我國農(nóng)作物秸稈分布特征與秸稈炭基肥制備應(yīng)用研究進(jìn)展

鐘磊，栗高源，陳冠益，2，3*，王一喆，陳紅云，武文竹，李金磊，宋英今，顏蓓蓓

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；3.西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850012；4.新苑陽光農(nóng)業(yè)有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，以秸稈為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量激增，全球每年有近40 億t 的產(chǎn)量，我國每年秸稈產(chǎn)量可達(dá)到9.8億t，如何高效資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物是當(dāng)下亟待解決的問題。傳統(tǒng)的秸稈利用以直接還田、焚燒或丟棄為主，不僅利用效率低下，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。如何在不造成環(huán)境污染的前提下，高效利用秸稈資源成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點。

生物炭主要是以農(nóng)業(yè)廢棄物（如秸稈、動物糞便等）為原料，在厭氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定溫度（<700 ℃）熱解產(chǎn)生的含碳量高、具有較大比表面積的穩(wěn)定固態(tài)物質(zhì)，其成分除了C 以外，還包括H、O、N、S 以及少量的微量元素[1]。利用生物炭與肥料摻混、包膜定型以及化學(xué)反應(yīng)等方式制備炭基肥，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已被廣泛研究[2]。因此，以秸稈為原料制備高品質(zhì)生物炭控釋材料，與肥料混合生產(chǎn)生物炭基肥料，成為利用秸稈資源替代傳統(tǒng)化肥的主要途徑之一，這不僅有利于農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效，還能降低農(nóng)田面源污染風(fēng)險[3]。2017年4月，農(nóng)業(yè)部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于推介發(fā)布秸稈農(nóng)用十大模式的通知》（農(nóng)辦科〔2017〕24 號文件），提倡將秸稈炭化還田、土壤改良技術(shù)作為重點秸稈農(nóng)用模式推廣。2020 年，秸稈炭基肥利用增效技術(shù)入選了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部十大引領(lǐng)性技術(shù)，極大推進(jìn)了秸稈炭基肥的市場化進(jìn)程。本文以秸稈炭化制肥為出發(fā)點，對我國農(nóng)業(yè)秸稈的分布特征、生物炭與炭基肥制備技術(shù)及相關(guān)土壤應(yīng)用研究進(jìn)行了闡述，為秸稈的高效資源化利用及炭基肥的制備提供借鑒。

1 我國秸稈的組成結(jié)構(gòu)和分布特征

據(jù)統(tǒng)計，2016年我國秸稈產(chǎn)量達(dá)9.84億t，位居世界第一位，且以每年3%的速率增長[4-5]。當(dāng)前我國秸稈資源主要為水稻、玉米、小麥秸稈，三大作物秸稈量約占總量的83.51%，油菜、甘蔗等其他作物秸稈作為次要來源占比較小[6]。鐘華平等[7]的研究表明，我國秸稈資源總量自1949 年以來呈線性增長趨勢，且以糧食作物秸稈增長為主；隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和種植技術(shù)的提高，次要秸稈來源在1980 年后產(chǎn)量才急劇增長。本文以《2020 年中國統(tǒng)計年鑒》中主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為基礎(chǔ)[8]，采用草谷比法[9]測算了我國2015—2019 年間農(nóng)作物秸稈資源組成分布，結(jié)果（圖1）表明，這5 年間玉米秸稈的年均產(chǎn)量位居第一位，達(dá)3.1 億t，占總量的39.73%；水稻秸稈產(chǎn)量次之，為1.9億t，占比為24.14%；小麥秸稈年均產(chǎn)量1.4億t，占比為18.55%；而其他作物秸稈產(chǎn)量相較于這3類作物有較大差距，僅豆類、甘蔗、油菜秸稈年均產(chǎn)量超過了2 000萬t，合計占總量的10.73%；棉花、薯類和花生秸稈的年均產(chǎn)量超過了1 300 萬t；而煙草、甜菜等作物的秸稈年產(chǎn)量均不足1 000 萬t。從秸稈元素組成[11-12]（表1）來看，各類秸稈的O、C 元素含量均超過32%，N 含量普遍較低。各類秸稈相比，水稻秸稈灰分含量最高，小麥和油菜秸稈有著較高的固定碳含量，小麥和甘蔗秸稈木質(zhì)素含量較高，甘蔗和玉米秸稈則有著較高的揮發(fā)分含量。

表1 我國主要秸稈種類元素組分分析[10-11]Table 1 Analysis of six kinds of straw element composition[10-11]

圖1 2015—2019我國各類秸稈年均產(chǎn)量及占比Figure 1 China′s average annual output and proportion of various straws during 2015—2019

秸稈資源的分布與自然地理環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān)，區(qū)域差異大。我國秸稈資源主要集中在東北、華東和華中地區(qū)，2019 年3 個地區(qū)的秸稈產(chǎn)量為4.82 億t，占全國秸稈總產(chǎn)量的60.70%，華北、西北、西南地區(qū)秸稈資源相對較少，分別占總產(chǎn)量的13.06%、8.45%、11.01%。從省域尺度（表2）來看，2019 年黑龍江省秸稈產(chǎn)量最大，達(dá)到了8 650 萬t，河南和山東的秸稈產(chǎn)量均超過6 000 萬t，3 省份秸稈產(chǎn)量占全國秸稈總量的29.11%；吉林、內(nèi)蒙古、河北、安徽、四川、江蘇等10 省份的秸稈資源也很豐富，產(chǎn)量均超過了3 000 萬t，合計占該年度全國總量的48.65%；遼寧、云南、江西等9個省份的秸稈年產(chǎn)量在1 000萬t至3 000萬t之間，其秸稈資源總和占全國總量的19.50%；此外，有9 個省份在該年的秸稈產(chǎn)量不足1 000 萬t，其中上海、西藏、北京等地不足100 萬t，僅占全國總量的0.20%。

表2 2019年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量的省域分布狀況Table 2 Distribution of crop straw production in different provinces in 2019 in China

根據(jù)我國秸稈的組成結(jié)構(gòu)和分布特征，針對生物炭基肥的開發(fā)利用提出以下建議措施：①玉米、小麥和水稻秸稈碳含量較高、養(yǎng)分含量較低且含有一定量的木質(zhì)素，適合開發(fā)生物炭吸附控釋材料和土壤修復(fù)改良材料；②東北、河南、山東等秸稈產(chǎn)量高的平原地區(qū)，適宜建立規(guī)?；a(chǎn)的炭基肥設(shè)施及相關(guān)企業(yè)[12]，并給予相關(guān)的政策補(bǔ)貼，大力發(fā)展基于秸稈炭基肥還田的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式；③秸稈產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模但地形條件相對復(fù)雜且秸稈不易搜集、運(yùn)輸?shù)牡貐^(qū)，應(yīng)鼓勵相關(guān)村鎮(zhèn)開發(fā)小型的移動式炭化設(shè)備[13]，實現(xiàn)生物炭基肥的現(xiàn)場制備及還田利用。

2 秸稈炭基肥的制備技術(shù)

2.1 秸稈生物炭制備技術(shù)

秸稈生物炭的理化性質(zhì)因秸稈種類的不同而存在差異（表3），相同制備條件下，水稻秸稈生物炭的碳、氮含量更高，比表面積和孔體積更大，對養(yǎng)分具有較強(qiáng)的吸附能力；玉米秸稈生物炭孔隙分布更為密集，層理結(jié)構(gòu)更為明顯[22]；甘蔗、玉米秸稈生物炭灰分含量低；小麥、豆類秸稈生物炭具有較高的碳氮比。

表3 我國主要秸稈生物炭理化性質(zhì)[10，14-21]Table 3 The physical and chemical properties of main straw biochar in China[10，14-21]

生物炭特性除了受到原料種類的影響，熱解條件也起到了決定性作用。目前比較常見的制備方式有慢速熱解、快速熱解、熱解氣化、水熱炭化等（表4）。慢速熱解是文獻(xiàn)中應(yīng)用最廣的技術(shù)，其加熱速率較慢，一般為20～100°C·min-1，反應(yīng)溫度為300～800°C，制備的生物炭比表面積和碳含量較高，隨著熱解溫度的升高，pH、比表面積和芳香化程度逐漸增加，產(chǎn)率逐漸下降，孔隙結(jié)構(gòu)更加完善[29]；快速熱解加熱速率更高，約為100～1 000 °C·s-1，其生物炭芳香化程度、含水量和密度也更高，產(chǎn)率和pH 偏低[30]；熱解氣化是在高溫和限氧條件下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫氣的過程，其生物炭產(chǎn)率相對較低，但具有較大的比表面積；水熱炭化以水蒸氣和生物質(zhì)反應(yīng)制備生物炭，需要較低的反應(yīng)溫度和較長的停留時間，水熱炭具有較高的產(chǎn)率和更為豐富的含氧、含氮官能團(tuán)[23-25]；閃蒸炭化加熱速率極高，可將熱解蒸氣迅速冷卻得到液體產(chǎn)物[31]。

表4 不同生物炭制備技術(shù)的生物質(zhì)產(chǎn)物和生物炭的理化性質(zhì)[23-28]Table 4 Biomass products and physical and chemical properties of different biochar preparation technologies[23-28]

對生物炭進(jìn)行改性處理可使其理化性質(zhì)得到改善。姚春雪[32]使用磷酸活化小麥秸稈制備生物炭，發(fā)現(xiàn)磷酸改性提高了秸稈生物炭比表面積、表面官能團(tuán)數(shù)量、有效養(yǎng)分含量和陽離子交換量。LI 等[33]發(fā)現(xiàn)使用20%的MgO 處理的磁性生物炭，表面和基團(tuán)的含量增加，其對水溶液中磷酸鹽的吸附量達(dá)99.5%，高于未改性的生物炭。

2.2 秸稈炭基肥制備技術(shù)

當(dāng)前研究中，秸稈炭基肥的制備方法主要有摻混法、吸附法、化學(xué)反應(yīng)法、混合造粒法和包膜法，基本制備原理如圖2 所示。摻混法直接將生物炭與化肥快速混合，生產(chǎn)效率最高[34]。生物炭與肥料的配比是影響其應(yīng)用效果及場景的主要因素，肥料、生物炭比例為8∶2 和7∶3 時，炭基肥在促進(jìn)玉米植株生長和提高土壤性狀方面效果最優(yōu)；肥炭比為1∶1 時，炭基肥對土壤氮循環(huán)微生物功能群落的正效應(yīng)最佳[35-36]。

圖2 秸稈炭基肥制備原理Figure 2 Schematic diagram of straw carbon-based fertilizer

吸附法是將生物炭在一定濃度的肥料溶液中浸泡制得秸稈炭基肥，又稱為固-液吸附型炭基肥。表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮素能夠進(jìn)入生物炭的孔隙中，并有效延緩肥料在靜態(tài)水中和土壤溶液淋溶條件下養(yǎng)分的釋放[37-38]?；瘜W(xué)反應(yīng)法與吸附法類似，是將生物炭和肥料在反應(yīng)釜中混合，通過加熱、攪拌等方式使其充分反應(yīng)制備生物炭基肥，具體生產(chǎn)方式與選用肥料種類有關(guān)。張雯[2]在反應(yīng)釜中添加一定比例的硝酸、氨水和生物炭，攪拌反應(yīng)過程中調(diào)節(jié)pH值至中性，得到初產(chǎn)物，干燥后得到反應(yīng)型炭基肥。EL SHARKAWI等[39]則使用氨氣與生物炭進(jìn)行反應(yīng)制備炭基肥。研究表明，反應(yīng)型炭基肥在提高養(yǎng)分利用率、增加小麥和玉米等作物產(chǎn)量方面的效果均優(yōu)于摻混型和吸附型炭基肥，而吸附型炭基肥比摻混型炭基肥的施用效果更顯著[2，40-43]。

上述方法制備的炭基肥多為粉狀顆粒等未成型的形式，這給炭基肥的運(yùn)輸、貯存、施用等造成諸多不便?；旌显炝７▽⑸锾亢鸵环N或多種肥料粉碎成粒度均勻的粉末顆粒，然后通過各類機(jī)械成型方式進(jìn)行造粒，是當(dāng)前主要的炭基肥生產(chǎn)方法，具體可分為團(tuán)聚造粒成型和擠壓柱狀成型兩種方式[44]。團(tuán)聚造粒是將粉狀顆粒在液橋的作用下積聚成小顆粒，而后通過設(shè)備轉(zhuǎn)動使積聚的小顆粒在重力作用下成型；擠壓柱狀成型則是在機(jī)械外力作用下，將粉狀的炭基肥直接擠壓成型，其產(chǎn)品具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、生產(chǎn)效率和緩釋性能[45]。不同的原料配比對造粒的機(jī)械強(qiáng)度也有一定的影響，馬歡歡等[46]研究發(fā)現(xiàn)，使用70%的基礎(chǔ)肥料、16.6%的秸稈生物炭、13%的水制備擠壓柱狀炭基肥時，常溫下不需要黏合劑即可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

包膜法是以細(xì)粉顆粒生物炭為膜層，對速效性顆粒肥料進(jìn)行包裹，制備得到炭基肥，施用后可逐漸釋放養(yǎng)分供給作物，能夠有效減少肥料養(yǎng)分在土壤中分解、揮發(fā)、沖蝕，提高養(yǎng)分利用率[47]。但使用生物炭進(jìn)行包膜的炭基肥多為細(xì)粉狀顆粒，難以運(yùn)輸，使用其他包膜材料及黏合劑對炭基肥進(jìn)行成型處理，可提高其機(jī)械強(qiáng)度。苑曉辰等[48]以乙基纖維素為成膜材料，戊二醛為交聯(lián)劑，鄰苯二甲酸二乙酯作為增塑劑，吐溫80 為乳化劑，采用溶液共混法制備炭基肥包膜材料，經(jīng)測試其機(jī)械強(qiáng)度、滲透率、吸水率等特性均達(dá)到作為炭基肥包膜的要求。

在包膜成型和混合造粒成型技術(shù)中，黏合劑起到了非常重要的作用，在生物炭和肥料的基礎(chǔ)上添加黏合劑能大幅提高炭基肥的成型率和農(nóng)用效果，成型效果主要與黏合劑的類型有關(guān)。當(dāng)前的黏合劑主要有木質(zhì)素、羧甲基纖維素鈉、淀粉等。木質(zhì)素儲量大、無毒，可降解再生，是良好的炭基肥黏合劑[49]；羧甲基纖維素鈉由天然纖維素或淀粉經(jīng)化學(xué)改性而成，使用時需添加酸、堿、醇以增加其黏合性能，其實際黏結(jié)效果最優(yōu)[50]；淀粉黏合劑由小麥、玉米和薯類淀粉通過煮漿和沖漿的方式制備，其原料來源廣泛，價格低廉且無污染，但存在易凝膠、初始黏合力不強(qiáng)、干燥后變脆等問題，使用時需要添加無機(jī)填料、酸或通過加熱方式來增加其黏合性能。

隨著對秸稈炭基肥研究的深入，大量的新型炭基肥制備技術(shù)開始涌現(xiàn)。廖上強(qiáng)等[51]采用熔融高壓混合法，使熔融尿素在一定壓力下進(jìn)入生物炭孔隙中，與普通尿素相比，芹菜對該生物炭基肥的氮肥利用率提高了9.97個百分點，且效果優(yōu)于摻混型和包膜型炭基肥。CHEN 等[52]在原料中添加聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮制備炭基肥，表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有較少的親水羥基，對養(yǎng)分的包裹更緊密。AN 等[53]利用微波熱解技術(shù)，將棉花秸稈、肥料和膨潤土的混合物共同熱解制備炭基肥，其生產(chǎn)效率和孔隙結(jié)構(gòu)均有較大改善。DE AMARAL等[54]在共同熱解制備炭基肥的基礎(chǔ)上接種促進(jìn)磷礦溶解的菌株，生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)可保護(hù)菌株免受土壤中捕食者的侵害，從而增加土壤中解磷細(xì)菌豐度，提高土壤速效磷含量。WEN 等[42]利用微波輻射將高分子機(jī)制引入到秸稈炭基肥中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭基肥施用量為1%和2%時，土壤持水量分別增加了19.3%和31.56%。BAKI 等[55]則通過將生物炭、過硫酸銨、亞甲基雙丙烯酰胺、氯化鈣與丙烯酸和丙烯酰胺接枝共聚，合成一種新型水凝膠炭基肥，來增加土壤的持水保水性能。

以上研究表明，生物炭基肥的性能及應(yīng)用場景主要受到秸稈生物炭和炭基肥制備技術(shù)的影響：①在原料選擇上，我國秸稈來源主要是玉米、小麥和水稻，其生物炭具有較高碳氮比、孔隙度和比表面積，養(yǎng)分固持能力強(qiáng)，為炭基肥制備提供了優(yōu)良的生物炭來源。②在生物炭制備方面，制備方法的差異對生物炭的產(chǎn)率、養(yǎng)分含量及比表面積影響巨大，為提升生物炭的控釋性能往往需要提升生物炭的比表面積或關(guān)鍵官能團(tuán)的相對豐度?？傮w而言，由于熱解溫度較高，熱解和氣化技術(shù)制備出來的生物炭孔隙度較為發(fā)達(dá)且具有很好的物理控釋性能，但存在產(chǎn)率低和能耗高的技術(shù)瓶頸[31]；而水熱炭化技術(shù)制備的生物炭養(yǎng)分含量較高且具有豐富的化學(xué)官能團(tuán)，能耗也相對較低，但存在生物炭孔隙度不夠發(fā)達(dá)、廢液產(chǎn)生量大的問題。因此為追求高品質(zhì)的生物炭產(chǎn)品，單純以生物炭為生產(chǎn)目標(biāo)可能會存在資源浪費及生產(chǎn)成本過高的問題；開展炭氣或炭油聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以在追求高品質(zhì)生物炭材料的同時，高效利用秸稈資源，節(jié)省企業(yè)的運(yùn)行成本。③在生物炭基肥技術(shù)方面，傳統(tǒng)的摻混、吸附、包膜、反應(yīng)法制備技術(shù)已相對成熟，控釋性能基本與生產(chǎn)成本成正比，市場上主要的生物炭基肥料也以摻混型和包膜型炭基肥為主，但目前的炭基肥往往還是以養(yǎng)分的控釋為主要目的，并沒有很好地發(fā)揮生物炭的功能性特征，如污染物固持、改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤pH 等功能，因此，未來在利用高品質(zhì)生物炭作為控釋材料的同時，可以考慮我國農(nóng)田土壤的特征及狀況，開發(fā)高品質(zhì)且具備土壤改良或修復(fù)功能的生物炭基肥。④傳統(tǒng)的控釋肥生產(chǎn)技術(shù)的提升空間相對有限，而控釋效果更好的吸附型、反應(yīng)型炭基肥也因運(yùn)輸、生產(chǎn)等問題未得到廣泛應(yīng)用，今后應(yīng)加強(qiáng)新型炭基肥制備技術(shù)研發(fā)，在減少成本的同時實現(xiàn)性能的突破，確保炭基肥制備條件和秸稈種類與實際使用相適應(yīng)。

3 秸稈炭基肥應(yīng)用進(jìn)展

目前，關(guān)于秸稈炭基肥的研究在我國已十分廣泛，除針對制備成型方法進(jìn)行改良外，其高效應(yīng)用也逐漸成為研究熱點。炭基肥在土壤中的作用主要為以下三類：①土壤修復(fù)；②土壤改良及肥力提升；③提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。研究表明，生物炭基肥利用其優(yōu)良的理化性質(zhì)不僅可以顯著提升土壤質(zhì)地和肥力，增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能有效地對污染物進(jìn)行固持，起到修復(fù)改良土壤的作用（圖3）。

圖3 秸稈炭基肥對土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量和品質(zhì)的改良效應(yīng)Figure 3 Effects of straw carbon-based fertilizer on soil quality and crop yield and quality

3.1 土壤污染修復(fù)應(yīng)用研究

目前我國農(nóng)田重金屬主要來源于礦業(yè)開采、工業(yè)固廢及污水排放，重金屬在土壤中的富集對作物及人體健康構(gòu)成重大威脅。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積使其具備土壤重金屬修復(fù)能力[56]。CHEN 等[57]在500 ℃下制備的水稻秸稈生物炭對Cd2+的最大吸附量可達(dá)到4.247 7 mg·g-1，而由其制備的炭基肥對Cd2+的吸附量提高了48.98%（5.970 2 mg·g-1），大量的表面含氧官能團(tuán)和較高的離子交換量發(fā)揮了主要作用。我國重金屬污染主要集中在華中和華東等糧食主產(chǎn)區(qū)，水熱炭化制備的炭基肥富有含氧官能團(tuán)，更有利于土壤修復(fù)，而對于西南、華南等地Cd、Pb污染密集的酸性紅壤，高溫?zé)峤獾乃窘斩捥炕室蚱漭^高的pH，可促進(jìn)Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）沉淀物的形成，有效降低其在土壤中的含量[58-59]。

我國農(nóng)用土壤有機(jī)污染物主要來源于農(nóng)藥殘留、生活污水和工業(yè)廢水，其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化可直接影響土壤健康。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤中多環(huán)芳烴、阿特拉津和乙草胺等有機(jī)污染物具有良好的吸附去除效果[60-61]。秸稈炭基肥比生物炭具有更優(yōu)良的土壤修復(fù)性能，選用水稻、玉米等孔隙結(jié)構(gòu)豐富的炭基肥可進(jìn)一步降低有機(jī)污染物對作物的危害。陳璐[62]將水稻秸稈生物炭造粒制備成炭基肥，增加了其表面含氧官能團(tuán)數(shù)量，優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)，在1%和4%施用量下使毒死蜱的去除率分別提高了4.33、9.67 個百分點。邢澤炳等[63]發(fā)現(xiàn)，添加1%的生物炭即可對土壤中的敵草隆產(chǎn)生顯著的吸附作用，且隨著炭化溫度升高、生物炭比表面積的增大和孔隙結(jié)構(gòu)的改善，去除效果將會進(jìn)一步提高。我國華東、華中等地，蔬菜種植業(yè)對農(nóng)藥需求量大，土壤中農(nóng)藥殘留量高[64]，適宜使用官能團(tuán)更多、比表面積更大的高溫?zé)峤馓炕?，以有效保障蔬菜產(chǎn)區(qū)土壤健康。

3.2 土壤改良及肥力提升應(yīng)用研究

土壤肥力是保證糧食生產(chǎn)的根本。當(dāng)前我國華中、華東等地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量高，對外源肥力需求較小，但長期不合理施肥導(dǎo)致土壤氮、磷淋失嚴(yán)重[65-66]；東北地區(qū)因連年耕作導(dǎo)致土壤肥力下降，西南、西北等地土壤基礎(chǔ)地力水平低，綜合肥力提升空間大[67-68]。

炭基肥優(yōu)良的控釋吸附能力，能有效增加其對土壤養(yǎng)分的固持，而固持效果受到制備方法的影響，如生物炭占比、改性處理方式等。PUGA 等[69]在農(nóng)田土壤中施用生物炭含量為51%、40%、29%的炭基肥，研究發(fā)現(xiàn)高生物炭含量的炭基肥在增加土壤碳含量及氮固持、減少CH4和N2O 排放方面效果最優(yōu)。李露等[70]研究也證明，配施40 t·hm-2生物炭基肥比20 t·hm-2能更好地降低常年稻麥輪作土壤中CH4和N2O的排放。GONZáLEZ-CENCERRADO 等[71]使用二氧化碳活化處理炭基肥，使土壤尿素和硝酸鹽的損失量減少了69%和63%，極大降低了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。此外，過量施肥還導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮、速效磷大量累積，造成土壤鹽堿化等問題，施用炭基肥可提高土壤線蟲總數(shù)量，并抑制植食性線蟲數(shù)量，進(jìn)而提升鹽堿化土壤的健康程度[72-73]。華東、華中等地區(qū)適宜使用包膜型、反應(yīng)型等控釋能力強(qiáng)的炭基肥，也可通過對秸稈炭進(jìn)行改性處理，進(jìn)一步優(yōu)化其緩釋性能；而對于華南、西南等地的酸性土壤，宜選擇熱解溫度高、灰分含量大的包膜型炭基肥，在改良土壤酸度的同時充分減緩肥料中養(yǎng)分的釋放。

炭基肥具備較高的養(yǎng)分含量，可使土壤肥力保持在較高水準(zhǔn)[74]?？等辗宓萚75]發(fā)現(xiàn)施用炭基肥可提高云南紅壤中土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量，且隨著施用量的增加效果更為顯著。李昌娟等[76]在多年生茶園酸化紅壤中施用生物炭和炭基肥，發(fā)現(xiàn)50 d內(nèi)施用炭基肥的土壤速效磷、速效鉀含量比施用生物炭的土壤高8.72%和9.42%。土壤有機(jī)碳、微生物量、酶活性是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，炭基肥還可通過改善土壤理化性質(zhì)和微生物特性間接提升土壤肥力。MACCARTHY 等[77]在灌溉水稻種植體系中施用炭基肥，使土壤有機(jī)碳含量提高了32%。CHEN 等[78]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈炭基肥的施用對東北耕作土壤團(tuán)聚體的作用有限，但能顯著促進(jìn)細(xì)顆粒有機(jī)物的積累，更有利于增加土壤有機(jī)碳含量。ZHOU 等[79]在貴州砂壤土中施用炭基肥，發(fā)現(xiàn)土壤微生物生物量碳、氮、磷分別增加60.05%、87.64%和307.85%，土壤細(xì)菌的豐度和多樣性指數(shù)提高了33%和3%，改善了土壤養(yǎng)分狀況。LIAO 等[80]的研究則證明炭基肥可增加氨氧化古菌（AOA）基因拷貝數(shù)，促進(jìn)稻田土壤硝化作用，并對土壤反硝化功能基因豐度產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而提升土壤氮循環(huán)的速率。李彩斌等[81]研究證明，施用水稻秸稈炭基肥可提高貴州黃壤過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性，且隨炭基肥中生物炭比例的增加，土壤脲酶活性表現(xiàn)為遞增趨勢。這可能是由于炭基肥的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了繁殖環(huán)境，表面豐富的官能團(tuán)有效吸附肥料中養(yǎng)分，減少養(yǎng)分淋失，為土壤酶促反應(yīng)提供了更多的底物。對于東北、西北等土壤肥力較低的地區(qū)[67-68]，適宜選用吸附型、反應(yīng)型等肥效高的秸稈炭基肥，在改良土壤的同時，提升當(dāng)?shù)刂饕魑锓N植土壤的養(yǎng)分含量。

3.3 秸稈炭基肥對作物產(chǎn)量品質(zhì)的提升作用

秸稈生物炭的施用在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面具有重要的促進(jìn)作用。生物炭對作物的影響因作物種類、秸稈炭類型及施用量的不同而有所差異。ISWARAN 等[82]研究發(fā)現(xiàn)，在大豆和綠豆田施用等量生物炭的條件下，綠豆產(chǎn)量提高了20%，而大豆產(chǎn)量提高了50%。不同炭基肥類型對作物生長影響不同，胡茜等[83]在同一稻田中施用110 mg·kg-1的小麥、水稻、玉米生物炭，水稻地上部干物質(zhì)量分別提高了91.24%、109.52%、121.00%。付嘉英等[84]在小白菜土壤施用749.6 kg·hm-2摻混型小麥、棉花、花生秸稈炭基肥，發(fā)現(xiàn)小麥秸稈炭基肥在增加小白菜的產(chǎn)量、降低小白菜中硝酸鹽含量方面性能最優(yōu)。而對于同一種秸稈，不同方式制備的炭基肥對作物效應(yīng)也有差異，劉文秀[85]的研究表明，相較于摻混型，造粒成型炭基肥對玉米產(chǎn)量、籽粒總質(zhì)量等指標(biāo)提升效果更佳，且隨著施用量增加差異更為顯著。YAO 等[86]對吸附型小麥秸稈炭基肥進(jìn)行酸化處理，改良后的炭基肥使青椒產(chǎn)量提高了45%，并使青椒的維生素C 含量從236.99 mg·kg-1提高到278.28 mg·kg-1。綜合以上分析，對于我國東北、華東等糧食主產(chǎn)區(qū)，使用造粒成型炭基肥不僅節(jié)約生產(chǎn)和運(yùn)輸成本，而且能有效保證糧食的產(chǎn)量和品質(zhì)；而華東、西北等蔬菜生產(chǎn)基地硝態(tài)氮、速效磷累積嚴(yán)重，使用改性處理的新型炭基肥更有利于降低蔬菜硝酸鹽含量。

4 總結(jié)與展望

對我國秸稈產(chǎn)量及組成特征的分析表明，以秸稈制備的炭基肥可根據(jù)作物類型和土壤條件針對性選擇秸稈種類及制備方法進(jìn)行土壤修復(fù)、改良，提升作物對有效養(yǎng)分的吸收利用，達(dá)到增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的，具備非常好的市場前景及應(yīng)用價值。然而，我國秸稈種類和區(qū)域間產(chǎn)量存在較大差異，增加了規(guī)?；媒斩捹Y源的難度?，F(xiàn)有秸稈生物炭和炭基肥制備技術(shù)難以保證性能和生產(chǎn)應(yīng)用之間的平衡，新型炭基肥生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，各區(qū)域?qū)嶋H土壤狀況對炭基肥功能性要求的差異尚未解決，為使秸稈炭基肥今后更好地得到應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個方向的研究：

（1）根據(jù)我國秸稈資源的分布特征，形成不同區(qū)域秸稈資源化及生物炭制備技術(shù)指南及政策支持，形成相匹配的秸稈炭及其炭基肥產(chǎn)業(yè)，助力秸稈炭基肥產(chǎn)業(yè)及循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

（2）高品質(zhì)的生物炭往往資源化利用效率較低，應(yīng)大力發(fā)展秸稈炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，在生產(chǎn)高品質(zhì)生物炭及相關(guān)肥料的同時，制備和生產(chǎn)高品質(zhì)燃?xì)?，可以有效提升秸稈資源的利用效率，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益并促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

（3）加大對新型炭基肥技術(shù)的研發(fā)力度，突破傳統(tǒng)制備技術(shù)瓶頸，在提升炭基肥控釋性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)針對不同區(qū)域土壤現(xiàn)狀及需求，開發(fā)功能型生物炭基肥料。