生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)展

呂貝貝，張貴云，張麗萍，劉 珍，范巧蘭，姚 眾

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城044000）

IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會）第四次評估報告曾指出，農(nóng)業(yè)是溫室氣體的第二大重要來源[1]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的逐步推進(jìn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)廢棄物的數(shù)量日趨上升，農(nóng)業(yè)問題也日益突出。農(nóng)業(yè)廢棄物也稱農(nóng)業(yè)垃圾，指的是整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所廢棄的有機(jī)物質(zhì)，其種類較多，大體上可分為農(nóng)業(yè)加工產(chǎn)生的廢棄物、農(nóng)林業(yè)活動產(chǎn)生的植物類廢棄物、牧漁業(yè)活動產(chǎn)生的動物類廢棄物，以及農(nóng)村城鎮(zhèn)生活垃圾等[2]。我國是目前世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出數(shù)量最大的國家[3]，農(nóng)業(yè)廢棄物是一種放錯了的資源，置之不理就是污染源，將其合理的利用可以變成取之不盡的再生資源[4]。以農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)為主要原料制備的生物炭，在處理農(nóng)業(yè)問題上獨(dú)具優(yōu)勢，可以同時實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益與社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，備受研究人員的青睞。

自20世紀(jì)80年代以來，全球范圍對生物炭的研究相繼展開，生物炭與農(nóng)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，它的出現(xiàn)一方面有效解決了大量農(nóng)業(yè)廢棄物處理的難題，維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；另一方面作為碳匯產(chǎn)品，為緩解全球溫室效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)[5]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中扮演著重要的角色。

本研究在結(jié)合國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了生物炭在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，指出存在的問題，并提出了未來的發(fā)展方向，以推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 生物炭概述

生物炭是由生物質(zhì)在高溫限氧的控制條件下經(jīng)過裂解炭化而成的固體物質(zhì)，其形成過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過冷卻分離可以得到木醋液、生物油及可燃?xì)怏w3種副產(chǎn)品[6]。生物炭中主要含有C，H，O，N及少量微量元素，與原材料相比，C的含量有所增加，此外還含有一定比例的灰分[7]，灰分是生物質(zhì)原料在燃燒后所殘留的含 K，Ca，Mg，Si等元素的礦物質(zhì)，熱解的溫度越高，灰分所占的比例也隨之升高[8]。

多項(xiàng)研究表明，不同的原料和熱解條件下所制備的生物炭，理化性質(zhì)也有很大的差別[9]。對于木本植物、草本植物或畜禽糞便這3種原料分別制得的3類生物炭而言，其含碳量順序由高到低依次為木本植物、草本植物、畜禽糞便，而灰分的含量則恰好相反[8]。即便如此，科學(xué)家們在其結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)的認(rèn)知上仍存在一致觀點(diǎn)，概括起來有以下3個方面：一是含碳量豐富，尤其是穩(wěn)定碳，芳香化程度高，有穩(wěn)定的理化性質(zhì)和較強(qiáng)的抗生物分解能力，是生物炭實(shí)現(xiàn)碳封存的基礎(chǔ)；二是富含微孔，比表面積大，具有很強(qiáng)的吸附能力，表面含有豐富的官能團(tuán)，施入土壤可改善土壤狀況；三是含有植物生長所必需的營養(yǎng)元素，可減少化肥的使用[10]。

2 生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定了其在許多行業(yè)都具有廣泛的用途，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理、建筑業(yè)等[11]。筆者主要介紹生物炭在土壤改良、農(nóng)業(yè)作物生長、農(nóng)業(yè)環(huán)境及其相關(guān)產(chǎn)品上的應(yīng)用。

2.1 生物炭在農(nóng)業(yè)土壤改良上的應(yīng)用

生物炭的性質(zhì)穩(wěn)定，可以長期固定于土壤中[12]，作為一種土壤改良劑，對土壤的影響主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）生物炭可以提高土壤的pH值。生物炭中含有一定量的礦物質(zhì)元素，這些元素溶于水后呈堿性，加入到土壤后，中和土壤的酸性，從而提高土壤的pH值。這一點(diǎn)對于改良酸性土壤具有重大意義，但對堿性土壤pH的影響并不明顯。（2）生物炭豐富的微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積使得其可以吸附水和多種離子，減少可溶性離子的損失，提高土壤的保水保肥能力[13]，還可以吸附土壤中的重金屬（如Pb，Cd）、有機(jī)污染物（如農(nóng)藥）等[14]。此外，還可以改善土壤的通透性[15]，降低土壤容重及密度[16]。（3）生物炭較大的比表面積和表面豐富的芳環(huán)結(jié)構(gòu)、羥羧基等官能團(tuán)可以提高土壤的陽離子交換量（CEC）[17]。土壤CEC的大小基本代表土壤可能保持的養(yǎng)分量，即土壤保肥性的高低，生物炭對低CEC、酸性土壤CEC有明顯改善作用[18]。（4）生物炭富含有機(jī)碳，在土壤中加入生物炭能夠增加土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)或有機(jī)質(zhì)的含量，提高土壤持水量和養(yǎng)分吸持量[19]。（5）加入生物炭可以調(diào)節(jié)土壤中微生物的菌群結(jié)構(gòu)及土壤酶活力，增加微生物的數(shù)量[20]。同時，微生物呼吸會釋放出CO2，白天可以增強(qiáng)植物光合作用積累有機(jī)物，夜間可以抑制植物呼吸，減少有機(jī)物的消耗。此外，施用生物炭還可以為植物生長提供豐富的氮肥[21]，促進(jìn)根瘤菌、叢枝狀菌根（AM）菌的侵染和繁殖[22]。

2.2 生物炭在農(nóng)作物生長上的應(yīng)用

生物炭不僅可以改良土壤，還可以發(fā)揮肥料作用[18]。生物炭含有植物生長所必需的營養(yǎng)元素，具有良好的物理性質(zhì)和調(diào)控養(yǎng)分的作用[23]，這使得其在施入土壤后，會與土壤相互作用，發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)，促進(jìn)植物種子萌發(fā)和植株生長，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量[24]。生物炭可以減少肥料可用有效養(yǎng)分如銨離子、磷酸根離子的流失，延長肥料供肥時間，從而利于作物生長[25]。此外，SPOKAS等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭還可以釋放乙烯，影響土壤微生物和植物生長發(fā)育進(jìn)程。添加生物炭后土壤中微生物菌群結(jié)構(gòu)的改變，也有助于植物抵抗病害，促進(jìn)作物生長[20]。

也有研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量沒有影響甚至存在抑制作用[27]。HIDETOSHI等[28]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭并沒有促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高。而張晗芝等[29]通過田間盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入不同水平由小麥秸稈制成的生物炭，對苗期玉米的生長均有不同程度的抑制，隨著玉米的生長，抑制作用也逐漸減少。通常情況下，生物炭的不同施用量對作物產(chǎn)量的影響也不同，用量較低可以增加作物生物量，用量較高反而會減少作物生物量[18]。

2.3 生物炭在農(nóng)業(yè)環(huán)境方面的應(yīng)用

2.3.1 生物炭在農(nóng)業(yè)污染治理方面的應(yīng)用 土壤的重金屬包括銅、鎘、鉛等，不合理的污水灌溉、廢氣排放及重金屬制品的使用都會導(dǎo)致土壤重金屬污染[30]。重金屬污染不僅會影響植物根和葉的正常發(fā)育，威脅糧食安全，還會危及周邊及地下水體。據(jù)調(diào)查，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中噴施的粉劑農(nóng)藥中，僅有10%會附著在植物體上發(fā)揮作用；液劑農(nóng)藥中僅有20%會附著在植物體上發(fā)揮作用，40%～60%會降落在地面上，還有一部分會漂浮在空氣中，那些落在地面的農(nóng)藥會隨降雨等滲進(jìn)地表及地下水體，形成農(nóng)業(yè)面源污染[31]。此外，不合理的灌溉方式和施肥方式也會使部分營養(yǎng)元素不能被作物利用，隨之進(jìn)入地表及地下水體，尤其是氮、磷的流失，造成水體富營養(yǎng)化，引起農(nóng)業(yè)面源污染[32]。多項(xiàng)研究表明，生物炭的施入不僅可以吸附土壤中的重金屬元素、農(nóng)藥中的有機(jī)污染物，降低其生物有效性，還可以抑制氮、磷的流失，改善農(nóng)業(yè)污染狀況[33]。

2.3.2 生物炭在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境上的應(yīng)用 農(nóng)田溫室氣體主要有 CO2，CH4，N2O[34]，這些溫室氣體的排放會加劇全球變暖。將農(nóng)業(yè)廢棄物制成生物炭可以減輕秸稈等農(nóng)作物燃燒所造成的環(huán)境污染，降低溫室氣體排放量。研究結(jié)果表明，土壤中施加生物炭，其NOx的排放可大約減少80%，CH4的排放抑制率幾乎能達(dá)到100%[35]。不僅如此，在土壤中加入生物炭可以增加土壤C庫，而且生物炭高的穩(wěn)定性還可以實(shí)現(xiàn)C封存[36]，同時生物質(zhì)炭化還田還有益于土壤C/N平衡及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡，維持耕地可持續(xù)生產(chǎn)[10]。

2.4 生物炭相關(guān)產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

2.4.1 生物炭基肥在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 生物炭基肥是以生物質(zhì)炭為基質(zhì)，根據(jù)不同區(qū)域土地的特點(diǎn)、不同作物生長的特點(diǎn)以及科學(xué)施肥原理，添加有機(jī)質(zhì)或無機(jī)質(zhì)配制而成的生態(tài)環(huán)保型肥料。生物炭基肥的模式主要有3種：炭基有機(jī)肥模式、炭基無機(jī)肥模式、炭基有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥模式[37]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開化肥，但化肥的利用率普遍較低，將生物炭與化肥混合配施不僅可以保留生物炭原本的性能，而且也能緩釋肥效，提高化肥利用率，實(shí)現(xiàn)化肥減施[38]。

2.4.2 木醋液在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 木醋液是生物質(zhì)在熱裂解過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過冷凝后產(chǎn)生的一種弱酸性水溶液[39]。木醋液可以用于殺菌防病防蟲，防治植物病蟲害[40]。將木醋液噴施到土壤或葉面上，可以改善作物性狀，促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量，有效激活土壤中微生物，促進(jìn)微生物繁殖，尤其是細(xì)菌的增殖[41]。此外，木醋液配合葉面肥或農(nóng)藥使用可以使二者得到高效利用，從而減少化肥農(nóng)藥的用量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[11]。

3 展望

生物炭在農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域上發(fā)揮了明顯的作用，擁有巨大的潛力，但在一些關(guān)鍵問題上還存在較大爭議。（1）不同的原料和制備條件制成的生物炭理化性質(zhì)有較大差異；（2）對其作用機(jī)制的研究還不徹底；（3）一些研究由于缺乏長期大量試驗(yàn)，數(shù)據(jù)說服力不足，有些研究結(jié)果甚至相互矛盾；（4）生物炭在制取過程中會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，對動植物和微生物有毒害作用；（5）長期大量施用生物炭的效果和風(fēng)險不完全清楚；（6）有關(guān)生物炭基肥的研究仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段等。因此，急需深入探索生物炭的作用機(jī)制[42]，根據(jù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的具體需要，加強(qiáng)對不同類型生物炭制取工藝的研究，優(yōu)化生物炭的特性[43]；充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)生物炭的規(guī)?；a(chǎn)；尋求高效的炭基緩釋肥、炭肥配施方案，真正實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥減施，減少農(nóng)業(yè)面源污染；此外，由于生物炭作為微生物載體，可以對某些有機(jī)物進(jìn)行降解，在環(huán)境污染修復(fù)方面已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，故應(yīng)加強(qiáng)其對農(nóng)業(yè)環(huán)境污染修復(fù)治理方面的研究[44]?？傊茖W(xué)合理的使用生物炭，充分發(fā)揮其在農(nóng)業(yè)中的作用，注重交叉學(xué)科的應(yīng)用，建立健全長期全面系統(tǒng)的評估機(jī)制，以利實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。