生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用進(jìn)展

摘 "要：農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界各國共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用是解決這一問題的關(guān)鍵。生物炭具有比表面積大、孔隙度高、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠改良土壤，提升耕地生產(chǎn)性能和農(nóng)作物生產(chǎn)能力，對(duì)于緩解農(nóng)業(yè)資源日益尖銳的供需矛盾意義重大。作者對(duì)近年來生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的研究和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并著重介紹了生物炭在農(nóng)田土壤改良和農(nóng)作物生長(zhǎng)方面的研究進(jìn)展，旨在進(jìn)一步明確生物炭的功能和潛在應(yīng)用價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；農(nóng)業(yè)；應(yīng)用；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S156；S158 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3583（2024）-0076-04

Progress in the Application of Biochar in

Agricultural Production

LIU Dana， FENG Zhang-lia， LI Wen-zhaoa， WU Ya-nana， FENG Bob， SUI Chang-linga*

（Zunyi Normal University a.College of Biology and Agricultural Technology;b. School of Resources and Environment， Zunyi 563006， China）

Abstract： Sustainable agricultural development is a hot topic of concern for countries around the world today， and achieving sustainable utilization of agricultural resources is the key to solving this problem. Biochar has the characteristics of large specific surface area， high porosity， and strong adsorption capacity. It can improve soil， enhance the productivity of farmland and crops， and is of great significance in alleviating the increasingly acute supply-demand contradiction of agricultural resources. This article provides a review of the research and application of biochar in agricultural production in recent years， with a focus on the research progress of biochar in soil improvement and crop growth. The aim is to further clarify the functions and potential application value of biochar， and provide reference for achieving sustainable agriculture.

Keywords： biochar; agriculture; application; research progress

自2007年澳大利亞召開第一屆國際生物炭會(huì)議以來，生物炭作為新興領(lǐng)域逐漸成為全球研究者共同關(guān)注的熱點(diǎn)。2011年沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)陳溫福院士主持組建了我國首個(gè)省級(jí)生物炭工程技術(shù)研究中心，推動(dòng)了我國生物炭的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨后，生物炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境及能源等多個(gè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展[1-3]。

生物炭可以作為土壤改良劑，提高土壤的質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，增加生物量，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。相關(guān)報(bào)道表明，早在19世紀(jì)，亞馬孫河流域古老的印第安人就曾利用木炭來改良高風(fēng)化淋溶土壤，使得Terra Preta de Indio這種黑土成為當(dāng)今世界最為肥沃的土壤之一，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提升[4]。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，保證糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是生物炭研究利用的重要立足點(diǎn)。為了更好地利用生物炭服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，本文利用CNKI數(shù)據(jù)庫對(duì)近10年來生物炭在農(nóng)業(yè)中的文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)生物炭在土壤改良和農(nóng)作物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，旨在深入了解生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用潛力，為今后農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1" 近十年生物炭在農(nóng)業(yè)上的研究文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

基于CNKI數(shù)據(jù)庫，以 “生物炭”和“農(nóng)業(yè)”為主題，時(shí)間范圍設(shè)置為2013年1月1日至2022年12月31日，進(jìn)行逐年檢索。共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)2961篇，其中研究論文1861篇，占比62.85%。對(duì)各年文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行分析，由圖1可知，2013-2022年間，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量呈先增后減趨勢(shì)，其中2013年文獻(xiàn)數(shù)量最低，2020年文獻(xiàn)數(shù)量最高。

進(jìn)一步對(duì)主要主題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用涉及土壤理化性質(zhì)、土壤改良、土壤養(yǎng)分、重金屬、溫室氣體、作物生長(zhǎng)等（見圖2），本文將圍繞生物炭在土壤改良和農(nóng)作物生長(zhǎng)2個(gè)主要方面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2" 生物炭在土壤改良中的應(yīng)用

2.1" 生物炭改良土壤的理化性質(zhì)

土壤是農(nóng)作物賴以生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，提供了農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分、水分、氧氣等。近年來，隨著人們對(duì)生物炭研究的不斷深入，越來越多的研究已證實(shí)生物炭在土壤改良中發(fā)揮著重要作用。生物炭一般呈堿性，可以提高酸性土壤的pH值，降低土壤酸度，施用生物炭5年后的茶園土壤pH值提高了0.16-1.11[5]。適量的生物炭對(duì)于南方侵蝕劣地坡地和果園坡地土壤均有良好的改良效果，施入生物炭后可以提高紅壤坡地土壤的入滲性，增加土壤肥料和有效磷含量[6]。生物炭對(duì)喀斯特山區(qū)黃壤養(yǎng)分也存在影響，黑麥草加7%生物炭能有效解決喀斯特地區(qū)水土流失現(xiàn)狀，緩解黃壤肥力低下、質(zhì)地黏重的問題[7]。此外，生物炭還能增加?xùn)|北白漿土的有機(jī)質(zhì)、速效磷、全氮及全磷含量[8]。

2.2" 生物炭吸附農(nóng)田土壤重金屬

生物炭對(duì)修復(fù)重金屬污染的稻田具有一定的應(yīng)用潛力，施入稻殼生物炭能夠降低水稻土中Hg的生物有效性，減少水稻連粳15根部和精米中汞的積累量，但不同水稻品種存在差異[9]。同時(shí)，稻殼生物炭與氮肥復(fù)施對(duì)Cd污染水稻土修復(fù)也有一定效果，生物炭配施氮肥能降低土壤中Cd的活性，一定程度上改善了土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，并能抑制水稻對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高稻米安全性[10]。生物炭在蔬菜的安全生產(chǎn)過程中也起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)在土壤調(diào)理劑和腐殖酸鉀中添加生物炭，能有效原位鈍化修復(fù)Cu-As復(fù)合污染農(nóng)田土壤，顯著降低大白菜可食用部位的Cu、Pb、As、Cd重金屬含量[11]。此外，豆科綠肥光葉苕子與生物炭合理配施也可以降低菜地土壤Cd活性，緩解Cd對(duì)娃娃菜的毒性[12]。

2.3" 生物炭緩解土壤連作障礙

我國農(nóng)作物連作現(xiàn)象較為普遍，辣椒、煙草、棉花、馬鈴薯、黃瓜等長(zhǎng)期連作易發(fā)生連作障礙，導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育不良、產(chǎn)量品質(zhì)下降、病蟲害發(fā)生加劇。引起農(nóng)作物發(fā)生連作障礙的主要原因包括土壤微生物區(qū)系劣變、土壤養(yǎng)分虧缺、化感物質(zhì)自毒作用等。相關(guān)研究表明，生物炭能提高土壤微生物多樣性和活性，進(jìn)而緩解土壤連作障礙。在黃瓜連作時(shí)，生物炭能夠提高連作黃瓜根際土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度，但不會(huì)改變?cè)型寥赖膬?yōu)勢(shì)細(xì)菌種類[13]。同時(shí)，用蔬菜多年連作土壤種植黃瓜發(fā)現(xiàn)，生物炭施入不同連作年限的土壤中，可以增加有益真菌菌群的比例，有效提高土壤中真菌豐度及多樣性[14]。棉花連作種植易導(dǎo)致棉田土壤質(zhì)量、病蟲害發(fā)生嚴(yán)重，產(chǎn)量品質(zhì)下降。生物炭能有效改善連作棉田土壤性狀，提高不同連作年限棉田土壤的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量，緩解棉花連作障礙，其中20 t/hm2生物炭處理能提高細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，40 t/hm2處理可更有效提高真菌數(shù)量[15]。此外，生物炭也能有效緩解中草藥連作障礙，施入生物炭能有效提高三七連作土壤的pH值、有效磷、有基質(zhì)含量及真菌群落多樣性，降低病原微生物豐度，改善微生物群落結(jié)構(gòu)，并顯著降低根腐發(fā)病率，提高連作三七的存活率[16，17]。盡管許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明生物炭施入土壤能夠提高連作土壤中細(xì)菌和真菌的豐度，但也有研究認(rèn)為生物炭可以提高根際土壤細(xì)菌種類多樣性和分布均勻程度，而對(duì)真菌的影響則相反[18]。可見，生物炭對(duì)土壤微生物豐度的影響可能會(huì)因環(huán)境變化而存在差異，還有待今后深入研究。

2.4" 生物炭影響農(nóng)田溫室氣體排放

農(nóng)田土壤是溫室氣體（CO2、CH4、N2O等）的重要排放源，降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放對(duì)于緩解全球氣候變暖意義重大。生物炭施入能夠影響農(nóng)田土壤酶活性，進(jìn)而影響農(nóng)田土壤溫室氣體的排放量[19]。有研究表明秸稈炭化還田后，能顯著降低稻田土壤CH4和N2O的累積排放量，但對(duì)CO2排放的影響較小[20]。也有研究認(rèn)為生物炭施入會(huì)減少土壤N2O排放、促進(jìn)CO2排放并提升作物產(chǎn)量，但對(duì)CH4通量的影響存在不確定性[21]。還有研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物炭與氮肥配施對(duì)菜地溫室氣體無減排作用，單施氮肥和生物炭與氮肥配施均促進(jìn)了土壤N2O與CO2排放，但處理中CH4排放規(guī)律不明顯[22]。由此可見，生物炭對(duì)不同類型農(nóng)田的溫室氣體排放影響存在差異。在北方溫帶地區(qū)，生物炭還田后，能顯著提高玉米地土壤CO2排放量、降低土壤CH4和N2O排放量[23]。在南方熱帶地區(qū)，常規(guī)施肥過程中配施40 t/hm2生物炭能夠降低稻田溫室氣體排放量，其中CH4累計(jì)排放量降低38.21%，N2O累計(jì)排放量分別降低21.43%[24]。此外，對(duì)福州平原稻田溫室氣體排放調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)生物炭處理都能增加早晚稻N2O累積排放量，促進(jìn)早稻CH4的排放，抑制晚稻CH4排放，對(duì)稻田CO2排放的影響存在差異[25]。

3" 生物炭在農(nóng)作物生產(chǎn)上的應(yīng)用

3.1" 生物炭提高農(nóng)作物幼苗質(zhì)量

許多農(nóng)作物的種植都需要經(jīng)過育苗環(huán)節(jié)，如水稻、辣椒、西紅柿等。傳統(tǒng)的育苗基質(zhì)主要成分是泥炭、蛭石、珍珠巖等，在育苗基質(zhì)中添加生物炭能夠改良育苗基質(zhì)性能，提高幼苗質(zhì)量。有研究表明，在東北稻區(qū)旱育苗過程中，育苗基質(zhì)添加5%-10%的生物炭有利于秧苗形成發(fā)達(dá)的根系，提高秧苗品質(zhì)[26]。在辣椒育苗基質(zhì)添加生物炭可增加基質(zhì)的孔隙度和電導(dǎo)率（EC），改善育苗基質(zhì)理化性質(zhì)。育苗基質(zhì)中添加0.9%的生物炭辣椒苗長(zhǎng)勢(shì)最佳，壯苗指數(shù)達(dá)到最大值[27]。在番茄育苗基質(zhì)中添加10%-30%的生物炭有助于改善其通氣性，提高基質(zhì)pH值和EC值，降低育苗基質(zhì)的容重。育苗基質(zhì)中添加20%的生物炭能夠顯著提高番茄幼苗的莖粗、根冠比、根系活力和壯苗指數(shù)，有利于番茄幼苗的生長(zhǎng)[28]。在煙草育苗中，采用2/3生物炭加1/3耕層土壤的育苗基質(zhì)能夠顯著提高煙苗生物量和根系活力[29]。此外，還有研究表明，生物炭也能促進(jìn)白菜幼苗[30]、香蕉幼苗[31]、玉米幼苗[32-33]等的生長(zhǎng)。

3.2" 生物炭提高農(nóng)作物的抗倒伏性

提高農(nóng)作物秸稈的抗倒伏性對(duì)于保證糧食產(chǎn)量和品質(zhì)十分重要。相關(guān)研究表明，生物炭施入能夠影響水稻的株高和節(jié)間長(zhǎng)度，增大莖稈外徑及壁厚，提高其莖稈的抗折力[34，35]。在大豆生長(zhǎng)過程中，施入生物炭對(duì)其各生育時(shí)期的株高、莖粗、根長(zhǎng)及根系體積量均有一定的影響，且生物炭處理均增加了大豆的莖粗[36]。此外，田間施入生物炭也能夠促進(jìn)玉米秸稈各節(jié)的鉀含量，降低蠟熟期玉米莖基部3-5節(jié)的節(jié)間長(zhǎng)度，增加玉米莖粗、莖稈彈力，提高其抗倒伏能力[37]。

3.3生物炭提高農(nóng)作物的肥料利用效率

隨著國家“雙減”政策的提出，如何在保證糧食安全的前提下減少化肥農(nóng)藥的使用量是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題。生物炭不僅保留了秸稈中豐富的氮磷鉀速效養(yǎng)分，而且由于其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，吸附、保蓄養(yǎng)分能力強(qiáng)，有效地避免了氮素?fù)p失，延長(zhǎng)肥效，提高農(nóng)作物養(yǎng)分利用率。相關(guān)研究表明，生物炭施入后能提高土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀的含量，提升能力可達(dá)16.51%-126.67%[38]。在水稻生長(zhǎng)中，施入生物炭能夠提高北方粳稻的氮肥利用率，其中施入生物炭量為15.0 t/hm2時(shí)，北粳1號(hào)的葉吸氮量和鐵粳11的穗吸氮量均有所提高，導(dǎo)致植株的總吸氮量分別提高了4.2%和6.8%[39]。在煙草生長(zhǎng)過程中，生物炭配施氮肥可以減少氮肥的使用量，促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)，增加其香氣前體物質(zhì)的含量[40]。此外，在新疆棉田施用不同的磷肥基礎(chǔ)上連續(xù)2年施入生物炭能夠提高棉田土壤速效磷含量和磷肥利用率[41]。

3.4" 生物炭提高農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)

生物炭對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)存在影響。研究表明，施入適量生物炭能增加雜交稻分蘗數(shù)和干物質(zhì)[42]。隨著生物炭施入量的增加，稻谷糙米率、精米率及整精米率均有所提高，而堊白度和堊白粒率均有所降低，稻米品質(zhì)得到改善[43]。在棉花種植過程中，施用20 t/hm2能有效提高連作棉田棉花的果枝節(jié)位、始節(jié)位高度、株高、果枝臺(tái)數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)等農(nóng)藝性狀，并提高棉花品質(zhì)[44]。在花生種植過程中施用生物炭能顯著增加花生籽仁中的蛋白質(zhì)和亮氨酸含量，降低硬脂酸和油脂含量[45]。在菜心的生長(zhǎng)過程中有機(jī)肥添加低量生物炭能顯著促進(jìn)菜心的生長(zhǎng)，提高菜心株高、葉片數(shù)和葉圍面積，增加產(chǎn)量并改善菜薹品質(zhì)[46]。此外，生物炭還能增加辣椒、櫻桃番茄、馬鈴薯及生菜的產(chǎn)量、品質(zhì)。施入生物炭能夠增加辣椒果實(shí)鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，提高櫻桃番茄和馬鈴薯的結(jié)果數(shù)和單果重，促進(jìn)生菜的生長(zhǎng)。同時(shí)，生物炭還能增加辣椒、櫻桃番茄、馬鈴薯原種塊莖、生菜的維生素C含量，提升櫻桃番茄和馬鈴薯原種塊莖的可溶性蛋白的含量[47-50]。

4" 總結(jié)與展望

近年來，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究備受關(guān)注。由于生物炭是生物質(zhì)在低氧或限氧條件下經(jīng)相對(duì)低溫（450-700 ℃）處理熱裂解后形成的產(chǎn)物，一方面它富含C、H、O、N、K等元素，在土壤中易被農(nóng)作物吸收利用；另一方面，它具有較大的比表面積、多孔隙結(jié)構(gòu)及較強(qiáng)的吸附能力，又可以作為土壤改良劑，提高肥料利用效率。因此，生物炭的研究利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展意義重大。當(dāng)然，生物炭除了在農(nóng)作物生產(chǎn)上具有應(yīng)用價(jià)值外，其對(duì)畜禽水產(chǎn)生產(chǎn)也有影響，如生物炭能提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能、激發(fā)動(dòng)物免疫功能和抗應(yīng)激能力、凈化養(yǎng)殖污水等。目前有關(guān)這些方面的報(bào)道極少，本文尚未對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。總體來看，當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)生物炭的研究還處于初期階段，涉及生物炭的制炭工藝與標(biāo)準(zhǔn)、生物炭與環(huán)境效應(yīng)、生物炭的長(zhǎng)效機(jī)制等內(nèi)容仍是今后值得探究的科學(xué)問題。可以預(yù)見，隨著對(duì)生物炭的深入研究，未來生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用會(huì)日趨廣泛，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中將會(huì)發(fā)揮重要作用。

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