生物質炭基肥料及作物施用技術研究進展

黃 慶，劉忠珍，朱根發，魏 嵐，黃連喜，李 翔，黃玉芬，陳偉盛

（1.廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省農業資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東省農業科學院環境園藝研究所，廣東 廣州 510640）

近年來，糧食生產和耕地土壤退化之間的矛盾日益突出，根據《中國耕地質量等級調查與評定》報告，全國耕地評定為15個等別，1等耕地質量最好，15等最差。我國耕地平均質量等別為9.80等，質量水平總體偏低，其中中低產地占全國耕地總面積的67.35%［1］。耕地土壤質量退化問題制約了我國農業的可持續發展，也逐步影響到我國糧食安全。肥料過量施用是導致耕地肥力退化的主要原因之一，因此，農業部于2015年2月17日制定頒布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出了推進新肥料新技術應用。國家農業政策圍繞“穩糧增收調結構，提質增效轉方式”的工作主線，大力推進化肥減量提效，積極探索產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路。

我國秸稈廢棄物每年平均產生量約為7.35億t，一直以來，大量農作物秸稈處理主要以還田和焚燒，如果沒有得到更低碳更優化的合理處理利用，不僅造成了直接的資源浪費，也導致了間接的環境風險，成為全面推進生態建設中必須面對并加以解決的問題［2］。研究表明，作物秸稈不但是優質的土壤有機質碳源，同時也是良好的生物質原材料，秸稈的炭化處理較其他處理方式可以更有效降低氮和磷養分的損失率。不同輪作制下秸稈炭化還田較秸稈直接還田均能提高作物產量和土壤理化性狀［3］，說明農作物秸稈炭化比其他形式的資源化更具優勢，具有更大的研究價值和市場前景。

生物質炭（Biochar）是以作物秸稈等農林植物廢棄物為原料，在絕氧或有限氧氣供應條件下，400～700 ℃熱解得到的穩定固體富碳產物。國內外關于生物炭在農業上的試驗研究主要集中于改良土壤、對土壤環境質量的影響等方面。近年來，隨著生物炭應用研究的不斷深入，生物炭與肥料結合的研究日益受到重視，先后制定了相關的行業標準——生物質炭基肥料（Biochar based fertilizer）和生物炭基有機肥（Biochar-based organic fertilizer）［4-5］。本文綜合分析多年來生物質炭基肥料的組成原材料與制備工藝配方技術，及其在主要農作物上的試驗研究結果，以期為研發適用于不同土壤和作物的生物質炭基肥料，為其高效環保施用技術提供參考。

1 生物質炭基肥原材料與制備工藝

Joseph等［6］研究表明，生物質炭具有復雜的碳晶格結構，具有芳香族和脂肪族結構域、酸性和堿性基團、空位、金屬和非金屬元素以及自由基。生物質炭也有獨立的礦物氧化物、硅酸鹽和鹽相，以及大小不同的有機分子。施入土壤后存在于植物根際的生物質炭，有效參與“土壤-微生物-植物”連續體的化學和生物過程，包括養分循環、金屬螯合和穩定、氧化還原反應和自由基清除等。作為生物質炭基肥料的基本載體，生物質炭的原材料及其制備工藝至關重要，作為生物質炭基肥料的載體成分，它們決定了生物質炭基肥料的理化性狀，影響著土壤的供肥保水性，對土壤、肥料養分、作物的產量和農產品品質等產生舉足輕重的影響。

1.1 生物質炭原材料與制備溫度

制備生物質炭的原材料來源十分廣泛，不同來源的生物質理化性狀千差萬別。根據國際生物質炭協會（IBI）制定的生物質炭標準《IBI Biochar Standards V2.1 Final（2015）》［7］。生物質原料可以分為“未加工”原料和“加工”原料兩大類，未加工原料指直接取自植物界或僅被機械處理，但未經動物體或者人為化學處理過的生物材料。根據近年來公開發表的文獻，絕大多數制備生物質炭原材料均屬于“未加工”的原料，具體有竹子［8-9］、小麥秸稈［10-13］、玉米秸稈［10,14-18］、水稻谷殼［9,13,19-20］、花生殼［10,13,21］、甘蔗渣［22］、棉花秸稈［21,23-24］、園林廢棄物［25］、玉米芯［26］、煙草秸稈［27］等。只有極少部分是所謂被“加工”過的原料，例如豬糞［28］和制糖慮泥［29］等。可以看出，從植物型的農作物秸稈、園林廢棄物，到禽畜糞便、甚至工業有機廢棄物等均可以作為生物質炭潛在的制備原料。

溫度是熱解生物質向生物質炭方向轉變的必要條件，不同原料熱解炭化溫度所得到的生物質炭的理化性狀表現出較大差別。制備條件中，裂解溫度是影響生物質炭特性的主要因素。一般來說，提高溫度可以增加生物質炭的固碳含量。制備溫度可以明顯影響生物質炭的孔隙度和吸附性能，隨著制備溫度的提高，生物質炭芳香化程度增強，化學穩定性增強［30］。從一系列文獻中可以看出，水稻稻殼炭化溫度為400 ℃［20］，園林廢棄樹干枝條混合物［25］、玉米秸稈［18］炭化溫度為400 ℃，小麥秸稈［12］、花生殼［31］炭化溫度為350 ℃，甘蔗渣炭化、制糖慮泥炭化溫度均為500℃［22,29］，玉米芯［26］炭化溫度為450 ℃。利用流化床熱解煙草秸稈制備生物質炭也是一大工藝特色［27］。以生物質炭和膨潤土為原料，采用微波輻射法合成可生物降解的緩釋NPK復混肥，具有較好的保水保肥性［32］。在現有文獻中，有不少試驗研究所采用的生物質炭基肥料并沒有提供生物質炭制備的溫度參數。作為組成生物質炭基肥料的主要原材料——農作物秸稈的炭化溫度絕大多數采用350～500 ℃的熱解溫度，采用較高一點的炭化溫度基本上也不會超過700 ℃［19］。

1.2 生物質炭基肥料的制備工藝

根據中華人民共和國農業行業標準《生物炭基肥料NY/T3041-2016》，生物質炭基肥料分為Ⅰ型和Ⅱ型：Ⅰ型總養分（N+P2O5+K2O）≥20%，生物質炭（以C計）≥9%；Ⅱ型總養分（N+P2O5+K2O）≥30%，生物質炭（以C計）≥6%［4］。按生物質炭組合的材料類型，生物質炭基肥料可以分為生物質炭基有機-無機復混肥（Biochar-based organic inorganic compound fertilizer）、生物質炭基有機肥（Biochar-based organic fertilizer）和生物質炭基無機肥（Biocharbased inorganic fertilizer）等［33］。

廣義上，“生物質炭+肥料”都可以稱之為生物質炭基肥料，其中生物質炭是一個載體，所含有作物必須的營養成分不多，只在其灰分中含有少量的磷、鉀，以及鈣、鎂、硅等中微量元素。因此，提供作物生長發育所必須的營養成分主要是肥料組分。生物質炭基肥料的肥料組成大多采用“生物質炭+復混肥”的方式，部分采用“生物質炭+單質化學肥料”的方式［18,20,34-35］，也可以是“生物質炭+有機肥/生物有機肥”［10］。同時采用生物質炭、化肥和有機肥混合作為生物質炭基肥料的方式也是可行的［19］。更為復雜的是利用生物質炭、氮磷鉀肥料和豬糞堆肥制成具有土壤改良效果的生物質炭基肥料［10,36］。

生物質炭基肥料的制備多數采用常規的有機-無機復混肥的生產工藝，將生物質炭與有機肥、無機復混肥或單質肥料直接粉碎摻混而成。具體采用的化學氮肥有尿素、氯化銨，同時含有氮和磷素的復合肥磷酸一銨、磷酸二銨，鉀肥多數以氯化鉀、硫酸鉀為主［18,20,34-35］。

生物質炭與肥料混合后可以經過擠壓工藝流程進行造粒［16］；用生物質炭對尿素進行包膜制成生物黑炭包裹尿素［23］；采用平底造粒機，將生物質炭對尿素和過磷酸鈣顆粒進行包衣，制得類似于有機-無機復混生物質炭基肥料產品［37］；通過熔融高壓、水溶浸泡等更加復雜的工藝制備生物炭質基肥料［25］；利用糖廠濾泥炭化，慮泥生物質炭與尿素以5∶1的比例吸收尿素產生緩釋生物質炭基肥料顆粒［29］。有的試驗還添加褐煤［20］、木醋液［15,17,34］、膨潤土［32］等強化某種功能的輔助材料。

根據作物的營養需求，生物質炭基肥料中的“肥∶炭”按不同比例進行調配，可以是8∶2或者 7∶3配比［14］。與普通的復混肥料相似，生物質炭基肥料所含肥分N-P2O5-K2O比例不同，氮磷鉀總養分也不盡相同。根據不同作物的需肥特點和施肥量，生物質炭基肥料中氮磷鉀總養分變幅為28.8%～51%［13,20-21,28,38-40］。此外，由于造肥制粒工藝技術、結合改土和提質增效的需要，生物質炭基肥料所含的碳量也不盡相同，生物質炭基肥所含C量為18%～35%［9,16,28,35,38,41］。

從化學組成來講，生物質炭基肥料是一種有機-無機復混肥料。總體上，生物質炭基肥料吸收了無機復混肥和傳統有機肥料的長處，同時克服了兩者各自的缺點，炭基復混肥料可以達到肥效緩釋可控、土壤增碳和農業減排的效果。目前，不少試驗研究直接利用市售的生物質炭基肥料產品作為供試材料［28,34,38,40,42-46］。

2 生物質炭基肥料作物施用技術和效果

從已有的試驗研究來看，生物質炭基肥料的應用涉及大田作物有水稻、玉米、小麥、花生、馬鈴薯、甘薯、大豆、棉花、煙草、黑麥草、碭山酥梨和蔬菜等，其中蔬菜作物包括白菜、番茄、辣椒、青椒、朝天椒、小白菜、芹菜和生菜等。根據公開發表的文獻，整理出生物質炭基肥料供試作物、試驗方法、炭基肥的組成及其施用技術、施用量和施用效果等（表1）。

從表1可以看出，在水稻、玉米和小麥等糧食作物上的系列試驗研究均證明，生物質炭基肥能提高肥料利用率，促進植株對氮磷鉀養分的吸收，增加植株各部位的生物量，從而提高作物產量［12,19,28］；在減少施N量的情況下，生物炭基肥依然能有效提高水稻植株的吸氮、磷和鉀能力，并提高氮素偏生產力［10,47］。生物炭基肥有效提高水稻穗粒數、單穗重和降低癟粒率［8］；對玉米的穗長、穗粗、出籽率、穗粒數和千粒重均有促進作用［34］；增加小麥的千粒重、每穗粒數及每667 m2穗數，同時提高氮肥偏生產力［22,42,49］。值得關注的是，炭基肥還能使水稻根際土壤與根膜電位差增加，從而降低根系養分積累所需的自由能，提高水稻植株養分含量和生物量［11］。

生物炭基肥能有效提高蔬菜作物的光合效率和SPAD值［41］，增加植株各部位的生物量［13,31］，從而提高蔬菜作物產量［9,16,21,23,25,41］；同時，生物炭基肥能有效改善蔬菜收獲物的品質，具體表現在提高菜品維生素C［13,16,21,23,25,41］、可溶性糖［21］和蛋白質含量［13］，降低硝酸鹽含量等［9,16,21,23,25,41］。

表1 生物質炭基肥料作物施用技術和效果Table 1 Application techniques and effects of biochar-based fertilizer

生物質炭基肥在花生上的施用效果主要體現在提高單株飽果數、百果重、百仁重、出仁率和莢果產量上［35,41,44］，同時在水分脅迫的不利條件下起到一定抗旱作用［38-39］。

目前收集到的文獻中，生物質炭基肥在馬鈴薯、甘薯、大豆、煙草、棉花、牧草和果樹等作物上的試驗研究較少，總體上均表現在增加植株生物量和提高產量方面［17,18-24,40,45-46,51］；對于煙草，生物炭基肥則起到提高烤煙的經濟性狀和品質的作用［52-53］。

綜上所述，生物質炭基肥料的試驗研究在全國各地均有開展，而且適用于不同的地域和土壤類型。試驗方法以大田小區為主，少數的保護地小區試驗［13,23,25］；其余多為盆栽試驗；極少的袋栽試驗［11］和微區試驗［26］；從試驗周期長短來看，有2年［47］或4年［26,31,50］的定位試驗。生物質炭基肥的施用量、施用時期和施用方法，基本沿用作物專用肥和土壤改良劑的技術模式。作物應用效果總體顯示為正效應，具體表現在增加作物產量、提高農作物植株的農藝性狀、改善農產品品質、提升氮磷鉀肥料的利用率、改良土壤理化性狀、節水省肥以及低碳減排等方面。

3 展望

國內外公開文獻表明，關于生物質炭基肥料制備及其在作物上施用技術的研究不斷增多，且有一定的深度和廣度，已成為農業資源與環境領域關注的熱點。但是，生物質炭基肥料的作物試驗大多集中于短期小區、小型的盆栽或者保護地微區試驗；生物質炭基肥料的輸入對農田生態系統的整體影響尚不明確；關于生物質炭基肥中“炭-肥-土”等之間的互作機理、“土壤-作物-養分”等因素的動態作用機制、以及對土壤微生物和水分脅迫等因素的時空變化研究尚淺。因此，提出以下建議：（1）加大生物質炭基肥料對土壤、作物和環境的系統性研究，進一步開展生物質炭基肥料與傳統肥料之間的共通性和差異性、及其養分控/緩釋規律性的試驗研究。（2）探索生物質炭基肥料中“肥-水”耦合的過程及機制。（3）突破更加科學、高效、安全的生物質炭基肥料配方工藝技術，尤其是生物質炭基肥料造粒制肥設備與輔助材料的研發。（4）開展不同地域、不同土壤類型和環境條件下生物質炭基肥料的長期定位研究。結合土壤、作物的需肥特點制定生物質炭基肥料高效環保施用技術規程，為種植業的提質增效做貢獻。