農業(yè)廢棄物基生物炭的應用效應研究進展

杜蕙 蔣晶晶 漆永紅

摘要：生物炭因結構和理化性質獨特、原材料豐富及應用前景廣闊等特點，在農業(yè)及環(huán)境污染治理等領域的應用較為廣泛?；谙嚓P文獻，綜述了農業(yè)廢棄物基生物炭在改善土壤理化性質、提高土壤養(yǎng)分、改善土壤微生態(tài)環(huán)境、促進作物生長、修復污染土壤及緩解連作障礙等方面的效應，旨在為農業(yè)廢棄物基生物炭在農業(yè)生產中的應用提供參考。

關鍵詞：農業(yè)廢棄物；生物炭；連作障礙；應用效應

中圖分類號：X71；S141.4? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2097-2172（2024）03-0203-05

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.03.002

Research Progress on Application Effects of Agricultural Waste Biochar

DU Hui 1， 2， JIANG Jingjing 1， 2， QI Yonghong 1， 2

（1. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Scientific Observing and Experimental Station of Crop Pests in Tianshui， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianshui Gansu 741000， China）

Abstract： Biochar has been widely used in agriculture and environmental pollution improvement due to its unique structure， physical and chemical properties， abundant raw materials and broad application prospects. In this paper， the application effects of agricultural waste biochar on improving soil physical and chemical properties， enhancing soil nutrients， improving soil micro-ecological environment， promoting crop growth， recovering polluted soil， and relieving continuous cropping obstacles were reviewed. The future application prospects were also expected， aiming to provide reference for application and extension of agricultural waste biochar in agriculture.

Key words： Agricultural waste; Biochar; Continuous cropping obstacle; Application effect

生物炭最早源于南美洲亞馬遜盆地一種人造的富碳黑土［1 ］，有獨特的結構特征（疏松多孔、比表面積大、具有高度羧酸酯化和芳香化結構等）和富碳性能（含碳量70%左右）［2 ］。農業(yè)廢棄物基生物炭是以農業(yè)廢棄物（如作物秸稈、谷殼、稻殼、花生殼、蔗渣）為原料，在高溫缺氧條件下熱解形成的一種高碳物質［3 ］。據統(tǒng)計資料顯示，在我國每年產生的農業(yè)廢棄物中，僅農作物秸稈就有9億t以上［4 ］，傳統(tǒng)的處理方式一般為焚燒或直接還田，焚燒易造成嚴重的空氣污染和資源浪費，直接還田在北方地區(qū)秸稈不易腐爛，易造成有害生物在土壤中的累積而加重土傳病害的發(fā)生，且這種方式對土壤改良的有效期較短。將農業(yè)廢棄物如秸稈等制備成生物炭還田無疑是改良土壤和實現農業(yè)廢棄物資源化利用的有效方式。同時，生物炭可以將溫室氣體轉化成穩(wěn)定的碳儲存在土壤中，是大氣中的碳封存的重要方式。在全球受氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化、能源和糧食短缺等威脅的背景下，將農業(yè)廢棄物以生物炭的形式用于農業(yè)生產，對提高耕地地力、增加作物產量，促進農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展和實現“雙碳”目標具有重要意義。

1? ?生物炭在農業(yè)生產中的應用效應

1.1? ?增加土壤養(yǎng)分， 提高作物產量

生物炭的性質決定了其本身富含碳和其他營養(yǎng)元素，施入土壤可增加土壤有機碳及其他養(yǎng)分含量［5 - 6 ］。同時，生物炭具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積，吸附能力強，施入土壤后可調節(jié)土壤pH和土壤吸附和釋放陽離子的能力（Cation Exchange Capacity，CEC）［7 - 8 ］，改善土壤理化性質，提高土壤肥力，增加作物產量［9 - 10 ］。Vaccari 等［11 ］研究發(fā)現，在種植小麥的土壤中施用一定量的生物炭可顯著增加小麥產量。另有研究者發(fā)現，在玉米田施用生物炭提高了土壤氮含量，土壤肥力提高，玉米產量增加［12 - 13 ］。楊彩迪等［14 ］經長期定位試驗研究發(fā)現，施入生物炭后土壤中有益陽離子（如K+、Ca2+等）含量提高，而Na+含量降低，有機質、磷含量均不同程度增加，種植的水稻、油菜和玉米產量均有提高。有學者在種植中藥材、煙草、黃瓜的土壤中施用生物炭后，發(fā)現土壤理化性質及酶活性均得到改善，土壤肥力明顯提高［15 - 18 ］。許云翔等［19 ］的研究表明，在施用生物炭6 a后的稻田土壤中，有機碳、有效磷和速效鉀仍保持較高含量，土壤中各種酶活性也保持較高水平。可見生物炭不僅可以改善土壤肥力，且對土壤肥力的改善具有持久性。

1.2? ?增加土壤微生物多樣性， 改善土壤微生態(tài)環(huán)境

生物炭的多孔疏松結構及高芳香烴結構能給微生物提供良好的棲息微環(huán)境，土壤中施入生物炭后，作物根際土壤的細菌、真菌豐度發(fā)生明顯變化，微生物多樣性也有了較大改變［20 - 24 ］。顧美英等［25 ］的研究發(fā)現，在棉田用棉稈炭后，棉花根際土壤的微生物多樣性顯著提高，土壤微生物群落結構發(fā)生明顯改變，并使連作棉田生態(tài)系統(tǒng)得到很好的恢復。韓光明［26 ］用玉米芯生物炭處理不同土壤類型菠菜田，結果表明土壤有益細菌的數量和微生物的多樣性均有增加，促進了菠菜生長。馮慧琳等［27 ］將生物炭與綠肥一起翻壓于柑橘地，提高了土壤細菌群落的多樣性，改善了其群落結構，使柑橘根際土壤微生態(tài)平衡得到改善。黃修梅等［28 ］研究發(fā)現生物炭處理降低了土壤真菌豐度，提高了馬鈴薯產量和商品薯數量。周麗靖等［29 ］在百合田施用生物炭后，引起百合枯萎病的鐮刀菌數量下降，降低了百合枯萎病的發(fā)病率，提高了百合產量。生物炭也可增加土壤中固氮菌的數量，增強土壤的固氮作用［30 ］。總之，生物炭可增加土壤微生物多樣性，改變微生物的群落結構，改善作物根際土壤微生態(tài)環(huán)境，使其更有利于作物生長發(fā)育。

1.3? ?修復被污染的土壤

重金屬（如汞、鎘、鉛、鉻、銅、鎳等）和有機污染物是農田土壤的主要污染源。生物炭獨特的性質能夠將重金屬離子通過離子交換和化學沉淀的方式吸附固定，降低其遷移造成的污染［31 - 32 ］。王昆艷等［33 ］在連作5 a三七的土壤中施用生物炭后，土壤中有效態(tài)鉛含量較對照降低了0.62 mg/kg；有學者在被銅污染的苧麻田施用生物炭后，發(fā)現土壤中有效態(tài)銅含量顯著低，植株中銅含量也顯著降低，苧麻植株的抗逆性增強［34 ］。在孔四新［35 ］的研究中，冬凌草田施用生物炭后，冬凌草吸收的鉛離子明顯下降，說明土壤中可吸收的鉛含量降低了。生物炭對土壤中金屬離子的吸附效果因其種類的不同而有差異。有學者研究發(fā)現，玉米秸稈炭對土壤中二價鉛離子的吸附作用較麥稈炭和花生殼炭強［36 - 37 ］。

生物炭在修復治理被有機物（如酚類、苯和甲苯等）污染的土壤方面也表現出良好的效果［38-39 ］。有學者2009年首先報道，施用生物炭可有效降低植物對農藥的吸收［40 ］。Spokas等［41 ］的研究發(fā)現，生物炭可大量吸收土壤中的莠去津和乙草胺等2種除草劑，降低它們在土壤中的殘留污染，減輕除草劑對后茬作物造成的影響。隨著作物種植結構及栽培模式的改變，農用地膜使用量大面廣，土壤中增塑劑（鄰苯二甲酸二乙酯Diethyl Phthalate，簡稱DEP）成為又一生態(tài)污染源，其經揮發(fā)、淋溶、降解及植物吸收等方式造成對大氣、水體及土壤的污染。Fang 等［42 ］的研究表明，生物炭產生的羥基可降解DEP，在一定程度上能減輕農用地膜造成的生態(tài)污染。

1.4? ?緩解作物連作障礙

一種作物在同一塊土壤中連續(xù)種植會導致土傳病害加重，植物生長發(fā)育不良，產量及品質下降等，這種現象即連作障礙。導致連作障礙的原因主要是土壤中有害生物的逐年累積，影響其他有益微生物的繁殖，土壤中的微生物數量和結構發(fā)生改變，使得土壤原有的生態(tài)平衡被打破，加之作物本身的自毒作用。連作障礙在多年生的作物或經濟效益較高的區(qū)域特色作物如中藥材、蘭州百合等種植過程中較為突出。將生物炭施入連作土壤中，作物的連作障礙可以得到有效緩解。楊莉等［43 ］在連作人參地施用生物炭后，發(fā)現土壤養(yǎng)分及酶活性大幅提升，促進了人參種苗生長。汪瑞等［16 ］在連作白芨地施加生物炭后，結果表明白芨連作田土壤微生態(tài)得到有效改善，連作障礙得到緩解。周麗靖等［29 ］在蘭州百合栽培過程施用生物炭后，枯萎病的為害減輕，顯著提高了百合產量。有學者研究發(fā)現，生物炭能吸附土壤中化感物質而減輕植物自毒作用，從而緩解作物連作障礙［9， 16 ］?？梢娫谕寥乐羞m量施用適宜的生物炭，是緩解作物連作障礙的有效措施之一。

2? ?小結與展望

生物炭作為一種優(yōu)良的緩釋材料，資源豐富，在農業(yè)生產中除了可用于改良修復土壤外，還可以用來作為載體來開發(fā)緩釋性肥料，以減少肥料的施用次數；生物炭的施用還能提高土壤肥力，減少化學肥料的施入量，在化肥減量方面也有很好的應用前景。生物炭可溶性組分中含有的多種萜類化合物可在病害綠色防控方面發(fā)揮一定作用。有學者在室內離體試驗條件下，用萜類和萜烯類化合物對梨火疫病進行防效評價，發(fā)現這類化合物對梨火疫病具有較好的防治作用［44 ］。

生物炭在農業(yè)生產中發(fā)揮的良好效果有時要與其他肥料或土壤改良劑配合施用才得以彰顯。顧美英等［25 ］在連作棉田用棉稈生物炭與生物有機肥配合施用較單施棉稈炭更好地改善了棉花根際土壤微生態(tài)環(huán)境，有效緩解了棉花的連作障礙。Saha等［45 ］將生物炭與化肥聯(lián)合使用大幅提高了細葉沙參的產量和質量。生物炭的正向效應還與生物炭的特性和施用量、土壤性質、植物種類等因素有關。Chan等［46 ］的研究發(fā)現，在種植蘿卜的酸性土壤中生物炭與一定量氮肥聯(lián)合使用才能有效增加蘿卜產量。還有學者發(fā)現，生物炭和化肥聯(lián)合使用在酸性土壤中種植的小麥、大豆和蘿卜的產量均有提高，而在堿性土壤中小麥和蘿卜的產量反而下降了，僅提高了大豆的產量［47 ］。

中國是一個人口大國，耕地面積有限，要保證糧食安全，只有通過農業(yè)資源高效利用和耕地質量改善提高糧食單產水平來增加糧食總量。有學者提出將農業(yè)廢棄資源循環(huán)利用，通過農業(yè)廢棄物炭化還田技術提高耕地質量來增加糧食產? 量［48 ］。因此，在全球氣候變化和糧食短缺的大背景下，生物炭在實現固碳減排、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障國家糧食安全方面具有重要意義和非常廣闊的應用前景。

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