生物炭在園林環(huán)保領(lǐng)域的研究進(jìn)展

呂高明　蔣琳琳　張敬沙　金一鳴

摘 要：該文從生物炭作為基質(zhì)、改良土壤、增加植物產(chǎn)量、提高植物觀賞價(jià)值、作為建筑材料、降低維護(hù)成本、固碳減排等方面介紹了生物炭在園林環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，分析了當(dāng)前生物炭在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并提出了今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：生物炭;園林環(huán)保;研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào) X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）12-0090-05

Abstract： With the developing of biochar′s research and application， the research and application of biochar in garden landscaping were carried out gradually. The main advanced research and application of biochar and its role in garden landscaping were introduced， including acting as substrates， improving soil， increasing plant yield， increasing plant ornamental value， acting as building materials and reducing maintenance costs， etc. Finally， the current problems of biochar in landscaping applications were pointed out and the directions of future research were brought forward.

Key words： Biochar; Landscaping and environmental protection; Research progress

Lehmann和Joseph將生物炭定義為“一個(gè)含有豐富碳元素的生物質(zhì)（如木材、糞肥或葉子）在一個(gè)極少或無(wú)空氣的密閉裝置中加熱后生成的物質(zhì)?！鄙锾康闹饕亟M成為碳，大約占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的66.6%～87.9%。生物炭表面含有大量的含氧活性基團(tuán)及孔隙度大的特征，使其應(yīng)用范圍廣，可作為替代活性炭及其他碳材料的環(huán)境友好型材料。

1 生物炭研究進(jìn)展

1.1 來(lái)源 生物質(zhì)通過(guò)熱分解轉(zhuǎn)化為氣體、生物油和生物炭，其中氣體和生物油可以代替化石燃料，而生物炭則被應(yīng)用于環(huán)境、農(nóng)業(yè)及綠化等領(lǐng)域。生物質(zhì)不僅包括活的生物體如植物、動(dòng)物，還包括動(dòng)物的排泄物、污泥及廢棄的木材等[1]。

1.1.1 農(nóng)作物秸稈 農(nóng)作物秸稈是最常見(jiàn)的生物炭原材料，其特點(diǎn)是碳含量較高。我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，但其資源化利用率較低，秸稈生物比表面積大、空隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、官能團(tuán)豐富，是優(yōu)良的吸附劑和催化劑[2]。秸稈生物炭可用于重金屬修復(fù)、有機(jī)物修復(fù)、改良土壤、減少溫室氣體排放等領(lǐng)域。

1.1.2 畜禽糞便 畜禽糞便也是常見(jiàn)的生物炭的原材料，糞便生物炭制品的碳含量低于秸稈生物炭，但其含有大量的羧基、羥基、羰基等官能團(tuán)，具有良好的吸附性能和穩(wěn)定性[3]。

1.1.3 餐廚垃圾 餐廚垃圾來(lái)自于公共食堂、家庭、餐飲行業(yè)等在餐前及餐后產(chǎn)生的食品殘余，含有大量的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類(lèi)，是制備生物炭的優(yōu)質(zhì)原料。餐廚垃圾的產(chǎn)生量大，2018年全國(guó)共產(chǎn)生10800萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)8.3%，據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)我國(guó)餐廚垃圾將持續(xù)增加。目前，對(duì)餐廚垃圾的處置主要有焚燒和填埋，但這些技術(shù)在處理過(guò)程中均會(huì)造成二次污染，目前將餐廚垃圾熱解制成生物碳是一種環(huán)境友好型處理技術(shù)[4]。

1.1.4 污泥 污泥是在工業(yè)及生活廢水處理工藝中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，目前我國(guó)產(chǎn)量不斷增高，在2018年我國(guó)污水處理廠共產(chǎn)生污泥5665萬(wàn)t，大量污泥亟需進(jìn)行處置及利用。當(dāng)前，對(duì)污泥的處置主要包括焚燒和填埋，而污泥熱解制備生物炭技術(shù)因?yàn)榫哂心軌驕p少能耗、控制重金屬溢出等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[5]。污泥制生物炭制品不僅可實(shí)現(xiàn)資源化利用，還可以降低污泥中的重金屬活性及生物有效性[6]。

1.1.5 園林廢棄物 是指園林植物自然凋落或人工修剪所產(chǎn)生樹(shù)葉，枝條，殘花和果實(shí)等的植物殘?bào)w，其具有較高的碳含量，是制備生物炭的優(yōu)良原材料。園林廢棄物生物炭制品可吸附水體中的重金屬，且不同原材料的園林廢棄物生物炭制品、同一原材料的不同部位的生物炭制品對(duì)重金屬的吸附效率不同[7]。

1.2 作用 生物炭制備價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好，有多種用途，如土壤修復(fù)，廢物管理，減少溫室氣體排放和能源生產(chǎn)等。

1.2.1 去除土壤及水體重金屬 生物炭與重金屬可以通過(guò)陽(yáng)離子-π作用、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)、共沉淀反應(yīng)、氧化還原作用和靜電吸附等方式將土壤或水體中的重金屬脫附達(dá)到去除重金屬的目的[8]。

1.2.2 去除土壤及水體有機(jī)物 生物炭可吸附土壤中農(nóng)藥殘留，例如可提高異丙隆吸附5倍，在吸附的同時(shí)減少農(nóng)藥的生物有效性，從而減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的毒害;在水環(huán)境中生物炭可減少農(nóng)藥淋溶到地下水中的量[9]。

1.2.3 改良土壤 生物炭容重低、粘性低，有增加鹽基飽和度、孔隙度、持水量、陽(yáng)離子交換容量和保持土壤養(yǎng)分的能力，從而達(dá)到改善土壤質(zhì)地和耕地性能。

1.2.4 增加土壤碳庫(kù)并減少溫室氣體排放 生物炭被固定到土壤中以后，會(huì)對(duì)土壤肥力產(chǎn)生積極影響[10]。生物炭的高持水能力可以增加土壤中碳的保留能力;生物炭中高濃度的鉀含量可以抑制產(chǎn)甲烷微生物的活性，減少甲烷的排放;生物炭可提高土壤pH，加強(qiáng)氧化亞氮（N2O）還原酶的活性，抑制N2O產(chǎn)生量;有些生物炭還可以釋放一些有毒有害物質(zhì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害，影響溫室氣體的排放;生物炭可提供電子穿梭體，與促進(jìn)溫室氣體產(chǎn)生的微生物競(jìng)爭(zhēng)電子，達(dá)到減少溫室氣體排放的目的[11]。

2 生物炭在園林環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用

2.1 作為基質(zhì)

2.1.1 育苗 生物炭目前已廣泛應(yīng)用于設(shè)施栽培和無(wú)土栽培，主要是利用其保水保肥特性，可減緩?fù)羵骷膊?、連作障礙、次生鹽堿化等[12]。無(wú)土栽培基質(zhì)中添加生物炭，可以增加鹽基飽和度、孔隙度、持水量、陽(yáng)離子交換容量，保持土壤養(yǎng)分，調(diào)節(jié)微生物群落組成以及控制土傳疾病的危害。生物炭中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失速度快，可以給植物補(bǔ)充養(yǎng)分[13];生物炭的加入可調(diào)節(jié)基質(zhì)的pH和電導(dǎo)率，改善空心菜在基質(zhì)栽培的生長(zhǎng)環(huán)境;在繡球的培育過(guò)程中加入含生物炭的基質(zhì)，可以提高基質(zhì)的持水能力，進(jìn)而降低灌溉頻率;將生物炭與其他基質(zhì)混合，可以促進(jìn)番茄幼苗的發(fā)育;木材制成的生物炭可在不影響盆栽植物生長(zhǎng)的情況下代替20%的泥炭基質(zhì)[14]。

2.1.2 綠色屋頂生長(zhǎng)介質(zhì) 屋頂綠化是指在各類(lèi)建筑、構(gòu)筑物的屋頂或露天區(qū)域種植綠色植物（樹(shù)木或花卉）的園林工程。在綠化區(qū)域需要施加肥料，減少營(yíng)養(yǎng)素流失顯得至關(guān)重要[15]。用生物炭作為綠色屋頂基質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）在酸雨產(chǎn)生的地區(qū)，生物炭的加入可以提高酸雨的pH;（2）生物炭通過(guò)物理、化學(xué)、生物的作用，可以減少屋頂徑流量和體積;（3）改善徑流水質(zhì)，減少水中污染物（有機(jī)物、重金屬）的含量;（4）供給植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。值得注意的是其還可以避免產(chǎn)生氮、磷等污染源。在意大利北部城市一項(xiàng)添加生物炭的屋頂綠化研究中證明，生物炭可滯留水分、延遲滯留時(shí)間[16]。

2.1.3 垂直綠化栽培 垂直綠化由于垂直空間的關(guān)系，其基質(zhì)一般需要具有固定植物、保持水分、質(zhì)地輕的特性，而基質(zhì)的養(yǎng)分流失快一直是困擾垂直綠化的難題之一。垂直綠化的基質(zhì)保肥性的開(kāi)發(fā)是其推廣與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。生物炭的保水保肥性能好、通氣性強(qiáng)的特點(diǎn)，使其成為垂直綠化基質(zhì)的良好材料。研究表明，在垂直綠化中添加稻殼生物炭后，基質(zhì)的孔隙度較高，全磷的流失速率較快，可以及時(shí)提供養(yǎng)分給植物;少量稻殼生物炭的加入，可改善基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)有效養(yǎng)分的供給[13]。

2.1.4 商業(yè)草坪 商業(yè)草坪在草皮移植過(guò)程中要切除表層的土壤，從而造成土壤有機(jī)質(zhì)及肥力的下降。在草坪土壤中添加生物炭，可改善草皮的健康狀況：在土壤中添加生物炭，可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和減緩養(yǎng)分的流失[17]。

2.1.5 海綿城市 在多雨季節(jié)，短時(shí)間內(nèi)大量降水造成城市內(nèi)澇現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，我國(guó)自2014年起推出海綿城市的城市雨洪管理理念，其目的是減少城市徑流，減緩污染物下滲。將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料可吸附污染物質(zhì)，減少?gòu)搅髁亢脱泳徲晁南聺B。研究表明，生物炭大量的毛管孔隙可有效儲(chǔ)存水分，減少填料總磷的含量，因此，可將生物炭作為填料滯留池[18]。生物炭還可加入城市中樹(shù)木種植的樹(shù)坑中，作為基質(zhì)的成分加入后，可以減少城市徑流及污染物的下滲[19]。

2.2 改良土壤 生物炭改良土壤的機(jī)制在于：（1）生物炭可以幫助保持水分和養(yǎng)分;（2）生物炭持水能力提高，使得植物灌溉頻率下降;（3）生物炭可以增加水脅迫抗性;（4）生物炭可以提供一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。主要應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

2.2.1 改良鹽堿土壤 生物炭中含有大量的鉀、鎂、磷等，可以在改良鹽堿土壤，生物炭∶土壤為1∶5添加到園林植物土壤中時(shí)，可使多年生木本植物的根系變粗大，并增加植物的抗性[20]。

2.2.2 改良污染土壤 生物炭去除土壤中的重金屬及有機(jī)物，可以減少污染物質(zhì)對(duì)植物的毒害及植物的吸收量。2.2.3 修復(fù)退化土壤 生物炭可以調(diào)復(fù)墾土壤中植物的成活率和生長(zhǎng)量，并改善土壤的質(zhì)量[21]。

2.2.4 增加土壤肥力 添加生物炭可以減少土壤酸度提高pH，降低土壤密度，增加土壤含水量，增加土壤養(yǎng)分。稻殼制成的生物炭的養(yǎng)分含量豐富，且全磷流失速率較快，需及時(shí)給植物補(bǔ)充養(yǎng)分[13]。

2.2.5 對(duì)土壤微生物的影響 生物炭可以增加溶解性有機(jī)碳、氮、磷，進(jìn)而影響微生物的群落[22];生物炭可促進(jìn)有益于植物生長(zhǎng)的微生物（假單胞細(xì)菌、芽孢細(xì)菌和木霉菌等）的生長(zhǎng)，其多孔結(jié)構(gòu)可以為微生物提供良好的生存繁殖環(huán)境[12]。有研究表明，3%生物炭可減少71%～74%的變形菌，而對(duì)假單胞菌屬的細(xì)菌及真菌沒(méi)有影響[11];生物炭加入土壤可抑制土壤細(xì)菌和真菌引起的植物土傳病害，將有機(jī)廢料制成的生物炭加入土壤可抑制立枯絲核菌引起的黃瓜猝倒病[12];生物炭的加入可以降低西紅柿和甜椒葉面致病真菌（灰霉病和白粉）的發(fā)病率;最近也有研究表明，加入生物炭后反而會(huì)增加微生物引起的一些疾病，比如，50%（V/V）生物炭加入到多種土壤中可以增加致病性致死腐霉（Pythium ultimum）的豐度;生物炭的添加可能潛在地影響土壤中氮碳和磷循環(huán)相關(guān)的某些微生物的生長(zhǎng)[11];在杉木人工林土壤施用300℃杉葉炭生物炭，提高了土壤細(xì)菌的豐度，而添加其他生物炭則降低了細(xì)菌豐度。

2.2.6 作為緩釋肥料載體 由于生物炭比表面積大，土壤持水量大，其一方面可以延緩肥料的釋放，另一方面增加了土壤養(yǎng)分吸附交換，從而增加了土壤養(yǎng)分是良好的緩釋肥料載體。

2.3 增加植物生物量 生物炭可增加土壤孔隙度、提高土壤含水量、增加土壤養(yǎng)分，進(jìn)而有利于植物生長(zhǎng)[23]。Meta研究表明，生物炭可以提高樹(shù)種幼苗生長(zhǎng)量[24]，增加生物量[25]。研究表明，當(dāng)泥炭基質(zhì)中加入生物炭的量大于25%，對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用明顯[26];覆蓋生物炭可以土壤促進(jìn)紫嬌花和北美海棠生長(zhǎng)[27];在室溫條件下，添加生物炭到盆栽土壤中，具有低密度和高孔隙度的生物炭可提高羅勒和生菜的生物量[25];生物炭可以提高植物抗水的抗脅迫能力[28]，進(jìn)而間接也促進(jìn)植物的生長(zhǎng);生物炭可提高植物的光能和水分利用率，有效地改善黃連木的光合生理特性，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng)[29]。

2.4 減少植物病害 基質(zhì)或土壤中加入生物炭可以使植物免受化感物質(zhì)的毒害;生物炭可防止一些土傳病害（病原菌分泌的致病因子）引起的植物病害;生物炭還能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對(duì)病害的抗性。研究表明，土壤中添加生物碳后，紫嬌花的黃葉、枯葉及不良長(zhǎng)勢(shì)下降20%～100%;北美海棠的不良長(zhǎng)勢(shì)、枯枝率和根基萌芽下降50%～80%[27];加入30%生物炭可以減少幼苗的根區(qū)萎蔫率;較低濃度（≤1%）生物炭的常常抑制幾種疾病對(duì)植物病害[26];連續(xù)2年施加灌溉5%的生物炭在土壤可增加植物的防御能力，從而減少北美紅櫟（Quercus rubra）[15]和紅花槭（Acer rubrum L.）植物的患病率[30]。

2.5 提高植物觀賞價(jià)值 添加生物炭的土壤或者基質(zhì)，可以改善植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，減少不良長(zhǎng)勢(shì)的概率，增加觀賞性[31]。錢(qián)新鋒研究表明，土壤表面覆蓋生物炭可以促進(jìn)紫嬌花和北美海棠的生長(zhǎng)，降低紫嬌花的黃葉、枯葉和不良長(zhǎng)勢(shì)，降低北美海棠的不良長(zhǎng)勢(shì)和枯枝率和根基萌芽[27];添加生物炭的培養(yǎng)基質(zhì)簕杜鵑冠幅提高40.1%，3葉片葉綠素值提高25.2%;在基質(zhì)中添加生物炭和腐殖酸，可增加龜背竹的觀賞性;加入生物炭可以提高觀賞植物矮牽牛和天竺葵的高度及開(kāi)花數(shù)目[32];新加坡二級(jí)城市樹(shù)種雨樹(shù)薩滿和白樹(shù)屬多花植物，在生物炭和堆肥混合施加后植物的高度增高[33];加入生物炭后觀賞植物竹芋莢株高，冠寬度，葉片分別增加89.1%、31.1%、94.1%[34];在美國(guó)紅楓幼苗基質(zhì)中添加不同含量生物炭，會(huì)使土壤養(yǎng)分、幼苗養(yǎng)分和植株體內(nèi)多種色素含量均發(fā)生變化，其葉片變色較快，呈色最紅，紅葉持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，適合后期觀賞[35]。

2.6 作為建筑材料 生物炭可以添加入水泥、隔音材料或者玻璃里，提高建筑材料的實(shí)用性。雖然水泥中加入生物炭還未被量產(chǎn)，但研究表明，水泥的機(jī)械性能和耐久性在加入生物炭后均有所提高。生物炭顆粒的大小可影響水泥的流體性能、強(qiáng)度及滲透性：大的孔隙度生物炭（直徑2～100um）加入水泥漿時(shí)，不影響水泥的水化作用;小的孔隙度生物炭（直徑小于2um）可提高水泥水化初期的強(qiáng)度及密度;生物炭混合氧化鎂及低灰分的大米秸稈[24]添加進(jìn)水泥，均可來(lái)調(diào)劑水泥材料的自發(fā)縮小現(xiàn)象;提前浸泡好的生物炭顆粒加入水泥后可減少其吸水性，水的滲透深度可增加60%[32，36];加入生物炭或者生物炭全部替代水泥的超高強(qiáng)度混凝土經(jīng)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)：生物炭可以增加混凝土相互之間的作用：水泥水合物沉積物的表面及生物炭表面孔隙表面具有致密界面過(guò)渡區(qū)，進(jìn)一步說(shuō)明生物炭可改進(jìn)水化作用。除此之外，自然陶土和生物炭混合加入到隔音材料里，可以提高材料對(duì)水蒸氣的耐受性[37];生物炭加入玻璃纖維混合材料里，降低阻尼率并增加儲(chǔ)能模量到4GPa，并在體積比為10%生物炭時(shí)的剛度最大[38]。

2.7 降低維護(hù)成本 對(duì)于公路兩側(cè)及難抵達(dá)的區(qū)域植物維護(hù)成本高。生物炭可以提高品種的越冬能力，強(qiáng)化樹(shù)木承受灰塵、風(fēng)、雨雪傷害的能力，減少維護(hù)次數(shù)，降低維護(hù)成本。在芬蘭中南部城市圖爾庫(kù)為了視覺(jué)上的美觀，在一條繁忙的高速公路兩側(cè)以污水污泥和落葉制成生物炭堆肥消化后當(dāng)作生長(zhǎng)介質(zhì)，種植多年生草本植物、觀賞草和灌木，經(jīng)過(guò)2個(gè)生長(zhǎng)季的持續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)生物炭沒(méi)有影響灌木的生長(zhǎng)，但是可增加草本植物的越冬性[39]。

2.8 增加土壤固碳能力，減緩溫室效應(yīng) 生物炭應(yīng)用于松樹(shù)森林土壤中可降低31.5%的二氧化碳（CO2）排放量[40];雞糞制成的生物炭可顯著促進(jìn)森林土壤吸收甲烷[41];竹葉制成的生物炭可顯著降低人工林地板栗林區(qū)土壤N2O的排放量[42-43]。因此，生物炭可以降低林地土壤溫室氣體的排放，從而減緩溫室效應(yīng)。

3 展望及建議

綜上，生物炭在園林環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用中具有積極作用并且具有廣闊的應(yīng)用前景，但對(duì)于生物炭的標(biāo)準(zhǔn)化方面尚有所欠缺。因此，提出以下建議：

（1）由于制備原料和制備條件的不同，今導(dǎo)致生物炭產(chǎn)率、理化性質(zhì)以及使用過(guò)程中產(chǎn)生的效果不盡相同，因此，應(yīng)將生物炭原料和制備條件標(biāo)準(zhǔn)化;

（2）不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)生物炭功能需求不同，因此，應(yīng)將生物炭的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化，并在應(yīng)用過(guò)程中不斷優(yōu)化生物炭各項(xiàng)指數(shù)指標(biāo)。

（3）生物炭作為建筑材料的研究尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，在今后的研究中，可根據(jù)項(xiàng)目的需求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究成果合理使用。

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