生物炭在玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用

趙方奎 王春蓮

摘 要：生物炭作為一種新型技術(shù)產(chǎn)品，近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等問(wèn)題的日益凸顯，已逐漸引起了眾多學(xué)者的重視，對(duì)生物炭的研究也成為焦點(diǎn)。生物炭憑借其特有性質(zhì)，在玉米生產(chǎn)中得到日益廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物炭及其在農(nóng)用方面的應(yīng)用已開(kāi)展了許多研究工作，該文綜述了生物炭在玉米生產(chǎn)中上應(yīng)用的研究進(jìn)展，以為生物炭的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭;農(nóng)業(yè);玉米;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) S513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）14-0098-03

Abstract：Biochar as a new technology product，especially with the increasingly prominent problems of agriculture，environment，energy，etc.，has gradually attracted the attention of many scholars，and the research on biochar has become the focus.Biochar，with its unique properties，promotes agricultural production，especially in the process of corn planting.A lot of research work has been done on biochar and its application in agriculture at home and abroad.Many? research results have promoted the progress of agriculture. This paper focuses on the application of biochar in corn production， provided theoretical basis for farmers to use biochar flexibly.

Key words： Biochar; Agriculture; Corn; Application

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化進(jìn)程的加速，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化肥導(dǎo)致土壤板結(jié)酸化、土壤內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素含量降低等問(wèn)題日益嚴(yán)重，在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和新型農(nóng)業(yè)進(jìn)程。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，不僅可以供食用，也是飼料、燃料、醫(yī)藥等的主要原料。玉米不僅含有豐富的脂肪、維生素和蛋白質(zhì)，還含有植物纖維素、玉米黃質(zhì)及胡蘿卜素，在人類(lèi)食品營(yíng)養(yǎng)健康方面有著重要作用，具有很高的營(yíng)養(yǎng)和保健價(jià)值。

1 生物炭概述

目前，生物炭作為一種新型秸稈資源開(kāi)發(fā)利用的產(chǎn)物，受到了越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注。生物炭與一般木炭不同，其含有的碳含量極高。生物炭，又稱(chēng)生物焦、生物黑炭，是指低氧高溫的密閉環(huán)境中，通過(guò)將木材、農(nóng)作物秸稈或禽畜糞便等有機(jī)物碳化而生成的具有穩(wěn)定的性質(zhì)及含有較豐富的官能團(tuán)的固態(tài)物質(zhì)[1]。在能源化工、環(huán)境、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，生物炭均有所應(yīng)用，如：生物炭在處理工業(yè)和生活中的污水方面具有較好的作用，可將污水中的重金屬離子有效吸附，起到凈化水質(zhì)的作用。在植樹(shù)造林時(shí)，每株穴內(nèi)放置適量生物炭可以使樹(shù)木扎根深，促進(jìn)愈傷組織生長(zhǎng)，從而有效地提高了樹(shù)木的成活率。生物炭幾乎是純碳，在土壤中可以保存幾百甚至上千年不會(huì)消失，具有結(jié)構(gòu)多孔、比表面積大、官能團(tuán)多樣、不易在短時(shí)間內(nèi)分解、較高的陽(yáng)離子交換能力、理化性質(zhì)穩(wěn)定和具有較強(qiáng)的吸附和抗氧化能力等良好的結(jié)構(gòu)特性與基礎(chǔ)理化特性。生物炭?jī)?nèi)除含有豐富的碳，其中的鈣、鎂等礦質(zhì)元素及碳酸鹽物質(zhì)含量也相當(dāng)高，屬于堿性物質(zhì)。生物炭為多孔結(jié)構(gòu)，富含微孔，可以有效地保存土壤中的水分，協(xié)調(diào)土壤中的水氣關(guān)系，還可以提高土壤中的有機(jī)物和養(yǎng)分含量，避免土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的缺失并降低土壤的抗張力度和密度、提高土壤酶活性。由于生物炭獨(dú)特的理化性質(zhì)為作物的增產(chǎn)提供了保障，在新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中越來(lái)越多的學(xué)者傾向于對(duì)生物炭的研究[2]。

2 生物炭在玉米生產(chǎn)上的作用

2.1 對(duì)玉米形態(tài)指標(biāo)的影響 玉米莖稈和葉作為其營(yíng)養(yǎng)器官，主要作用是吸收并貯存水分、礦質(zhì)養(yǎng)料等，同時(shí)莖稈還具有固定玉米植株的作用，在玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期起著重要的作用。莖稈生長(zhǎng)狀況對(duì)玉米產(chǎn)量具有重要的影響。株高和莖粗是玉米形態(tài)指標(biāo)中相對(duì)穩(wěn)定的因素，主要由自身的性狀表現(xiàn)來(lái)決定的，但受外界環(huán)境條件的影響也較為明顯。將生物炭施入鹽漬土中，可以利用其吸附功能和陽(yáng)離子交換能力來(lái)降低土壤中的鹽含量，減緩鹽脅迫。因此，在鹽脅迫阻礙玉米生長(zhǎng)的條件下，玉米莖稈的生長(zhǎng)可以依靠生物炭來(lái)協(xié)調(diào)[3]。生物炭作為一種新型的土壤重金屬改良劑已被廣泛研究，生物炭表面有大量的負(fù)電荷，含氧功能基團(tuán)可以吸附和鈍化重金屬離子。故在重金屬鉛脅迫下，玉米莖稈的生長(zhǎng)仍可以依靠生物炭來(lái)協(xié)調(diào)[4]。玉米在生長(zhǎng)時(shí)期施用生物炭可以提高玉米莖稈中的鉀含量和干物質(zhì)含量，其莖粗和莖稈彈力等都有增強(qiáng)，提高玉米的抗倒伏能力[5]。若將生物炭的施用量控制在一定范圍內(nèi)，隨著生物炭施用量的增加，玉米的莖粗、株高、葉長(zhǎng)和葉寬等形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。說(shuō)明生物炭施用能夠促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)，對(duì)玉米的形態(tài)指標(biāo)具有明顯的影響。

2.2 對(duì)玉米葉片生理指標(biāo)的影響 葉片不僅是玉米植株的營(yíng)養(yǎng)器官也是同化器官，其主要作用是進(jìn)行光合作用和蒸騰作用及養(yǎng)分運(yùn)輸。玉米光合能力的高低主要取決于葉片中的葉綠素含量，因而提高葉片中葉綠素含量有助于有效捕獲光能，提高光能利用率[6]。葉綠素的多少取決于葉面積的大小，故玉米葉面積不僅決定著玉米籽粒源庫(kù)關(guān)系中庫(kù)的建成，還直接影響玉米的光合能力和產(chǎn)量。生物炭所具有的多孔結(jié)構(gòu)和高礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，不僅能夠?yàn)橛衩妆Ｋ７?，提供良好的土壤環(huán)境，還能為土壤中的微生物進(jìn)行活動(dòng)創(chuàng)造良好的場(chǎng)所，使土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)有利于玉米植株的生長(zhǎng)，維持土壤結(jié)構(gòu)的平衡，有利于土壤微生物改善土壤環(huán)境，吸收土壤中可利用的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，緩解葉綠素的分解，促進(jìn)玉米葉片光和色素的合成，繼而提高玉米的光合作用能力[7]。在植物體生長(zhǎng)過(guò)程中，膜脂過(guò)氧化會(huì)對(duì)細(xì)胞膜造成傷害，在植物體內(nèi)由過(guò)氧化氫酶（CAT）超氧化物歧化酶（SOD）過(guò)氧化物酶（POD）等組成細(xì)胞酶防御系統(tǒng)，對(duì)活性氧動(dòng)態(tài)平衡的維持和細(xì)胞內(nèi)活性氧的消除起著重要作用，而施用生物炭可以有效增加玉米葉片中（CAT）、（SOD）、（POD）等的活性，降低玉米葉片中丙二醛（MDA）含量，防止細(xì)胞膜損傷[8]。通過(guò)施用生物炭可以提高葉片中葉綠素含量和相關(guān)酶的活性，促進(jìn)玉米在生育后期的光合作用面積及時(shí)間的增加，使玉米植株的干物質(zhì)積累增多，從而為提高玉米的后期產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

2.3 對(duì)玉米產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量的影響 隨著新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物炭的研究越來(lái)越傾向于農(nóng)業(yè)方面。大量研究表明，生物炭在一定程度上能夠提高玉米產(chǎn)量，但有關(guān)生物炭如何提高玉米產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量出現(xiàn)了不一樣的見(jiàn)解。玉米植株對(duì)氮磷鉀的利用率可以依靠施用生物炭來(lái)提高 [9]。氮磷鉀是玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可替代的元素，可有效可以提高玉米的產(chǎn)量。然而，氮磷鉀等元素主要來(lái)源于傳統(tǒng)化肥，在施肥過(guò)程中容易發(fā)生淋失現(xiàn)象，玉米并沒(méi)有很好地利用。生物炭是一種良好的土壤改良劑和吸附劑，本身具有一定量的氮磷鉀，而且土壤還可以利用其具有較大表面積和多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)對(duì)氮、磷、鉀等離子的吸附能力，使其在土壤中穩(wěn)定存在[10]，繼而提高玉米植株對(duì)氮磷鉀的利用率，使作物達(dá)到增產(chǎn)的效果。生物炭與傳統(tǒng)化肥混合配施，不僅可以將其本身的理化性質(zhì)充分利用，還能夠提高玉米對(duì)傳統(tǒng)化肥的利用率。生物炭對(duì)土壤中NO3-和NH4+具有一定的吸附作用，提高土壤中的pH，減少土壤交換性鋁離子和交換性氫離子[11]。生物炭這一作用恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)化肥一次性施入土壤中，大量氮素淋失的缺點(diǎn)。生物炭與傳統(tǒng)化肥配施能夠調(diào)控氮素的釋放，減少氮素的損失，提高氮素利用率，提高玉米的穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重、千粒重等產(chǎn)量性狀，從而提高玉米產(chǎn)量。生物炭本身的理化性質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量都有一定的影響。但有研究表明，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，生物炭施用量須適量才能對(duì)作物生長(zhǎng)起到正效應(yīng)[12]。在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，生物炭施用量過(guò)高不僅會(huì)造成浪費(fèi)，還會(huì)玉米植株的形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量性狀降低，繼而對(duì)玉米產(chǎn)量有一定的影響。

3 展望

目前，農(nóng)業(yè)是生物炭應(yīng)用最為廣泛和成熟的領(lǐng)域。中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)廢棄物年排放量多達(dá)40多億t，是全世界農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國(guó)家[13]。生物炭的原材料之一就是農(nóng)業(yè)廢棄物，施用生物炭不僅會(huì)解決農(nóng)業(yè)廢棄物的排放問(wèn)題，還可以對(duì)因長(zhǎng)期使用化肥而受到損傷和貧瘠的土壤進(jìn)行修復(fù)。玉米是中國(guó)第3大糧食作物，對(duì)于調(diào)節(jié)我國(guó)糧食總產(chǎn)量具有重要作用。生物炭憑借其特有的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性，對(duì)玉米的形態(tài)指標(biāo)、葉片生理指標(biāo)、產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量及根系等都有重要作用。因此，將生物炭應(yīng)用于玉米種植中，可以達(dá)到多重目的。目前，對(duì)生物炭應(yīng)用于玉米種植中已取得了良好的效果，今后仍有待進(jìn)一步研究，以期為農(nóng)戶靈活施用生物炭提供依據(jù)。

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（責(zé)編：張宏民）