生物炭及生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

魏春輝，任奕林，劉 峰，鄧宇玄，苑曉辰

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢430070)

生物炭及生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

魏春輝，任奕林*，劉 峰，鄧宇玄，苑曉辰

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢430070)

生物炭可作為土壤改良劑單獨(dú)施入土壤，改善土壤環(huán)境條件，也可與肥料混合制成生物炭基肥，其具有養(yǎng)分緩釋、增產(chǎn)穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。主要從生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物、農(nóng)業(yè)溫室氣體排放、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，對(duì)農(nóng)田土壤污染的治理，以及生物炭基肥對(duì)肥料養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響這幾個(gè)方面，對(duì)生物炭及生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，闡明其優(yōu)點(diǎn)和不足，并提出了進(jìn)一步的研究方向，旨在為生物炭和生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究提供參考。

生物炭； 生物炭基肥； 農(nóng)業(yè)； 應(yīng)用進(jìn)展

生物炭是通過熱解過程從生物質(zhì)中獲得的富含碳元素的固體物質(zhì)，具有羥基、羧基、脂族雙鍵等親水基團(tuán)和芳香化結(jié)構(gòu)[1]，擁有豐富的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積[2]。生物炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它擁有特殊的性質(zhì)，例如改良土壤、改善土壤環(huán)境等。但生物炭也有不足之處，它自身所含礦質(zhì)養(yǎng)分含量有限，滿足不了作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求，為彌補(bǔ)該缺陷，生物炭基肥應(yīng)運(yùn)而生。生物炭基肥是將生物炭作為載體，與肥料混合制成的一種長(zhǎng)效肥料[3]。生物炭基肥將生物炭和普通化肥有機(jī)結(jié)合起來，具有改良土壤、提高化肥利用率、穩(wěn)定增產(chǎn)、減少化肥使用次數(shù)和數(shù)量、降低環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。它是一種長(zhǎng)效肥料，具備較高的研究?jī)r(jià)值，具有良好的發(fā)展前景。

縱觀最新研究成果，重點(diǎn)闡述了生物炭對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、微生物、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以及生物炭基肥對(duì)肥料養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，并指出了目前研究中的不足以及未來研究方向，以期為生物炭及生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究提供參考。

1 生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

1.1 生物炭對(duì)農(nóng)田土壤的影響

1.1.1 生物炭對(duì)農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的影響 生物炭可以影響土壤持水量、透水性、容重等物理性質(zhì)，這種影響作用與生物炭的特殊結(jié)構(gòu)及其施用量等有關(guān)。生物炭具有羧基、羥基、脂族雙鍵等親水基結(jié)構(gòu)，從而具有極強(qiáng)的吸附和持水能力。研究表明，在農(nóng)場(chǎng)土壤中添加20 g/kg生物炭，田間持水量增加15%[4]。生物炭對(duì)土壤持水量的影響，與生物炭所施入的土壤類型也有一定關(guān)系。與壤土、黏土相比，生物炭更加有助于改善砂質(zhì)土壤持水量[5]。Asai等[6]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠改善土壤飽和導(dǎo)水率，表明土壤透水性得到提高。生物炭還可改善土壤結(jié)構(gòu)，這歸因于生物炭的多孔結(jié)構(gòu)增大了土壤表層的孔隙度，降低了其容重。多數(shù)研究表明，土壤容重隨生物炭施用量的增加而降低[4,7]。

1.1.2 生物炭對(duì)農(nóng)田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

1.1.2.1 pH值 施用生物炭會(huì)提高土壤pH值。這是因?yàn)樯锾恐泻械V質(zhì)元素如K、Ca、Mg等，溶于水后顯堿性，會(huì)交換土壤中的一部分 H+，降低其濃度，從而使土壤的pH值變大。另外，Uzoma等[8]研究表明，隨著生物炭施加量的增加，土壤pH值直線上升。但生物炭對(duì)堿性鈣質(zhì)土壤pH值影響不顯著[9]。值得一提的是，生物炭生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一種可用于改良鹽堿土壤的副產(chǎn)品木醋液，這使得使用生物炭來改良土壤酸堿度的作用更加突出，具有廣闊的前景。

1.1.2.2 陽離子交換量(CEC) 施用生物炭可提高土壤CEC[10]。這是因?yàn)樯锾亢胸S富的官能團(tuán)。此外，生物炭比表面積大，這也有助于提高土壤CEC[11]。生物炭對(duì)土壤CEC的影響主要受土壤類型、生物炭類型、生物炭制備工藝、生物炭施用量以及生物炭在土壤中的作用時(shí)間等因素影響[12-13]。

1.1.2.3 土壤肥力 生物炭具有提高土壤肥力的潛力。這是因?yàn)橐环矫?，生物炭有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，施入土壤后能吸附多種離子，可以減少氮和可溶性磷這些養(yǎng)分的淋溶損失[14-15]，提高土壤肥力；另一方面，生物炭含有豐富的有機(jī)碳，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[16]。然而，生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響也有相反結(jié)論的報(bào)道。Contina等[17]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)損失。因此，關(guān)于生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響方面還有待繼進(jìn)一步研究。另外，生物炭的種類及其作用的土壤類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量也有很大影響[9]。

1.1.3 生物炭對(duì)農(nóng)田土壤微生物的影響 生物炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是其對(duì)微生物影響的關(guān)鍵基礎(chǔ)條件。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)，為微生物的繁殖提供了溫床，使它們免遭干燥等不利條件的影響，同時(shí)也為微生物提供了生存空間，減少了生存競(jìng)爭(zhēng)。生物炭的孔隙使其能夠吸附大量水分、養(yǎng)分物質(zhì)，可為微生物提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。生物炭可以調(diào)控土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響微生物的新陳代謝；同時(shí)，微生物的活動(dòng)也會(huì)反過來對(duì)其生存的環(huán)境施加影響。這使得生物炭對(duì)土壤微生物的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜性，其作用機(jī)制尚未研究清楚。

1.1.3.1 微生物組成 生物炭對(duì)土壤微生物的影響首先體現(xiàn)在土壤微生物組成的變化上。生物炭對(duì)微生物群落種類分布具有一定的管控作用。Grossman等[18]對(duì)含生物炭和不含生物炭2種不同土壤樣品中的微生物群落種類進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，含有生物炭的土壤中微生物種類基本相同，并且與不含生物炭的土壤中的種類明顯不同。

1.1.3.2 微生物數(shù)量 生物炭還能影響土壤微生物數(shù)量的變化。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高施用量(6 000 kg/hm2)生物炭處理過的棕壤土大豆田，在大豆成熟期，細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)94.9%，真菌數(shù)量減少1.26倍[19]。

1.1.4 生物炭對(duì)農(nóng)田土壤污染的影響

1.1.4.1 重金屬污染物 重金屬是農(nóng)田土壤的一大污染物。汞、鎘、鉛、鉻和砷(毒性較強(qiáng))以及銅、鎳、鋅(微小毒性)等重金屬元素通過某些渠道在土壤中過量沉積，造成土壤污染，進(jìn)而在植物體內(nèi)富集，再經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生損傷。將生物炭施入土壤中，可降低重金屬離子的富集程度，提高土壤品質(zhì)[20-21]。生物炭顆粒大小、pH值、施加量、制備生物炭時(shí)的熱解溫度等，都會(huì)使生物炭對(duì)重金屬的治理情況有所影響[20-21]。此外，生物炭的種類也是一個(gè)重要因素。玉米稈炭對(duì)Pb2+的除凈率高達(dá)90.3%，而麥稈炭和花生殼炭的除凈率分別為52%和47%[20]。

將生物炭施入被污染的土壤中，能夠有效降低土壤中有害物質(zhì)的含量。其主要是通過直接與重金屬離子發(fā)生作用，吸附其中的重金屬離子或其表面的官能團(tuán)從而與有很強(qiáng)親和力的重金屬離子相結(jié)合，使重金屬污染物的存在形式發(fā)生變化，進(jìn)而影響其生物有效性。Cao等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的生物炭溶液可以使Pb以β-Pb9(PO4)6、Pb3(CO3)2(OH)2的形式成為沉淀。其也可以通過影響土壤理化性質(zhì)或被酸堿改性來間接發(fā)揮作用，抑制重金屬離子的遷移[23]。

1.1.4.2 有機(jī)污染物 生物炭可以治理土壤中的有機(jī)污染物。它能通過吸附作用來降低土壤中酚類[24]、苯和甲苯[25]等有機(jī)污染物的累積。Spokas等[26]研究發(fā)現(xiàn)，將生物炭添加到土壤中，其可大量吸收莠去津、乙草胺，降低這2種除草劑的耗散速率。有機(jī)污染物被生物炭吸附后，再經(jīng)沉淀作用固然可以移除部分有害物，但吸附作用不能毀滅它，要想達(dá)到更好的效果，最好是能將有機(jī)污染物降解。生物炭也表現(xiàn)出這方面的潛力。Fang等[27]以乙醇作為自由基清除劑，證實(shí)了生物炭懸浮液中產(chǎn)生的羥基可以有效降解鄰苯二甲酸二乙酯。

1.2 生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的影響

CO2、CH4、N2O是造成全球溫室效應(yīng)的主要“兇手”。生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的影響主要是通過生物炭的強(qiáng)吸附性[28]、影響土壤的理化性狀[29]、影響土壤中相關(guān)微生物的種群結(jié)構(gòu)或活性[26,30]來實(shí)現(xiàn)的。不同原料制成的生物炭、生物炭的施用量、炭化溫度以及所施加的土壤類型均會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放產(chǎn)生影響，這是綜合作用的結(jié)果。

1.2.1 生物炭對(duì)土壤釋放CO2的影響 生物炭可抑制土壤中CO2的釋放。Steiner等[31]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后，土壤碳含量?jī)H僅損失4%～8%?？赡苁且?yàn)椋锾康膹?qiáng)吸附性可將酶和有機(jī)物吸附到它的多孔結(jié)構(gòu)上，或者生物炭可使參與CO2產(chǎn)生的微生物活性降低，最終減少土壤釋放CO2的量。

1.2.2 生物炭對(duì)土壤釋放CH4的影響 一般認(rèn)為，生物炭的施用會(huì)減少甚至完全抑制土壤中CH4的排放。Liu 等[30]指出，水稻田中添加竹炭后，從土壤中釋放的CH4量減少了51.1%。Rondon等[32]在土豆田里進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在有生物炭處理時(shí)CH4的排放完全受到抑制。

1.2.3 生物炭對(duì)土壤釋放N2O的影響 生物炭對(duì)土壤釋放N2O的影響尚未有定論。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，生物炭應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中可以顯著減少農(nóng)業(yè)N2O的排放[33]。但也有少數(shù)研究者不以為然。Singh等[34]曾報(bào)道，用家禽糞便制得的生物炭來改良土壤，N2O的釋放量反而增加。而Clough等[35]發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加生物炭并不能減少N2O的釋放量。

在生物炭對(duì)N2O釋放起抑制作用方面，其抑制機(jī)制尚未達(dá)成共識(shí)。Cayuela等[36]認(rèn)為，生物炭提高了土壤pH值，隨后促進(jìn)N2O還原為N2。生物炭可以降低土壤容重，提高土壤通氣性，使得土壤中的反硝化細(xì)菌多樣性提高[37]、活性降低[38]，從而影響N循環(huán)過程。Case等[39]則認(rèn)為，從砂壤土中釋放的N2O與土壤通氣性的提高無關(guān)。

1.3 生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

生物炭對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量主要起促進(jìn)作用，這在豆科作物、小麥、玉米、圣女果等作物中均有報(bào)道。生物炭會(huì)增加豆科植物的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而增加豆科植物在牧場(chǎng)中的數(shù)量和比例[40]。Vaccari等[41]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭施用量為30 t/hm2和60 t/hm2時(shí)，地中海氣候條件下的硬粒小麥產(chǎn)量分別增加32.1%和23.6%。研究表明，添加生物炭可以促進(jìn)玉米地上和地下部分的生長(zhǎng)[42]；另外，施用生物黑炭還可提高玉米千粒質(zhì)量、產(chǎn)量[43]。在土壤中添加由廢水污泥制得的生物炭可提高土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的可利用程度，改善土壤化學(xué)條件，進(jìn)而提高圣女果產(chǎn)量達(dá)64%[21]。不過，生物炭在某些作物上需要借助于某些條件才能表現(xiàn)出正效應(yīng)。Chan等[44]曾報(bào)道，在沒有施加氮肥的情況下，即使生物炭的添加量很高，在淋溶土中栽培的蘿卜產(chǎn)量也沒有增加。

2 生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

生物炭基肥既秉承了生物炭可以改良土壤、改善土壤環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，又有其特殊之處。它可使肥料養(yǎng)分緩慢釋放，并且對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量有更穩(wěn)定的促進(jìn)作用。

2.1 生物炭基肥對(duì)肥料養(yǎng)分的影響

相較于單獨(dú)施用生物炭，生物炭基肥賦予肥料養(yǎng)分緩釋性，提高了肥料利用率。摻混法是制備生物炭基肥最簡(jiǎn)單的方法。Steiner等[45]通過摻混法制備的生物炭基復(fù)合肥，顯著延長(zhǎng)了氮素供應(yīng)時(shí)間，增加了土壤總氮量、有效磷含量。生物炭粉包裹顆粒肥料可用來制備包膜型生物炭基肥。王劍等[46]就利用轉(zhuǎn)鼓式糖衣包膜機(jī)，以聚乙烯醇作為粘結(jié)劑將稻殼炭包裹到尿素顆粒表面制得了包膜型炭基肥料，其包裹層越厚，養(yǎng)分釋放速度越小。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以吸附肥料養(yǎng)分?；谠撛?，Khan等[47]將含氮、磷、鉀的肥料溶液浸入到木炭中，制備出木炭基緩釋肥，該肥在蒸餾水和模擬的土壤溶液中養(yǎng)分淋失緩慢。

2.2 生物炭基肥對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

生物炭基肥可促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量，這在水稻[48]、小麥[3]、玉米[49]等作物上均有報(bào)道。在促進(jìn)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量方面，生物炭基肥比單施生物炭和常規(guī)化肥更加穩(wěn)定、高效。研究表明，單獨(dú)施用生物炭會(huì)導(dǎo)致當(dāng)季或幾季作物增產(chǎn)效應(yīng)不穩(wěn)定，甚至減產(chǎn)[6,50]。Schulz等[51]指出，單獨(dú)施用生物炭可以略微促進(jìn)作物生長(zhǎng)，而將生物炭與礦物質(zhì)肥料摻混使用，則對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)揮顯著的協(xié)同效應(yīng)。此外，生物炭基肥對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)、產(chǎn)量的增加作用也優(yōu)于常規(guī)肥料[49,52]。

生物炭基肥對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的作用效果與其施用量、種類、組分比例有關(guān)。馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯質(zhì)量、產(chǎn)量會(huì)隨生物炭基肥施用量的增加呈遞增趨勢(shì)[53]。不同原料制成的生物炭基肥對(duì)同一作物的影響可能存在差異。麥秸炭基肥可促進(jìn)青椒根系生長(zhǎng)，而且表現(xiàn)出良好的增產(chǎn)效果；而稻殼炭基肥和花生殼炭基肥可顯著提升青椒品質(zhì)，但對(duì)產(chǎn)量影響不顯著[54]。甚至，同組分、不同比例的炭基肥對(duì)玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量性狀的影響也不同[49]。

3 展望

基于生物炭的一系列優(yōu)點(diǎn)，生物炭及炭基肥受到越來越多的關(guān)注和研究。生物炭及其應(yīng)用的相關(guān)研究雖已取得了一些成果，但許多都是短期的、不系統(tǒng)的、不全面的。生物炭的基礎(chǔ)研究較弱，關(guān)于其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究時(shí)間很短。生物炭作為土壤改良劑的應(yīng)用研究也基本都是短期性的。同時(shí)，生物炭的碳固定及碳減排作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說服力還不足。目前，在一些關(guān)鍵問題上，還存在爭(zhēng)議，這與生物炭的種類、制備工藝及其所投入使用的土壤環(huán)境等因素有關(guān)，需要進(jìn)一步深入研究。

生物炭基肥雖有一系列優(yōu)越性，但也不可盲目推廣使用，必須研究清楚一些問題。如：因生物炭在制備時(shí)會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳烴，它對(duì)一些植物、動(dòng)物、微生物會(huì)產(chǎn)生毒害作用，因此必須對(duì)生物炭基肥中的多環(huán)芳烴水平進(jìn)行評(píng)估。此外，生物炭基肥的制備工藝和成型設(shè)備的研制工作亟待開展，并且要探索制備多功能生物炭基肥的新方法。從目前的研究結(jié)果來看，生物炭對(duì)土壤環(huán)境的積極影響占主流，但其對(duì)土壤和農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的作用機(jī)制還未完全研究清楚。應(yīng)該進(jìn)一步研究生物炭大規(guī)模應(yīng)用的生態(tài)影響，長(zhǎng)期、系統(tǒng)、全面地評(píng)估諸如它是否會(huì)威脅生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)平衡此類的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等。相信隨著研究的不斷深入，生物炭和生物炭基肥會(huì)得到科學(xué)合理的廣泛應(yīng)用，不僅可以節(jié)約農(nóng)林廢棄物這些寶貴資源，而且可以減少環(huán)境污染，為生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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Research Progress of Application of Biochar and Biochar-based Fertilizer in Agriculture

WEI Chunhui，REN Yilin*，LIU Feng，DENG Yuxuan，YUAN Xiaochen

(College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

When biochar is putted into the soil alone, it can be used as a soil conditioner to improve soil conditions. Additionally, it can be combined with fertilizer, turning into biochar-based fertilizer, with a series of advantages such as slow-release of nutrients, stable increase of yield, etc., which is being applied more and more widely in agriculture. This paper reviewed the research progress of application of biochar and biochar-based fertilizer in agriculture mainly from following several aspects: the effect of biochar on soil physical and chemical properties, microorganisms, greenhouse gas emissions, crop growth and yield, the management of biochar on pollution of farmland soil, and the effect of biochar-based ferti-lizer on fertilizer nutrients, crop growth and yield, and clarified the advantages and disadvantages. The further research issues were also proposed, which would provide references for the application of biochar and biochar-based fertilizer in agriculture.

biochar; biochar-based fertilizer; agriculture; application progress

2015-09-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD11B03)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014PY044)

魏春輝(1991-)，男，河南南陽人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備。 E-mail:weichunhuixyz@126.com

*通訊作者：任奕林(1970-)，女，湖北天門人，副教授，博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)研究。 E-mail:renyiling@mail.hzau.edu.cn

S156.2

A

1004-3268(2016)03-0014-06