基于文獻(xiàn)計(jì)量的秸稈生物炭研究進(jìn)展

曹麗花，連玉珍，劉合滿(mǎn)*

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000；2.周口市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南周口 466099)

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的最大收獲物[1]，其富含有機(jī)碳、氮、磷、鉀等物質(zhì)，被認(rèn)為是一種來(lái)自土壤并可歸還于土壤、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)循環(huán)的重要物質(zhì)和養(yǎng)分資源。中國(guó)是秸稈資源大國(guó)，每年有超過(guò)10億t的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生[2]，據(jù)估算，2017年我國(guó)秸稈養(yǎng)分總含量分別為758.55萬(wàn)t(N)、238.84萬(wàn)t(P2O5)和1 316.36萬(wàn)t(K2O)，如果全量還田，則可分別替代當(dāng)年約34.15% 的氮肥、29.59%的磷肥和212.40%的鉀肥，具有巨大的化肥替代潛力[3]。此外秸稈還田能顯著提高土壤微生物量、碳、氮、磷含量和酶活性[4]，如果這些養(yǎng)分資源能通過(guò)科學(xué)合理的途徑歸還于土壤，則成為降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和資源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物質(zhì)循環(huán)的重要途徑，得到政府和廣大學(xué)者的重視。2008年開(kāi)始，農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見(jiàn)》《全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評(píng)價(jià)工作方案》《關(guān)于進(jìn)一步加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》《秸稈農(nóng)用十大模式》等一系列文件，充分體現(xiàn)了秸稈資源綜合利用的重要性。

粉碎還田是秸稈資源綜合利用的一項(xiàng)重要措施，可以直接實(shí)現(xiàn)秸稈物質(zhì)向土壤中的歸還。然而，隨著農(nóng)業(yè)的集約化發(fā)展，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量增加，直接還田秸稈的低分解速率和病蟲(chóng)害殘留等問(wèn)題成為限制秸稈直接還田實(shí)踐的一個(gè)重要因素，并可能使秸稈從一項(xiàng)資產(chǎn)變?yōu)橐环N負(fù)債。因此，秸稈以何種方式還田，還田后的科學(xué)管理與物質(zhì)貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)成為秸稈農(nóng)業(yè)化利用過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

秸稈炭化利用是秸稈資源綜合利用的一種新手段，被納入秸稈農(nóng)用十大模式，得到政府和學(xué)者的高度重視，并在不同制取條件下生物炭的性質(zhì)[4]、生物炭在提高土壤有機(jī)碳含量改良土壤性質(zhì)[5-6]、治理土壤重金屬污染[7]等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究和探討，為生物炭的科學(xué)高效施用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。為闡明我國(guó)關(guān)于秸稈生物炭利用方面的研究動(dòng)態(tài)和主要進(jìn)展，筆者以中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)檢索相關(guān)論文，并對(duì)發(fā)表論文數(shù)量、研究主題、發(fā)表單位等進(jìn)行綜合分析，旨在探索秸稈生物炭研究未來(lái)的發(fā)展方向并為相關(guān)研究的合作提供指導(dǎo)。

1 研究方法

以“秸稈生物炭”為主題詞，在中國(guó)知網(wǎng)(www.cnki.net)上進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，共得到已發(fā)表論文1 058篇，其中學(xué)術(shù)期刊論文908篇，學(xué)位論文125篇。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭的文獻(xiàn)計(jì)量特征

2.1.1秸稈生物炭研究的時(shí)間特征。1998—2011年為生物炭研究的一個(gè)探索階段，發(fā)文量較少，之后開(kāi)始快速增加，由2011年的2篇增加到2019年的228篇(圖1)。這說(shuō)明隨著國(guó)家對(duì)秸稈資源戰(zhàn)略要求的提升，學(xué)者快速將秸稈生物炭作為研究的焦點(diǎn)。

注：B.生物炭(包含生物炭、Biochar、Biochars)；SB.秸稈生物炭；MS/MB.玉米秸稈/玉米秸稈生物炭；Ads.吸附特性；RS/RB.水稻秸稈/水稻秸稈生物炭；Bioa.生物有效性；PC.理化特性；WS/WB.小麥秸稈/小麥秸稈生物炭；SR.秸稈還田；PT.熱解溫度。Note：B.Biochar;SB.Straw biochar;MS/MB;Corn straw/Corn stalk biochar;Ads.Adsorption characteristics;RS/RB.Rice straw/ Rice straw biochar;Bioa.Bio-availability.PC.Physicochemical property;WS/WB.Wheat straw/Wheat straw biochar;SR.Straw returning to field;PT.Pyrolysis temperature.圖1 發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量與主題Fig.1 Number of published literatures on straw biochar and main research topic during 1996-2020

2.1.2主要研究主題。研究主題排名前10位的文獻(xiàn)數(shù)量分布如圖1所示，以生物炭為主題文獻(xiàn)數(shù)量最多，為511篇，其次是秸稈生物炭，為120篇。對(duì)于不同種類(lèi)農(nóng)作物秸稈而言，玉米、水稻和小麥3類(lèi)作物秸稈生物炭研究位列前3，同時(shí)也是中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源總量最多的三大糧食作物，2017年分別為37.2億、19.1億和14.7億t[8]，故這些秸稈資源的利用將是實(shí)現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)物質(zhì)管理的一個(gè)核心。生物炭施用對(duì)土壤重金屬生物活性的影響是研究的一個(gè)核心問(wèn)題，旨在通過(guò)生物炭的合理施用，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤重金屬的吸附和鈍化，降低其生活有效性和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于理化特性主題的研究主要集中在不同加工條件下生物炭的理化性質(zhì)和生物炭施用對(duì)土壤主要理化性質(zhì)的影響方面以及針對(duì)不同秸稈材料制取生物炭性質(zhì)的討論[9]。例如，水稻秸稈在100～300 ℃條件下熱解所得生物炭呈弱酸性，而在400 ℃以上呈堿性，同時(shí)碳基團(tuán)、陽(yáng)離子交換量、比表面積等亦不同[10]。

2.1.3發(fā)表期刊。由表1可知，發(fā)表期刊以Bioresource Technology、農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)和Environmental Science and Pollution Research發(fā)文最多，分別占期刊發(fā)文量的4.07%、3.19%和2.97%。其中，中文期刊農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2012年南開(kāi)大學(xué)李力《玉米秸稈生物炭對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附機(jī)理研究》被引頻次最高，為290次，其次為吉林大學(xué)的徐楠楠2014年發(fā)表的《玉米秸稈生物炭對(duì)Cd2+的吸附特性及影響因素》，被引頻次為134次，在秸稈生物炭對(duì)重金屬吸附與土壤重金屬治理方面具有重要的影響。發(fā)表在環(huán)境科學(xué)上被引頻次最高的論文為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)柯躍進(jìn)2013年發(fā)表的《水稻秸稈生物炭對(duì)耕地土壤有機(jī)碳及其CO2釋放的影響》，被引119次，主要從不同裂解溫度、不同施用濃度生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳和CO2排放量影響角度進(jìn)行研究。其次為南京大學(xué)黃華2014年發(fā)表的《不同燒制溫度下玉米秸稈生物炭的性質(zhì)及對(duì)萘的吸附性能》，不同溫度(300、500和700 ℃)條件下燒制玉米秸稈生物炭，研究其主要碳性質(zhì)變化特征及對(duì)萘的吸附特征。農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)發(fā)文中，2013年安徽科技學(xué)院李飛躍等[11]發(fā)表的“中國(guó)糧食作物秸稈焚燒排碳量及轉(zhuǎn)化生物炭固碳量的估算”被引頻次181次，主要估算了中國(guó)主要糧食作物秸稈產(chǎn)量及因焚燒產(chǎn)生的碳排放量，并指出中國(guó)農(nóng)作物秸稈全部轉(zhuǎn)化為生物炭后，可實(shí)現(xiàn)年均0.96×108t的固碳量。

表1 秸稈生物炭發(fā)文前10位期刊

2.1.4研究機(jī)構(gòu)。從研究機(jī)構(gòu)看，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)關(guān)于秸稈生物炭方面發(fā)表的論文最多，為40篇，其次為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等(圖2)。在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，以陳溫福院士領(lǐng)銜組建的生物炭工程研究中心為代表，開(kāi)展了秸稈生物炭化生產(chǎn)工藝、性質(zhì)及改良土壤、鈍化重金屬等方面的研究。在發(fā)表的中文論文中，戰(zhàn)秀梅發(fā)表在植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)上的《生物炭及炭基肥改良棕壤理化性狀及提高花生產(chǎn)量的作用》具有最高的引用率，被引頻次92。從論文被引頻次看，2012年南開(kāi)大學(xué)李力發(fā)表在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)上的《玉米秸稈生物炭對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附機(jī)理研究》，被引頻次最高，為292次；其次為華僑大學(xué)安增莉2011年在環(huán)境化學(xué)上發(fā)表的《水稻秸稈生物炭對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附特性》，被引頻次為261次；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)付慶靈團(tuán)隊(duì)2016年發(fā)表在環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)上的《水稻秸稈生物炭對(duì)鎘、鉛復(fù)合污染土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的短期影響》，為該機(jī)構(gòu)在秸稈生物炭論文中被引頻次最高，為120次；2015年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)潘根興課題組發(fā)表在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)上的《不同作物秸稈生物炭對(duì)溶液中Pb2+、Cd2+的吸附》被引頻次達(dá)到130次，成為該期刊發(fā)表的秸稈生物炭領(lǐng)域最高被引論文。從這些高被引論文主要研究?jī)?nèi)容來(lái)看，關(guān)于秸稈生物炭方面的研究主要集中在重金屬吸附及鈍化、降低重金屬危害方面。

圖2 研究機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量比較Fig.2 Comparison of literature number of research institutions

從被引頻次看，被引最高的前10篇論文中，有5篇的研究?jī)?nèi)容為秸稈生物炭對(duì)重金屬Cd、Pb形態(tài)、吸附方面的研究，即在土壤重金屬污染治理方面得到重視，且具有良好的利用前景。

2.2 主要研究結(jié)果

2.2.1制取工藝對(duì)秸稈生物炭性質(zhì)的影響。秸稈生物炭的制取工藝主要表現(xiàn)在裂解溫度和時(shí)間2個(gè)方面，在不同裂解溫度和時(shí)間條件下，秸稈物質(zhì)轉(zhuǎn)化和釋放特征不同，最終形成了有機(jī)碳含量、炭結(jié)構(gòu)、酸堿性等不同的生物炭，并最終影響施用后對(duì)土壤的改良效果。一般地，隨著熱裂解溫度的升高，生物炭炭化程度越高，所得炭穩(wěn)定性越強(qiáng)，生物炭pH亦呈增加趨勢(shì)[12]。在500和700 ℃溫度條件下制取生物炭pH分別為9.09和11.30，且在700 ℃條件下生物炭比表面積是500 ℃時(shí)的3.92倍，但低溫裂解生物炭對(duì)土壤總有機(jī)碳具有更高的貢獻(xiàn)[13]。不同類(lèi)型秸稈所制取生物炭的pH及成分含量亦不同，從而對(duì)土壤的改良效果存在差異。辣椒秸稈500 ℃下裂解4 h[14]，玉米、水稻、油菜秸稈500 ℃下裂解6 h所得生物炭pH分別為10.04、8.23、9.59和9.55[15]。表2為不同秸稈生物炭主要性質(zhì)比較。

表2 不同秸稈生物炭主要性質(zhì)比較

相同秸稈材料在不同制取溫度下，一般生物炭碳元素含量隨裂解溫度升高而升高，玉米秸稈制取生物炭材料碳含量由300 ℃時(shí)的66.79%上升到700 ℃時(shí)的76.30%，這可能與高溫條件下生物炭產(chǎn)率下降有關(guān)[20]。但有研究表明，在高溫條件下(>600 ℃)小麥秸稈生物炭有較低的有機(jī)碳含量，而在200～400 ℃條件下碳化則有機(jī)碳含量高[21]。

2.2.2秸稈生物炭對(duì)土壤主要性質(zhì)的影響。生物炭對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究一般采用盆栽和大田試驗(yàn)2種方式，室內(nèi)盆栽模擬培養(yǎng)的施用濃度一般為1%～5%[22]，而在田間施用時(shí)，有采用1.0、5.0和10 t/hm2[23]，施用濃度將直接影響對(duì)土壤性質(zhì)的改良。pH是土壤的重要屬性，直接影響了如土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和有效性、土壤微生物區(qū)系構(gòu)成與活性等化學(xué)和生物學(xué)屬性及植物的生長(zhǎng)。然而，隨著氮肥的大量施用和大氣氮沉降的增加，中國(guó)農(nóng)田土壤已顯著酸化[24]，這將直接影響土壤的生產(chǎn)力和可持續(xù)利用。生物炭是一種堿性高分子含碳有機(jī)化合物，施入土壤可以有效提高土壤pH，對(duì)于酸化土壤具有良好的改良效果。采用500 ℃裂解1 h的水稻秸稈生物炭，按照5%的比例添加生物炭，可以使pH增加0.31～1.05[25]。添加3%比例的生物炭試驗(yàn)的結(jié)果表明，在生物炭施入初期可以顯著提高土壤pH，水稻、玉米、小麥秸稈生物炭分別使土壤pH提高了0.30、0.35和0.33，隨著施用時(shí)間的延長(zhǎng)，pH的提高效應(yīng)呈降低趨勢(shì)，但pH均高于不施生物炭的處理[26]。侯建偉等[15]分別采用1%、2%和4%的比例添加玉米、水稻和油菜秸稈生物炭，培養(yǎng)186 d后土壤pH得到提高，同一種生物炭隨著施用濃度的增加，pH呈增加趨勢(shì)，以4%油菜秸稈生物炭施用量提高pH效果最顯著，提高18.04%。

生物炭富含有機(jī)碳，施入土壤后可以快速增加土壤有機(jī)碳含量，并通過(guò)影響土壤微生物生活基質(zhì)物質(zhì)構(gòu)成和活性，而進(jìn)一步影響土壤物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。不同種類(lèi)作物秸稈生物炭中碳含量分布范圍較廣，在20.00%～77.0%，幾種主要類(lèi)型秸稈中，又以水稻(248.6 g/kg)和小麥(474 g/kg)秸稈生物炭含碳量較低，玉米(671 g/kg)、油菜(522 g/kg)較高，但施入土壤均可有效提高土壤有機(jī)碳含量[18]。

容重和孔隙度是影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化、植物生長(zhǎng)的重要物理因素。生物炭的施用可以顯著增加土壤的總孔隙度，并使土壤容重顯著下降[27]，增加土壤總孔隙度調(diào)節(jié)孔隙比，并顯著提高土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性[28]。生物炭對(duì)土壤孔隙度和容重的影響直接決定了土壤的水分屬性，有研究表明，生物炭施用引起土壤最大持水量的增加[29-30]；但亦有研究表明，生物炭的施用對(duì)土壤含水量無(wú)顯著影響[27]，這可能主要取決于生物炭顆粒大小、生物炭孔隙屬性、土壤類(lèi)型等。大顆粒生物炭一般促進(jìn)土壤大孔隙的形成，從而增強(qiáng)了土壤的導(dǎo)水性，砂性土壤施用生物炭可能對(duì)土壤保水性具有更好的效果。有研究表明，生物炭對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響受生物炭用量和土壤質(zhì)地的影響。粗砂和細(xì)砂質(zhì)地土壤中添加生物炭后，土壤飽和導(dǎo)水率下降，且隨著生物炭施用濃度的增加而降低，即砂性土壤施用生物炭有利于促進(jìn)土壤對(duì)水分的保蓄，黏土和壤土飽和導(dǎo)水率則隨生物炭施用濃度的增加而先增加后降低[22]。

2.2.3秸稈生物炭對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)的影響。碳、氮循環(huán)是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的核心。秸稈生物炭以高濃度有機(jī)碳形式向土壤中歸還，可以快速改變土壤有機(jī)物碳的含量和構(gòu)成。同時(shí)生物炭的施用可以有效提高土壤溫度、降低土壤日溫差[31]及微生物生活基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)條件、改變土壤微生物體系，從而影響土壤碳、氮物質(zhì)循環(huán)進(jìn)程。有研究表明，生物炭施用初期，引起土壤呼吸釋放CO2量增加，即表現(xiàn)出階段性的激發(fā)效應(yīng)，但培養(yǎng)一段時(shí)間后，土壤-生物炭系統(tǒng)排放CO2的累積量低于未施生物炭處理，即經(jīng)過(guò)短期的礦化作用后，生物炭中碳組分及土壤有機(jī)碳組分趨于穩(wěn)定[13]，并逐步以穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳貯存在土壤中，增加土壤有機(jī)碳含量[32]。

秸稈生物炭的施用對(duì)農(nóng)田N2O具有巨大的減排潛力，且促進(jìn)對(duì)氮肥的固持[33]。研究表明，在短時(shí)間尺度上，秸稈生物炭的施入加速土壤氮循環(huán)，使N礦化速率提高185%～221%，硝化作用提高10%～69%，NH4+消耗率增加333%～508%，同時(shí)促進(jìn)N從穩(wěn)定有機(jī)態(tài)氮庫(kù)向活性有機(jī)氮庫(kù)轉(zhuǎn)變[34]。生物炭促進(jìn)植物的共生固氮(63%)，促進(jìn)植物對(duì)N的吸收(11%)，降低土壤N2O排放(32%)，減少土壤N淋溶損失(26%)，但增加了土壤NH3的揮發(fā)損失風(fēng)險(xiǎn)(19%)[35]。添加2%的棉花秸稈生物炭可以顯著降低自養(yǎng)硝化作用產(chǎn)生的N2O(20.6%)；當(dāng)施用量為2%和5%時(shí)，異養(yǎng)硝化作用N2O的產(chǎn)生量分別減少15.7%和13.2%，反硝化作用N2O排放量分別降低40.9%和11.7%[19]。

2.3 研究方向展望

2.3.1秸稈生物炭的化肥替代定量評(píng)價(jià)。秸稈對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥的可能貢獻(xiàn)已得到學(xué)者的廣泛重視和研究，但秸稈生物炭中的養(yǎng)分形態(tài)及在土壤中的長(zhǎng)期轉(zhuǎn)化過(guò)程和對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)定量評(píng)價(jià)尚鮮見(jiàn)報(bào)道。目前的研究主要集中在元素含量及可能對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)，但這些養(yǎng)分元素施入土壤后的轉(zhuǎn)化及對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)的定量評(píng)價(jià)尚缺乏系統(tǒng)的研究，這不利于研究人員基于秸稈生物炭施用背景下的化肥的合理施用。

2.3.2基于不同質(zhì)地土壤生物炭施用效應(yīng)及機(jī)制。不同質(zhì)地土壤顆粒吸附力、膠體的帶電性等特征不同，使土壤顆粒與生物炭的結(jié)合時(shí)間、結(jié)合程度等存在差異，并進(jìn)一步影響土壤的顆粒團(tuán)聚性、帶電性、導(dǎo)水率等特征，從而使土壤質(zhì)地成為影響生物炭施用效果的重要因素[22，36]。然而，目前針對(duì)基于土壤質(zhì)地的生物炭施用研究主要集中在影響特征方面，而對(duì)于長(zhǎng)期施用條件下的作用機(jī)制的研究還很薄弱。

2.3.3秸稈生物炭與土壤結(jié)合的微尺度研究。施入土壤中的秸稈生物炭與土壤顆粒的結(jié)合速率、結(jié)合程度等直接影響了生物炭的施用效果和持續(xù)時(shí)間。然而，目前在生物炭與土壤顆粒結(jié)合的微觀(guān)特征方面研究還很少，如生物炭與土壤顆粒結(jié)合的時(shí)間、生物炭在土壤中的轉(zhuǎn)化等的研究。

3 結(jié)論

1998—2020年間，秸稈生物炭的研究逐漸得到重視，其中以玉米、水稻和小麥3種作物秸稈研究最多。對(duì)秸稈生物炭的研究主要集中在吸附鈍化土壤重金屬、降低農(nóng)產(chǎn)品污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)土壤理化、生物學(xué)屬性的改良和促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面。從研究機(jī)構(gòu)看，以沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)文最多。不同秸稈材料、熱解溫度和時(shí)間等因素直接影響了生物炭的屬性及對(duì)土壤的改良效果。結(jié)合目前的主要研究進(jìn)展，認(rèn)為生物炭化肥替代的定量評(píng)價(jià)、生物炭與土壤互作效應(yīng)及機(jī)制方面有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。