生物炭的研究現(xiàn)狀與對(duì)策分析

田永強(qiáng)，張 正，張倩茹，尹 蓉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長(zhǎng)治046011）

生物炭的研究現(xiàn)狀與對(duì)策分析

田永強(qiáng)1，張 正2，張倩茹1，尹 蓉1

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長(zhǎng)治046011）

生物炭也稱生物質(zhì)炭，是生物質(zhì)原材料如植物組織、果園枝條、農(nóng)作物廢棄物、動(dòng)物骨骼等在厭氧或缺氧的條件下，高溫裂解炭化而成的一種富碳產(chǎn)物。生物炭技術(shù)作為新興的綜合技術(shù)，已成為全球農(nóng)業(yè)、生態(tài)和碳減排等領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。介紹了生物炭的基本特性，并對(duì)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述，最后分析了生物炭研究中存在的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的對(duì)策，希望為生物炭技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供一定的參考。

生物炭；土壤改良；碳匯；環(huán)境修復(fù)

生物炭技術(shù)近年來(lái)已逐漸成為國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)際生物質(zhì)炭聯(lián)盟（International Biochar Initiative，IBI）推動(dòng)了全球生物炭事業(yè)的快速健康發(fā)展，2009年英國(guó)洛桑試驗(yàn)站在Woburn農(nóng)場(chǎng)啟動(dòng)了有關(guān)生物炭的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)計(jì)劃，巴西農(nóng)業(yè)研究公司EMBRAPA開(kāi)展的生物炭項(xiàng)目已進(jìn)入了實(shí)施推廣階段，目標(biāo)是創(chuàng)造更多的“肥沃高碳黑土”[1-5]。2010年我國(guó)首個(gè)生物炭網(wǎng)絡(luò)中心的成立，對(duì)開(kāi)展生物炭的研究與應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。國(guó)內(nèi)外的科研工作者相繼對(duì)生物炭自身性質(zhì)及其在土壤改良、作物生長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境改善等方面進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果[6-9]。

本研究基于國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，綜述生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用狀況，分析研究應(yīng)用中存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)的對(duì)策，以期為生物炭的合理應(yīng)用與推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 生物炭基本特征

常見(jiàn)的生物炭有稻殼炭、秸稈炭和木炭等，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，顆粒細(xì)致、質(zhì)地較輕，為黑色蓬松狀固態(tài)物質(zhì)，C含量一般在70%以上，主要組成元素除C外，還包括H，O，N，S及少量的微量元素。生物炭原料來(lái)源廣泛，含C量高，具有豐富的孔狀結(jié)構(gòu)，比表面積大、呈堿性、吸附能力強(qiáng)、容重小、穩(wěn)定性高、成本低廉，其被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[10-11]。

2 生物炭的應(yīng)用

2.1 生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

農(nóng)用生物炭的作用主要表現(xiàn)為對(duì)土壤理化性質(zhì)、作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響[12]。生物炭被認(rèn)為是一種土壤改良劑。有研究表明，生物炭可降低土壤容重、增加土壤持水量、改善土壤孔隙度，但對(duì)肥力較高的土壤只明顯影響其容重。生物炭對(duì)土壤溫度的影響隨季節(jié)變化有差異，地溫偏低時(shí)生物炭提高地溫的作用更為明顯。另外，生物炭能夠增加土壤肥力。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭使酸性土壤pH值增加，對(duì)堿性土壤pH值卻影響不顯著。由于生物炭的施入會(huì)改變土壤條件，因此，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如土壤慢生根瘤菌科、放線菌等增加，鏈霉菌科與微單孢菌科等減少[13-15]。

對(duì)生物炭與作物產(chǎn)量關(guān)系的部分研究進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，50%的研究認(rèn)為，生物炭有利于作物增產(chǎn)，30%的研究認(rèn)為，生物炭對(duì)作物產(chǎn)量沒(méi)有影響；近20%的研究認(rèn)為，生物炭可使作物產(chǎn)量減少。生物炭與作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量之間的關(guān)系受生物炭自身的性質(zhì)、土壤的理化性質(zhì)和作物的生物學(xué)屬性等諸多因素的影響，因此，生物炭應(yīng)用于作物生產(chǎn)，也應(yīng)該靈活變通。特定條件下施用生物炭可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量已是不爭(zhēng)的事實(shí)，只要應(yīng)用恰當(dāng)，其正向效應(yīng)完全可以被利用，生物炭復(fù)合肥料將成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向[11-12]。

2.2 生物炭對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

合理施用生物炭不僅可以改善土壤性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量，還能夠有效地吸附土壤或沉積物中的有機(jī)污染物和重金屬。同時(shí)，生物炭難以被微生物降解，具有穩(wěn)定性，在固碳減排、緩解氣候變化方面具有積極的作用。

生物炭以其優(yōu)良的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)，生物炭技術(shù)在碳匯減排方面的應(yīng)用逐漸引起了廣泛的關(guān)注[16]。Lehmann[17]提出，利用生物炭技術(shù)可以每年降低10億t溫室氣體，Wolof等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭每年可減少全球溫室氣體總排放量的12%。CO2等溫室氣體的排放對(duì)氣候的影響非常明顯，施用生物炭可增加土壤中的“C庫(kù)”，生物炭具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，可使C元素在土壤中長(zhǎng)期封存，有利于緩解溫室效應(yīng)。

生物炭的生產(chǎn)和使用就是對(duì)大氣C素的固定過(guò)程，其在固碳減排、緩解氣候變化的同時(shí)還能夠吸附環(huán)境中的有機(jī)污染物。此外，生物炭表面的羧基、酸酐酚、羥基等多種基團(tuán)能夠促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。向被污染的土壤中添加生物炭已經(jīng)成為降低有機(jī)物污染的有效手段[19-20]。

3 存在的問(wèn)題及對(duì)策

有關(guān)生物炭對(duì)土壤條件的改善和作物產(chǎn)量的影響及其在固碳減排改善生態(tài)環(huán)境方面的報(bào)道已經(jīng)有很多，但依然缺乏較為系統(tǒng)的研究，關(guān)于生物炭的研究主要以室內(nèi)試驗(yàn)為主，缺少中長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)生物炭的作用機(jī)制更是缺乏深入的研究。因此，急需拓寬生物炭的研究領(lǐng)域，探索其作用機(jī)理，進(jìn)行較為系統(tǒng)和深入的研究。

目前，生物炭的生產(chǎn)和應(yīng)用尚未引起足夠的重視，還缺乏完善的產(chǎn)業(yè)鏈，因此，生物炭在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有大面積推廣應(yīng)用，仍停留在試驗(yàn)研究階段；生產(chǎn)設(shè)備大多從國(guó)外進(jìn)口，不易于在農(nóng)戶中間推廣；原料數(shù)量大、密度低與分散度高，收集難、儲(chǔ)運(yùn)難、利用效益低，大規(guī)模生產(chǎn)生物炭實(shí)施起來(lái)顯然難度很大。大面積推廣生物炭應(yīng)用需要政府經(jīng)濟(jì)和政策上的扶持，可采用小規(guī)模和工業(yè)化相結(jié)合的方式，將一定區(qū)域內(nèi)所有生物質(zhì)廢料都送到處理廠統(tǒng)一集中處理，裝有高溫分解設(shè)備的合成氣動(dòng)力車走鄉(xiāng)串戶，將制好的生物炭分發(fā)給農(nóng)戶。

最后，生物炭會(huì)增加土壤的堿化程度，應(yīng)用有一定的局限性，我國(guó)土壤的類型相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)土壤類型的不同，篩選、制備適宜的生物炭。我國(guó)生物炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)該以廢棄資源循環(huán)利用為基礎(chǔ)，避免環(huán)境污染，保障糧食安全，利用生物炭還田技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳匯減排，從根本上解決資源浪費(fèi)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］孔絲紡，姚興成，張江勇，等.生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，24（4）：716-723.

［2］潘根興，張阿鳳，鄒建文，等.農(nóng)業(yè)廢棄物生物黑炭轉(zhuǎn)化還田作為低碳農(nóng)業(yè)途徑的探討 [J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2010（4）：394-400.

［3］張阿鳳，潘根興，李戀卿.生物黑炭及其增匯減排與改良土壤意義[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2459-2463.

［4］Johannes L.Bio-energyin the Black[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2007，5（7）：381-387.

［5］張又弛，李會(huì)丹.生物炭對(duì)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及其生物地球化學(xué)功能的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，24（5）：898-905.

［6］翁福軍，盧樹(shù)昌.生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展與前景[J].北方園藝，2015（8）：199-203.

［7］何緒生，耿增超，佘雕，等.生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：1-7.

［8］Sombroek W.Amazon soils:A Reconnaissance of the soils of the brazilian amazon region[M].Wageningen：Center for Agricultural Publications and Documentation，1966.

［9］Baldock J A，Smernik R J.Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa（Red Pine）wood[J].Organic Geochemistry，2002，33（9）：1093-1109.

［10］呂宏虹，宮艷艷，唐景春，等.生物炭及其復(fù)合材料的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（8）：1429-1440.

［11］張千豐，王光華.生物炭理化性質(zhì)及對(duì)土壤改良效果的研究進(jìn)展[J].土壤與作物，2012，1（4）：219-226.

［12］陳溫福，張偉明，孟軍.農(nóng)用生物炭研究進(jìn)展與前景[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（16）：3324-3333.

［13］Laird D A，F(xiàn)leming P，Davis D D，et al.Impact of biochar amendment on the quality of a typical midwestern agricultural soil[J]. Geoderma，2010，158：443-449.

［14］Zwieten LVan，Kimber S，Morris S，et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil，2010，327（1/2）：235-246.

［15］Kimetu J M，Lehmann J.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents[J]. Australian Journal of Soil Research，2010，48（7）：577-585.

［16］何選明，馮東征，敖福祿，等.生物炭的特性及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].燃料與化工，2015，46（4）：1-3.

［17］Lehmann J.Ahandful of carbon[J].Nature，2007，443：143-144.

［18］Woolf D，Amonette J E，Strot－Perrott F A，et al.Sustainable biochar to mitigate global climate change[J].Nature Communications，2010，1（5）：1-9.

［19］李力，劉婭，陸宇超，等.生物炭的環(huán)境效應(yīng)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2011，30（8）：1411-1421.

［20］李振科.生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J].山西農(nóng)經(jīng)，2015（1）：94-96.

Research Current Situation and Countermeasures Analysis of Biochar

TIAN Yong-qiang1，ZHANG Zheng2，ZHANG Qian-ru1，YIN Rong1
（1.Institute of Pomology，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.Institute of Millet，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Changzhi 046011，China）

Biochar is a material derived from high temperature pyrolysis of biomass materials（plant tissues,orchard branches,crop waste,animal bones,etc）in anaerobic or anoxic conditions.Biochar is a new environmental functional material to which increasing attention was paid in many field.As a new synthetic technology,biochar technology became a hot spot in the fields of agriculture,ecology and carbon emission reduction.In this paper,the basic characteristics of the biochar were introduced,and its application in agricultural production and ecological environment were reviewed.Finally,the problems existing in the biochar research were analysed and the corresponding countermeasures were put forward,which provided some reference for the promotion and application of biochar technology.

biochar;soil improvement;carbon sink;environmental remediation

TK6

A

1002-2481（2016）05-0680-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.26

2015-12-22

田永強(qiáng)（1984-），女，山西五臺(tái)人，助理研究員，碩士，主要從事果樹(shù)病害研究工作。