“雙碳”背景下生物炭基肥的研究現(xiàn)狀及展望

張繼寧，張鮮鮮，孫會(huì)峰，王從，劉善良，蒲加軍，周勝*

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403；2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南沿海農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201403；4.時(shí)科生物科技(上海)有限公司，上海 201108)

農(nóng)林廢棄物是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和加工過程中廢棄的生物質(zhì)，包括種植業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物和養(yǎng)殖業(yè)廢棄物等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生農(nóng)林廢棄物約14億t，其中玉米、水稻、小麥等作物的秸稈高達(dá)7億t[1]，約占種植業(yè)廢棄物秸稈總量的83.5%。生物炭以作物秸稈等農(nóng)林植物廢棄生物質(zhì)為原料，在絕氧或有限氧氣供應(yīng)條件下，400～700 ℃熱裂解得到的穩(wěn)定的固體富碳產(chǎn)物[2]，其具有高度的芳香性、優(yōu)良的吸附性能及高化學(xué)穩(wěn)定性[3]。目前關(guān)于生物炭還田土壤的相關(guān)研究逐漸增多[4-6]。生物炭自身含有的鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素可作為營養(yǎng)源釋放到土壤中被作物和微生物吸收利用[7]，然而這部分礦質(zhì)元素含量在生物炭中的比例并不高。單一生物炭的輸入對(duì)于提高土壤質(zhì)量存在局限性。

以生物炭為載體，與常規(guī)化學(xué)肥料或有機(jī)肥等材料科學(xué)復(fù)配而成的生物炭基肥料(biochar-based fertilizer)應(yīng)運(yùn)而生。2020年7月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《關(guān)于開展2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部引領(lǐng)性技術(shù)集成示范工作的通知》，秸稈炭基肥利用增效技術(shù)被列入十大引領(lǐng)性技術(shù)之一。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《生物炭基肥料》 (NY/T 3041—2016)[2]和《生物炭基有機(jī)肥料》(NY/T 3618—2020)[8]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，推進(jìn)了秸稈炭基肥的市場(chǎng)化進(jìn)程。

1 生物炭基肥的種類

炭基肥包括炭基無機(jī)肥(biochar-based inorganic fertilizer)、炭基有機(jī)肥(biochar-based organic fertilizer)和炭基有機(jī)無機(jī)復(fù)合(混)肥(biochar-based organic inorganic compound fertilizer)[9]。其中，炭基無機(jī)肥指生物炭與無機(jī)肥科學(xué)配伍制成的肥料，其中無機(jī)肥包括硝酸銨、尿素、硫酸鉀、磷酸一銨和氯化鉀等[10]。根據(jù)復(fù)配肥料養(yǎng)分的種類，炭基無機(jī)肥可分為炭基氮肥、炭基磷肥和炭基鉀肥等。炭基有機(jī)肥指生物炭與來源于植物和(或)動(dòng)物的有機(jī)物料混合發(fā)酵腐熟，或與來源植物和(或)動(dòng)物的經(jīng)過發(fā)酵腐熟的含碳有機(jī)物料混合制成的肥料[8]。炭基有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥指生物炭同時(shí)復(fù)配有機(jī)肥料及無機(jī)肥料，通常復(fù)配的無機(jī)肥包括氮磷鉀等兩種或兩種以上養(yǎng)分。此外，在炭基肥制備過程中可以通過復(fù)配其他菌劑和(或)酵素[11]，或者通過改性生物炭[12]創(chuàng)制功能性炭基肥，增強(qiáng)炭基肥的緩釋性能及專用肥效果。

2 生物炭基肥的作用

炭基肥含有生物炭，承擔(dān)著緩釋養(yǎng)分和改良土壤的作用；也含有礦質(zhì)養(yǎng)分，承擔(dān)著補(bǔ)充養(yǎng)分的作用。炭基肥兼具了生物炭和肥料的雙重優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服了各自的不足。炭基肥在田間應(yīng)用過程中主要表現(xiàn)為提高作物產(chǎn)量、減少溫室氣體排放、提高土壤有機(jī)質(zhì)、改良土壤以及污染土壤修復(fù)等方面。

2.1 作物增產(chǎn)

單獨(dú)生物炭的添加對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生不同的效果，包括增產(chǎn)[6，13]、對(duì)產(chǎn)量沒有影響[14]，甚至減產(chǎn)[5]。而多數(shù)研究報(bào)道炭基肥應(yīng)用于水稻[15]、小麥[16]、玉米[17]和蔬菜[18]等作物后，其對(duì)作物的增產(chǎn)效果優(yōu)于生物炭。比如，相同添加量的生物炭和炭基肥均可提高大葉羅勒的生物量，而增加幅度分別為39.7%和71.6%[19]。在同樣增產(chǎn)10%的前提下，生物炭的添加量需要15～30 t·hm-2；而炭基肥的施用量?jī)H為0.9 t·hm-2[20]。與單施復(fù)合肥處理相比，竹炭基肥及稻殼炭基肥分別配施化肥處理均可以提高番茄產(chǎn)量，增加幅度存在差異，分別為8.5%和23.2%[21]。Meta分析表明，0.9 t·hm-2的炭基肥添加條件下，相比常規(guī)化肥作物可增產(chǎn)10%；相比不施化肥處理作物可增產(chǎn)186%[20]。與常規(guī)施肥相比，炭基肥的作物增產(chǎn)幅度的平均值可達(dá)17%±23%[22]。

炭基肥促進(jìn)作物增產(chǎn)的主要原因在于，生物炭具有較高的比表面積，即便形成炭基肥，其比表面積也是常規(guī)復(fù)合肥的4倍多[23]，這樣的多孔結(jié)構(gòu)可以通過吸附/解析機(jī)制調(diào)控炭基肥中的礦質(zhì)養(yǎng)分。此外，炭基氮肥將尿素封存在生物炭的多孔孔隙中，其中的氮素已經(jīng)與炭表面的化學(xué)官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)成為新的有機(jī)態(tài)氮素。這些氮素的延緩釋放，減少了氮素的流失，提高了氮素利用率，保證了作物在整個(gè)栽培過程中的氮素供給[24-25]。與化學(xué)復(fù)合肥只含有大量元素不同，炭基肥含有硅、鎂、鈣、鐵、硼等中微量礦質(zhì)元素[26]。

2.2 溫室氣體減排

已有研究將炭基肥和常規(guī)施肥相比，麥田氧化亞氮(N2O)的排放降低了56.0%～65.4%，全球增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度分別降低57.5%～66.9%和68.0%～77.5%[16]；水稻的甲烷排放降低了41.6%[27]；栽培馬鈴薯的栗鈣土N2O排放強(qiáng)度降低了10.5%～13.8%[28]。

炭基肥輸入土壤表現(xiàn)出土壤減排效應(yīng)。這是由于1)炭基肥提高了氮素利用率。常規(guī)氮肥的氮素利用率為34%，而施用炭基氮肥的氮素利用率可達(dá)37%，尤其在減氮條件下施用炭基氮肥后，其氮素利用率高達(dá)55.4%[29]。2)炭基肥降低土壤中水溶性有機(jī)氮濃度，影響著氮素的硝化和反硝化作用。3)就總孔隙率和比電容來說，炭基復(fù)合肥是常規(guī)復(fù)合肥的1.6倍和2.9倍[23]，其具有較高的儲(chǔ)存和提供電子的能力[30]，影響著土壤中微生物活性和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。而炭基肥表現(xiàn)的減排效應(yīng)主要源于生物炭。生物炭通過降低土壤容重、改善土壤透氣性、增加對(duì)土壤NH4+的吸附，限制氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化，從而抑制N2O排放[3]。關(guān)于生物炭和炭基肥對(duì)土壤溫室氣體減排的效應(yīng)對(duì)比研究較少。

2.3 土壤固碳

已有研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥相比，施入炭基肥后種植玉米的土壤有機(jī)碳增加了3.6%～8.2%[31]；栽培薏苡土壤中的有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和微生物量碳的含量分別提高了10.2%～22.8%、24.8%～36.9%、1.4%～6.7%和41.1～76.0%[32]，且隨著炭基肥施用量(800～1 600 kg·hm-2)的增加而升高；連續(xù)4年栽培花生的棕壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳的含量分別提高了6.5%、40.0%和43.2%[33]。與等碳量投入的生物炭相比，炭基肥處理的土壤中游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的提升幅度可分別達(dá)43%和17%[33]；而另有研究表明，炭基肥處理的土壤有機(jī)碳含量?jī)H提高4.4%，且顯著低于生物炭配施化肥處理(有機(jī)碳提升27.6%)[34]。

炭基肥的輸入提高了土壤有機(jī)碳含量。這是由于炭基肥中含有載體生物炭，其有機(jī)碳含量遠(yuǎn)高于土壤，因此，增加了土壤的碳儲(chǔ)量。生物炭含有易分解態(tài)碳和穩(wěn)定態(tài)碳兩種組分。易分解態(tài)碳組分約占有機(jī)碳總量的1.5%～37.0%[35]，主要為脂肪族碳和氧化態(tài)碳[36]，具有移動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的特性。穩(wěn)定態(tài)碳組分約占有機(jī)碳總量的63.0%～98.5%[35]，主要為芳香化碳，以芳香環(huán)和不規(guī)則的形式堆積，使生物質(zhì)炭具有穩(wěn)定性高和抗分解能力強(qiáng)的特性。10～40 t·hm-2秸稈生物炭混入土壤中，經(jīng)過3 a的蔬菜栽培，土壤有機(jī)碳含量增加了4.2%～35.8%[4]。當(dāng)生物炭與化肥復(fù)配后，炭基肥中生物炭的占比降低，因此，其固碳能力可能不及單純的生物炭處理[37]。

2.4 土壤改良

與等量的常規(guī)施肥相比，炭基肥表現(xiàn)出提高土壤酶活性、減少養(yǎng)分流失及保水等功能。以灰鈣土為供試土壤的研究表明，與該土壤施入等量的化肥相比，炭基肥與化肥配施可增加土層0～20 cm和20～40 cm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，增加幅度分別可達(dá)75.7%和64.4%；0～20 cm土層的土壤磷酸酶活性、過氧化氫酶活性和脲酶活性分別提高18.6%、5.3%和59.4%[38]。與常規(guī)施肥相比，炭基肥減少了麥地里63%的氮素流失[39]。在干旱和半干旱地區(qū)，炭基肥(0.75 t·hm-2)在適度的水分脅迫(60%～65%田間持水量)條件下仍可提高花生產(chǎn)量[40]。

炭基肥發(fā)揮土壤改良作用主要在于，生物炭可以保蓄和吸持水分于其孔隙及表面，增加土壤飽和含水量、毛管含水量和田間持水量，增強(qiáng)土壤吸水持水及入滲性能[41]。生物炭可以增加土壤容重、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[4]，改善土壤結(jié)構(gòu)。生物炭的吸附特性可以將硝酸根等養(yǎng)分吸附，減少其淋溶損失。生物炭可以為土壤微生物提供棲息地并改善其生長(zhǎng)環(huán)境，增加有益微生物的活性和改變菌落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而間接影響土壤中養(yǎng)分的生物利用效率[38]。當(dāng)炭基肥中的養(yǎng)分釋放后，其殘留的生物炭載體可以繼續(xù)發(fā)揮土壤改良作用。

2.5 受污染土壤修復(fù)

土壤污染具有隱蔽性、復(fù)合性和積累性等特點(diǎn)，治理難度大，其修復(fù)改良是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。由于農(nóng)用地土壤需要承擔(dān)生產(chǎn)功能，其修復(fù)改良目的、方法與污染場(chǎng)地的修復(fù)存在本質(zhì)差異。生物炭修復(fù)受污染農(nóng)田土壤的研究較多，而炭基肥研究多集中于作物增產(chǎn)及土壤改良等方面，關(guān)于土壤重金屬修復(fù)的研究較少。對(duì)于銅污染的土壤，單施氮肥處理下土壤銅有效態(tài)含量為11.2 mg·kg-1，而炭基肥與氮肥配施的處理中土壤銅有效態(tài)含量降低了39.4%[42]。有研究對(duì)比了稻稈生物炭(6 t·kg-1)和炭基肥(6 t·kg-1)對(duì)煙葉土壤中重金屬的削減效果。兩者均可顯著降低煙葉土壤中砷和鉛的含量，而生物炭的降低效果優(yōu)于炭基肥[42]。

炭基肥可以降低土壤中有效態(tài)重金屬含量。生物炭主要通過與土壤中的重金屬發(fā)生物理吸附、靜電作用、離子交換、沉淀或絡(luò)合等作用[3]，由其衍生的炭基肥1)具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于重金屬離子的附著；2)存在大量的羥基、羧基等官能基團(tuán)，對(duì)土壤重金屬具有較強(qiáng)的固定作用；3)通過改變稻田的氧化還原電位[22]，改變重金屬形態(tài)；4)改變土壤微生物數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)從而促進(jìn)重金屬在土壤中的固定。然而，當(dāng)生物炭與肥料結(jié)合成為炭基肥后，比表面積降低，可能減少了重金屬的吸附位點(diǎn)，與單純的生物炭處理相比，炭基肥限制了對(duì)重金屬的吸附效果[43]。

3 影響炭基肥性質(zhì)的因素

目前市售及研究文獻(xiàn)所用的炭基肥質(zhì)量參差不齊。而生物炭原料類型、熱解溫度、生物炭用量、炭基肥的制造工藝、養(yǎng)分配比等均會(huì)影響炭基肥的質(zhì)量和實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1 優(yōu)選生物炭

炭基肥改良土壤以及促進(jìn)作物增產(chǎn)的效果已在多種作物上得以證實(shí)，然而關(guān)于生物炭基肥在土壤減排固碳方面的研究較少，而生物炭承擔(dān)著這一作用。因此，優(yōu)選生物炭是制備優(yōu)質(zhì)炭基肥的前提條件。生物炭的產(chǎn)量、碳含量及性質(zhì)主要取決于熱解溫度和熱解工藝。一般而言，生物炭的產(chǎn)率隨熱解溫度的升高而降低，300～500 ℃的產(chǎn)率相對(duì)較高[36]。生物炭的碳含量(23.6%～87.5%)[44]、比表面積和孔隙度隨熱解溫度的升高而增加。生物炭的陽離子交換量同時(shí)與熱解溫度和原料相關(guān)。在300～700 ℃，秸稈生物炭的陽離子交換量(20～30 cmol·kg-1)隨熱解溫度升高呈增加趨勢(shì)[45]；而豬糞生物炭的陽離子交換量(15～60 cmol·kg-1)隨熱解溫度升高呈降低趨勢(shì)[46]。熱解溫度在300～500 ℃條件下的生物炭具有提高土壤肥力的作用；而>500 ℃的生物炭吸附和固碳作用較強(qiáng)[36]。目前研究所用的炭基肥并沒有提供生物炭的制備溫度和制備原料等參數(shù)。有研究表明，若炭基肥中使用的生物炭是在400 ℃條件下制備，則可促進(jìn)作物增產(chǎn)12%；而是在<400 ℃條件下制備，則沒有增產(chǎn)效果。此外，當(dāng)炭基肥中使用的生物炭中碳含量>30%時(shí)，作物生產(chǎn)力得以提高；而當(dāng)碳含量<30%時(shí)作物生產(chǎn)力則不受影響[20]。因此，基于熱解溫度、原料性質(zhì)等考慮，若將秸稈制備成炭基肥時(shí)可采用 350～500 ℃的熱解溫度，最高不要超過700 ℃。

熱解工藝也會(huì)影響生物炭的產(chǎn)率、碳含量和比表面積等參數(shù)。比較常見的熱解工藝主要包括慢速熱解、快速熱解[47]、氣化和水熱炭化[48]等。慢速熱解(又稱干餾工藝、傳統(tǒng)熱解)工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，熱解溫度在500～1 100 ℃，升溫速率在20～100 ℃·min-1，生物炭得率約30%～35%[47]?？焖贌峤獍l(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，升溫速率約為10～200 ℃·s-1，強(qiáng)烈的熱效應(yīng)直接產(chǎn)生熱解產(chǎn)物，再迅速淬冷，生物炭得率約20%[47]。氣化是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為煙氣的工藝過程，主要發(fā)生在氣化爐(溫度>700 ℃)，其生物炭產(chǎn)率相對(duì)較低，具有較大的比表面積[48]。水熱炭化是將生物質(zhì)在較低的反應(yīng)溫度(150～375 ℃)、高壓水中停留數(shù)小時(shí)，制備得到炭-水-漿混合物[49]。因此，基于熱解工藝等考慮，制備成炭基肥可采用常規(guī)熱解技術(shù)，即在慢速熱解和快速熱解參數(shù)之間選擇。

3.2 制備工藝

炭基肥的制備工藝主要包括摻混法、吸附法、包膜法和混合造粒法[10]。其中，摻混法指把生物炭和化學(xué)肥料按一定比例進(jìn)行摻拌混合。吸附法指基于生物炭的多孔性與吸附性，將生物炭浸泡在一定濃度的肥料溶液中，促進(jìn)肥料中的多種組分吸附于生物炭表面。如，將生物炭吸附木醋液用于鹽堿土改良。包膜法指在生物炭表面，噴涂緩釋包膜材料后包裹速效性化肥顆粒[48]?；旌显炝７ㄖ笇⑸锾颗c肥料分別粉碎后，再進(jìn)行混合造粒?；旌显炝７绞接址譃閳F(tuán)粒法造粒與擠壓法造粒。前者的基本原理在于將基礎(chǔ)肥料黏聚成粒、再通過轉(zhuǎn)動(dòng)使黏聚的顆粒在重力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，相互擠壓、滾動(dòng)使其緊密成型；后者的基本原理在于利用機(jī)械外力作用使基礎(chǔ)肥料成粒。在造粒過程中，由于添加了生物炭導(dǎo)致肥料不易成型，需要添加黏結(jié)劑。黏結(jié)劑應(yīng)該選擇綠色環(huán)保、易降解且價(jià)格低的材料，通常使用淀粉、膨潤(rùn)土、黏土和羥甲基纖維素鈉等[10]。

這4種炭基肥生產(chǎn)工藝中，摻混法制備工藝比較簡(jiǎn)單；包膜法和混合造粒法是目前肥料生產(chǎn)的主要方式。摻混法、吸附法和包膜法生產(chǎn)的炭基肥主要為細(xì)粉狀，直接施用時(shí)易揚(yáng)起粉塵。而混合造粒法可有效解決上述問題。目前的炭基肥中生物炭的添加比例一般在20%～60%。生物炭的添加量主要是依據(jù)不同施肥需要、生物質(zhì)原料利用及土壤功能等進(jìn)行合理配比。比如在增產(chǎn)需肥方面，生物炭的添加比例不高；而針對(duì)土壤減排固碳及鈍化土壤重金屬方面，生物炭的添加比例需要提高。在我國相對(duì)有限的耕地上，化肥、農(nóng)藥及農(nóng)用柴油等農(nóng)用投入品的不斷增加，碳排放總量逐漸增長(zhǎng)。而有機(jī)肥的施用往往會(huì)增加農(nóng)田土壤固碳作用。因此，將生物炭和高效優(yōu)質(zhì)堆肥產(chǎn)品進(jìn)行配比而創(chuàng)制研發(fā)的含有生物炭、腐殖質(zhì)和功能降解菌的炭基有機(jī)肥，更有利于土壤減排固碳，最終實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升。

4 “雙碳”背景下炭基肥的研究展望

炭基肥系列產(chǎn)品借助生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)封存肥料中的養(yǎng)分，而提高肥料的緩釋功能和養(yǎng)分利用率。就炭基肥在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面而言，目前的研究方向主要以增產(chǎn)、改良土壤、提升土壤有機(jī)質(zhì)及肥料利用率為目的。圍繞實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的”雙碳”目標(biāo)要求，2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及國家發(fā)改委頒布的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》將“農(nóng)田固碳擴(kuò)容”作為六項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。因此，炭基肥系列產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的減排固碳將在“碳中和”進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。目前炭基肥質(zhì)量參差不齊，有些企業(yè)的熱解工藝較為落后，產(chǎn)生的生物炭穩(wěn)定性差，影響了炭基肥的質(zhì)量。因此，應(yīng)統(tǒng)一生物炭及炭基肥的制備標(biāo)準(zhǔn)，便于其在肥料市場(chǎng)、碳匯核算和碳交易系統(tǒng)中順利開展。此外，價(jià)格偏高也是炭基肥推廣受限的主要因素。需要制定相關(guān)的扶持政策，鼓勵(lì)科研院所等利用優(yōu)勢(shì)資源與企業(yè)形成互補(bǔ)調(diào)動(dòng)、協(xié)同共進(jìn)，推廣炭基肥的高值利用。

基于已有的研究成果，今后在炭基肥農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化生物炭與肥料和助劑的復(fù)配比例與方式；優(yōu)選并應(yīng)用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的改性材料及制劑；優(yōu)化熱解工藝等參數(shù)創(chuàng)制炭緩釋載體；解析生物炭載體改性及強(qiáng)化緩釋性能的機(jī)制；探究炭基肥的精準(zhǔn)協(xié)同減排固碳機(jī)理。在不同區(qū)域尺度不同類型炭基肥施用條件下，通過開展生命周期評(píng)價(jià)，明確從秸稈等農(nóng)林廢棄物收集、制炭、創(chuàng)制炭基肥到田間應(yīng)用全周期的溫室氣體減排因子以及土壤固碳因子，從而量化該區(qū)域的減排量和固碳量；通過試驗(yàn)示范基地建設(shè)構(gòu)建生物炭基肥農(nóng)田應(yīng)用配套技術(shù)規(guī)程，加快技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)生物炭及炭基肥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。炭基肥的規(guī)模化應(yīng)用有助于構(gòu)建低碳、循環(huán)、可持續(xù)、高效的農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，對(duì)保障土壤健康和糧食安全具有重要意義。