生物炭對作物增產與溫室氣體排放研究綜述

杜忠

摘 要：生物炭是由含碳量豐富的生物質在無氧或限氧的條件下低溫熱解而得到的1種細粒度、多孔性的碳質材料，在能源、環(huán)境、農業(yè)等多個領域都有巨大的應用價值，已成為當前的研究熱點。目前全球氣候變化對人們生存生活產生的影響已經成為全球化問題，農田作為溫室氣體重要排放源的同時也作為糧食的重要來源，一直受到各國政府的高度重視。該文探究了生物炭對農田糧食增產與溫室氣體減排等研究熱點，梳理了相關研究成果，并提出兩者結合研究的方向性建議。

關鍵詞：生物炭；作物增產；溫室氣體

中圖分類號 S156.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）20-0126-3

Review on Impacts of Biochar on Crop Yield and Greenhouse Gas Emission

Du Zhong

（School of Land and Resources，China West Normal University，Nanchong 637009，China）

Abstract：Biochar is a kind of fine size and porous carbonaceous material obtained by pyrolysis of carbon rich biomass at low temperature without oxygen or oxygen limitation. It has great application value and functions in many fields such as energy，environment and agriculture，and has become the current research hotspot. At present，the impact of global climate change on people's livelihood has become a global issue. As an important source of greenhouse gas emissions，farmland is also an important source of food，which has been highly valued by governments and local research departments. In this paper，biochar is combined with several research hotspots of increasing crop yield and reducing greenhouse gas emissions，and relevant research results are sorted out，and the directional suggestions of the research are proposed.

Key words：Biochar；Crop yield；Greenhouse gas

生物炭（Biochar）最早是在巴西亞馬遜河流域，前哥倫比亞人把各種垃圾燒成炭施到土壤中以增加土壤肥力，然后被人們發(fā)現了它所帶來的巨大收益，吸引了各國的學者對其進行研究[1]。現今，人們已將生物炭應用于改良土壤、固碳減排、水污染治理、重金屬污染治理等多方面[2]。生物炭優(yōu)點在于，來源比較多，容易獲取，可從多種原材料制得；不但可以提高生產效率，對保護環(huán)境對國家的低碳高效經濟發(fā)展、對保護國家資源和糧食安全等也有著重大的意義[1-2]。

國內外已有很多關于生物炭對糧食的產量影響以及溫室氣體減排的研究，但是將兩者結合進行研究，探究其最大化效益還鮮有報道。本文結合國內外的研究成果進行分析，并提出可供參考的意見和建議。

1 生物炭

1.1 概念 生物炭是農作物秸稈、木質物質、禽畜糞便和其它材料等有機物質在缺氧或無氧條件下低溫裂解制備的富炭固體，具有高度穩(wěn)定性和較強的吸附性能，能夠在農業(yè)溫室氣體減排中發(fā)揮重要作用，多作為1種土壤改良劑使用[1，3]。生產生物炭的外界條件（如：溫度、原料、熱解速度等）會對其性質有很大的影響。

生物炭作為1種土壤改良劑施用，不僅可以大大減少二氧化碳及其它溫室氣體的排放，緩解溫室效應，而且可以改良土壤的理化及生物性狀，降低土壤污染物質的生物有效性，從而降低其毒性。因此，近年來生物炭在改良土壤方面受到人們的廣泛關注[1-2]，在促進植物生長和環(huán)境修復等方面都有著很大的潛力[1-5]。

1.2 理化性質

1.2.1 物理性質 生物炭具有多孔結構，有較大的比表面積，顏色較深，加入到土壤后增加了土壤的孔隙度，讓土壤持水力增大，促進土壤的保肥能力，使土壤具備一定吸附性[1，3]。

1.2.2 化學性質 生物炭有大量堿性物質和離子，含碳量高并且具有穩(wěn)定的芳香結構，能夠使土壤酸度降低，有機質含量增多，土壤陽離子交換增多，減少養(yǎng)分的流失，增加土壤碳匯[1]。

2 生物炭對作物的增產作用

大量的數據顯示，生物炭的一系列物理化學性質對土壤的質量特征和肥力特征都有著良好的改善，對作物的生長發(fā)育以及產量都有著良好的效果[4-9]。隨著人們對生物炭的不斷研究和應用發(fā)展，生物炭對增加糧食產量的研究越來越廣泛。目前已有大量的實驗研究證明，向農田里施加生物炭對糧食產量增加有著顯著的影響[4-9]。陳心想等[4]開展的實驗表明，生物炭與肥料混合施用，有助于肥力的提高，使得水稻的產量增加。張娜等[8]研究發(fā)現，在相同的土壤環(huán)境條件下，相同的生物炭對不同的作物產量影響存在著差異。也有一些研究發(fā)現，生物炭對作物生長或產量的影響與土壤類型有密切聯系[10]。唐光木等[11]在新疆灰漠土上的研究發(fā)現，作物的產量隨著生物炭施用量的增加呈增加趨勢。黃婷等[12]研究發(fā)現，不同種類的生物炭對棉花產量的影響不一樣。也有研究發(fā)現，不同的作物類型對施用生物炭，產量存在著明顯的差異[13]。

通過國內外研究結果可以看出，生物炭對于作物有著促進生長和增加產量的良好效果[4-17]，這是生物炭成為現今研究熱點的重要原因，將它合理地運用于農業(yè)，對促進農業(yè)健康發(fā)展有著重大作用。

3 生物炭對溫室氣體的減排

全球變暖是全球變化的趨勢，溫室氣體的問題已然成為了世界共同的挑戰(zhàn)性問題[2]。溫室氣體主要有水汽、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氟利昂等，這些氣體是由工業(yè)、農業(yè)、生活等多個方面人類活動所產生，近年來溫室氣體濃度正在不斷升高。如果任由溫室氣體的濃度持續(xù)升高，它所產生的溫室效應勢必會加劇全球變暖和氣候變遷，甚至使氣候變化的幅度超出生物圈的自動調節(jié)范圍，最終引起生物圈的全面崩潰[2]。

生物炭通過固定生物質中的碳，對大氣、土壤循環(huán)、陸地碳儲存等都有重要影響[18-19]。有學者認為，生物炭可能是唯一的穩(wěn)定性碳源，是改變土壤碳庫自然平衡、較大程度提高土壤碳庫容量的技術方式，并認為生物炭也可能是減少溫室氣體排放、緩解溫室效應的一條重要的可行途徑[2，20]。近年來有許多學者研究發(fā)現，生物炭施用在農田，可以提高土壤pH、改變土壤通氣狀況，從而改變土壤溫室氣體排放[21-35]。

趙紅等[21]通過Meta分析的方法研究了生物炭輸入對中國作物溫室氣體的影響，結果表明，生物炭添加分別可顯著減少作物N2O、全球增溫潛勢及溫室氣體排放強度達41%、18%和25%。李松等[22]研究表明，在不同的土壤條件（不同土壤濕度、溫度和土壤類型）下，當土壤中添加少量生物炭時，初期并沒有減少N2O釋放，但是隨著時間的增加，生物炭減少N2O釋放的能力可能增加。Rondon等[28]通過向牧草地與大豆土壤中添加20g/kg的生物炭，發(fā)現N2O排放量降低了80%。Cayuela等[29]研究發(fā)現，生物炭添加導致14種農業(yè)土壤N2O釋放減少了10%～90%。Spokas等[30]通過實驗發(fā)現，高的生物炭添加量能顯著減少N2O的釋放，多達74%，而低添加量并沒有明顯的作用。Alho等[31]通過不同生物炭添加量與土壤進行短期培養(yǎng)試驗，結果表明生物炭添加量超過5mg/hm2時開始減少N2O釋放，而低添加量促進少量N2O釋放。

Rondon等[28]通過野外原位觀測和室內培養(yǎng)實驗發(fā)現，生物炭的添加顯著抑制了土壤CH4的排放。Karhu等[32]研究也表明，生物炭添加之后減少了96%的CH4排放。Liu等[33]通過實驗室培養(yǎng)實驗發(fā)現，生物炭的施加明顯抑制了CH4排放。但是，生物炭添加對土壤CH4的影響不一致，如Knoblauch等[34]在水稻生長季通過添加生物炭，發(fā)現增加了1.6倍CH4的排放。許欣等[27]研究發(fā)現，在施加氮肥和不施加氮肥的情況下，向稻田土壤添加小麥秸稈生物炭，土壤CH4排放量分別增加34%和41%。但是，Spokas等[35]利用16種不同性質的生物炭與3種土壤進行室內培養(yǎng)實驗，研究發(fā)現生物炭的添加抑制CH4的排放或沒有明顯作用。

因此，在不合理應用生物炭的情況下，反而會促進土壤中溫室氣體CH4和N2O的排放。正確使用生物炭應該今后研究的重點之一。

4 討論與建議

4.1 增產與減排的作用 通過綜述分析前期研究成果可知，生物炭對作物的增產是明顯的，不存在爭議；但是在溫室氣體減排方面仍存在不一致的觀點，尤其是在促進溫室氣體CH4和N2O的排放方面。所以對于生物炭的使用，需要采取正確的方法，否則可能會成為另外1種全球化危機。國內外已經有大量關于生物炭的增加糧食產量和促進溫室氣體減排的報道，但是這兩者是同時發(fā)生的，在考慮問題的時候，需要將兩者結合起來。

4.2 發(fā)展建議 通過對生物炭在增產和減排方面研究資料和文獻的整理分析，對今后研究提出如下建議：

（1）對生物炭使用的研究，要結合生物炭本身的特點，在考慮其優(yōu)勢的同時，也要考慮所存在的缺點。如微生物的瘋狂繁殖，土壤污染的富集等，所以在研究的時候應當從微觀與宏觀方面同時進行研究，這樣得到的結果和結論才具有利用價值，更具備說服力。

（2）在將糧食增產和溫室氣體減排的結合上，可對生物炭施用不同方式進行研究，即從不同的生長時期、與不同肥料結合、不同土壤類型與不同生物炭交叉施用等方面，研究生物產量與溫室氣體排量之間的關系，實現在增產同時減排的最大化。

（3）在生物炭研究方面，國內外已經有了許多成果，但是最終轉化很少，主要因為商業(yè)化、規(guī)模化不夠，需要有財力物力的企業(yè)以及科研人員共同努力，只有通力合作，才可以充分發(fā)揮生物炭對農業(yè)增產和減排溫室氣體的積極作用。

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（責編：王慧晴）