生物炭基產(chǎn)品及其對(duì)土壤培肥改良效應(yīng)的研究進(jìn)展

摘要： 生物炭疏松多孔，具有很強(qiáng)的吸附和抗分解能力，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了秸稈資源的有效利用，還對(duì)改良土壤、減少化肥使用、增強(qiáng)土壤固碳能力和降低溫室氣體排放具有重要意義。然而，生物炭直接用作肥料時(shí)，由于其養(yǎng)分含量相對(duì)較低，運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本較高，加之易引起粉塵污染等問(wèn)題，限制了其在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，將生物炭作為載體或特定功能組分，開(kāi)發(fā)新型土壤培肥改良產(chǎn)品及配套技術(shù)，成為推動(dòng)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。通過(guò)養(yǎng)分合理組配和控制釋放，生物炭基產(chǎn)品不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)分利用率，還能緩解土壤障礙、改善作物生長(zhǎng)條件，已成為當(dāng)前本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。本文綜述了生物炭基產(chǎn)品的類型、制備工藝、性能評(píng)價(jià)和在土壤改良與培肥中的應(yīng)用，指出其對(duì)提升土壤質(zhì)量、促進(jìn)作物增產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)具有顯著效果，未來(lái)需加強(qiáng)新材料和技術(shù)研發(fā)，完善檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，加快示范推廣，并關(guān)注其長(zhǎng)期應(yīng)用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 炭基肥； 炭基調(diào)理劑； 制備工藝； 評(píng)價(jià)體系； 長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)

生物炭源于農(nóng)作物秸稈等廢棄生物質(zhì)，富含穩(wěn)定性有機(jī)碳，孔隙豐富、吸附能力強(qiáng)，將其返還農(nóng)田，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)秸稈利用、農(nóng)田培肥、化肥減量、固碳減排等多重目標(biāo)，其顯著的環(huán)境效應(yīng)更是近年來(lái)全球資源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與前沿（圖1）。但生物炭中一般礦質(zhì)養(yǎng)分含量較低，可直接提供給作物的養(yǎng)分有限，且生物炭質(zhì)量輕，脆而易碎，占空間大、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的成本較高，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施加生物炭存在飄揚(yáng)、粉塵污染等問(wèn)題，限制了其在農(nóng)業(yè)中的推廣和利用。在此背景下，以生物炭作為載體材料或特定功能組分開(kāi)發(fā)土壤培肥改良產(chǎn)品及其配套應(yīng)用技術(shù)，將是實(shí)現(xiàn)肥料高效利用、土壤障礙消減和農(nóng)田環(huán)境治理，進(jìn)而推動(dòng)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑[1]。因此，沿循“以農(nóng)林廢棄物為原料、以生物炭為基質(zhì)，通過(guò)養(yǎng)分的合理組配實(shí)現(xiàn)緩釋、改土等功能復(fù)合”的技術(shù)路線，將生物炭制備為生物炭基肥料和土壤改良劑，日趨成為我國(guó)生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)的主要發(fā)展方向。受不同地域、生態(tài)、氣候條件等因素的影響，我國(guó)中低產(chǎn)田種類繁多、性質(zhì)各異、等級(jí)不同。炭基土壤培肥與調(diào)理產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與作用機(jī)理等多個(gè)方面，就構(gòu)成了生物炭應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)涵。本文從生物炭基產(chǎn)品類型、制備工藝、性能評(píng)價(jià)及改土培肥應(yīng)用等方面展開(kāi)論述。

1 生物炭基產(chǎn)品類型與功能

隨著應(yīng)用場(chǎng)景和需求的不斷發(fā)展，生物炭基改土培肥產(chǎn)品從早期的原始生物炭，逐步發(fā)展到各類改性生物炭、生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥、生物炭基包膜肥、生物炭基（生物） 有機(jī)肥、生物炭基微生物肥料（菌劑）、生物炭基土壤調(diào)理劑、生物炭基肥料增效劑等多種類型（圖2），其設(shè)計(jì)原理、制備工藝、產(chǎn)品特性、功能和應(yīng)用技術(shù)等也不斷迭代發(fā)展，相關(guān)研究日趨深入[2?4]。

1.1 改性生物炭

生物炭改土培肥效果顯著，但由于土壤障礙的多樣性、作物需求的特殊性和農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性不同，在實(shí)際應(yīng)用中可能存在效能不突出、成本偏高、實(shí)施困難等問(wèn)題。為了提高生物炭的靶向調(diào)理功能，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效和綠色應(yīng)用，開(kāi)發(fā)各類工程化的改性生物炭基材料，提高炭基材料性能就成了必然選擇[5]。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采取特定的調(diào)控手段和優(yōu)化炭化工藝及制備方法，可以有效地調(diào)控生物炭的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[6]。這不僅有助于彌補(bǔ)生物炭在某些方面的不足，還能引導(dǎo)其結(jié)構(gòu)特性和性能發(fā)生特定的、優(yōu)化的改變。通過(guò)這樣的調(diào)控，可以使生物炭更好地滿足預(yù)期的應(yīng)用需求，從而實(shí)現(xiàn)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的高效應(yīng)用。

1.2 生物炭基復(fù)合肥/復(fù)混肥

生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥料一般是將生物炭與化肥（氮、磷、鉀肥料等），有機(jī)肥（如畜禽糞便、秸稈等） 以及可能包含的其他成分（如微量元素、生物活性物質(zhì)等） 按一定比例，采用化學(xué)方法和（或） 物理方法混合制成的肥料。它結(jié)合了生物炭的環(huán)境友好特性和化肥或有機(jī)肥的高效肥效，不僅能改善土壤質(zhì)量，提升作物產(chǎn)量，還能在一定程度上減少長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。

生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥具備較強(qiáng)的養(yǎng)分緩釋功能。有研究表明，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富，其保留的細(xì)胞分室結(jié)構(gòu)可減少其中嵌入的養(yǎng)分與水和土壤環(huán)境的接觸，即通過(guò)物理隔離延緩養(yǎng)分釋放[7]。新制備生物炭的疏水表面可能進(jìn)一步增強(qiáng)了其物理隔離能力。將生物炭和化學(xué)肥料混合造粒后，部分生物炭孔隙結(jié)構(gòu)中結(jié)晶狀物質(zhì)增多，化肥中的氮、磷、鉀養(yǎng)分不僅附著在生物炭表面，也可以進(jìn)入生物炭的孔隙中，說(shuō)明生物炭發(fā)揮了化肥載體作用[8]。生物炭比表面積大，加之豐富的羥基、羧基和羰基等官能團(tuán)，表現(xiàn)出強(qiáng)大的吸附性。當(dāng)把生物炭與硝酸銨結(jié)合制備生物炭基肥料后，通過(guò)紅外光譜圖分析可發(fā)現(xiàn)，硝酸銨中NH4+的 N?H 吸收峰弱化并移向高波數(shù)，說(shuō)明羥基和 NH4+形成了強(qiáng)烈的氫鍵作用[9]。此外，生物炭對(duì)磷也具有一定吸附作用，能夠減少磷的淋溶損失，保持較長(zhǎng)時(shí)間的供肥能力。生物炭基肥料與其它肥料的最大區(qū)別在于，當(dāng)養(yǎng)分為當(dāng)季作物利用后，生物炭仍在土壤中長(zhǎng)期存在且持續(xù)發(fā)揮作用。隨著炭基肥的逐年施入，土壤中的生物炭含量將越來(lái)越多，其還田改土效果也將不斷累加。

1.3 生物炭基包膜肥

生物炭基包膜肥料是一種新興的農(nóng)業(yè)投入品，它結(jié)合了生物炭的優(yōu)點(diǎn)和包膜肥料的技術(shù)，旨在提高肥料效率，減少養(yǎng)分流失。生物炭基包膜肥料一般有兩種包膜形式：一種是將生物炭與化肥（如尿素、磷酸二銨等） 進(jìn)行混合后，再通過(guò)特定工藝將其包裹在一層或多層材料（如聚合物、生物降解材料等） 中制成緩/控釋型肥料；另一種是將生物炭作為膜材料組分與其他功能制劑復(fù)配成膜，再進(jìn)一步對(duì)其他肥料核芯進(jìn)行包膜處理。近年來(lái)，研究熱點(diǎn)主要集中在炭基膜材料和包膜技術(shù)的研發(fā)等方面。

由于生物炭具有很強(qiáng)的疏水特性，將生物炭配比粘結(jié)劑負(fù)載在肥料顆粒表面可以起到屏障作用，有效地阻礙水分子快速進(jìn)入肥料內(nèi)核，從而達(dá)到減緩養(yǎng)分釋放的效果[10]。周子軍等[11]研制了生物炭改性聚丙烯酸酯包膜控釋肥料，發(fā)現(xiàn)生物炭與氮丙啶交聯(lián)劑耦合改性膜強(qiáng)度增加，可延長(zhǎng)包膜肥料控釋期。苑曉辰[12]以乙基纖維素為成膜材料，戊二醛作為交聯(lián)劑，鄰苯二甲酸二乙酯作為增塑劑，吐溫80 作為乳化劑，采用溶液共混法制備生物炭基肥包膜材料，發(fā)現(xiàn)制備的包膜材料物理機(jī)械綜合性能優(yōu)良，累計(jì)養(yǎng)分透過(guò)率達(dá)到80% 的時(shí)間為98 天，滿足大部分作物生長(zhǎng)周期的肥效需求。

1.4 生物炭基（生物） 有機(jī)肥

生物炭基有機(jī)肥一般是指生物炭與來(lái)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(lái)源于植物和（或） 動(dòng)物的經(jīng)過(guò)發(fā)酵腐熟的含碳有機(jī)物料混合制成的肥料，按照其來(lái)源和制備工藝可以劃分為：1） 直接混合型，即將生物炭與有機(jī)物料直接物理混合，然后通過(guò)堆肥化處理使有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步礦化和腐熟；2） 發(fā)酵型，即先將有機(jī)物料進(jìn)行微生物發(fā)酵，產(chǎn)生的有機(jī)肥與生物炭混合，通過(guò)后續(xù)處理增加肥效和穩(wěn)定性；3） 復(fù)合型，即不僅包括生物炭和有機(jī)物，還可能添加一些無(wú)機(jī)肥料成分，如氮、磷、鉀等，以提高肥效。在炭基有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，加入特定的功能性微生物（如固氮菌、解磷菌、解鉀菌等），可制備成炭基生物有機(jī)肥，從而進(jìn)一步增強(qiáng)肥效或病害防治能力等。與傳統(tǒng)堆肥相比，生物炭基（生物） 有機(jī)肥具有生產(chǎn)周期短、溫室氣體和氨排放少、養(yǎng)分含量高、腐殖化程度高、重金屬和抗生素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)[13]。自2015 年以來(lái)，基于生物炭的有機(jī)肥料研究處于快速發(fā)展階段，研究熱點(diǎn)包括氮素轉(zhuǎn)化利用、溫室氣體排放、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和土壤肥力提升等[14?15]。

在制備生物炭基有機(jī)肥料時(shí)，以下幾點(diǎn)需要關(guān)注：1） 生物炭添加量，在一定用量范圍內(nèi)，生物炭可通過(guò)多孔表面增加曝氣和微生物活性進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)熱，還可填補(bǔ)堆肥物料顆粒之間的空隙以減少熱量損失，促使堆體迅速升溫進(jìn)入高溫期。當(dāng)生物炭用量過(guò)大（如 40%，w/w） 時(shí)，可能會(huì)降低易降解化合物的利用率，并可能導(dǎo)致較低的溫度[16]。2） 生物炭粒度，添加顆粒炭能夠增加堆體孔隙，改善堆體傳質(zhì)，延長(zhǎng)堆肥高溫期時(shí)間，能夠有效促進(jìn)堆體中微生物對(duì)溶解性碳氮的利用，促進(jìn)腐殖質(zhì)生成并且提高持水能力。添加粉末炭能夠加快前期升溫但會(huì)促進(jìn)水分揮發(fā)，降低含水率[17]。3） 翻堆，生物炭的添加導(dǎo)致堆料曝氣增加，微生物數(shù)量和活性提高，有可能暫時(shí)出現(xiàn)局部氧水平降低，延緩降解過(guò)程[18]，因此，需要增加翻堆次數(shù)，保證堆肥內(nèi)部溫度的均勻性。4） 溫度監(jiān)測(cè)，生物炭的添加縮短了堆體進(jìn)入嗜熱階段的時(shí)間，提前進(jìn)入高溫期，添加生物炭還可以將嗜熱期延長(zhǎng) 1～6 天[19]，有利于使堆肥達(dá)到更高的無(wú)害化水平。5） 水分控制，一般建議將最佳含水量設(shè)為 50%～60%，因?yàn)樗趾刻蜁?huì)抑制微生物活性，而水分含量過(guò)高會(huì)影響堆肥曝氣。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)有利于吸收堆肥中多余的水分，從而防止?jié)B濾液形成，還可以防止嗜熱階段水分蒸發(fā)導(dǎo)致的堆肥過(guò)度干燥[20]。

1.5 生物炭基微生物肥料（菌劑）

生物炭是一種優(yōu)良的生物相容多孔材料，有利于微生物的繁殖和棲息，可以增加微生物的數(shù)量以及活性?；谶@一特性，將生物炭/微生物菌劑復(fù)合體進(jìn)行混合接種擴(kuò)繁形成生物炭基微生物肥料（菌劑），不僅有利于保持微生物菌劑的生物活性，也可以強(qiáng)化生物炭的土壤調(diào)理功能[21]。

在制備炭基微生物肥料時(shí)，需要確保微生物群體在擴(kuò)繁過(guò)程中保持高活性和穩(wěn)定性，以便使最終產(chǎn)品具有良好的增產(chǎn)效果，改善土壤結(jié)構(gòu)和增加土壤肥力。高效菌株的篩選，生物炭材料表面改性與營(yíng)養(yǎng)負(fù)載，生物炭材料的選擇以及功能菌的添加比例、發(fā)酵條件控制、產(chǎn)品保存條件等都是影響肥料中有效活菌數(shù)的重要因素。生物炭可負(fù)載多種不同類型菌株，例如用于負(fù)載固氮菌屬、芽孢桿菌屬、梭菌屬、弗蘭克氏菌屬、假單胞菌屬和根瘤菌屬等植物根際促生菌。勾穎[22]以土壤益生菌菌株為探針，通過(guò)載體結(jié)構(gòu)改良，益生菌定殖影響因素分析與培養(yǎng)條件優(yōu)化，構(gòu)建生物質(zhì)炭基?土壤益生菌的長(zhǎng)效耦合體系，開(kāi)發(fā)人參專用生物炭基微生物肥料，該產(chǎn)品中生防益生菌活菌數(shù)達(dá)到6.94×108 CFU/g，高于生物有機(jī)肥國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中，其活菌數(shù)高峰期較直接施用菌液增加了15 天，持效時(shí)間增加了60 天，表明生物炭基肥可有效提高生防菌在土壤中定殖數(shù)量以及存活時(shí)間。Shabir 等[23]測(cè)試了不同的生物聚合物添加劑（纖維素、黃原膠、殼聚糖和胰蛋白胨），使用經(jīng)過(guò)400℃ 炭化的松木生物炭（PWBC）作為基礎(chǔ)接種劑載體，檢測(cè)了其對(duì)Bradyrhizobiumjaponicum （CB1809） 生長(zhǎng)和活性的支持能力，結(jié)果表明，在PWBC 中添加生物聚合物有助于促進(jìn)CB1809的貨架壽命或存活率。

1.6 生物炭基土壤調(diào)理劑

生物炭基土壤調(diào)理劑主要利用生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、穩(wěn)定的碳框架等特性，對(duì)土壤進(jìn)行物理、化學(xué)和生物學(xué)調(diào)節(jié)，通常以生物炭作為主體，輔助添加其他有益于植物生長(zhǎng)和土壤改良的成分，如有機(jī)肥料、微生物制劑等。生物炭基土壤調(diào)理劑具備多效復(fù)合功能，其應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，減少養(yǎng)分流失，改善土壤的通氣性和保水性，促使土壤形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物多樣性和活性，減輕土壤污染等[24]。柴冠群等[25]研究發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑能提高土壤對(duì)降水的截存和保貯能力，顯著提高土壤飽和含水量、田間持水量、水分總庫(kù)容、有效水庫(kù)容及重力水庫(kù)容，降低土壤凋萎點(diǎn)含水量和無(wú)效水庫(kù)容。Sunginthara等[26]利用堆肥和生物炭制備炭基土壤調(diào)理劑，顯著促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的活化和利用。Das 等[27]開(kāi)發(fā)的水凝膠生物炭復(fù)合材料作為土壤調(diào)理劑在重金屬污染土壤修復(fù)方面發(fā)揮了重要作用。Li 等[28]發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑對(duì)土壤Pb 和Cd 的吸附率可分別達(dá)到99.9%和8 8 . 3 %，對(duì)阿特拉津的吸附率可達(dá)到7 5 . 2 %。Tran 等[29]發(fā)現(xiàn)，與生物炭共同堆肥可提高污染土壤中重金屬（HMs） 的修復(fù)效率，提高幅度為66%～95%，同時(shí)可高效吸附持久性污染物如農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯（PCBs），及新興有機(jī)污染物如微塑料、鄰苯二甲酸酯（PAEs）。

1.7 生物炭基肥料增效劑

生物炭作為肥料增效調(diào)節(jié)劑的研究由來(lái)已久，主要集中在堆肥過(guò)程調(diào)控和化肥養(yǎng)分減損增效方面。其增效機(jī)制主要體現(xiàn)在：調(diào)控堆體酸堿度和碳氮比，強(qiáng)化有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的生物和非生物驅(qū)動(dòng)過(guò)程，加速纖維素降解，促進(jìn)腐殖化和養(yǎng)分活化，利用其對(duì)養(yǎng)分離子的高代換和強(qiáng)吸附能力實(shí)現(xiàn)肥料增效。調(diào)控腐殖化過(guò)程是生物炭作為堆肥增效劑的核心目的，生物炭促進(jìn)堆肥腐殖化的過(guò)程包含生物和非生物路徑。生物炭可通過(guò)改變碳水化合物、氨基酸代謝、芽孢桿菌目、梭菌目和乳桿菌目微生物之間的相互作用模式，與腐殖酸（HA） 和富里酸（FA） 一起改善堆肥過(guò)程中的腐殖化作用，這對(duì)于理解生物炭在堆肥過(guò)程中對(duì)腐殖化的影響機(jī)制具有重要意義[30]。Zhang 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭用作堆肥增效劑可以增強(qiáng)功能性微生物群落對(duì)碳代謝壓力的響應(yīng)，并且改變了關(guān)鍵的產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的微生物群落，進(jìn)而調(diào)節(jié)堆肥纖維素轉(zhuǎn)化。此外，生物炭含有豐富的可變電荷，可以作為電子傳遞的載體驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)進(jìn)而調(diào)控有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。有研究利用金屬改性生物炭驅(qū)動(dòng)堆肥腐熟，發(fā)現(xiàn)生物炭的添加可加速M(fèi)n（II） 向可還原態(tài)Mn（Ⅲ） 和Mn（IV） 的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而通過(guò)氧化還原反應(yīng)增強(qiáng)非生物降解有機(jī)物和形成類腐殖質(zhì)物質(zhì)[32]。Zhou 等[33]基于 84 項(xiàng)生物炭調(diào)節(jié)堆肥研究的 876 個(gè)觀察結(jié)果進(jìn)行了全球薈萃分析，結(jié)果表明，無(wú)論生物炭特性和堆肥條件如何，添加生物炭均能顯著提高 pH 值（5.90%）、發(fā)芽指數(shù)（26.6%）、硝態(tài)氮含量（56.6%）、總氮含量（9.50%） 和總鉀含量（10.1%） 以及聚合度（29. 4%），不同程度地降低電導(dǎo)率（?5.70%） 和銨態(tài)氮（?33.7%）、生物可利用鋅（?22.9%） 和生物可利用銅（?38.6%） 含量，以及氨（?44.2%）、氧化亞氮（?68.4%） 和甲烷（?61.7%） 的排放量。總體而言，生物炭基肥料增效劑前景可期，但是目前以研究居多，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品仍較為缺乏。

2 生物炭基產(chǎn)品制備工藝

2.1 生物炭改性工藝

2.1.1 物理改性

物理法改性即通過(guò)物理方法對(duì)生物炭進(jìn)行改性，這種方法可以改變生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)的性質(zhì)，從而改變生物炭的化學(xué)性質(zhì)和吸附性能。常見(jiàn)的物理改性方法包括：1） 氣體吹掃改性，主要是通過(guò)對(duì)熱解的原料進(jìn)行二氧化碳或氨氣吹掃，從而達(dá)到對(duì)生物炭改性的效果。這種方法可以顯著提升生物炭的表面積，從而增強(qiáng)了其去除水體中重金屬污染物的能力。2） 蒸汽改性，其主要過(guò)程包括原料的熱解和蒸汽的氣化。在蒸汽改性過(guò)程中，熱解步驟會(huì)導(dǎo)致水分子中的氧原子與生物炭表面的自由活性位點(diǎn)發(fā)生交換。這種交換反應(yīng)使得水分子中的氧元素?cái)?shù)量減少，進(jìn)而產(chǎn)生氫氣，這些新生成的氫氣會(huì)與生物炭表面的碳元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成表面氫絡(luò)合物[34]。3） 微波改性， 即通過(guò)微波輻射技術(shù)，改變生物炭表面的比表面積或孔隙大小等特性，從而提升其吸附污染物的能力[35]。4）球磨改性，一般指采用球磨機(jī)對(duì)生物炭進(jìn)行物理研磨，以減小其固體顆粒的尺寸，從而改變生物炭結(jié)構(gòu)，提高生物炭整體性能的方法。由于球磨生物炭經(jīng)過(guò)精細(xì)的研磨處理，其顆粒尺寸顯著減小，這使得其比表面積大幅提升，生物炭表面暴露的活性位點(diǎn)數(shù)量隨之增多，從而有利于增加對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)離子的潛在吸附位點(diǎn)。這些增加的吸附位點(diǎn)使得球磨生物炭在吸附過(guò)程中能夠更有效地捕獲和固定目標(biāo)物質(zhì)，進(jìn)而展現(xiàn)出優(yōu)異的整體吸附性能[36]。

2.1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性法是最常用的改性方法，主要包括酸、堿、氧化劑、金屬/非金屬摻雜和有機(jī)化合物改性?；瘜W(xué)改性可以在提高生物炭親水性的同時(shí)改變生物炭的孔徑和結(jié)構(gòu)，然后使其對(duì)極性吸附物的吸附能力提升。常見(jiàn)的化學(xué)改性方法包括：1） 金屬鹽或金屬氧化物改性，即主要是將生物質(zhì)材料浸泡在金屬鹽溶液中，然后經(jīng)熱解后負(fù)載納米金屬離子，也可以通過(guò)共沉淀法將金屬元素負(fù)載在生物炭表面。為了進(jìn)一步提升生物炭的性能，兩種或兩種以上金屬改性的生物炭越來(lái)越受到關(guān)注，它們可以在生物炭表面形成多種金屬氧化物。例如，在Mn-Ce 改性生物炭表面形成MnO2 和CeO2，顯著改善了生物炭的靜電吸附、氧化還原和表面絡(luò)合[37]。2） 氧化劑改性，在生物炭的氧化劑改性過(guò)程中，通常使用過(guò)氧化氫（H2O2） 和高錳酸鉀（KMnO4）作為改性劑。與其他氧化劑相比，高錳酸鉀改性的生物炭不僅能夠增加官能團(tuán)的種類和數(shù)量，還能在生物炭的表面形成氧化錳層。因此，KMnO4 通常被用于生物炭改性。通過(guò)引入氧化劑進(jìn)行表面改性，可以顯著增加生物炭表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量，從而提升其對(duì)環(huán)境污染物的去除效率，但進(jìn)行此改性時(shí)必須精確控制氧化劑的用量，因?yàn)檠趸瘎┑挠昧坎煌?，?huì)使生物炭去除污染物的效果產(chǎn)生顯著差異[38]。在選擇氧化劑的過(guò)程中，還需考慮目標(biāo)污染物的特性，這是因?yàn)椴煌难趸瘎┛赡軐?duì)特定污染物展現(xiàn)出不同的去除效果[39]。3） 酸改性，即主要利用酸性物質(zhì)對(duì)生物炭進(jìn)行改性。生物炭的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和灰分含量很容易被酸改性（硝酸、磷酸、硫酸等） 改變。同時(shí)，通過(guò)酸改性也可以改善生物炭官能團(tuán)的種類和含量。因此，酸改性被認(rèn)為是生物炭最常用的改性策略之一。使用硝酸改性可以將N=O 基團(tuán)引入生物炭中，硫酸改性生物炭中出現(xiàn)H 基團(tuán)，而磷酸改性生物炭表面可以形成新的官能團(tuán)（P=O和=POOH）[40]。4） 堿改性，即主要利用堿性物質(zhì)對(duì)生物炭進(jìn)行改性。堿改性是生物炭改變比表面積、含氧官能團(tuán)和表面堿度的有效策略，也可以去除生物炭中的灰分和凝結(jié)有機(jī)物[41]。因此，通過(guò)堿改性可以有效增強(qiáng)生物炭的性能。氫氧化鉀（KOH） 和氫氧化鈉（NaOH） 是堿改性生物炭的常用試劑。然而，它們對(duì)生物炭的物理和化學(xué)性質(zhì)的影響不同。KOH改性生物炭的比表面積高于NaOH 改性生物炭，而NaOH 改性生物炭的?OH 含量高于KOH 改性生物炭[42]。

2.1.3 生物改性

生物改性是將吸附劑固定在生物炭上，使其在吸附過(guò)程中表現(xiàn)出環(huán)境友好且無(wú)污染的特點(diǎn)。通過(guò)生物改性，生物炭不僅具有高度的吸附專一性，還具有吸附廣泛性的優(yōu)勢(shì)。生物改性的生物炭在環(huán)境治理和污染控制方面具有巨大潛力，可以有效地清除廢水和廢氣中的有害物質(zhì)。吳夢(mèng)莉等[43]選取花生殼生物炭（BC） 作為試驗(yàn)的基底材料，對(duì)比了吸附法和包埋法將微生物固定在生物炭表面的效果差異，發(fā)現(xiàn)吸附法能夠顯著提升生物炭的比表面積和微孔容積，但介孔和大孔的容積則有所減少。而包埋法雖然能夠引入新的官能團(tuán)，如羰基和亞甲基，但這種方法會(huì)導(dǎo)致生物炭的比表面積大幅下降，微孔幾乎完全被堵塞。在實(shí)際應(yīng)用中，吸附法在提高生物炭對(duì)氨氮的吸附量和吸附效率方面表現(xiàn)得更好。

2.2 生物炭成肥工藝

2.2.1 團(tuán)粒法

該方法是將生物炭與一種或者多種肥料粉碎后，形成粒度接近的粉狀顆粒后混合造粒。團(tuán)粒法造粒的基本原理是依靠肥料鹽類溶解產(chǎn)生的溶液以及額外加入的黏結(jié)劑，將一定顆粒細(xì)度的基礎(chǔ)肥料黏聚成粒，再通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使黏聚的顆粒在重力作用下運(yùn)動(dòng)，相互擠壓、滾動(dòng)使其緊密成型。生物炭顆粒粗糙、孔隙豐富、脆而易碎，而團(tuán)粒法主要依靠自身重量和顆粒間的擠壓而成型，所以生產(chǎn)的炭基肥顆粒往往強(qiáng)度不高。轉(zhuǎn)鼓水汽造粒和圓盤(pán)造粒（噴蒸汽或黏結(jié)劑） 是兩種常見(jiàn)的團(tuán)粒方式，均需保證成粒所需的液相量，屬于濕法造粒，需要接續(xù)進(jìn)行烘干操作，以降低水分含量，防止結(jié)塊。

2.2.2 擠壓造粒法

擠壓法主要是利用機(jī)械外力的作用使粉體基礎(chǔ)肥料成粒，黏結(jié)劑種類與添加量、?？卓讖?、炭肥比以及成型溫度等因素對(duì)生物炭基肥料顆粒的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B水性、成型率和緩釋性能等均有顯著影響[44]。適度增加炭肥比，肥料結(jié)構(gòu)會(huì)更緊密，肥料養(yǎng)分緩釋效果更好，但過(guò)量的生物炭的添加會(huì)造成肥料粒徑不均勻、抗壓強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)[45]。

生物炭基肥料的制備是一個(gè)致密化的過(guò)程，需要消耗能量，因此成型耗能是很多生產(chǎn)技術(shù)人員關(guān)注的重要問(wèn)題之一。參照秸稈、木屑等生物質(zhì)成型技術(shù)的研究結(jié)果，較小的粒徑往往在擠壓過(guò)程中需要較高的能耗，黏結(jié)劑、成型壓力、壓縮量、壓縮頻率、含水率等是需要考慮的關(guān)鍵因素[46]。彭春暉等[47]針對(duì)生物炭基肥成型過(guò)程中單位產(chǎn)品能耗高的問(wèn)題，研究了不同壓縮速度、含水率、長(zhǎng)徑比和基肥比（基質(zhì)材料與基礎(chǔ)肥料的比值） 對(duì)比能耗和抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)能耗影響大小依次為長(zhǎng)徑比gt;含水率gt;壓縮速度gt;基肥比；各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響作用大小依次為含水率gt;基肥比gt;壓縮速度gt;長(zhǎng)徑比。在炭基肥擠壓造粒中，對(duì)輥、平模、環(huán)模等設(shè)備均有報(bào)道。相對(duì)于團(tuán)粒法而言，擠壓造粒對(duì)物料含水量的要求較低，因此后期烘干所需能耗也較低。

包括團(tuán)粒法與擠壓造粒法在內(nèi)，混合造粒具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，尤其便于生物炭與化學(xué)肥料緊密結(jié)合，更有利于養(yǎng)分利用率的提高，是目前生物炭基肥料生產(chǎn)的主要方式。原魯明等[48]認(rèn)為，由于團(tuán)粒法生產(chǎn)的肥料不抗壓、返料多、生產(chǎn)成本高，而擠壓法生產(chǎn)的肥料投資少、干燥成本低、肥料抗壓性好，所以擠壓法造粒是目前炭基肥造粒的較優(yōu)選擇。

2.2.3 摻混法

在生物炭基肥料發(fā)展的早期，曾有將成型生物炭顆粒與單質(zhì)肥料或復(fù)合肥料摻混的做法。在確保對(duì)應(yīng)的最終產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，摻混法簡(jiǎn)便易行，有助于控制生產(chǎn)成本。但是這類產(chǎn)品中生物炭和肥料沒(méi)有緊密結(jié)合，生物炭在添加量有限的情況下難以充分發(fā)揮持肥緩釋作用，進(jìn)而也難以通過(guò)提高養(yǎng)分利用效率來(lái)彌補(bǔ)化學(xué)養(yǎng)分含量下降的空缺，在應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)作物生長(zhǎng)后期脫肥等不良現(xiàn)象。近年來(lái)，摻混法已十分少見(jiàn)。

2.2.4 吸附法

吸附法主要是利用生物炭的多孔性與吸附性，將肥料溶液中的一種或數(shù)種組分吸附于表面，或在表面發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生物炭與養(yǎng)分的復(fù)合。在此類方法中，生物炭的原料占比大，如何在常見(jiàn)的肥料用量下確保總養(yǎng)分投入量是需要解決的問(wèn)題。

2.2.5 包膜/包裹法

主要是用細(xì)粉狀生物炭顆粒包裹速效化肥顆粒，以減少因分解、揮發(fā)、沖蝕等造成的養(yǎng)分損失，從而提高肥料利用率。在制備方法上，通常采用一步包膜法和兩步包膜法。一步包膜法，即將包膜材料和粘結(jié)劑混合后，噴涂到肥料顆粒表面；兩步包膜法，即先向肥料顆粒噴涂粘結(jié)劑，待粘結(jié)劑均勻附著于肥料表面后，再投放足量的包膜材料形成包膜層。該方法在思路上與前述工藝有所不同，但同樣可以取得良好效果。由于生物炭的結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)性能差，生物炭含量太高會(huì)造成肥料成型比例和抗壓能力下降。對(duì)包膜肥而言，炭殼越厚、成膜劑干燥后拒水能力越強(qiáng)緩釋效果越好，但膜層厚度的提升會(huì)導(dǎo)致膜層易碎、養(yǎng)分比例降低的問(wèn)題[49]。徐佳鋒[50]分析了包膜量與生物炭基包膜肥機(jī)械性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)生物炭基包膜肥的抗壓強(qiáng)度為18.69～29.37 N，比純尿素的抗壓強(qiáng)度提高了68.23%～164.36%。

2.2.6 其它加工技術(shù)

在《生物炭基肥料》（NY/T3041—2016） 標(biāo)準(zhǔn)中，肥料的形狀與粒度要求與復(fù)合肥料標(biāo)準(zhǔn)保持一致，以求盡可能貼近使用者對(duì)傳統(tǒng)化肥的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。但是，這種考慮也在很大程度上限制了產(chǎn)品中生物炭的添加量，其持肥緩釋、改土培肥作用難以充分發(fā)揮。因此，如果不考慮粒度限制，僅從肥效的角度思考，提高生物炭添加量不失為一條可行途徑。也有學(xué)者開(kāi)展了炭基肥料棒研究，此類產(chǎn)品雖然形狀特殊，但在配方、生產(chǎn)工藝方面仍屬于復(fù)混[51]。

3 生物炭基產(chǎn)品節(jié)肥增效性能研究與評(píng)價(jià)

生物炭基土壤培肥產(chǎn)品的材料性質(zhì)和加工工藝對(duì)肥料緩釋性能有重要影響，對(duì)炭基產(chǎn)品性能的研究與評(píng)價(jià)，主要集中在生物炭類型、粒徑、改性工藝、膠黏劑類型、添加量與聚合方式、炭肥比、成型壓力，以及養(yǎng)分緩釋效果和作物養(yǎng)分利用效率等方面。

肥料中添加生物炭可以起到良好的養(yǎng)分緩釋作用，減少養(yǎng)分損失，提高作物養(yǎng)分利用效率。梳理當(dāng)前的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)， 生物炭的O / C 比、H/C 比、陽(yáng)離子交換量、pH、比表面積以及官能團(tuán)性質(zhì)，對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸附?解吸起到?jīng)Q定作用，這些性質(zhì)與炭基肥持肥緩釋的能力高度相關(guān)，因此常作為生物炭改性或炭基產(chǎn)品研發(fā)的重要參考依據(jù)[52]。趙澤州等[53]系統(tǒng)研究了炭基復(fù)合肥、炭基氮肥、炭基磷肥以及炭基鉀肥的養(yǎng)分固持與釋放機(jī)制（圖3）。Khan等[54]利用小麥秸稈殘?jiān)苽涞募{米生物炭作為基質(zhì)制備成納米炭基肥，Zhou 等[55]將玉米秸稈與蒙脫石共熱解合成了蒙脫石改性的生物炭，并吸附尿液中的磷以制備成炭基磷肥，這些肥料緩釋性能均顯著提高。生物炭顆粒粒徑是影響生物炭比表面積及孔隙結(jié)構(gòu)的重要因素，也是影響生物炭吸附及緩釋性能的關(guān)鍵因素。沈秀麗等[56]以不同粒徑稻殼生物炭粉為包膜材料，對(duì)尿素顆粒進(jìn)行不同層數(shù)包膜處理，通過(guò)控制不同膜層生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑，減緩水分的滲入及養(yǎng)分的流出過(guò)程，緩釋效果突出。

黏土礦物、高分子材料、有機(jī)溶劑等常作為膠黏劑廣泛用于炭基肥制備過(guò)程，由于材料配合方式和聚合工藝不同，對(duì)炭基肥的緩釋效果也有不同影響。楊蘭文[57]通過(guò)微波輻射法，將已經(jīng)負(fù)載氮元素的生物炭引入高吸水性聚合物中得到高吸水性緩釋肥料，該肥料在30 天內(nèi)的氮釋放量?jī)H為56.60%。鐘旋[58]以稻殼炭和尿素晶體為原料，以熔融尿素為“粘結(jié)劑”，采用熔融尿素滲透的方法制備了稻殼炭基尿素肥（RHBF），研究了成型工藝參數(shù)對(duì)RHBF 成型性能、養(yǎng)分釋放性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的影響，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，重結(jié)晶后的尿素晶體充分滲入到稻殼炭孔隙內(nèi)部，界面融合良好，二者通過(guò)固體橋、機(jī)械互鎖的形式相互結(jié)合，并且通過(guò)形成氫鍵進(jìn)一步增強(qiáng)了分子間結(jié)合強(qiáng)度。安雄芳[ 5 9 ]、An 等[ 6 0 ]通過(guò)整合共熱解和共聚合過(guò)程（PSRFs） 開(kāi)發(fā)了一種新型的生物炭基緩釋磷肥，發(fā)現(xiàn)所得炭基肥具有出色的磷緩釋性能，30 天后磷緩釋率約為51.5%，60 天后的磷利用率可達(dá)75.83%。

養(yǎng)分氣態(tài)損失控制也是肥料制備和應(yīng)用過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，尤其是氮肥的氣態(tài)損失。在肥料中添加生物炭可以削弱硝化和反硝化之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，有效抑制反硝化速率，從而降低N2O 排放[61]。Zheng 等[62]利用負(fù)載了銨氮的生物炭替代化肥中的氮肥，研究其對(duì)土壤N2O 排放的調(diào)控效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)炭基氮肥主要通過(guò)調(diào)節(jié)土壤pH 和C/N，進(jìn)而增加攜帶nosZ基因的菌群總體豐度來(lái)促進(jìn)N2O 減排。Harrison 等[63]發(fā)現(xiàn)在堆肥中添加20% 的生物炭可以顯著降低N2O和NH3 排放。Zhang 等[64]利用加載新型1，3，5-苯三羧酸鐵絡(luò)合物（BC-FeBTC） 的生物炭進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)BC-FeBTC 顯著減少了NH3 和N2O 的排放量，分別降低了57.2% 和37.8% 。綜上可知，不同的改性和制備工藝對(duì)炭基肥的節(jié)肥增效性能影響較大，也是未來(lái)炭基肥研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

田間試驗(yàn)是對(duì)炭基肥性能評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)，在近幾年的國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道中，可以找到大量炭基肥節(jié)肥增效的證據(jù)。例如，Roy 等[65]在稻田施用炭基肥，發(fā)現(xiàn)氮磷鉀肥利用率分別提高了11.7%～29.5%、32.9%～64.0% 和31.4%～38.0%。Banik 等[66]利用生物炭和硫分別制備包膜氮肥，發(fā)現(xiàn)炭基包膜氮肥可以增加玉米的莖（1%～34%） 和根（0%～23%） 生物量、氮回收效率（17%～50%） 和土壤潛在可礦化N，這對(duì)于調(diào)控土壤?作物系統(tǒng)氮釋放、吸收過(guò)程有重要意義。羅偉晨[67]對(duì)富鎂型秸稈生物炭肥（MBF） 緩釋性能及機(jī)理的研究結(jié)果表明，MBF 具有優(yōu)良的氮磷緩釋性能，其協(xié)同控制主要包括：鎂?磷沉淀物的溶解速率、MgO 的“磷控閥門(mén)”效應(yīng)、靜電吸引、氫鍵、“充孔效應(yīng)”以及生物炭的限域效應(yīng)，與化肥相比，MBF 顯著促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)，提高了玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收效率。陳明明等[68]基于熱解轉(zhuǎn)化技術(shù)耦合氮磷，同步富集制備鈣鎂型秸稈生物炭肥并用于玉米農(nóng)田，結(jié)果表明其肥料緩釋作用好于常規(guī)化肥，且對(duì)玉米生長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用。

4 炭基產(chǎn)品農(nóng)業(yè)應(yīng)用

4.1 土壤培肥與改良

炭基產(chǎn)品的土壤改良性能突出，它優(yōu)化了生物炭的功能，提升了對(duì)土壤的靶向培肥和調(diào)理能力，相比于傳統(tǒng)的大量直接施炭方式更為輕簡(jiǎn)易行，是生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)載體（圖4）。

炭基產(chǎn)品孔隙發(fā)達(dá)、密度低，含有羥基、羧基等親水基團(tuán)，有利于調(diào)節(jié)土壤容重，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，增加土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，改善土壤的通氣性和持水能力[69]。有研究表明施用生物炭能夠降低可排水孔隙的分布比例[70]，增加中等孔徑孔隙的分布比例，而中等孔隙的增加會(huì)提高土壤的保水能力[71]。

良好的土壤酸堿度是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，炭基肥有助于提高土壤的緩沖能力，有效地調(diào)節(jié)土壤pH值，特別是對(duì)于酸性土壤，可以明顯提高其pH 值，使土壤呈中性或微堿性。戰(zhàn)秀梅等[72]進(jìn)行了4 年的田間定位試驗(yàn)，結(jié)果表明施用炭基肥料，土壤pH 值較試驗(yàn)前提高了0.57 個(gè)單位。由于生物炭大多呈堿性，尤其是秸稈類生物炭的灰分含量較高，因此經(jīng)常會(huì)直觀地認(rèn)為其不利于降低鹽堿土pH 和鹽離子濃度，所以利用生物炭改良鹽堿土尚存在一些爭(zhēng)議。然而，炭基肥卻有所不同，制備工藝和應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化使其在鹽堿土改良方面可以發(fā)揮重要作用，其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特征、高有機(jī)碳含量、較高的陽(yáng)離子交換量（CEC） 及吸附能力，均可在改善鹽堿土物理結(jié)構(gòu)、提高有機(jī)質(zhì)含量和有效養(yǎng)分含量以及降低作物根系受Na 離子鹽害等方面發(fā)揮作用[73]。

土壤氧化還原特性是驅(qū)動(dòng)礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要影響因子，炭基肥具有發(fā)達(dá)的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和豐富的可變電荷載體，在土壤氧化還原過(guò)程中可起到顯著的電子傳遞作用，進(jìn)而參與到土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、釋放、吸附、絡(luò)合等一系列過(guò)程，有利于土壤?作物系統(tǒng)間的物質(zhì)流通。炭基肥可以通過(guò)控制植物根膜的離子電勢(shì)，促進(jìn)養(yǎng)分向植物遷移，從而提高養(yǎng)分利用效率[74]。Chew 等[75]研究發(fā)現(xiàn)施用炭基肥使土壤氧化還原電位（Eh） 增加了85 mV，并使根際土壤和根膜之間的電位差增加了65 mV。這種增加的電位差降低了根部營(yíng)養(yǎng)素積累所需的自由能，促進(jìn)了植物的養(yǎng)分吸收和物質(zhì)代謝。

陽(yáng)離子交換量是反映土壤持肥能力的重要指標(biāo)。炭基肥具有較高的陽(yáng)離子交換量、發(fā)達(dá)的孔隙，因此有很強(qiáng)的吸附特性，對(duì)養(yǎng)分具有持留功能，能促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的固定，延緩了肥料在土壤中的釋放和淋失，對(duì)養(yǎng)分起到緩釋作用，減少肥料和土壤養(yǎng)分的損失，從而提高肥料利用率[76]。有研究發(fā)現(xiàn)炭基肥能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少硝酸鹽氮、交換性鈣和鎂的淋失，并有效提高氮的利用效率[77]。炭基肥制備的過(guò)程增加了羧基等官能團(tuán)的數(shù)量，提高了單位表面積的電荷密度，從而提高土壤陽(yáng)離子交換量，這對(duì)于減緩?fù)寥乐械氐牧魇?，增加土壤中磷素的生物有效性有重要意義[78]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，在土壤有機(jī)碳礦化、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和固定中起著至關(guān)重要的作用，是土壤評(píng)價(jià)必不可少的指標(biāo)之一。炭基肥可以為微生物提供適宜生存的微環(huán)境，對(duì)土壤微生物豐度、多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[79]。從材料特性的角度來(lái)看，炭基肥表面粗糙度、表面形貌、自由能、表面電荷和疏水性是影響微生物定殖的主要因子[80]。炭基肥有利于維持土壤微生物對(duì)碳源底物的利用能力，從而增強(qiáng)代謝活性。陳坤等[81]研究發(fā)現(xiàn)施用炭基肥能顯著提高土壤微生物Shannon-Winner 多樣性指數(shù)和真菌/細(xì)菌以及降低革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌，有利于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性提高。陶思遠(yuǎn)[82]通過(guò)在液體牛肉膏培養(yǎng)基中添加生物炭，來(lái)提高枯草芽孢桿菌SL-13 的繁殖速度，并延長(zhǎng)細(xì)菌的存活時(shí)間，在辣椒促生和土壤改良方面取得顯著效果。

4.2 作物高產(chǎn)高效栽培

近年來(lái)，生物炭基肥料在作物高產(chǎn)高效栽培方面的研究與應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，主要聚焦于作物增產(chǎn)提質(zhì)、養(yǎng)分利用、生理調(diào)控、防病抗逆等方面。

作物增產(chǎn)提質(zhì)是施肥的首要目標(biāo)，Melo 等[83]基于2011—2021 年的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了薈萃分析，對(duì)炭基肥和傳統(tǒng)肥料的增產(chǎn)效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比，施用炭基肥作物平均增產(chǎn)10% 以上，與直接施用15～30 t/hm2 生物炭的效果相當(dāng)，就養(yǎng)分高效利用和作物增產(chǎn)而言，大大節(jié)約了成本，也更易于輕簡(jiǎn)化推廣應(yīng)用。Zhao 等[84]基于玉米?大白菜輪作系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，炭基肥處理的玉米和大白菜平均產(chǎn)量和氮素利用率顯著提高，炭基肥提高了玉米籽粒的淀粉含量和大白菜的氨基酸、糖分和維生素C 含量。陳松嶺等[85]在水基共聚物中加入生物炭來(lái)包膜尿素制得緩釋肥，并以玉米為供試作物進(jìn)行田間試驗(yàn)，在施肥量比傳統(tǒng)肥料減少20%的情況下，玉米產(chǎn)量提高了1.45%。Zonayet 等[86]在鹽堿地上施用炭基肥，緩解了土壤鹽脅迫，顯著提高了番茄產(chǎn)量與品質(zhì)。

根系是銜接土壤與作物的樞紐，根生理功能和根際微生態(tài)環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng)具有舉足輕重的作用。炭基肥含有豐富的氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)元素，為作物根系形態(tài)建成和組織發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)通過(guò)對(duì)土壤水氣條件的協(xié)調(diào)優(yōu)化，為促進(jìn)根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境。炭基肥具有明顯的吸熱屬性，施入土壤后可提高土壤溫度，減輕低溫冷害，為根系生長(zhǎng)發(fā)育提供有利條件[87]。張立蕓等[88]發(fā)現(xiàn)施用炭基肥可以促進(jìn)玉米根系的生長(zhǎng)，增大根系與基質(zhì)的接觸范圍，擴(kuò)大養(yǎng)分和水分吸收面積，從而促進(jìn)其對(duì)養(yǎng)分和水分的充分利用。隋世江等[89]發(fā)現(xiàn)生物炭基肥可促進(jìn)水稻生育前期根系分泌大量的蘋(píng)果酸，并可通過(guò)增強(qiáng)銨態(tài)氮的初級(jí)同化和再同化改善植株根系的氮代謝能力。

光合作用是植物物質(zhì)合成與代謝的核心過(guò)程，涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等重要反應(yīng)步驟，是作物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。有研究表明炭基肥對(duì)作物光合生理也有影響。Chen 等[90]發(fā)現(xiàn)施用炭基肥增強(qiáng)了光合色素合成和光系統(tǒng)II （PSII） 活性，導(dǎo)致葉子老化延遲，并增加了甜菜葉片中氮同化量和蔗糖合成能力。楊勁峰等[91]研究了炭基緩釋肥對(duì)花生光合功能的影響，結(jié)果表明施用炭基緩釋肥可以引起花生營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段葉片熒光誘導(dǎo)曲線顯著變化，具有提高葉片光合性能作用，尤其在電子傳遞和光能吸收方面優(yōu)于常規(guī)肥料。

在作物栽培過(guò)程中，除了養(yǎng)分高效供應(yīng)之外，提升防病抗逆能力也是重中之重。國(guó)內(nèi)外在炭基肥對(duì)作物病害抑制、緩解作物干旱和鹽堿脅迫等方面開(kāi)展了諸多研究。Liu 等[92]認(rèn)為生物炭對(duì)植物病害的控制效果有限，因?yàn)樗荒芴禺愋缘貧⑺啦≡w，而生物炭（BC） 與微生物接種劑（MI） 的結(jié)合是一種抑制植物病害的有效方法。BC–MI 可以促進(jìn)MI 在根系或根際的定殖，從而改變根系分泌物的組成并上調(diào)防御相關(guān)基因的表達(dá)。趙婭紅等[93]通過(guò)田間試驗(yàn)研究拌塘施用不同量生物炭肥對(duì)煙草根結(jié)線蟲(chóng)病株根際土壤的影響。結(jié)果表明，常規(guī)施肥減量10% 拌塘施用酵素生物炭肥能夠顯著降低煙草根結(jié)線蟲(chóng)病的病情指數(shù)。Hafez 等[94]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地中施用生物炭基土壤改良劑降低了土壤pH 值、電導(dǎo)率和可交換鈉百分比。同時(shí)，它增強(qiáng)了水稻對(duì)K+的吸收，提高了水稻葉綠素a、b 和類胡蘿卜素、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和抗氧化相關(guān)酶的活性。魏萌萌[95]利用生物炭負(fù)載惡臭假單胞菌，研究其對(duì)辣椒和葡萄的耐鹽促生效果，結(jié)果表明該菌劑可通過(guò)降低滲透物質(zhì)和抗氧化酶的積累緩解鹽脅迫，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。Védère等[96]認(rèn)為，老化的生物炭基有機(jī)肥更有利于緩解植物干旱脅迫。Zheng 等[97]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱或半干旱地區(qū)，施用炭基肥可改善花生生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。

4.3 農(nóng)田環(huán)境污染治理

炭基土壤調(diào)理劑不僅能改善土壤基礎(chǔ)理化性狀，在修復(fù)污染土壤方面同樣效果顯著，其作用機(jī)制主要包括表面吸附、絡(luò)合、還原、共沉淀、離子交換、電子傳遞、孔隙填充、π 鍵共軛作用、氫鍵和范德華力等。

生物炭堿性和吸附能力較強(qiáng)，常作為重金屬污染土壤調(diào)理劑，以生物炭為核心制備成炭基肥或炭基調(diào)理劑進(jìn)行場(chǎng)地重金屬污染土壤修復(fù)，已成為我國(guó)生物炭研究與應(yīng)用的標(biāo)志性成果之一。Lv 等[98]研究發(fā)現(xiàn)炭基肥可增強(qiáng)土壤?水稻系統(tǒng)中鎘的固定。赫天一[ 9 9 ]明確了炭基調(diào)理劑對(duì)鎘在水稻不同組織器官中的分配和轉(zhuǎn)移機(jī)制。生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙度，常作為固定降解菌的載體，提高土壤中PAHs 的生物降解效率。任靜等[100]通過(guò)生物炭固定多環(huán)芳烴高效降解菌Martelella sp.AD-3，實(shí)現(xiàn)了土壤有機(jī)污染的高效修復(fù)。Ji 等[101]利用3 步順序萃取和非穩(wěn)態(tài)模型方法，研究了炭基調(diào)理劑對(duì)新煙堿類農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)炭基調(diào)理劑的添加促進(jìn)了土壤中新煙堿類農(nóng)藥從易溶性組分向中等吸附和穩(wěn)定吸附組分的轉(zhuǎn)化， 促進(jìn)了含?NO2 的新煙堿類農(nóng)藥降解菌的繁殖。

近年來(lái)，新出現(xiàn)的污染物，如抗生素耐藥基因（ARGs） 的傳播引起了科學(xué)界的關(guān)注，這在堆肥中尤為顯著[102]。Zhou 等[103]分析了負(fù)載納米零價(jià)鐵（BCnZVI）的改性生物炭對(duì)堆肥中抗生素抗性基因（ARGs）的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)65 天后，代表性ARGs 的相對(duì)豐度降低了56.12%。Wu 等[104]在雞糞堆肥過(guò)程中，通過(guò)Bacillus subtilis 與生物炭的聯(lián)合接種，增強(qiáng)了抗生素抗性基因的去除效果。Wang 等[105]研究發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑在林可霉素發(fā)酵渣堆肥過(guò)程中顯著抑制了E.coli DH5α 和Pseudomonas aeruginosa HLS-6之間RP4 質(zhì)粒的共軛轉(zhuǎn)移，以及胞外耐藥基因的轉(zhuǎn)化。潛在的機(jī)制涉及細(xì)菌細(xì)胞膜的破裂，以及氧化應(yīng)激基因和SOS 響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)變化。

除了傳統(tǒng)的有機(jī)無(wú)機(jī)污染之外，炭基調(diào)理劑對(duì)污染氣體排放、環(huán)境微塑料遷移轉(zhuǎn)化的影響和調(diào)控機(jī)制也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Harrison 等[106]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥中添加生物炭基調(diào)理劑明顯降低了總甲烷排放量，降幅為58%±22%，H2S、VOCs 和NOx的排放分別減少了67%±24%、61%±19% 和70%±22%。這可能是由于多孔的生物炭改善了氧氣的擴(kuò)散，并且氣體前體物質(zhì)被吸附到生物炭表面上。Zhou 等[107]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭促進(jìn)了微塑料的氧化和降解（15896.06～23225.11 particles/kg），其中鋸末生物炭和豬糞生物炭的效果更好。此外，生物炭顯著降低了小顆粒（10～100 μm） 微塑料的豐度。

5 結(jié)論與展望

發(fā)展生物炭產(chǎn)業(yè)是突破資源環(huán)境約束、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力、消減面源污染、促進(jìn)節(jié)能減排、支撐低碳循環(huán)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。以多元化炭基產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用為抓手，從政策支持與激勵(lì)機(jī)制、技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建和商業(yè)模式創(chuàng)新、示范項(xiàng)目與推廣應(yīng)用、國(guó)際合作與交流以及公眾教育與意識(shí)提升等方面全方位推進(jìn)生物炭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，將為綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出重要貢獻(xiàn)。

近年來(lái)，隨著《生物炭基肥料》（NY/T 3041—2016）、《生物炭基有機(jī)肥料》（NY/T 3618—2020）、《生物炭檢測(cè)方法通則》（NY/T 3672—2020）、《生物質(zhì)熱裂解炭化工藝技術(shù)規(guī)程》（NY/T 4161—2022）、《生物炭》（NY/T 4195—2022）、《生物炭基肥料田間試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》（NY/T 4160—2022）、《農(nóng)作物秸稈炭化還田土壤改良項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理規(guī)范》（GB/Z 39121—2020） 等行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，生物炭基產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)入了快車道。根據(jù)國(guó)家官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到目前為止，我國(guó)炭基土壤培肥與調(diào)理產(chǎn)品的授權(quán)發(fā)明專利有183 項(xiàng)，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)43 項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)22 項(xiàng)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系逐步完善。技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、功能的多樣化和應(yīng)用的規(guī)范化將成為未來(lái)生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。對(duì)未來(lái)研究工作提出以下幾點(diǎn)建議：

1） 加強(qiáng)新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)。生物炭、粘結(jié)劑、改性劑以及其他特異功能輔助劑的性能是生物炭基肥緩釋技術(shù)的根本，新型環(huán)保生物炭基肥緩釋技術(shù)是今后研究的重點(diǎn)。尤其應(yīng)關(guān)注新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，如通過(guò)加載納米金屬材料對(duì)生物炭進(jìn)行改性，以增強(qiáng)生物炭的吸附容量。還可以通過(guò)調(diào)配包膜材料、生物炭原料、肥料合成條件和包裹技術(shù)等研制新的生物炭基包膜肥料。由于天然生物聚合物材料機(jī)械性能較差，且容易受到微生物和酶的作用而快速降解，因此不能長(zhǎng)期有效地調(diào)節(jié)養(yǎng)分的釋放，在實(shí)際應(yīng)用中難以大面積推廣。為了解決這一限制，可以考慮使用化學(xué)方法、交聯(lián)劑和疏水化合物來(lái)改善機(jī)械性能和疏水性能，從而制備出性能更穩(wěn)定的炭基緩控釋肥料。此外，多功能復(fù)合炭基產(chǎn)品研發(fā)將可能成為下一階段研究重點(diǎn)，如“藥肥雙控”、“炭基凝膠”等產(chǎn)品，有益于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高效綜合治理。

2） 推進(jìn)炭基產(chǎn)品質(zhì)量與性能檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)和平臺(tái)構(gòu)建。前期研究中，諸多學(xué)者在炭基產(chǎn)品機(jī)械性能、養(yǎng)分含量、緩釋能力測(cè)試等方面做了大量建設(shè)性工作，但由于測(cè)試方法、條件以及設(shè)備的差異，不同研究所得結(jié)果很難比較，導(dǎo)致產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期效果。建立標(biāo)準(zhǔn)體系與實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)之間仍存在距離，制約了產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，迫切需要在標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用上進(jìn)一步完善，形成細(xì)分的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，組建具備認(rèn)證資質(zhì)的檢測(cè)平臺(tái)。

3） 在研究與應(yīng)用端，加強(qiáng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)示范，開(kāi)展系統(tǒng)性研究和監(jiān)測(cè)。炭基肥和炭基土壤調(diào)理劑在緩解氣候變化、實(shí)現(xiàn)耕地保育和污染治理以及作物高產(chǎn)高效健康栽培等方面有巨大潛力，但其長(zhǎng)期效應(yīng)如何仍有待驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)最早的生物炭定位試驗(yàn)起始于2009 年，至今不過(guò)十余年。同時(shí)，受限于試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模式作物、土壤類型、耕作與管理制度等因素制約，所開(kāi)展的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，建立全國(guó)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)協(xié)作體系，開(kāi)展有序分工與合作，可能是行之有效的辦法。加快生物炭基肥緩釋技術(shù)的推廣和示范，包括適合不同地域、氣候、土壤、栽培和水分管理?xiàng)l件下的生物炭基肥產(chǎn)品、施用量及施用方法等。

4） 防控污染風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)。如前文述及，炭基產(chǎn)品類型與功能多元化特征突出，原材料性質(zhì)、制備工藝、應(yīng)用環(huán)境都十分復(fù)雜，加強(qiáng)炭基產(chǎn)品制備和應(yīng)用環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)十分必要。有研究指出，生物質(zhì)熱解為生物炭的過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs），其具有對(duì)人體致畸、致突變和致癌的潛在危害。此外，在集約化養(yǎng)殖過(guò)程中，常在畜禽飼料中添加Cu、Zn、As 等重金屬添加劑，以滿足生產(chǎn)的需要。隨著生物炭基有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥或調(diào)理劑的長(zhǎng)期大量使用，可能會(huì)導(dǎo)致土壤中PAHs 和重金屬的積累，形成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[108]。避免使用重金屬污染的生物質(zhì)廢棄物制備生物炭，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化制備工藝以實(shí)現(xiàn)生物炭中有機(jī)污染物的安全控制，從而實(shí)現(xiàn)炭基產(chǎn)品的長(zhǎng)期安全應(yīng)用。炭基產(chǎn)品規(guī)模應(yīng)用下的農(nóng)業(yè)水土、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等效應(yīng)及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將是今后的重要研究課題。

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作者簡(jiǎn)介：

蘭 宇，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家生物炭研究院副院長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物炭與土壤改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì)生物炭專業(yè)委員會(huì)副主任，《BIOCHAR》期刊青年編委，主要從事生物炭固碳改土減肥增效基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金等國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目20 余項(xiàng)。發(fā)表高水平論文69 篇；獲批行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)17 項(xiàng)；授權(quán)國(guó)際、國(guó)家發(fā)明等專利13 項(xiàng)。主持完成遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、遼寧農(nóng)業(yè)科技貢獻(xiàn)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)，作為主要完成人獲遼寧省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)、沈陽(yáng)市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、遼寧省土壤肥料領(lǐng)域科技新成果3 項(xiàng)等。入選遼寧省百千萬(wàn)人才工程千人層次，遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新人才，沈陽(yáng)市領(lǐng)軍人才。

陳溫福，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士?，F(xiàn)任沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所所長(zhǎng)，遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心主任，《BIOCHAR》期刊主編，國(guó)家生物炭科技創(chuàng)新聯(lián)盟理事長(zhǎng)。在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展生物炭研究。提出了以生物炭為載體開(kāi)發(fā)緩釋肥和土壤改良劑，實(shí)現(xiàn)“作物秸稈炭化還田改土”新理念，并創(chuàng)建了“以生物炭為核心，以簡(jiǎn)易制炭技術(shù)為基礎(chǔ)，以炭基肥和土壤改良劑為主要發(fā)展方向，兼顧炭化生物質(zhì)煤的農(nóng)林廢棄物資源化利用理論與技術(shù)體系”。生物炭技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，在解決耕地退化、秸稈焚燒、環(huán)境污染和農(nóng)林廢棄物資源化利用方面展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFD1500500）；沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（22-317-2-08）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-01-52）。