基于文獻計量的秸稈生物炭研究進展

曹麗花，連玉珍，劉合滿*

(1.信陽農林學院，河南信陽 464000；2.周口市農業農村局，河南周口 466099)

秸稈是農業生產中的最大收獲物[1]，其富含有機碳、氮、磷、鉀等物質，被認為是一種來自土壤并可歸還于土壤、實現農業循環的重要物質和養分資源。中國是秸稈資源大國，每年有超過10億t的農作物秸稈產生[2]，據估算，2017年我國秸稈養分總含量分別為758.55萬t(N)、238.84萬t(P2O5)和1 316.36萬t(K2O)，如果全量還田，則可分別替代當年約34.15% 的氮肥、29.59%的磷肥和212.40%的鉀肥，具有巨大的化肥替代潛力[3]。此外秸稈還田能顯著提高土壤微生物量、碳、氮、磷含量和酶活性[4]，如果這些養分資源能通過科學合理的途徑歸還于土壤，則成為降低環境風險和資源浪費、實現農業物質循環的重要途徑，得到政府和廣大學者的重視。2008年開始，農業部印發了《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》《全國農作物秸稈資源調查與評價工作方案》《關于進一步加快推進農作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》《秸稈農用十大模式》等一系列文件，充分體現了秸稈資源綜合利用的重要性。

粉碎還田是秸稈資源綜合利用的一項重要措施，可以直接實現秸稈物質向土壤中的歸還。然而，隨著農業的集約化發展，農作物秸稈產量增加，直接還田秸稈的低分解速率和病蟲害殘留等問題成為限制秸稈直接還田實踐的一個重要因素，并可能使秸稈從一項資產變為一種負債。因此，秸稈以何種方式還田，還田后的科學管理與物質貢獻評價成為秸稈農業化利用過程中的一個關鍵問題。

秸稈炭化利用是秸稈資源綜合利用的一種新手段，被納入秸稈農用十大模式，得到政府和學者的高度重視，并在不同制取條件下生物炭的性質[4]、生物炭在提高土壤有機碳含量改良土壤性質[5-6]、治理土壤重金屬污染[7]等方面進行了系統研究和探討，為生物炭的科學高效施用提供理論和實踐基礎。為闡明我國關于秸稈生物炭利用方面的研究動態和主要進展，筆者以中國知網數據庫為基礎檢索相關論文，并對發表論文數量、研究主題、發表單位等進行綜合分析，旨在探索秸稈生物炭研究未來的發展方向并為相關研究的合作提供指導。

1 研究方法

以“秸稈生物炭”為主題詞，在中國知網(www.cnki.net)上進行文獻檢索，共得到已發表論文1 058篇，其中學術期刊論文908篇，學位論文125篇。

2 結果與分析

2.1 秸稈生物炭的文獻計量特征

2.1.1秸稈生物炭研究的時間特征。1998—2011年為生物炭研究的一個探索階段，發文量較少，之后開始快速增加，由2011年的2篇增加到2019年的228篇(圖1)。這說明隨著國家對秸稈資源戰略要求的提升，學者快速將秸稈生物炭作為研究的焦點。

注：B.生物炭(包含生物炭、Biochar、Biochars)；SB.秸稈生物炭；MS/MB.玉米秸稈/玉米秸稈生物炭；Ads.吸附特性；RS/RB.水稻秸稈/水稻秸稈生物炭；Bioa.生物有效性；PC.理化特性；WS/WB.小麥秸稈/小麥秸稈生物炭；SR.秸稈還田；PT.熱解溫度。Note：B.Biochar;SB.Straw biochar;MS/MB;Corn straw/Corn stalk biochar;Ads.Adsorption characteristics;RS/RB.Rice straw/ Rice straw biochar;Bioa.Bio-availability.PC.Physicochemical property;WS/WB.Wheat straw/Wheat straw biochar;SR.Straw returning to field;PT.Pyrolysis temperature.圖1 發表文獻數量與主題Fig.1 Number of published literatures on straw biochar and main research topic during 1996-2020

2.1.2主要研究主題。研究主題排名前10位的文獻數量分布如圖1所示，以生物炭為主題文獻數量最多，為511篇，其次是秸稈生物炭，為120篇。對于不同種類農作物秸稈而言，玉米、水稻和小麥3類作物秸稈生物炭研究位列前3，同時也是中國農作物秸稈資源總量最多的三大糧食作物，2017年分別為37.2億、19.1億和14.7億t[8]，故這些秸稈資源的利用將是實現循環農業物質管理的一個核心。生物炭施用對土壤重金屬生物活性的影響是研究的一個核心問題，旨在通過生物炭的合理施用，實現對土壤重金屬的吸附和鈍化，降低其生活有效性和農產品質量安全風險。關于理化特性主題的研究主要集中在不同加工條件下生物炭的理化性質和生物炭施用對土壤主要理化性質的影響方面以及針對不同秸稈材料制取生物炭性質的討論[9]。例如，水稻秸稈在100～300 ℃條件下熱解所得生物炭呈弱酸性，而在400 ℃以上呈堿性，同時碳基團、陽離子交換量、比表面積等亦不同[10]。

2.1.3發表期刊。由表1可知，發表期刊以Bioresource Technology、農業環境科學學報和Environmental Science and Pollution Research發文最多，分別占期刊發文量的4.07%、3.19%和2.97%。其中，中文期刊農業環境科學學報2012年南開大學李力《玉米秸稈生物炭對Cd(Ⅱ)的吸附機理研究》被引頻次最高，為290次，其次為吉林大學的徐楠楠2014年發表的《玉米秸稈生物炭對Cd2+的吸附特性及影響因素》，被引頻次為134次，在秸稈生物炭對重金屬吸附與土壤重金屬治理方面具有重要的影響。發表在環境科學上被引頻次最高的論文為中國地質大學柯躍進2013年發表的《水稻秸稈生物炭對耕地土壤有機碳及其CO2釋放的影響》，被引119次，主要從不同裂解溫度、不同施用濃度生物炭對土壤有機碳和CO2排放量影響角度進行研究。其次為南京大學黃華2014年發表的《不同燒制溫度下玉米秸稈生物炭的性質及對萘的吸附性能》，不同溫度(300、500和700 ℃)條件下燒制玉米秸稈生物炭，研究其主要碳性質變化特征及對萘的吸附特征。農業工程學報發文中，2013年安徽科技學院李飛躍等[11]發表的“中國糧食作物秸稈焚燒排碳量及轉化生物炭固碳量的估算”被引頻次181次，主要估算了中國主要糧食作物秸稈產量及因焚燒產生的碳排放量，并指出中國農作物秸稈全部轉化為生物炭后，可實現年均0.96×108t的固碳量。

表1 秸稈生物炭發文前10位期刊

2.1.4研究機構。從研究機構看，沈陽農業大學關于秸稈生物炭方面發表的論文最多，為40篇，其次為東北農業大學、南京農業大學和華中農業大學等(圖2)。在沈陽農業大學，以陳溫福院士領銜組建的生物炭工程研究中心為代表，開展了秸稈生物炭化生產工藝、性質及改良土壤、鈍化重金屬等方面的研究。在發表的中文論文中，戰秀梅發表在植物營養與肥料學報上的《生物炭及炭基肥改良棕壤理化性狀及提高花生產量的作用》具有最高的引用率，被引頻次92。從論文被引頻次看，2012年南開大學李力發表在農業環境科學學報上的《玉米秸稈生物炭對Cd(Ⅱ)的吸附機理研究》，被引頻次最高，為292次；其次為華僑大學安增莉2011年在環境化學上發表的《水稻秸稈生物炭對Pb(Ⅱ)的吸附特性》，被引頻次為261次；華中農業大學付慶靈團隊2016年發表在環境科學學報上的《水稻秸稈生物炭對鎘、鉛復合污染土壤中重金屬形態轉化的短期影響》，為該機構在秸稈生物炭論文中被引頻次最高，為120次；2015年，南京農業大學潘根興課題組發表在農業環境科學學報上的《不同作物秸稈生物炭對溶液中Pb2+、Cd2+的吸附》被引頻次達到130次，成為該期刊發表的秸稈生物炭領域最高被引論文。從這些高被引論文主要研究內容來看，關于秸稈生物炭方面的研究主要集中在重金屬吸附及鈍化、降低重金屬危害方面。

圖2 研究機構發文數量比較Fig.2 Comparison of literature number of research institutions

從被引頻次看，被引最高的前10篇論文中，有5篇的研究內容為秸稈生物炭對重金屬Cd、Pb形態、吸附方面的研究，即在土壤重金屬污染治理方面得到重視，且具有良好的利用前景。

2.2 主要研究結果

2.2.1制取工藝對秸稈生物炭性質的影響。秸稈生物炭的制取工藝主要表現在裂解溫度和時間2個方面，在不同裂解溫度和時間條件下，秸稈物質轉化和釋放特征不同，最終形成了有機碳含量、炭結構、酸堿性等不同的生物炭，并最終影響施用后對土壤的改良效果。一般地，隨著熱裂解溫度的升高，生物炭炭化程度越高，所得炭穩定性越強，生物炭pH亦呈增加趨勢[12]。在500和700 ℃溫度條件下制取生物炭pH分別為9.09和11.30，且在700 ℃條件下生物炭比表面積是500 ℃時的3.92倍，但低溫裂解生物炭對土壤總有機碳具有更高的貢獻[13]。不同類型秸稈所制取生物炭的pH及成分含量亦不同，從而對土壤的改良效果存在差異。辣椒秸稈500 ℃下裂解4 h[14]，玉米、水稻、油菜秸稈500 ℃下裂解6 h所得生物炭pH分別為10.04、8.23、9.59和9.55[15]。表2為不同秸稈生物炭主要性質比較。

表2 不同秸稈生物炭主要性質比較

相同秸稈材料在不同制取溫度下，一般生物炭碳元素含量隨裂解溫度升高而升高，玉米秸稈制取生物炭材料碳含量由300 ℃時的66.79%上升到700 ℃時的76.30%，這可能與高溫條件下生物炭產率下降有關[20]。但有研究表明，在高溫條件下(>600 ℃)小麥秸稈生物炭有較低的有機碳含量，而在200～400 ℃條件下碳化則有機碳含量高[21]。

2.2.2秸稈生物炭對土壤主要性質的影響。生物炭對土壤性質影響的研究一般采用盆栽和大田試驗2種方式，室內盆栽模擬培養的施用濃度一般為1%～5%[22]，而在田間施用時，有采用1.0、5.0和10 t/hm2[23]，施用濃度將直接影響對土壤性質的改良。pH是土壤的重要屬性，直接影響了如土壤養分轉化和有效性、土壤微生物區系構成與活性等化學和生物學屬性及植物的生長。然而，隨著氮肥的大量施用和大氣氮沉降的增加，中國農田土壤已顯著酸化[24]，這將直接影響土壤的生產力和可持續利用。生物炭是一種堿性高分子含碳有機化合物，施入土壤可以有效提高土壤pH，對于酸化土壤具有良好的改良效果。采用500 ℃裂解1 h的水稻秸稈生物炭，按照5%的比例添加生物炭，可以使pH增加0.31～1.05[25]。添加3%比例的生物炭試驗的結果表明，在生物炭施入初期可以顯著提高土壤pH，水稻、玉米、小麥秸稈生物炭分別使土壤pH提高了0.30、0.35和0.33，隨著施用時間的延長，pH的提高效應呈降低趨勢，但pH均高于不施生物炭的處理[26]。侯建偉等[15]分別采用1%、2%和4%的比例添加玉米、水稻和油菜秸稈生物炭，培養186 d后土壤pH得到提高，同一種生物炭隨著施用濃度的增加，pH呈增加趨勢，以4%油菜秸稈生物炭施用量提高pH效果最顯著，提高18.04%。

生物炭富含有機碳，施入土壤后可以快速增加土壤有機碳含量，并通過影響土壤微生物生活基質物質構成和活性，而進一步影響土壤物質循環系統。不同種類作物秸稈生物炭中碳含量分布范圍較廣，在20.00%～77.0%，幾種主要類型秸稈中，又以水稻(248.6 g/kg)和小麥(474 g/kg)秸稈生物炭含碳量較低，玉米(671 g/kg)、油菜(522 g/kg)較高，但施入土壤均可有效提高土壤有機碳含量[18]。

容重和孔隙度是影響土壤物質轉化、植物生長的重要物理因素。生物炭的施用可以顯著增加土壤的總孔隙度，并使土壤容重顯著下降[27]，增加土壤總孔隙度調節孔隙比，并顯著提高土壤的團聚體穩定性[28]。生物炭對土壤孔隙度和容重的影響直接決定了土壤的水分屬性，有研究表明，生物炭施用引起土壤最大持水量的增加[29-30]；但亦有研究表明，生物炭的施用對土壤含水量無顯著影響[27]，這可能主要取決于生物炭顆粒大小、生物炭孔隙屬性、土壤類型等。大顆粒生物炭一般促進土壤大孔隙的形成，從而增強了土壤的導水性，砂性土壤施用生物炭可能對土壤保水性具有更好的效果。有研究表明，生物炭對土壤飽和導水率的影響受生物炭用量和土壤質地的影響。粗砂和細砂質地土壤中添加生物炭后，土壤飽和導水率下降，且隨著生物炭施用濃度的增加而降低，即砂性土壤施用生物炭有利于促進土壤對水分的保蓄，黏土和壤土飽和導水率則隨生物炭施用濃度的增加而先增加后降低[22]。

2.2.3秸稈生物炭對土壤物質循環的影響。碳、氮循環是土壤生態系統物質循環的核心。秸稈生物炭以高濃度有機碳形式向土壤中歸還，可以快速改變土壤有機物碳的含量和構成。同時生物炭的施用可以有效提高土壤溫度、降低土壤日溫差[31]及微生物生活基質營養條件、改變土壤微生物體系，從而影響土壤碳、氮物質循環進程。有研究表明，生物炭施用初期，引起土壤呼吸釋放CO2量增加，即表現出階段性的激發效應，但培養一段時間后，土壤-生物炭系統排放CO2的累積量低于未施生物炭處理，即經過短期的礦化作用后，生物炭中碳組分及土壤有機碳組分趨于穩定[13]，并逐步以穩定態有機碳貯存在土壤中，增加土壤有機碳含量[32]。

秸稈生物炭的施用對農田N2O具有巨大的減排潛力，且促進對氮肥的固持[33]。研究表明，在短時間尺度上，秸稈生物炭的施入加速土壤氮循環，使N礦化速率提高185%～221%，硝化作用提高10%～69%，NH4+消耗率增加333%～508%，同時促進N從穩定有機態氮庫向活性有機氮庫轉變[34]。生物炭促進植物的共生固氮(63%)，促進植物對N的吸收(11%)，降低土壤N2O排放(32%)，減少土壤N淋溶損失(26%)，但增加了土壤NH3的揮發損失風險(19%)[35]。添加2%的棉花秸稈生物炭可以顯著降低自養硝化作用產生的N2O(20.6%)；當施用量為2%和5%時，異養硝化作用N2O的產生量分別減少15.7%和13.2%，反硝化作用N2O排放量分別降低40.9%和11.7%[19]。

2.3 研究方向展望

2.3.1秸稈生物炭的化肥替代定量評價。秸稈對農業生產化肥的可能貢獻已得到學者的廣泛重視和研究，但秸稈生物炭中的養分形態及在土壤中的長期轉化過程和對植物營養的供應定量評價尚鮮見報道。目前的研究主要集中在元素含量及可能對土壤養分的貢獻，但這些養分元素施入土壤后的轉化及對植物養分供應的定量評價尚缺乏系統的研究，這不利于研究人員基于秸稈生物炭施用背景下的化肥的合理施用。

2.3.2基于不同質地土壤生物炭施用效應及機制。不同質地土壤顆粒吸附力、膠體的帶電性等特征不同，使土壤顆粒與生物炭的結合時間、結合程度等存在差異，并進一步影響土壤的顆粒團聚性、帶電性、導水率等特征，從而使土壤質地成為影響生物炭施用效果的重要因素[22，36]。然而，目前針對基于土壤質地的生物炭施用研究主要集中在影響特征方面，而對于長期施用條件下的作用機制的研究還很薄弱。

2.3.3秸稈生物炭與土壤結合的微尺度研究。施入土壤中的秸稈生物炭與土壤顆粒的結合速率、結合程度等直接影響了生物炭的施用效果和持續時間。然而，目前在生物炭與土壤顆粒結合的微觀特征方面研究還很少，如生物炭與土壤顆粒結合的時間、生物炭在土壤中的轉化等的研究。

3 結論

1998—2020年間，秸稈生物炭的研究逐漸得到重視，其中以玉米、水稻和小麥3種作物秸稈研究最多。對秸稈生物炭的研究主要集中在吸附鈍化土壤重金屬、降低農產品污染風險，對土壤理化、生物學屬性的改良和促進植物生長等方面。從研究機構看，以沈陽農業大學發文最多。不同秸稈材料、熱解溫度和時間等因素直接影響了生物炭的屬性及對土壤的改良效果。結合目前的主要研究進展，認為生物炭化肥替代的定量評價、生物炭與土壤互作效應及機制方面有待進一步加強研究。