生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

吳麗凝　葉永上　劉羽　林欣瑜　沈桂釗

摘要 目前我國還有大量的生物質(zhì)碳廢棄物未得到有效利用，將這些大量未得到利用的生物質(zhì)廢棄物在缺氧或者無氧的條件下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，可生成一種含有大量碳素的孔隙結(jié)構(gòu)的固體顆粒物質(zhì)，也就是俗稱的生物質(zhì)碳。生物質(zhì)碳含有農(nóng)作物生長所需要的營養(yǎng)元素，擁有較強(qiáng)的吸附性和一定的持水性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用，可為農(nóng)作物和土壤提供養(yǎng)分、提高土壤pH值或作為緩釋肥料。主要闡述了生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)碳;農(nóng)業(yè);應(yīng)用

中圖分類號：S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0120–02

農(nóng)業(yè)發(fā)展與人們的日常飲食息息相關(guān)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界范圍內(nèi)每年都會產(chǎn)生生物質(zhì)廢棄物大約有百億噸，把這些含有大量碳的生物質(zhì)廢棄物在無氧或者缺氧條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)碳，將其添加到土壤中，達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)和增產(chǎn)的目的，提高生物質(zhì)廢棄物利用價值的同時推動農(nóng)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展。

1 生物質(zhì)廢棄物的來源

生物質(zhì)碳的制備原料充分，林業(yè)廢棄物、農(nóng)作物廢棄物和人們生活的有機(jī)垃圾等均是生物質(zhì)廢棄物的主要來源。生物質(zhì)碳廢棄物每天都在以肉眼可見的速度增加，世界范圍內(nèi)每年所產(chǎn)生的生物質(zhì)廢棄物數(shù)量高達(dá)百億噸。農(nóng)作物廢棄物是生物質(zhì)廢棄物的主要來源之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年所產(chǎn)生各種各樣的農(nóng)作物秸稈廢棄物就有7億～10億 t左右，其中30%的農(nóng)作物秸稈沒有得到有效利用。此外，國內(nèi)居民生活有機(jī)垃圾堆積量也已高達(dá)70億 t。目前我國城市內(nèi)的有機(jī)生活垃圾量仍在以平均每年4.8%的速度增長。大量的生物質(zhì)廢棄物未能得到有效利用。將這些大量未得到利用的生物質(zhì)廢棄物在缺氧或無氧的條件下使之發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，可以生成一種含有大量碳素的孔隙結(jié)構(gòu)的固體顆粒物質(zhì)，即生物質(zhì)碳。

2 生物質(zhì)碳的定義

生物質(zhì)碳是由生物質(zhì)廢棄物在限氧的條件下經(jīng)過熱分解轉(zhuǎn)變成的。生物質(zhì)碳由碳、氫、氧3種元素構(gòu)成，還含有少量的灰分。生物質(zhì)碳的碳含量與熱分解溫度呈線性相關(guān)，若在生物質(zhì)廢棄物熱分解過程溫度越高，生物質(zhì)碳的含量也就越高。生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)、治理環(huán)境污染等方面有重要的應(yīng)用，具有很好的綠色發(fā)展前景。目前生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下4個方面。

2.1 固碳作用

生物質(zhì)碳可以將農(nóng)作物的有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊蕴?，減低了土壤中的微生物對有機(jī)碳的利用能力，因此能夠提高土壤封存碳的能力。

2.2 作為緩釋肥料的載體

生物質(zhì)碳的穩(wěn)定性強(qiáng)，可在土壤中保留2000年左右，可作為緩釋肥料的固體載體，制成新型的肥料，減少有機(jī)化肥在農(nóng)田的使用，因此在農(nóng)田上起到溫室氣體減排的效果。

2.3 提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及其品質(zhì)

生物質(zhì)碳本身含有大量營養(yǎng)元素，適量添加生物碳到土壤中，一方面可以改善土壤的理化性質(zhì)，另一方面可為農(nóng)作物提供了長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。

2.4 在酸性土壤中的應(yīng)用

生物質(zhì)碳呈堿性，可以升高酸性土壤的pH值，使農(nóng)作物能更好地生長。目前生物質(zhì)碳作為具有綠色發(fā)展前景的物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)上。

3 生物質(zhì)碳對土壤的作用

生物質(zhì)碳能與土壤中的礦物質(zhì)結(jié)合，提高土壤營養(yǎng)物質(zhì)的含量，對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和改善土壤的理化性質(zhì)起著重要作用。生物質(zhì)碳還是綠色環(huán)保的土壤改良劑，有修復(fù)土壤的作用。生物質(zhì)碳的pH值一般為5～12，呈堿性，生物質(zhì)碳堿性物質(zhì)以碳酸鹽為存在的主要形式，其表面含氧活性官能團(tuán)對酸堿有一定的緩沖能力，添加生物質(zhì)碳到土壤中，可以增加土壤的pH值，起到降低土壤酸性的作用。我國酸性土壤主要分布在東南地區(qū)，目前我國土壤酸化程度和酸化面積正逐年增加。土壤偏酸不利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展，會導(dǎo)致農(nóng)作物的根壞死、大量養(yǎng)分流失、泥土厚重，不適合農(nóng)作物的種植等。Novak等[1]研究表明添加適量的核桃殼生物質(zhì)碳到酸性土壤里，土壤的pH值由原來的4.8上升到6.3，生物質(zhì)碳可以改變土壤的酸堿度，使得土壤更加適合農(nóng)作物的生長，從而對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量具有一定的作用。

由于生物質(zhì)碳有著豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和大量的含氧活性官能團(tuán)物質(zhì)，因此具有一定的持水能力，但隨著在生物質(zhì)碳制備過程中熱分解反應(yīng)溫度越高，生物質(zhì)碳的持水能力就變得越弱。此外生物質(zhì)碳具有較強(qiáng)的吸附特點(diǎn)，可吸附土壤和農(nóng)作物所需要的營養(yǎng)元素、能減少土壤的養(yǎng)分流失、提高農(nóng)作物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率及加強(qiáng)土壤的肥沃。施加生物質(zhì)碳到土壤里，可以增加土壤的孔隙度和保水能力，還能降低土壤容重。有研究表明[2]，添加生物質(zhì)碳到土壤中，土壤容重降低了9%。生物質(zhì)碳的多孔結(jié)構(gòu)也為微生物群落提供了較大的生存空間，防止其因空間不足或者密度較大而導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)枯竭死亡，在一定程度上提高了微生物菌群的活性，起到維持土壤生態(tài)平衡的作用。

生物質(zhì)碳可以加深土壤的顏色，從而促進(jìn)太陽能的吸收，提高土壤的溫度，緩解春寒和冬寒對農(nóng)作物的損害。生物質(zhì)碳富含大量的含氧官能團(tuán)，這使得其表面帶有負(fù)電荷，因此生物質(zhì)碳擁有較強(qiáng)的陽離子交換能力（CEC）。添加其到土壤中可以增加土壤的陽離子。根據(jù)杜衍紅等[3]的研究，在紅壤中添加10%的稻殼生物質(zhì)碳，土壤的陽離子交換能力提高了214%。

此外，生物質(zhì)碳是一種高度芳香化的物質(zhì)，生物質(zhì)碳的高度芳香化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得生物質(zhì)碳具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，它可以和土壤中的礦物質(zhì)結(jié)合，降低微生物分解泥土中營養(yǎng)物質(zhì)的速度。生物質(zhì)碳也具有固碳能力，能將農(nóng)作物中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)變成惰性碳，不但增加了土壤中碳的含量，而且減少溫室氣體向大氣的排放[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，添加1 t的生物質(zhì)碳到土壤里，就會有2.15 t的CO2被固定到土壤中，1 t的生物質(zhì)碳可以代替氮肥0.58 t。添加1 t的生物質(zhì)碳可以獲得的固碳減排效益大概為13.15美元。將生物質(zhì)碳當(dāng)作緩釋肥料載體，制造成有機(jī)復(fù)合肥，這樣不僅可以促進(jìn)農(nóng)作物生長，還能有利于減少有機(jī)肥料的使用。

農(nóng)田中NO2的排放量與使用有機(jī)肥的含量有關(guān)。使用有機(jī)化肥會導(dǎo)致大量的NO2產(chǎn)生。因此，在農(nóng)業(yè)上使用生物質(zhì)碳還能降低使用有機(jī)肥料對環(huán)境所造成的污染。添加生物質(zhì)碳到土壤中改善了土壤性質(zhì)，在促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，更好地提升了農(nóng)作物的品質(zhì)，使得蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量提高28%～48%。生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)上具有良好的應(yīng)用前景，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的又一推動力。

4 結(jié)束語

制成生物質(zhì)碳的原料充分，所需要的技術(shù)和成本不高，生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)發(fā)展上有著十分重要的應(yīng)用，如改良土壤的理化性質(zhì)、土壤固碳、作為緩釋肥料載體、降低土壤酸性等。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Application of Biochar in Agriculture

WU Li-ning et al（Beijing Institute of Technology Zhuhai， Zhuhai， Guangdong 519088）

Abstract At present our country still have a lot of waste biomass carbon has not been used， these are not get use of biomass waste for its lack of oxygen or thermal chemical reaction in anaerobic conditions， The formation of a solid granular material containing a large amount of carbon pore structure， which is commonly known as biomass carbon. Biochar contains nutrients needed for crop growth and has strong adsorption and certain water holding capacity. Biochar therefore has important agricultural applications， such as providing nutrients to crops and soils， raising soil pH value， and as a slow-release fertilizer. This paper described the application of biochar in agriculture.

Key words Biochar; Agriculture; Appli-cation

作者簡介 吳麗凝（2002—），女，廣東湛江人，主要從事生物工程研究。

收稿日期 2021-09-10