生物炭對土壤肥料的作用及未來發展

秦 婧，高嘉培，楊愛飛

（玉溪市農田建設與土壤肥料工作站，云南 玉溪 653100）

隨著人口的不斷增加和人們對于社會發展質量要求的不斷提高，保障糧食安全和環境保護已成為當今世界面臨的重大問題。因此，制訂高效可持續、生態友好的農業生產方式已成為社會關注的熱點之一。其中，改善土地質量和保障土地資源的有效利用也越來越被重視。

在眾多土壤改良方法中，生物炭由于其原材料廣泛、技術簡便、養分含量高等優勢，受到越來越多專家學者和農業工作者的關注，研究生物炭旨在為農業生產提供一定的理論指導和實踐經驗，使廣大研究者和生產者更好地認識生物炭并開展相關研究。同時，為推動農業高質量發展、實現環境保護和可持續發展等方面提供一些思路和建議。

1 生物炭的概念和特性

1.1 生物炭的定義和來源

生物炭是一種由生物質原料經過高溫熱解和炭化后所得到的穩定性碳質物質，其分子中含有大量的孔洞、微孔和介孔，具有較大的比表面積。生物炭的主要來源有生物質廢棄物、植物殘渣、木材、農業廢棄物等，經過高溫解炭后得到生物炭［1］。

1.2 物化特性分析

從物化特性分析角度來看，生物炭具有很多優異特性。生物炭具有很大的比表面積，能夠吸附和固定大量的有機和無機物質，促進土壤微生物生長繁殖，增強土壤肥力。由于生物炭具有一定的孔隙結構，能夠增強土壤儲水能力，提高土壤整體的水分利用率，改善極端干旱和高溫天氣下農作物生長環境。生物炭還具有較好的化學穩定性和生物降解性，能夠慢慢釋放養分，為農作物提供持久的營養［2］。

同時，生物炭的物化特性還表現在其獨特的熱穩定性上。生物炭在高溫下形成的碳結構使其具有很高的熱穩定性，即使在高溫下也不會分解，使得生物炭在許多工業和農業領域中具有廣泛的應用前景。例如，生物炭可以作為氣體吸附劑和催化劑，以及污水處理廠的吸附劑和凈化劑，還可用于燃料和能源生產等。

此外，生物炭還表現出較好的生物降解性能。生物炭在土壤中緩慢分解的過程中會逐漸釋放出一些有益于植物生長的營養物質，為農作物提供持續的營養，促進植物生長。這種特性使得生物炭成為一種理想的土壤改良劑和肥料添加劑。生物炭的應用也需要考慮到其潛在的環境影響和生態風險。因此，在推廣生物炭應用的過程中，需要綜合考慮環境、經濟和社會因素，制訂合理的政策和措施，以實現生物炭的可持續利用和環境保護的平衡［3-4］。

1.3 生態環境影響

大量生物質原料的采集和生物炭的生產會產生一定的碳排放，反而增加了溫室氣體排放量。生物炭的應用需要考慮土地的承載能力和土質類型，過度使用可能會影響土壤基質穩定性和生物多樣性。因此，在生物炭的應用過程中，需要綜合考慮環境承載能力、社會經濟效益和生態環境的平衡，推廣生物炭的可持續利用是未來的發展方向。

2 生物炭在土壤改良中的應用

2.1 生物炭的土壤改良機理

生物炭通過其特殊的化學和物理性質，影響了土壤肥料吸附、釋放的作用，促進了土壤微生物的生長和代謝活動。生物炭所具有的屬性中較高的孔隙度和比表面積使其能夠大量吸附一些環境中存在的金屬離子或有機分子等，形成了“負載體”的復合物，類似于天然的根際土地皮層結構，營造更宜耕種果蔬的環境［5］。生物炭的加入提高了土壤pH 值和固定營養元素的能力，促進了施肥后土壤中若干營養元素的快速循環利用。

2.2 生物炭在提高土地質量方面的表現

采用生物炭進行土壤改良可以促進各種營養元素在土壤中的快速利用和循環，增加土壤有效性，提高肥料效益等，具體表現為提高土壤機械配合力和質地結構，增加土壤通透性，并能調節土層水分的積存和釋放；增強土壤保水、保肥及緩解土壤酸堿度等在內的調控作用，同時也有很好的靜電導體特性，增加延長肥料的有效期。此外，在培育根系群體方面，生物炭對空氣、水分和營養元素的協同作用更明顯。

2.3 應用案例分析

目前，已有不少針對生物炭的科研試驗和應用案例，相關報道也越來越受到社會各界的關注。比如，某農業研究院通過添加大面積的生物炭，組成了名為“炭花園”的試驗田，在該園區內使用生物炭后的種子出苗率較未使用時有了很大提高，同時作物拔節和根系生長也得到了改善，極大提升了當地的農業經濟效益。同時，節約了30%左右的肥料用量和40%左右的水量，提高了作物產量和質量，對于水質、空氣凈化等其他方面都產生了很好的支持效果［6］。

3 生物炭與土壤肥料的協同效應

3.1 與不同肥料配合的作用分析

通過與不同類型肥料的配合施用，生物炭可以發揮出更加顯著的肥料效益。具體而言，當與有機肥、復合肥等高氮化肥結合施用時，生物炭可以增加肥料的活性，并改善土層C、N 環境，提高土壤pH值和宏微觀孔隙度。同時，也可以降解淀粉酶類物質，使大分子有機物轉變成小分子有機物，加快營養物質吸收轉移；放線菌等固氮菌類利用生物炭作為基質結構后，還可以保持一定量且穩定的N 輸入速率，促使肥料被作物有效地吸收，促進作物健康生長。

3.2 N循環和P利用

生物炭能夠促進N 在土壤中的循環過程，并增強了土壤對N 的利用效率。一方面，可以加速土壤中硝酸鹽和氨態氮等化合物的轉化過程，從而使這些元素快速地進入到植物體內。另一方面，可以增強土壤中固氮菌的活性和數量，從而促進N 積累和利用。此外，生物炭還具有較高的PO42-吸附能力，可以有效補充土壤和肥料中的P、K［7］。

3.3 土壤微生物長期恢復

將生物炭添加到土壤中，對于土壤微生物群落的恢復和建立也具有一定的促進作用。一方面，生物炭具有良好的孔隙度和比表面積，可以提供更多的空余量和內部結構，有利于微生物的生長繁殖。另一方面，由于生物炭具有類似天然“根層土”的結構特點，可在強化微生物群體的同時提升深層土壤肥力水平。因此，通過合理加入生物炭，可以促進土壤微生物群落的建立和長遠維持。

4 生物炭應用過程中的問題與解決方案

4.1 生物炭應用的限制因素分析

不同種類的生物炭具有不同的吸附性能和利用效率，因此需要針對具體情況進行選擇。生產工藝和原料差異會影響生物炭的質量和性能，而高質量生物炭的生產成本相較于傳統煤炭仍較高。

對生物炭的施用量和方式也需要根據土壤情況進行調整。此外，生物炭還受到市場需求、政策環境等因素的限制，需要加強相關宣傳、推廣和培訓力度，同時，生物炭在生產工藝、管理等技術上仍有待完善。

4.2 不同生物炭種類和生產工藝對應的區別

由于生物炭是從不同類型的生物材料轉化而來，具有不同的原料來源和制造工藝。常見的類型包括木材生物炭、秸稈生物炭等。此外，生產工藝也對生物炭的質量和性能有著重要影響。例如，膠凝劑型生物炭采用納米二氧化硅或鈦酸鹽溶液為膠凝劑，在低溫（約500 ℃）和無氧條件下進行生料固化處理，以提高生物炭的基礎存儲密度和物理力學強度。

4.3 解決方案的探討和意義

為了解決生物炭應用過程中存在的問題，在推廣和使用生物炭的同時需要加強以下幾方面的工作。在制訂標準和規范方面，應加強工作，促進行業發展并規范市場行為。積極與農業技術服務機構合作，針對不同地區和作物特點，確定合適的生物炭品種及使用方式，并充分利用現代科學手段進行技術指導，如創新開發專業應用軟件。切實加強宣傳教育和溝通交流，通過媒體、網絡等多種方式加強產品推廣及使用信息反饋，全面提升用戶接受度；在生產工藝上，不斷提高管理和技術能力，采取節約清潔能源、拓展并逐步標準化，確保符合環保要求和產品品質。

5 生物炭未來發展趨勢

5.1 市場需求和趨勢分析

隨著環境保護意識的提升和農業可持續發展的要求，生物質材料轉化為生物炭逐漸得到廣泛應用，是新型環保、高效、多功能肥料的代表。全球都對生物質生產電力、制氣、制熱并制備生物炭等領域進行積極研究，市場需求呈現出蓬勃發展的趨勢，發展前景廣闊。

5.2 研究方向和發展前景

人們對于生物炭的認識，大多來自于實驗室的研究結果，從實驗室的觀點來看，有關理論存在一定的限制，其在短期內的應用結果也存在一定的借鑒意義，在農業的應用中，生物炭應對土壤的調控效果有一個長遠的、可靠的數據，要加大在實驗室外的試驗力度。

從田間管理情況來看，生物炭對于土壤物理、化學、微生物以及控制肥力釋放方面的影響，要有充足的資料做為理論支持，對于生態的保護效應，是否和試驗一樣明顯。特別是在生物炭的用量方面，應確定使用劑量方案，低劑量的生物炭效果是非常好的，但高劑量的生物炭效果較差。未來，生物炭有望在更多領域發揮其特殊的優勢，在土壤改良和修復領域方面，可以通過提高生物炭的孔隙度和比表面積來增強其吸附性能和離子交換能力，從而提高土壤養分、保水能力，增加微生物數量，有效提高土地質量。

生物炭作為有效的吸附材料，在廢水和廢氣治理、垃圾填埋場和水庫等復合污染環境中也具有廣闊應用前景。此外，還可以在煉鋼、環境保護與能源開發等領域進行深入研究。

5.3 未來應用場景

當前生物炭產業正在逐步由規模化朝著專業化方向拓展，未來會拓寬應用場景。可以進一步研發具有多種功能的生物炭產品或納米級的改性生物炭，并結合人工智能和云技術實現精細農業和城市智能化管理。生物炭與其他材料進行復合應用，如添加醫藥用途的植物提取物、酵素等成分，可制成高效的生物活性劑，同時可作為木地板、寶石、手工藝品等制作材料，拓寬其應用范圍。值得注意的是，需要加強標準制定和技術創新，建立健全管理體系和科學評估體系，推動生物炭行業健康、穩定、可持續發展。

6 結束語

從生物炭的概念、制備、性質與特點等方面進行了詳細介紹，并闡述了生物炭在農業生產中的應用以及對土壤肥力提高和環境改善的促進作用。同時，分析了未來生物炭發展趨勢和應用潛力。隨著生物炭的不斷優化和應用技術的提升，其在環境保護、土壤修復、可持續發展等領域具有廣泛的應用前景。尤其在當前全球對可再生資源的追求和環境污染的關注下，生物炭作為一種高效、可持續、環保的農業肥料助劑，已經成為一個熱門的研究領域。在未來發展過程中，需要不斷完善生物炭標準及技術規范，加強生產應用與科研環節之間的聯系，實現生產、學術、政策的共同推動，為引領生物炭行業更健康穩定發展提供良好的支撐和保障，為不斷推動農業可持續發展、保護生態環境作出貢獻。