生物炭在玉米生產上的應用

趙方奎 王春蓮

摘 要：生物炭作為一種新型技術產品，近年來，隨著農業、環境、能源等問題的日益凸顯，已逐漸引起了眾多學者的重視，對生物炭的研究也成為焦點。生物炭憑借其特有性質，在玉米生產中得到日益廣泛應用。當前，國內外學者對生物炭及其在農用方面的應用已開展了許多研究工作，該文綜述了生物炭在玉米生產中上應用的研究進展，以為生物炭的推廣應用提供參考。

關鍵詞：生物炭;農業;玉米;應用

中圖分類號 S513文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）14-0098-03

Abstract：Biochar as a new technology product，especially with the increasingly prominent problems of agriculture，environment，energy，etc.，has gradually attracted the attention of many scholars，and the research on biochar has become the focus.Biochar，with its unique properties，promotes agricultural production，especially in the process of corn planting.A lot of research work has been done on biochar and its application in agriculture at home and abroad.Many? research results have promoted the progress of agriculture. This paper focuses on the application of biochar in corn production， provided theoretical basis for farmers to use biochar flexibly.

Key words： Biochar; Agriculture; Corn; Application

隨著我國農業生產集約化進程的加速，在農業生產中大量施用化肥導致土壤板結酸化、土壤內營養元素含量降低等問題日益嚴重，在一定程度上阻礙了農業可持續發展和新型農業進程。中國是農業大國，玉米是我國主要的經濟作物之一，不僅可以供食用，也是飼料、燃料、醫藥等的主要原料。玉米不僅含有豐富的脂肪、維生素和蛋白質，還含有植物纖維素、玉米黃質及胡蘿卜素，在人類食品營養健康方面有著重要作用，具有很高的營養和保健價值。

1 生物炭概述

目前，生物炭作為一種新型秸稈資源開發利用的產物，受到了越來越多的學者的關注。生物炭與一般木炭不同，其含有的碳含量極高。生物炭，又稱生物焦、生物黑炭，是指低氧高溫的密閉環境中，通過將木材、農作物秸稈或禽畜糞便等有機物碳化而生成的具有穩定的性質及含有較豐富的官能團的固態物質[1]。在能源化工、環境、工業和農業等領域，生物炭均有所應用，如：生物炭在處理工業和生活中的污水方面具有較好的作用，可將污水中的重金屬離子有效吸附，起到凈化水質的作用。在植樹造林時，每株穴內放置適量生物炭可以使樹木扎根深，促進愈傷組織生長，從而有效地提高了樹木的成活率。生物炭幾乎是純碳，在土壤中可以保存幾百甚至上千年不會消失，具有結構多孔、比表面積大、官能團多樣、不易在短時間內分解、較高的陽離子交換能力、理化性質穩定和具有較強的吸附和抗氧化能力等良好的結構特性與基礎理化特性。生物炭內除含有豐富的碳，其中的鈣、鎂等礦質元素及碳酸鹽物質含量也相當高，屬于堿性物質。生物炭為多孔結構，富含微孔，可以有效地保存土壤中的水分，協調土壤中的水氣關系，還可以提高土壤中的有機物和養分含量，避免土壤中營養元素的缺失并降低土壤的抗張力度和密度、提高土壤酶活性。由于生物炭獨特的理化性質為作物的增產提供了保障，在新型農業的發展進程中越來越多的學者傾向于對生物炭的研究[2]。

2 生物炭在玉米生產上的作用

2.1 對玉米形態指標的影響 玉米莖稈和葉作為其營養器官，主要作用是吸收并貯存水分、礦質養料等，同時莖稈還具有固定玉米植株的作用，在玉米營養生長期和生殖生長期起著重要的作用。莖稈生長狀況對玉米產量具有重要的影響。株高和莖粗是玉米形態指標中相對穩定的因素，主要由自身的性狀表現來決定的，但受外界環境條件的影響也較為明顯。將生物炭施入鹽漬土中，可以利用其吸附功能和陽離子交換能力來降低土壤中的鹽含量，減緩鹽脅迫。因此，在鹽脅迫阻礙玉米生長的條件下，玉米莖稈的生長可以依靠生物炭來協調[3]。生物炭作為一種新型的土壤重金屬改良劑已被廣泛研究，生物炭表面有大量的負電荷，含氧功能基團可以吸附和鈍化重金屬離子。故在重金屬鉛脅迫下，玉米莖稈的生長仍可以依靠生物炭來協調[4]。玉米在生長時期施用生物炭可以提高玉米莖稈中的鉀含量和干物質含量，其莖粗和莖稈彈力等都有增強，提高玉米的抗倒伏能力[5]。若將生物炭的施用量控制在一定范圍內，隨著生物炭施用量的增加，玉米的莖粗、株高、葉長和葉寬等形態指標呈現上升的趨勢。說明生物炭施用能夠促進玉米植株的生長，對玉米的形態指標具有明顯的影響。

2.2 對玉米葉片生理指標的影響 葉片不僅是玉米植株的營養器官也是同化器官，其主要作用是進行光合作用和蒸騰作用及養分運輸。玉米光合能力的高低主要取決于葉片中的葉綠素含量，因而提高葉片中葉綠素含量有助于有效捕獲光能，提高光能利用率[6]。葉綠素的多少取決于葉面積的大小，故玉米葉面積不僅決定著玉米籽粒源庫關系中庫的建成，還直接影響玉米的光合能力和產量。生物炭所具有的多孔結構和高礦質營養，不僅能夠為玉米保水保肥，提供良好的土壤環境，還能為土壤中的微生物進行活動創造良好的場所，使土壤微生物的多樣性和群落結構有利于玉米植株的生長，維持土壤結構的平衡，有利于土壤微生物改善土壤環境，吸收土壤中可利用的礦質營養轉移到植物體內，緩解葉綠素的分解，促進玉米葉片光和色素的合成，繼而提高玉米的光合作用能力[7]。在植物體生長過程中，膜脂過氧化會對細胞膜造成傷害，在植物體內由過氧化氫酶（CAT）超氧化物歧化酶（SOD）過氧化物酶（POD）等組成細胞酶防御系統，對活性氧動態平衡的維持和細胞內活性氧的消除起著重要作用，而施用生物炭可以有效增加玉米葉片中（CAT）、（SOD）、（POD）等的活性，降低玉米葉片中丙二醛（MDA）含量，防止細胞膜損傷[8]。通過施用生物炭可以提高葉片中葉綠素含量和相關酶的活性，促進玉米在生育后期的光合作用面積及時間的增加，使玉米植株的干物質積累增多，從而為提高玉米的后期產量奠定基礎。

2.3 對玉米產量性狀和產量的影響 隨著新型農業的發展，國內外學者對生物炭的研究越來越傾向于農業方面。大量研究表明，生物炭在一定程度上能夠提高玉米產量，但有關生物炭如何提高玉米產量性狀和產量出現了不一樣的見解。玉米植株對氮磷鉀的利用率可以依靠施用生物炭來提高 [9]。氮磷鉀是玉米生長發育過程中不可替代的元素，可有效可以提高玉米的產量。然而，氮磷鉀等元素主要來源于傳統化肥，在施肥過程中容易發生淋失現象，玉米并沒有很好地利用。生物炭是一種良好的土壤改良劑和吸附劑，本身具有一定量的氮磷鉀，而且土壤還可以利用其具有較大表面積和多孔結構的特點來增強對氮、磷、鉀等離子的吸附能力，使其在土壤中穩定存在[10]，繼而提高玉米植株對氮磷鉀的利用率，使作物達到增產的效果。生物炭與傳統化肥混合配施，不僅可以將其本身的理化性質充分利用，還能夠提高玉米對傳統化肥的利用率。生物炭對土壤中NO3-和NH4+具有一定的吸附作用，提高土壤中的pH，減少土壤交換性鋁離子和交換性氫離子[11]。生物炭這一作用恰好彌補了傳統化肥一次性施入土壤中，大量氮素淋失的缺點。生物炭與傳統化肥配施能夠調控氮素的釋放，減少氮素的損失，提高氮素利用率，提高玉米的穗長、穗行數、行粒數、百粒重、千粒重等產量性狀，從而提高玉米產量。生物炭本身的理化性質結構特點，決定了其對作物生長發育和產量都有一定的影響。但有研究表明，在作物生長過程中，生物炭施用量須適量才能對作物生長起到正效應[12]。在作物生長過程中，生物炭施用量過高不僅會造成浪費，還會玉米植株的形態指標、產量性狀降低，繼而對玉米產量有一定的影響。

3 展望

目前，農業是生物炭應用最為廣泛和成熟的領域。中國作為一個農業大國，每年農業廢棄物年排放量多達40多億t，是全世界農業廢棄物產出量最大的國家[13]。生物炭的原材料之一就是農業廢棄物，施用生物炭不僅會解決農業廢棄物的排放問題，還可以對因長期使用化肥而受到損傷和貧瘠的土壤進行修復。玉米是中國第3大糧食作物，對于調節我國糧食總產量具有重要作用。生物炭憑借其特有的理化性質和結構特性，對玉米的形態指標、葉片生理指標、產量性狀和產量及根系等都有重要作用。因此，將生物炭應用于玉米種植中，可以達到多重目的。目前，對生物炭應用于玉米種植中已取得了良好的效果，今后仍有待進一步研究，以期為農戶靈活施用生物炭提供依據。

參考文獻

[1]夏璐，趙蕊，金海燕，等.生物炭對土壤理化性質及玉米生長影響的研究進展[J].天津農學院學報，2018，25（02）：64-69.

[2]郝千萍，李丹洋，楊雄杰，等.菌糠與生物炭配施對玉米生理特性及Cu累積的影響[J].山西農業大學學報（自然科學版），2019，39（03）：73-80.

[3]王友華，許波，許海濤.生物炭對夏玉米形態指標、生理特性和產量性狀的影響[J].河南科技學院學報（自然科學版），2017，45（05）：1-7.

[4]劉易，孟阿靜，黃建，等.生物質炭輸入對鹽脅迫下玉米植株生物學性狀的影響[J].干旱地區農業研究，2018，36（02）：16-22，249.

[5]程功，劉廷璽，李東方，等.生物炭和秸稈還田對干旱區玉米農田土壤溫室氣體通量的影響[J].中國生態農業學報（中英文），2019，27（07）：1004-1014.

[6]趙鐵民，李淵博，陳為峰，等.生物炭對濱海鹽漬土理化性質及玉米幼苗抗氧化系統的影響[J].水土保持學報，2019，33（02）：196-200.

[7]程揚，劉子丹，沈啟斌，等.秸稈生物炭施用對玉米根際和非根際土壤微生物群落結構的影響[J].生態環境學報，2018，27（10）：1870-1877.

[8]張云舒，唐光木，葛春輝，等.生物炭對灌耕風沙土土壤性質及玉米產量的影響[J].干旱地區農業研究，2018，36（06）：180-183.

[9]陳靜，張建國，趙英，等.秸稈和生物炭添加對關中地區玉米-小麥輪作農田溫室氣體排放的影響[J].水土保持研究，2018，25（05）：170-178.

[10]黃黎粵，丁竹紅，胡忻，等.生物炭施用對小麥和玉米幼苗根際和非根際土壤中Pb、As和Cd生物有效性的影響研究[J].農業環境科學學報，2019，38（02）：348-355.

[11]楊曉智，郭建華，于凱川，等.Pb2+脅迫下生物炭對玉米種子萌發和幼苗早期生長的影響[J].種子技術與工程，2018，18（33）：237-243.

[12]蘇斌貴，劉婧，陳志國，等.生物炭炭基緩釋肥對玉米農藝性狀及產量的影響[J].現代化農業，2018（08）：26-27.

[13]韓翠蓮，霍軼珍，朱冬梅.生物炭對土壤肥力及玉米產量的影響[J].江蘇農業科學，2017，45（16）：54-57.

（責編：張宏民）