淺談秸稈生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

汪振國(guó) 馬媛媛 王西娜 姬強(qiáng)

摘 要：秸稈高溫炭化形成生物質(zhì)炭，而生物炭由于自身豐富的微孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、芳香族官能團(tuán)多，能夠有效增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，提高土壤肥力。該文綜述了生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的作用，包括對(duì)土壤理化性質(zhì)、植物根際微區(qū)域、地膜覆蓋、作物產(chǎn)量等的影響，以期為擴(kuò)大生物質(zhì)炭的應(yīng)用范圍、助力綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈;生物質(zhì)炭;農(nóng)業(yè)生產(chǎn);應(yīng)用

中圖分類號(hào) S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）24-0154-03

Application of Straw Biomass Carbon in Agricultural Production

WANG Zhenguo1 et al.

（1School of Agriculture， Ningxia University，Yinchuan 750021， China）

Abstract：Straw is carbonized at high temperature to form biomass charcoal. Biochar，due to its rich micro-pore structure，large specific surface area and many aromatic functional groups，can effectively increase the stability of soil organic carbon and improve soil fertility. In this paper，the application of biochar in agricultural production was reviewed，including its effects on soil physical and chemical properties，plant rhizosphere microregions，mulch，crop yield，etc.，in order to provide reference for expanding the application scope of biochar and facilitating the development of green and low-carbon economy.

Key words：Straw; Biochar; Agricultural production; Application

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富，全國(guó)秸稈理論量高達(dá)8.4億t，其中可收集量約為7億t。同時(shí)，國(guó)內(nèi)主要糧食產(chǎn)區(qū)相對(duì)集中，糧食主產(chǎn)省（區(qū)）秸稈理論量占全國(guó)理論量的73%[1]，便于秸稈資源的收集、儲(chǔ)運(yùn)。秸稈因富含碳、氮等多種元素，在我國(guó)一直被認(rèn)為是一種重要的農(nóng)業(yè)資源，但很多農(nóng)村地區(qū)的秸稈利用方式僅以粗放的秸稈燃燒為主，引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新型生物質(zhì)能源越來(lái)越受到關(guān)注，而秸稈就是寶貴的生物資源之一。目前，我國(guó)秸稈的主要利用方式還是以過(guò)腹還田、焚燒、工業(yè)利用為主[2]，大多農(nóng)村地區(qū)的利用方式較粗放。因此，改變傳統(tǒng)的秸稈利用方式，拓寬秸稈多元化利用渠道，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，增加附加值，對(duì)于各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。秸稈生物質(zhì)炭能夠使廢棄的秸稈變廢為寶，使秸稈利用方式多元化;同時(shí)，土壤中輸入秸稈生物質(zhì)炭，可以有效固定土壤中的碳排放，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。

生物質(zhì)炭通過(guò)截獲和質(zhì)流作用可以疏松土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤中的微量元素、提高土壤肥力，是良好的土壤改良劑和重金屬吸附劑[3]。近年來(lái)，全球氣候變暖已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，減少CO2排放是延緩全球變暖的關(guān)鍵。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，生物質(zhì)炭作為一種農(nóng)業(yè)增匯減排技術(shù)正得到不斷的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另外，農(nóng)村中的白色污染對(duì)環(huán)境的壓力也不容小覷，引入生物質(zhì)炭可能會(huì)為這些問(wèn)題的解決提供新的途徑。有研究表明[4]，增施生物質(zhì)炭可以提高土壤碳庫(kù)容量，有效降低農(nóng)田溫室氣體排放，明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，修復(fù)土壤污染。基于我國(guó)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綠色低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本要求和趨勢(shì)，本研究圍繞生物質(zhì)炭理化特性，綜述了生物質(zhì)炭用于改良土壤和影響環(huán)境的研究現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)利用生物質(zhì)炭改良土壤所具有的突出優(yōu)勢(shì)和潛力，提出了基于生物質(zhì)炭實(shí)現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的技術(shù)途徑，以期為我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)提供參考。

1 生物質(zhì)炭概念及理化特性

生物質(zhì)炭（bio-char）是由植物（秸稈、垃圾、樹(shù)木、糞肥等）等生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)[5，6]，是生物質(zhì)在無(wú)氧或限氧狀態(tài)高溫（240～700℃）裂解下分離可燃?xì)怏w后剩余的含碳豐富的固態(tài)產(chǎn)品。生物質(zhì)炭的元素組成主要有碳（66.6%～87.9%）、氫（1.2%～2.9%）、氧（10.6%～26.6%），此外還有鉀、鈣、鈉、鎂、硅等。生物質(zhì)炭有著較大的比表面積以及較多的酸性和堿性官能團(tuán)，可以改善土壤的物理性質(zhì)（孔隙狀況）和化學(xué)性質(zhì)（離子代換量、保肥性、緩沖性等）。

2 生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的作用

2.1 影響土壤理化性質(zhì) 由于生物質(zhì)炭具有穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)，比表面積大，輸入土壤后能夠有效減少土壤碳排放。Lehmann[7]研究指出，生物質(zhì)炭輸入土壤經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)遷移和擴(kuò)散作用，能顯著提高土壤含水率，降低土壤容重，增加土壤保肥保熵能力。秸稈炭化后（即生物質(zhì)炭）具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，因此輸入土壤中具有很強(qiáng)的碳封能力。研究表明[8]，由于生物質(zhì)炭的碳封作用，土壤中的CO2無(wú)法外排，反而增加了土壤的孔隙度，有利于協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱間的比例，促進(jìn)土壤呼吸。在粘土中輸入生物質(zhì)炭能夠很好地解決土壤透氣性差的問(wèn)題，而在砂土中輸入生物質(zhì)炭則可有效提高土壤的保肥性。生物質(zhì)炭還具有較強(qiáng)的吸附能力，能有效吸附固定重金屬以及農(nóng)藥等污染物，對(duì)土壤污染修復(fù)具有至關(guān)重要的作用。

2.2 影響植物根際微區(qū)域 植物根際對(duì)植物的養(yǎng)分吸收具有重要作用，根際的微環(huán)境直接影響植物的新陳代謝。有些地區(qū)種植作物品種單一，比如多年生植物（枸杞樹(shù)、蘋(píng)果樹(shù)等）多年不能倒茬，連作障礙造成病蟲(chóng)害滋生、土壤板結(jié)透氣性差、土壤肥力下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響植物根系活力。為擴(kuò)大根系與土壤的接觸面，在耕作層0～20cm處輸入生物質(zhì)炭，為植物根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境促進(jìn)根系生長(zhǎng)，通過(guò)質(zhì)流、擴(kuò)散和離子交換等將養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi);同時(shí)也能為根際區(qū)域的微生物提供良好的活動(dòng)場(chǎng)所，提高微生物活性。研究表明[9-11]，向土壤中輸入生物質(zhì)炭，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，減少因連作障礙所引起的病蟲(chóng)害。

2.3 影響地膜覆蓋效果 在我國(guó)西北干旱半干旱的地區(qū)，缺水是農(nóng)作物最主要的限制性因子，利用地膜覆蓋已經(jīng)成為西北地區(qū)提高土壤含水率和保熵的重要措施，也是西北干旱地區(qū)節(jié)水的重要措施。但由于西北干旱地區(qū)風(fēng)沙大，大多數(shù)地膜使用1年即被風(fēng)化，地膜造成的“白色污染”成為農(nóng)村地區(qū)最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，地膜的降解成為許多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，我國(guó)使用的農(nóng)膜強(qiáng)度低、耐用性差、使用壽命短，而且熔融指數(shù)高，極難降解，甚至一些不宜用作農(nóng)膜的樹(shù)脂（如耐老化性差的高密度聚乙烯）也被作為農(nóng)膜原料，其用量占農(nóng)膜總量的1/5。這些劣質(zhì)農(nóng)膜易破碎，不易清除，這是造成農(nóng)膜污染的主要原因。而新研發(fā)的生物降解地膜由于成本高，目前在農(nóng)村還難以大面積推廣使用。有研究表明[12]，輸入生物質(zhì)炭能夠延長(zhǎng)地膜的使用時(shí)間，原因可能是生物質(zhì)炭是一類多孔富碳、高度芳香化、難降解、類似活性炭的物質(zhì)，輸入土壤長(zhǎng)時(shí)間后，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠長(zhǎng)時(shí)間封存土壤中的CO2向外排放，從而減少了CO2與地膜的化學(xué)反應(yīng)，延長(zhǎng)了地膜的使用時(shí)間。

2.4 影響作物產(chǎn)量 大部分研究結(jié)果表明，土壤中輸入生物質(zhì)炭具有促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)的作用，但輸入量不同，增產(chǎn)的幅度也不一樣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)田施用生物質(zhì)炭平均增產(chǎn)8%，三大主糧作物中小麥增產(chǎn)幅度最大（11.3%），其次是玉米（8.4%）和水稻（6.6%），這種增產(chǎn)效應(yīng)在貧瘠土壤或存在一定障礙因子的土壤上表現(xiàn)較好。劉易等[13]研究表明，施用生物質(zhì)炭能緩解鹽脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制，干物質(zhì)累積量、葉面積、SPAD等較對(duì)照均有顯著提高，除了主糧作物以外，其他蔬菜作物也增產(chǎn)顯著，且品質(zhì)也得到一定的提升。有研究表明，施用生物質(zhì)炭能提高小白菜產(chǎn)量26.50%～49.98%，葉面積提高 20.84%～21.58%，并可提高可溶性蛋白質(zhì)33.11%～42.93%和維生素C 15.16%～46.06%。

3 結(jié)語(yǔ)

綠色農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，如何在有限的耕地面積上實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量最大化將是我國(guó)農(nóng)業(yè)亟待解決的問(wèn)題。長(zhǎng)年單一使用化肥導(dǎo)致土壤肥力下降，土地生產(chǎn)能力大幅下降，而秸稈炭化可以作為良好的土壤改良劑，既能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，還能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。同時(shí)，生物質(zhì)炭還具有封存CO2的能力，能夠減少土壤中的CO2排放，減輕環(huán)境壓力，延緩全球變暖的趨勢(shì)。地膜覆蓋是西北干旱地區(qū)糧食增產(chǎn)的主要措施，但地膜的使用壽命及其引發(fā)的“白色污染”問(wèn)題一直制約著地膜的大面積應(yīng)用。而生物質(zhì)炭輸入土壤后，能夠封存土壤中的CO2，延長(zhǎng)地膜使用壽命，形成良性循環(huán)，對(duì)未來(lái)高效高產(chǎn)的綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

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（責(zé)編：徐世紅）