、連作土壤改良等方面的良好表現（Wu et al.，2019），為設施蔬菜綠色可持續生產提供了新的解決方案。

目前，生物炭在蔬菜上的應用報道較多，主要集中于可控環境條件下的盆栽試驗或短期試驗研究，且研究內容主要集中于生物炭對土壤理化性狀和作物生長的影響，多為描述性報道，相關深入作用機理的報道較少。因此，今后研究中應注重生物炭施用的長期作用效果及機理解析，將盆栽試驗和田間試驗相結合，重點關注生物炭在蔬菜作物抗病、抗逆（鹽脅迫、干旱脅迫）等方面的作用機理。此外，生物炭目前生產成本較高，秸稈炭市場價約為2 000 元·t-1，為提高生物炭產品的附加值，降低使用成本，一方面應加強新型炭基產品研發及示范應用，如生物炭基有機肥、生物炭基菌肥、改性生物炭等；另一方面還需要創新生物炭制備工藝和施用方式，生產中配套相應的炭化設備和施用機械，便于推廣應用。