生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

王春芳 張文豪 張琨琨 張書(shū)紅 馮夢(mèng)喜

摘要 綜述了近年來(lái)生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展，包括土壤修復(fù)、減排固碳、作為緩釋肥料載體、吸附污染物、改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境，以期為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)炭；土壤改良劑；緩釋肥料載體

中圖分類(lèi)號(hào) S156.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）13-0174-02

Research Progress on Application of Biochar in Agriculture Production

WANG Chun-fang ZHANG Wen-hao ZHANG Kun-kun ZHANG Shu-hong FENG Meng-xi *

（Henan Xinlianxin Fertilizer Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453731）

Abstract The research progress on the application of biochar in agriculture production in recent years was reviewed，including soil remediation，reducing carbon sequestering and emission，and slow-release fertilizer carrier，pollutant adsorption，improving soil microbial ecological environment，in order to provide references for the application of biochar in agricultural production.

Key words biochar；soil amendment；slow-release fertilizer carrier

生物質(zhì)炭（biochar）是指生物質(zhì)在限氧或無(wú)氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤馓炕纬傻墓虘B(tài)物質(zhì)。科學(xué)家首先于巴西亞馬遜發(fā)現(xiàn)了黑色土壤，隨著研究的逐漸深入，生物質(zhì)炭成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)，并擴(kuò)大至生態(tài)系統(tǒng)高度[1]。生物質(zhì)炭在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用前景廣闊。生物質(zhì)炭不僅可以直接或間接影響作物的生長(zhǎng)進(jìn)程，提高產(chǎn)量，也可以降低部分溫室氣體的排放，例如N2O和 CO2等。生物質(zhì)炭的孔洞結(jié)構(gòu)十分容易聚集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物。使用生物質(zhì)炭作載體的復(fù)混肥，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料和水的長(zhǎng)效緩釋[2]。

1 土壤改良劑

生物質(zhì)炭可作為土壤改良劑，其改良土壤的原理可概括為表面電荷效應(yīng)、平衡酸堿度、增大比表面積、提高孔隙率、提高陽(yáng)離子交換能力及提供養(yǎng)分等。生物質(zhì)炭可提高土壤中有效營(yíng)養(yǎng)元素及有機(jī)質(zhì)的含量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，改變微生物在土壤中的生態(tài)環(huán)境[3]。研究表明，施用生物質(zhì)炭的土壤持水能力提高了18%，土壤中硼、鉬等微量元素的含量也有所提高，養(yǎng)分淋洗損失有所減少。生物質(zhì)炭呈堿性，可提高土壤pH，還可以提高土壤的有效磷含量。試驗(yàn)表明，在酸性及砂質(zhì)土壤中使用生物質(zhì)炭，可降低Al、Cu、Fe等金屬可交換態(tài)的含量，提高K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力[4]。通過(guò)增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、改善土壤的疏松狀況、降低土壤容重，生物質(zhì)炭可解決長(zhǎng)期施用化肥造成的土壤板結(jié)情況。但長(zhǎng)期施用生物質(zhì)炭是否會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生不良影響有待進(jìn)一步研究。

2 溫室氣體的減排固碳

生物質(zhì)炭可減排固碳，這是由于其可以吸附土壤中易被微生物分解的土壤有機(jī)碳，降低微生物的分解利用。生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤產(chǎn)生的N2O等溫室氣體有很強(qiáng)的降低排放作用。因此，科學(xué)家認(rèn)為生物質(zhì)炭還田是應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的一條重要途徑。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施入水稻土壤后N2O排放平均值減少了73.1%，同時(shí)N2O累計(jì)排放抑制率高達(dá)51.4%～93.5%。陳紅衛(wèi)等[6]研究表明，生物質(zhì)炭基肥施入土壤對(duì)CO2排放產(chǎn)生的影響具有年際波動(dòng)性，但可明顯降低溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）和全球增溫潛勢(shì)（GWP），在施用量為30 t/hm2時(shí)效果更加明顯，而且具有一定的持續(xù)性和穩(wěn)定性。雖然當(dāng)前關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體排放影響的研究較多，但其碳匯穩(wěn)定性和生態(tài)效應(yīng)尚不完全清楚，因而需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)炭固碳減排機(jī)理的研究。

3 緩釋肥料載體

將生物質(zhì)炭與肥料復(fù)合制備成生物炭基肥料，成為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一個(gè)新發(fā)展方向。使用生物質(zhì)炭作為載體的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥，可實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料和水的長(zhǎng)效緩釋。目前，化工行業(yè)主要使用包膜、堆肥、摻混、吸附和反應(yīng)等工藝將生物質(zhì)炭作為肥料載體，通過(guò)土壤培養(yǎng)和尿素淋溶等室內(nèi)試驗(yàn)研究其作為緩釋肥料載體的性能。孫櫻萁等[7]將生物質(zhì)炭與磷酸二氫鉀混合制備的生物質(zhì)炭基顆粒肥料應(yīng)用于溫室黑麥草盆栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，不同生物質(zhì)炭基肥料對(duì)黑麥草的出苗率無(wú)顯著影響，但對(duì)其根長(zhǎng)、株高和生物量等生物特性都起到了一定的促進(jìn)作用。需要注意的是，由于生物質(zhì)炭能改變土壤pH，所以在作為肥料使用時(shí)要考慮其對(duì)土壤的影響，這樣才能保證土壤肥力提升[8]。

4 污染物吸附劑

生物質(zhì)炭通過(guò)吸附固定作用，可降低鉻、汞、銅、鎳等重金屬和多環(huán)芳烴（PAHs）等有機(jī)污染物對(duì)土壤的影響，達(dá)到修復(fù)土壤的目的。Chen等[9]認(rèn)為生物質(zhì)炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附/解吸過(guò)程可以使用雙模式（dual-mode Sorption）模型描述。通常認(rèn)為生物質(zhì)炭中存在2種碳，一部分是無(wú)定形組分，即“軟碳”，對(duì)有機(jī)污染物吸附的機(jī)理主要以線性分配為主；另一部分是濃縮型組分，即“硬碳”，對(duì)有機(jī)污染物吸附的機(jī)理主要以非線性表面吸附為主[10-12]。生物質(zhì)炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)理則由這2種組分碳組成的比例決定。通常生物質(zhì)炭的制備溫度較低時(shí)，無(wú)定型組分含量相對(duì)較高，對(duì)有機(jī)污染物的吸附容量、解吸遲滯性和最大不可逆吸附量都較低；隨著生物質(zhì)炭制備溫度的升高，生物質(zhì)炭逐漸由脂肪性碳轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阈蕴迹瑢?duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性表面吸附。

5 改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境

生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物的影響主要表現(xiàn)在種群構(gòu)成和生物量2個(gè)方面。Steriner等[13]研究表明，功能微生物數(shù)量和生物量隨著生物質(zhì)炭施入量的增加呈線性增加。生物質(zhì)炭對(duì)微生物的附著作用與生物質(zhì)炭的孔徑大小緊密相關(guān)，研究表明，當(dāng)生物質(zhì)炭孔徑約為微生物的2～5倍時(shí)，吸附效果最佳。此外，研究還表明，生物質(zhì)炭可通過(guò)改變土壤微生物的代謝途徑提高微生物的繁殖和修復(fù)性能[14]。生物質(zhì)炭可以增強(qiáng)作物根部真菌的繁殖能力，增加叢枝菌根或泡囊叢枝狀菌根真菌含量，改變土壤硝化微生物菌群活性。Khodadad等[15]研究不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物多樣性的影響指出，無(wú)論低溫還是高溫狀態(tài)下制備的生物質(zhì)炭都會(huì)降低土壤微生物的多樣性，但細(xì)菌的相對(duì)豐富度有所增加。原因可能是低溫下制備的生物質(zhì)炭含有豐富的碳，可為微生物提供易利用的碳源；高溫下制備的生物質(zhì)炭具有豐富的比表面積，可為微生物的生存生長(zhǎng)提供有利的環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)炭來(lái)源廣泛，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)廢棄物的再利用是一條綠色可持續(xù)發(fā)展之路。在土壤問(wèn)題日趨嚴(yán)重的當(dāng)下，將生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可修復(fù)土壤，吸附有機(jī)污染物，改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境，并可減排固碳，將生物質(zhì)炭與肥料復(fù)合制備成生物炭基肥料成為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一個(gè)新發(fā)展方向。但長(zhǎng)期施用生物質(zhì)炭是否會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生不良影響有待進(jìn)一步研究。

7 參考文獻(xiàn)

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