生物炭對(duì)土壤肥料的作用及未來發(fā)展

秦 婧，高嘉培，楊愛飛

（玉溪市農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料工作站，云南 玉溪 653100）

隨著人口的不斷增加和人們對(duì)于社會(huì)發(fā)展質(zhì)量要求的不斷提高，保障糧食安全和環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)今世界面臨的重大問題。因此，制訂高效可持續(xù)、生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)之一。其中，改善土地質(zhì)量和保障土地資源的有效利用也越來越被重視。

在眾多土壤改良方法中，生物炭由于其原材料廣泛、技術(shù)簡(jiǎn)便、養(yǎng)分含量高等優(yōu)勢(shì)，受到越來越多專家學(xué)者和農(nóng)業(yè)工作者的關(guān)注，研究生物炭旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使廣大研究者和生產(chǎn)者更好地認(rèn)識(shí)生物炭并開展相關(guān)研究。同時(shí)，為推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等方面提供一些思路和建議。

1 生物炭的概念和特性

1.1 生物炭的定義和來源

生物炭是一種由生物質(zhì)原料經(jīng)過高溫?zé)峤夂吞炕笏玫降姆€(wěn)定性碳質(zhì)物質(zhì)，其分子中含有大量的孔洞、微孔和介孔，具有較大的比表面積。生物炭的主要來源有生物質(zhì)廢棄物、植物殘?jiān)?、木材、農(nóng)業(yè)廢棄物等，經(jīng)過高溫解炭后得到生物炭［1］。

1.2 物化特性分析

從物化特性分析角度來看，生物炭具有很多優(yōu)異特性。生物炭具有很大的比表面積，能夠吸附和固定大量的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，增強(qiáng)土壤肥力。由于生物炭具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)土壤儲(chǔ)水能力，提高土壤整體的水分利用率，改善極端干旱和高溫天氣下農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。生物炭還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物降解性，能夠慢慢釋放養(yǎng)分，為農(nóng)作物提供持久的營(yíng)養(yǎng)［2］。

同時(shí)，生物炭的物化特性還表現(xiàn)在其獨(dú)特的熱穩(wěn)定性上。生物炭在高溫下形成的碳結(jié)構(gòu)使其具有很高的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會(huì)分解，使得生物炭在許多工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，生物炭可以作為氣體吸附劑和催化劑，以及污水處理廠的吸附劑和凈化劑，還可用于燃料和能源生產(chǎn)等。

此外，生物炭還表現(xiàn)出較好的生物降解性能。生物炭在土壤中緩慢分解的過程中會(huì)逐漸釋放出一些有益于植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為農(nóng)作物提供持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。這種特性使得生物炭成為一種理想的土壤改良劑和肥料添加劑。生物炭的應(yīng)用也需要考慮到其潛在的環(huán)境影響和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在推廣生物炭應(yīng)用的過程中，需要綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素，制訂合理的政策和措施，以實(shí)現(xiàn)生物炭的可持續(xù)利用和環(huán)境保護(hù)的平衡［3-4］。

1.3 生態(tài)環(huán)境影響

大量生物質(zhì)原料的采集和生物炭的生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放，反而增加了溫室氣體排放量。生物炭的應(yīng)用需要考慮土地的承載能力和土質(zhì)類型，過度使用可能會(huì)影響土壤基質(zhì)穩(wěn)定性和生物多樣性。因此，在生物炭的應(yīng)用過程中，需要綜合考慮環(huán)境承載能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境的平衡，推廣生物炭的可持續(xù)利用是未來的發(fā)展方向。

2 生物炭在土壤改良中的應(yīng)用

2.1 生物炭的土壤改良機(jī)理

生物炭通過其特殊的化學(xué)和物理性質(zhì)，影響了土壤肥料吸附、釋放的作用，促進(jìn)了土壤微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)。生物炭所具有的屬性中較高的孔隙度和比表面積使其能夠大量吸附一些環(huán)境中存在的金屬離子或有機(jī)分子等，形成了“負(fù)載體”的復(fù)合物，類似于天然的根際土地皮層結(jié)構(gòu)，營(yíng)造更宜耕種果蔬的環(huán)境［5］。生物炭的加入提高了土壤pH 值和固定營(yíng)養(yǎng)元素的能力，促進(jìn)了施肥后土壤中若干營(yíng)養(yǎng)元素的快速循環(huán)利用。

2.2 生物炭在提高土地質(zhì)量方面的表現(xiàn)

采用生物炭進(jìn)行土壤改良可以促進(jìn)各種營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的快速利用和循環(huán)，增加土壤有效性，提高肥料效益等，具體表現(xiàn)為提高土壤機(jī)械配合力和質(zhì)地結(jié)構(gòu)，增加土壤通透性，并能調(diào)節(jié)土層水分的積存和釋放；增強(qiáng)土壤保水、保肥及緩解土壤酸堿度等在內(nèi)的調(diào)控作用，同時(shí)也有很好的靜電導(dǎo)體特性，增加延長(zhǎng)肥料的有效期。此外，在培育根系群體方面，生物炭對(duì)空氣、水分和營(yíng)養(yǎng)元素的協(xié)同作用更明顯。

2.3 應(yīng)用案例分析

目前，已有不少針對(duì)生物炭的科研試驗(yàn)和應(yīng)用案例，相關(guān)報(bào)道也越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。比如，某農(nóng)業(yè)研究院通過添加大面積的生物炭，組成了名為“炭花園”的試驗(yàn)田，在該園區(qū)內(nèi)使用生物炭后的種子出苗率較未使用時(shí)有了很大提高，同時(shí)作物拔節(jié)和根系生長(zhǎng)也得到了改善，極大提升了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，節(jié)約了30%左右的肥料用量和40%左右的水量，提高了作物產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)于水質(zhì)、空氣凈化等其他方面都產(chǎn)生了很好的支持效果［6］。

3 生物炭與土壤肥料的協(xié)同效應(yīng)

3.1 與不同肥料配合的作用分析

通過與不同類型肥料的配合施用，生物炭可以發(fā)揮出更加顯著的肥料效益。具體而言，當(dāng)與有機(jī)肥、復(fù)合肥等高氮化肥結(jié)合施用時(shí)，生物炭可以增加肥料的活性，并改善土層C、N 環(huán)境，提高土壤pH值和宏微觀孔隙度。同時(shí)，也可以降解淀粉酶類物質(zhì)，使大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)變成小分子有機(jī)物，加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)移；放線菌等固氮菌類利用生物炭作為基質(zhì)結(jié)構(gòu)后，還可以保持一定量且穩(wěn)定的N 輸入速率，促使肥料被作物有效地吸收，促進(jìn)作物健康生長(zhǎng)。

3.2 N循環(huán)和P利用

生物炭能夠促進(jìn)N 在土壤中的循環(huán)過程，并增強(qiáng)了土壤對(duì)N 的利用效率。一方面，可以加速土壤中硝酸鹽和氨態(tài)氮等化合物的轉(zhuǎn)化過程，從而使這些元素快速地進(jìn)入到植物體內(nèi)。另一方面，可以增強(qiáng)土壤中固氮菌的活性和數(shù)量，從而促進(jìn)N 積累和利用。此外，生物炭還具有較高的PO42-吸附能力，可以有效補(bǔ)充土壤和肥料中的P、K［7］。

3.3 土壤微生物長(zhǎng)期恢復(fù)

將生物炭添加到土壤中，對(duì)于土壤微生物群落的恢復(fù)和建立也具有一定的促進(jìn)作用。一方面，生物炭具有良好的孔隙度和比表面積，可以提供更多的空余量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖。另一方面，由于生物炭具有類似天然“根層土”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在強(qiáng)化微生物群體的同時(shí)提升深層土壤肥力水平。因此，通過合理加入生物炭，可以促進(jìn)土壤微生物群落的建立和長(zhǎng)遠(yuǎn)維持。

4 生物炭應(yīng)用過程中的問題與解決方案

4.1 生物炭應(yīng)用的限制因素分析

不同種類的生物炭具有不同的吸附性能和利用效率，因此需要針對(duì)具體情況進(jìn)行選擇。生產(chǎn)工藝和原料差異會(huì)影響生物炭的質(zhì)量和性能，而高質(zhì)量生物炭的生產(chǎn)成本相較于傳統(tǒng)煤炭仍較高。

對(duì)生物炭的施用量和方式也需要根據(jù)土壤情況進(jìn)行調(diào)整。此外，生物炭還受到市場(chǎng)需求、政策環(huán)境等因素的限制，需要加強(qiáng)相關(guān)宣傳、推廣和培訓(xùn)力度，同時(shí)，生物炭在生產(chǎn)工藝、管理等技術(shù)上仍有待完善。

4.2 不同生物炭種類和生產(chǎn)工藝對(duì)應(yīng)的區(qū)別

由于生物炭是從不同類型的生物材料轉(zhuǎn)化而來，具有不同的原料來源和制造工藝。常見的類型包括木材生物炭、秸稈生物炭等。此外，生產(chǎn)工藝也對(duì)生物炭的質(zhì)量和性能有著重要影響。例如，膠凝劑型生物炭采用納米二氧化硅或鈦酸鹽溶液為膠凝劑，在低溫（約500 ℃）和無氧條件下進(jìn)行生料固化處理，以提高生物炭的基礎(chǔ)存儲(chǔ)密度和物理力學(xué)強(qiáng)度。

4.3 解決方案的探討和意義

為了解決生物炭應(yīng)用過程中存在的問題，在推廣和使用生物炭的同時(shí)需要加強(qiáng)以下幾方面的工作。在制訂標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范方面，應(yīng)加強(qiáng)工作，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展并規(guī)范市場(chǎng)行為。積極與農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)合作，針對(duì)不同地區(qū)和作物特點(diǎn)，確定合適的生物炭品種及使用方式，并充分利用現(xiàn)代科學(xué)手段進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，如創(chuàng)新開發(fā)專業(yè)應(yīng)用軟件。切實(shí)加強(qiáng)宣傳教育和溝通交流，通過媒體、網(wǎng)絡(luò)等多種方式加強(qiáng)產(chǎn)品推廣及使用信息反饋，全面提升用戶接受度；在生產(chǎn)工藝上，不斷提高管理和技術(shù)能力，采取節(jié)約清潔能源、拓展并逐步標(biāo)準(zhǔn)化，確保符合環(huán)保要求和產(chǎn)品品質(zhì)。

5 生物炭未來發(fā)展趨勢(shì)

5.1 市場(chǎng)需求和趨勢(shì)分析

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為生物炭逐漸得到廣泛應(yīng)用，是新型環(huán)保、高效、多功能肥料的代表。全球都對(duì)生物質(zhì)生產(chǎn)電力、制氣、制熱并制備生物炭等領(lǐng)域進(jìn)行積極研究，市場(chǎng)需求呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。

5.2 研究方向和發(fā)展前景

人們對(duì)于生物炭的認(rèn)識(shí)，大多來自于實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)室的觀點(diǎn)來看，有關(guān)理論存在一定的限制，其在短期內(nèi)的應(yīng)用結(jié)果也存在一定的借鑒意義，在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中，生物炭應(yīng)對(duì)土壤的調(diào)控效果有一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的、可靠的數(shù)據(jù)，要加大在實(shí)驗(yàn)室外的試驗(yàn)力度。

從田間管理情況來看，生物炭對(duì)于土壤物理、化學(xué)、微生物以及控制肥力釋放方面的影響，要有充足的資料做為理論支持，對(duì)于生態(tài)的保護(hù)效應(yīng)，是否和試驗(yàn)一樣明顯。特別是在生物炭的用量方面，應(yīng)確定使用劑量方案，低劑量的生物炭效果是非常好的，但高劑量的生物炭效果較差。未來，生物炭有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮其特殊的優(yōu)勢(shì)，在土壤改良和修復(fù)領(lǐng)域方面，可以通過提高生物炭的孔隙度和比表面積來增強(qiáng)其吸附性能和離子交換能力，從而提高土壤養(yǎng)分、保水能力，增加微生物數(shù)量，有效提高土地質(zhì)量。

生物炭作為有效的吸附材料，在廢水和廢氣治理、垃圾填埋場(chǎng)和水庫等復(fù)合污染環(huán)境中也具有廣闊應(yīng)用前景。此外，還可以在煉鋼、環(huán)境保護(hù)與能源開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

5.3 未來應(yīng)用場(chǎng)景

當(dāng)前生物炭產(chǎn)業(yè)正在逐步由規(guī)?；鴮I(yè)化方向拓展，未來會(huì)拓寬應(yīng)用場(chǎng)景。可以進(jìn)一步研發(fā)具有多種功能的生物炭產(chǎn)品或納米級(jí)的改性生物炭，并結(jié)合人工智能和云技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)和城市智能化管理。生物炭與其他材料進(jìn)行復(fù)合應(yīng)用，如添加醫(yī)藥用途的植物提取物、酵素等成分，可制成高效的生物活性劑，同時(shí)可作為木地板、寶石、手工藝品等制作材料，拓寬其應(yīng)用范圍。值得注意的是，需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)創(chuàng)新，建立健全管理體系和科學(xué)評(píng)估體系，推動(dòng)生物炭行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)束語

從生物炭的概念、制備、性質(zhì)與特點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并闡述了生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用以及對(duì)土壤肥力提高和環(huán)境改善的促進(jìn)作用。同時(shí)，分析了未來生物炭發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用潛力。隨著生物炭的不斷優(yōu)化和應(yīng)用技術(shù)的提升，其在環(huán)境保護(hù)、土壤修復(fù)、可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其在當(dāng)前全球?qū)稍偕Y源的追求和環(huán)境污染的關(guān)注下，生物炭作為一種高效、可持續(xù)、環(huán)保的農(nóng)業(yè)肥料助劑，已經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。在未來發(fā)展過程中，需要不斷完善生物炭標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，加強(qiáng)生產(chǎn)應(yīng)用與科研環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、學(xué)術(shù)、政策的共同推動(dòng)，為引領(lǐng)生物炭行業(yè)更健康穩(wěn)定發(fā)展提供良好的支撐和保障，為不斷推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境作出貢獻(xiàn)。