生物炭與生物炭基肥利用研究進(jìn)展

余慧敏 郭熙

摘 要：生物炭由于其自身具有的優(yōu)良性狀，可以用作土壤改良劑，改善土壤條件與環(huán)境。將生物炭與肥料融合制備生物炭基肥，在秉承其原有優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，能進(jìn)一步促進(jìn)作物增產(chǎn)，并對減少化肥施用具有重要意義。文章在總結(jié)國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，從生物炭與生物炭基肥對土壤的物理、生化性狀及對作物生長的影響進(jìn)行綜述，并簡要綜述不同量的生物炭基肥替代化肥施用對土壤與作物生長的影響，闡述當(dāng)前生物炭與生物炭基肥研究中存在的問題與不足，提出進(jìn)一步的研究方向，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供施肥依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物炭；生物炭基肥；土壤理化性狀；作物

中圖分類號：S14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.12.023

Abstract： Due to the good properties， biochar can be used as soil amendment to improve soil conditions and environment.Combining biochar with fertilizer to produce biochar-based fertilizer， it can further increase crop yield and has important significance to reduce the application of chemical fertilizers on the basis of adhering to the original excellent properties. This paper based on the summary of the existing research， reviewed the effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil physical and biochemical characters and crop growth， briefly reviewed the effects of different amounts of biochar-based fertilizer substitute for fertilizer utilization on soil and crop growth，described the problems and shortcoming in current research on biochar and biochar-based fertilizer， further research issues were also proposed， aiming at providing fertilization basis for agricultural production.

Key words： biochar； biochar-based fertilizer； physical and chemical properties of soil； crop

近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用量持續(xù)增加，但作物產(chǎn)量卻增長緩慢，肥料利用率也十分低下[1]。長期大量施用化肥不僅加大了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還導(dǎo)致了土壤肥力的下降與土壤質(zhì)地的惡化，并對環(huán)境造成一定的污染，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。在此嚴(yán)峻的形勢下，農(nóng)業(yè)部于2015年制定了《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，提出了“施肥結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化”、“施肥方式進(jìn)一步改進(jìn)”、“肥料利用率穩(wěn)步提高”等3個(gè)目標(biāo)任務(wù)，號召高效施肥、糧食增產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境安全并行。

此外，我國每年農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生大量的水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物秸稈，總量多于6.5億t，大都是就地燃燒或者隨意堆放，沒有得到合理的處理利用，這不僅造成了資源浪費(fèi)，也導(dǎo)致了環(huán)境污染，成為未來我國在促進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展，全面推進(jìn)生態(tài)建設(shè)中必須面對并加以解決的問題[3-4]。

2005年，中國工程院院士陳溫福提出了“秸稈炭化還田”理念與技術(shù)體系，即將秸稈加工成生物炭后施入農(nóng)田，不僅改善了土壤理化性質(zhì)與微生態(tài)環(huán)境，也提高了土壤生產(chǎn)性能與產(chǎn)品品質(zhì)[5]。利用生物質(zhì)廢物原料制備生物炭，既能實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的高效處理與資源化利用，又能有效解決其棄置、焚燒和隨意排放造成的環(huán)境問題，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[6]。研究表明，生物炭與肥料混合制備而成的新型肥料——生物炭基肥，能減少化肥使用量、改善土壤理化性狀、促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)生長與增產(chǎn)、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[7-9]。生物炭與土壤肥料的相互融合提供了更多的農(nóng)業(yè)施肥選擇[5]。

1 生物炭與生物炭基肥對土壤的影響

1.1 對土壤物理性狀的影響

1.1.1 生物炭對土壤物理性狀的影響 生物炭具有疏松多孔、比表面積大、官能團(tuán)豐富等優(yōu)點(diǎn)，將其施加到土壤中，對于提高土壤持水能力、改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)、降低土壤容重等具有很大的作用，此外，由于生物炭多呈堿性，將其加入到土壤中能夠中和土壤酸度，提高土壤pH值。ASAI等[10]在老撾北部對旱稻進(jìn)行了3個(gè)不同的生物炭施用試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用生物炭提高了表層土的飽和導(dǎo)水率和水稻的木質(zhì)部液流。DAVID等[11]研究表明，土壤中添加生物炭后能夠顯著降低土壤容重、增強(qiáng)土壤持水能力。KRISTIINA等[12]研究表明，生物炭對土壤改良起著重要作用，在土壤中加入生物炭能促進(jìn)對甲烷的吸收，減少CO2的排放，并能增強(qiáng)土壤持水性。UZOMA等[13]利用牛糞生物炭在砂質(zhì)土壤上對玉米進(jìn)行溫室試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用牛糞生物炭可以提高飽和砂土的滲透系數(shù)，從而提高凈水分的利用率。XU等[14]研究了施用尿素情況下玉米秸稈生物炭對土壤的影響，結(jié)果表明，施加生物炭后，土壤pH值增加，土壤持水能力、導(dǎo)電率、和土壤呼吸速率也得到增強(qiáng)。RANDOLPH等[15]利用固體廢棄物制備生物炭進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明，施加生物炭能夠增加土壤pH值，提高土壤導(dǎo)電率、團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、保水性。WANG等[16]通過對我國陜西黃土高原5種土壤應(yīng)用生物炭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，添加生物炭可以減少土壤的累積蒸發(fā)量，增加土壤平均含水量。

1.1.2 生物炭基肥對土壤物理性狀的影響 在生物炭的基礎(chǔ)上制備而成的生物炭基肥秉承了生物炭的一些優(yōu)點(diǎn)，也能改變土壤環(huán)境，改善土壤性狀。OH等[17]通過用厭氧消化漿料浸漬的橘皮炭、木炭和污泥炭所得的生物炭基緩釋肥用于萵苣栽培試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用生物炭基緩釋肥，土壤持水能力增加，土壤pH值升高。盧廣遠(yuǎn)等[7]研究表明，施用炭基肥料能提高疏松土壤的容重，從而改善其通氣透水性能，并能調(diào)節(jié)土壤pH值向中性靠近。王智慧等[9]研究表明，生物炭基肥對土壤呼吸均有一定促進(jìn)作用。張鍇[18]研究表明，炭基肥可增大土壤通透性，提高土壤持水性能，改善土壤的酸堿度。

1.2 對土壤化學(xué)性狀和土壤微生物的影響

1.2.1 生物炭對土壤化學(xué)性狀和土壤微生物的影響 生物炭較多的孔隙結(jié)構(gòu)以及較強(qiáng)的吸附能力使得其在土壤中具有較強(qiáng)的元素吸收能力，生物炭具有的一些性質(zhì)還能影響元素的穩(wěn)定性、土壤微生物的活性，從而能促進(jìn)土壤的陽離子交換，改善與維持土壤的肥力狀況。GLASER等[19]研究表明，在熱帶潮濕的低地土壤中，黑碳可以作為一個(gè)重要的碳匯，增強(qiáng)土壤的營養(yǎng)保持能力，是土壤可持續(xù)性肥沃的關(guān)鍵因素。LIANG等[20]研究表明，土壤中加入黑炭有利于土壤陽離子交換量的增加，增加土壤總有機(jī)碳含量，對土壤養(yǎng)分保持有重要影響。UZOMA等[13]研究表明，在砂土上施用牛糞生物炭，顯著增加了土壤中全碳、全氮、Oslen磷、交換性陽離子含量以及陽離子交換容量。馬彥茹等[21]利用棉花秸稈生物炭對土壤進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用生物炭后，土壤pH值、陽離子交換量、速效磷和速效鉀的含量均得到提高。PATRYK等[22]利用農(nóng)藥和生物炭對土壤進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明，在所有的試驗(yàn)處理中，生物炭可以激發(fā)土壤酶的活性，此外，它能降低農(nóng)藥對土壤酶活性以及在風(fēng)險(xiǎn)評估微生物檢測中對某些微生物的不利影響。ALEXANDRA等[23]研究表明，將生物炭添加到土壤中能夠降低根際啟動(dòng)的影響，從而有利于土壤有機(jī)碳的長期儲存。GASC等[24]利用豬糞在2種不同溫度條件下制備的生物炭對土壤進(jìn)行改良試驗(yàn)，結(jié)果表明，生物炭能夠降低土壤碳礦化，在300 ℃下制備的生物炭對土壤脫氫酶活性有積極作用，而500 ℃下制備的生物炭對土壤酶活性基本沒有影響。CAROLINE等[25]研究表明，施加生物炭能夠增加土壤細(xì)菌多樣性，改變根際微生物群落組成。XU等[14]研究表明，玉米秸稈生物炭能夠減少土壤氮素的淋失，且氮素的淋失量隨生物炭的增加而減少，同時(shí)，施加生物炭增加了土壤微生物量、細(xì)菌多樣性，改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。

1.2.2 生物炭基肥對土壤化學(xué)性狀和土壤微生物的影響 生物炭基肥能夠改善土壤肥力狀況、改變土壤微生物活性。張鍇[18]研究表明，生物炭基肥能夠增加土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，在等量氮磷鉀條件下炭基肥對提高土壤速效養(yǎng)分含量的作用好于普通的氮磷鉀肥料。楊勁峰等[26]研究表明，施用炭基肥在提高土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效鉀含量方面效果優(yōu)于其他處理方式。潘全良等[27]利用炭基肥、生物炭、豬廄肥以及秸稈對花生進(jìn)行6年微區(qū)田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用生物炭基肥與傳統(tǒng)土壤培肥方式相比抑制了蔗糖酶與過氧化氫酶的活性，對脲酶活性的影響不明顯，提高微生物活性的能力高于秸稈還田處理，但低于施用豬廝肥。王智慧等[9]研究表明，不同配比的生物炭基肥均對土壤全氮、有效磷、速效鉀有一定促進(jìn)作用。

2 生物炭與生物炭基肥對作物生長的影響

生物炭與生物碳基肥不僅僅對土壤的改良有較大的作用，同時(shí)對作物的生長和改善作物品質(zhì)有較大的影響。

2.1 生物炭對作物生長的影響

生物炭一般能夠促進(jìn)作物的生長發(fā)育，在許多研究已均有發(fā)現(xiàn)。LEHMANN等[28]研究表明，木炭的添加能夠促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收，有利于植物生長。ASAI等[9]試驗(yàn)表明，施用生物炭會導(dǎo)致磷有效性低的部位的籽粒產(chǎn)量增加，并能提高對N和NP化肥處理的響應(yīng)；但是，生物炭的施用降低了旱稻葉片SPAD值，這可能是減少土壤氮素的有效性，說明生物炭施用的效果與土壤肥力狀況以及肥料管理有很大的關(guān)系。UZOMA 等[13]研究表明，牛糞生物炭的施用可以促進(jìn)玉米的養(yǎng)分吸收量，提高玉米的產(chǎn)量。SCHULZ等[29]通過對燕麥?zhǔn)┯孟嗤系煌纳锾?堆肥的盆栽試驗(yàn)的研究表明，生物炭能促進(jìn)植株的生長，生物炭添加量越多，植物生長越快，土壤肥力越高。也有研究表明，生物炭促進(jìn)作物生長的效果與氮肥有關(guān)，張愛平等[30]通過對水稻施用不同水平的生物炭量與氮肥量的試驗(yàn)表明，生物炭與氮肥配施，水稻產(chǎn)量得到提高，且水稻產(chǎn)量、株高和穗粒數(shù)均隨生物炭用量的增加而增加；此外，氮肥利用率與農(nóng)學(xué)效率也與生物炭用量成正比；但在未施氮肥情況下，生物炭的添加對水稻產(chǎn)量無明顯影響。

2.2 生物炭基肥對作物生長的影響

生物炭基肥融合了生物炭與肥料所具有的肥力，加上其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與穩(wěn)定性，可以使養(yǎng)分緩慢釋放，肥效更持久，因而能更加穩(wěn)定地促進(jìn)作物生長，一些研究已有證實(shí)。盧廣遠(yuǎn)等[7]研究表明，施用合適種類的炭基肥，有利于玉米的生長發(fā)育，可提高玉米產(chǎn)量，且其效果顯著優(yōu)于化學(xué)肥料。HARDY等[31]利用生物炭、有機(jī)肥和無機(jī)肥對燕麥進(jìn)行溫室試驗(yàn)，結(jié)果表明，生物炭與有機(jī)肥混合施用比單獨(dú)施用生物炭促進(jìn)植株生長的效果更強(qiáng)。陳琳等[8]研究表明，施用生物炭基復(fù)混肥可不同程度地提高水稻每穗總粒數(shù)、單穗質(zhì)量及水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，可減少氮肥施用量，促進(jìn)氮素向水稻籽粒的分配，提高水稻氮素利用效率。王智慧等[9]研究表明，不同配比的生物炭基肥均對玉米植株干物質(zhì)積累有一定促進(jìn)作用。而DALILA等[32]將生物炭與堆肥對生菜分別進(jìn)行單施、混施，結(jié)果表明，生物炭與堆肥混合施用并沒有比堆肥單獨(dú)施用對作物產(chǎn)量和土壤肥力產(chǎn)生的效果好，這與前面已有的研究結(jié)論相反，可能是由于在本試驗(yàn)高肥力水平條件下，堆肥的效應(yīng)掩蓋了生物炭的作用。

2.3 生物炭基肥替代量的研究

現(xiàn)有研究表明，生物炭基肥在改良土壤、培育作物等方面具有優(yōu)良特性，但未揭示生物炭基肥替代化肥的用量，為此，有必要進(jìn)一步闡明生物炭基肥替代化肥的效果，這對我國當(dāng)前實(shí)行的“化肥減施”行動(dòng)也將有著積極的推動(dòng)作用。

呂一甲[33]研究表明，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥相比，施用生物炭基肥特別是在減少養(yǎng)分投入30%和等養(yǎng)分投入的條件下，耕層土壤含水率顯著提高，土壤容重隨生物炭基肥施用量的增大而減小，土壤肥力水平明顯提高，玉米干物質(zhì)積累量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均有明顯提高。夏文斌[34]利用不同秸稈還田方式與生物炭基肥施用模式對玉米進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明，秸稈以生物炭基肥方式還田在減少氮肥用量20%條件下，可以保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定，對實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、化肥減施、減少溫室氣體排放具有良好作用。

3 問題與展望

3.1 存在問題

目前，國內(nèi)外關(guān)于生物炭的研究已有一定的范圍和廣度，但有關(guān)生物炭制備的原料、工藝、條件等的不同對其自身性質(zhì)的影響以及應(yīng)用于土壤、作物后產(chǎn)生的影響差異的研究尚淺。生物炭應(yīng)用的試驗(yàn)大多集中于短期、小型的盆栽或者溫室試驗(yàn)，不具有代表性。不同的土壤類型、溫度、濕度等環(huán)境條件下生物炭對土壤及作物的作用效果也存在一定差異。生物炭施加到不同的溫度、濕度條件下其自身的氧化作用以及生物炭表面和土壤顆粒間的相互作用與聚集的研究不足。施加生物炭的具體量及其施加后對農(nóng)田環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響不明確。關(guān)于生物炭施加到不同類型的土壤中引起的土壤持水能力的增強(qiáng)是否會進(jìn)一步導(dǎo)致植物有效含水量的增加，還未有科學(xué)合理的研究。

隨著越來越多相關(guān)研究人員認(rèn)識到生物炭基肥的優(yōu)點(diǎn)，對生物炭基肥的制備以及作為肥源應(yīng)用的研究也在逐漸增多。但目前關(guān)于生物炭基肥的研究仍處于初級階段，制備生物炭基肥的生物炭與肥料的混合比、實(shí)際施用量的不同對土壤與作物產(chǎn)生作用的差異，還未有深入研究。生物炭基肥施用后產(chǎn)生的效果未開展不同地域、不同環(huán)境條件下的長期、定位對比試驗(yàn)。生物炭基肥的肥效隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的研究不足。生物炭基肥應(yīng)用后對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響研究尚淺。目前，關(guān)于生物炭基肥對土壤與作物生長的影響大多集中于定性研究，有關(guān)生物炭基肥替代量的研究較少。此外，生物炭基肥施用對土壤有機(jī)磷礦化—固定過程的動(dòng)態(tài)作用機(jī)制、生物炭基肥養(yǎng)分釋放損失研究、生物炭基肥施用對土壤水分的時(shí)空作用特征機(jī)制、生物炭基肥對作物果實(shí)品質(zhì)改善機(jī)制亟待進(jìn)一步研究。

3.2 展 望

針對當(dāng)前生物炭與生物炭基肥研究領(lǐng)域中存在的不足，未來應(yīng)加大對生物炭內(nèi)在性質(zhì)的研究，探索更加科學(xué)、高效、安全的生物炭制備工藝與方法，深入研究生物炭基肥制備的最佳配比量，探索最合適的生物炭基肥施用量，進(jìn)一步開展生物炭基肥與肥料之間替代量的研究。同時(shí)，要開展不同地區(qū)、不同條件下的長期、大規(guī)模的田間試驗(yàn)，探索生物炭、生物炭基肥作用的內(nèi)在機(jī)制，考究其施用對環(huán)境的具體影響，為實(shí)現(xiàn)生物炭基肥的推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)，以促進(jìn)化肥減施、農(nóng)藥零增長，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。

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