生物炭肥及其在蘋果園中的應(yīng)用前景分析

孫燕霞宋來慶李慧峰唐巖趙玲玲張瑞清姜中武，*）山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院·65500 ）山東省果樹研究所

生物炭肥及其在蘋果園中的應(yīng)用前景分析

孫燕霞1宋來慶1李慧峰2唐巖1趙玲玲1張瑞清1姜中武1，*
1）山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院·265500 2）山東省果樹研究所

生物炭肥是在無氧環(huán)境條件下經(jīng)高溫裂解形成的一種有機(jī)物質(zhì)，具有高度的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附性能，能增加土壤碳庫容量、保持土壤養(yǎng)分、構(gòu)筑土壤肥力，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。本文論述了生物炭肥的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，以及在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了生物炭肥在蘋果園中的應(yīng)用前景。

1　生物炭的主要性質(zhì)與特點(diǎn)

1.1生物炭pH值呈堿性物質(zhì)

測(cè)定結(jié)果表明，生物炭含有一定量的堿性物質(zhì)，pH值一般在8以上。生物炭的堿性主要受3個(gè)方面的影響:①有機(jī)官能團(tuán)（如-COOH 和-OH）；②碳酸鹽（如CaCO3和MgCO3）③無機(jī)堿金屬離子（如Na＋和K＋）。生物炭表面極性官能團(tuán)，主要包括羧基、酚羥基、羰基、內(nèi)酯、吡喃酮、酸酐等，構(gòu)成了生物炭良好的吸附特性。其中，有機(jī)官能團(tuán)的影響作用在熱解過程中隨著溫度的升高而降低，而碳酸鹽和堿金屬離子的影響作用則提高。因此，隨熱解溫度的升高，所制備的生物炭pH值也較高。

1.2生物炭具有較高的孔隙度

生物炭肥是一種極輕的固態(tài)物質(zhì)。從微觀結(jié)構(gòu)上看，生物炭多由緊密堆積、高度扭曲的芳香環(huán)片層組成，X射線表明其具有亂層結(jié)構(gòu)。生物炭表面多孔性特征明顯，因此具有較大的比表面積和較高的表面能。生物炭的孔隙度決定了生物炭表面積的大小。按生物炭孔徑的大小可將其孔隙分為大孔隙、小孔隙和微孔隙。大孔隙可以影響土壤的通氣性和保水能力，同時(shí)也為微生物提供了生存和繁殖的場(chǎng)所；小孔隙可以影響生物炭對(duì)分子的吸附和轉(zhuǎn)移。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)能減小水分的滲濾速度，增強(qiáng)土壤對(duì)溶液中移動(dòng)性很強(qiáng)和容易淋失養(yǎng)分元素的吸附能力。

1.3生物炭所含營養(yǎng)元素豐富

生物炭是一種含碳的聚合物，表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，使得生物炭具有較高的陽離子交換量，表面呈現(xiàn)出親水、疏水和對(duì)酸堿的緩沖能力。研究表明，生物炭的組成元素主要為碳、氫、氧等，而且以高度富含碳（約70%~80%）為主要標(biāo)志，可以視為纖維素、羧酸及其衍生物、呋喃、吡喃以及脫水糖、苯酚、烷屬烴及烯屬烴類的衍生物等成分復(fù)雜各異的含碳物質(zhì)構(gòu)成的連續(xù)統(tǒng)一體，其中烷基和芳香結(jié)構(gòu)是最主要的成分。同時(shí)，還含有較高的N、P、K、Ca和Mg含量。但不同材料來源的生物炭的理化性質(zhì)存在較大差異，不同材料在炭化以后基本保留了原有生物質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積平均提高了3.7倍；孔容積發(fā)生了明顯變化，總孔體積平均提高了4倍，微孔體積平均提高了3倍；固定碳量提高了6~12.6倍，灰分含量提高1.3~4.1倍；不同材料生物炭的平均孔徑在10~30 nm，pH 值7.9~9.8，陽離子交換量9.1~19 cmol/kg，含有作物生長所需的氮、磷、鉀、硫等營養(yǎng)元素和礦質(zhì)元素。

2　生物炭肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用效果

生物炭在改善土壤生理生化性狀、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)等方面，具有良好效果。

2.1改良土壤理化性質(zhì)生物炭改善土壤理化性質(zhì)，主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。

2.1.1增加土壤孔隙度，改善土壤通氣程度生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能夠增加土壤孔隙度，降低土壤容重，增強(qiáng)土壤吸附性能，提高土壤保水、保肥能力。土壤增施生物炭后，土壤的容重降低，最高降幅為12.94%，總孔隙度提高了9%~13%，通氣孔隙度提高了0.2~2.7倍。土壤耕層含水量與溫度、陽離子交換量、堿解氮、速效磷均有所提高，能顯著優(yōu)化土壤的水、肥、氣、熱條件。

2.1.2調(diào)節(jié)土壤pH值，改善土壤營養(yǎng)狀況生物炭能提高土壤有機(jī)質(zhì)電荷密度，從而提高土壤陽離子交換量，生物炭表面可被部分氧化形成羰基、酚基和醌基，還能增大土壤陽離子吸附表面積，這兩者其一或共同作用使生物炭提高土壤陽離子交換量，且隨著生物炭在土壤中存在時(shí)間的增加，其陽離子交換量也增加。生物炭含有K、Na、Ca、Mg等可溶性元素，施入土壤后，能增加土壤鹽基飽和度，有效改善土壤pH值，尤其是高溫?zé)峤馍傻纳锾勘鹊蜏厣锾烤哂懈玫母牧纪寥纏H值的效果。

2.1.3增加土壤微生物種群數(shù)量和種類生物炭在制備時(shí)并不含微生物，但施入土壤后，隨著土壤中微生物活動(dòng)、植物生長等過程，生物炭緩慢礦化，出現(xiàn)各種微生物，改變果園土壤土著微生物群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤中微生物的活性。生物炭的多孔性和巨大表面積能為有益微生物提供生存和繁殖場(chǎng)所，有效吸附微生物，為其提供附著載體；生物炭能夠?yàn)槲⑸锾峁┨荚矗€包括P、C、Na等多種營養(yǎng)元素和微量元素，微生物的基礎(chǔ)呼吸作用、微生物生物量、微生物數(shù)量和微生物的功能均隨生物炭施入水平的增加呈線性增加。

2.1.4吸附沉淀土壤中的有毒物質(zhì)生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和表面豐富的含氧官能團(tuán)，使得生物炭具有較強(qiáng)的吸附有毒物質(zhì)的能力，并且可以用來修復(fù)污染土壤。添加生物炭后，土壤污染物能夠有效降低，其中有機(jī)物污染物如殺蟲劑、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等被吸附后生物有效性降低，降低了其短期風(fēng)險(xiǎn)；無機(jī)污染物如重金屬，本身難以生物降解，被生物炭吸附后固定在土壤基質(zhì)中，降低了其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。有研究還表明，生物炭可以與重金屬離子發(fā)生鍵合，使重金屬形成沉淀物，從而使重金屬從有效態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變。且不同來源的生物炭具有不同的功能，例如竹炭對(duì)土壤中的重金屬具有較好的吸附固定作用，但秸稈炭在一定程度上促進(jìn)重金屬的遷移。

2.2提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)

生物炭能明顯提高作物葉片凈光合速率，促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。在水稻上的研究結(jié)果表明，水稻田增施生物炭肥，產(chǎn)量比對(duì)照平均提高21.89%，以1 kg干土加10 g生物炭處理最高，糙米率、精米率、整精米率均顯著提高，堊白粒率、堊白度下降。大豆田生物炭能明顯提高大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和產(chǎn)量，產(chǎn)量比對(duì)照平均提高10.98%；炭、肥互作可提高大豆葉片凈光合速率，增強(qiáng)地上部植株對(duì)氮、磷的吸收量，促進(jìn)干物質(zhì)積累，肥料表觀利用率與產(chǎn)量明顯提高，其中在常規(guī)施肥施用量降低15%、30%、60%基礎(chǔ)上施用生物炭，肥料表觀利用率與產(chǎn)量分別比單施等量未加炭的肥料提高327.87%和15.99%，比常規(guī)施肥的肥料利用率提高95.09%，產(chǎn)量提高10.51%，施炭效果明顯。無論單施生物炭或炭、肥互作，均對(duì)作物生長起到了一定促進(jìn)效應(yīng)，產(chǎn)量和品質(zhì)明顯提高。

3　生物炭肥在煙臺(tái)蘋果園中的應(yīng)用前景分析

蘋果是煙臺(tái)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，種植面積18余萬hm2，每年果園內(nèi)都會(huì)產(chǎn)量大量的修剪枝條、枯枝落葉，生物炭肥的研發(fā)，可為果園廢棄物提供一種高效無污染的利用方式，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林廢棄物的炭化綜合利用，可為解決農(nóng)林廢棄物資源化利用開辟一條新路。同時(shí)，煙臺(tái)蘋果生產(chǎn)一直實(shí)行“產(chǎn)量效益型”，只注重地上部管理，忽視了對(duì)根系生長環(huán)境、營養(yǎng)狀況等的管理。果園長期采用清耕法、大水漫灌和大量施用化學(xué)肥料，已導(dǎo)致全市范圍的果園土壤發(fā)生不同程度的酸化，部分果園土壤pH值低于5.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量也處于偏低狀態(tài)，土壤板結(jié)嚴(yán)重。生物炭肥作為一種微堿性肥料，有利于提高酸性土壤的pH值，增加土壤透氣度和微生物種群數(shù)量，吸附和沉淀有毒金屬元素，提高土壤的保水和保肥能力，從根本上改良土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)條件。

煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蘋果課題組的炭肥試驗(yàn)結(jié)果表明，果樹在盛果期施用復(fù)合肥的基礎(chǔ)上，增施一定量的稻殼炭肥，可有效提高富士果實(shí)中的可溶性固形物含量，降低可滴定酸含量，提高果實(shí)糖酸比，從而提高果實(shí)品質(zhì)。增施稻殼炭還能緩和復(fù)合肥的釋放，降低養(yǎng)分消耗，增加枝條的粗度，抑制當(dāng)年生枝條的旺長，提高花芽分化質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)果樹的豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。生物炭的生成理論基礎(chǔ)淺易，制備技術(shù)簡單，可以實(shí)現(xiàn)枝條在田間地頭的炭化。生物炭肥的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)果園廢棄物綜合利用，有效改善土壤理化性質(zhì)、增加產(chǎn)量和提升果實(shí)品質(zhì)，具有良好的應(yīng)用開發(fā)前景。

*通信作者，E-mail：jiangzhongwu@163.com

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院地合作引導(dǎo)計(jì)劃（2015YDHZ51），山東省2013年度農(nóng)業(yè)重大技術(shù)創(chuàng)新課題