生物炭在園藝生產(chǎn)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

勒 思，魏清江，辜青青

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西南昌 330045）

生物炭（Biochar）是指生物質(zhì)原材料在厭氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定的溫度（＜700℃）熱解產(chǎn)生的含碳量高、具有較大比表面積的固體產(chǎn)物，主要施用于農(nóng)林業(yè)土壤[1-2]。生物炭這一概念出現(xiàn)于20 世紀(jì)80 年代，但當(dāng)時(shí)生物炭相關(guān)研究論文數(shù)量很少，生物炭還沒(méi)有被人們所重視。近年來(lái)，生物炭因其自身性質(zhì)及應(yīng)用價(jià)值備受重視，受到廣泛關(guān)注。僅2020 年CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)生物炭相關(guān)研究論文就有6539 篇，發(fā)展十分迅猛。

1 生物炭及其性質(zhì)

20 世紀(jì)60 年代，在巴西的亞馬孫河流域，荷蘭科學(xué)家宋布魯克發(fā)現(xiàn)一片神奇的黑色土地，與周邊土壤具有明顯的區(qū)別，有機(jī)碳（來(lái)源于包括動(dòng)物糞便，魚(yú)、動(dòng)物骨頭和植物廢物等生物炭）含量高達(dá)35%，人們主要靠這些原生態(tài)材料制造的生物炭來(lái)肥沃土地[3]。生物炭是一種理化性質(zhì)穩(wěn)定，芳香化結(jié)構(gòu)的富碳物質(zhì)，可用作土壤改良劑施于土壤，有效改善土壤的理化性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境，對(duì)農(nóng)業(yè)污染土壤進(jìn)行修復(fù)；施用生物炭還有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，增加作物產(chǎn)量，提高品質(zhì)[4]。

生物炭主要由碳組成，并富含礦物質(zhì)元素氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂和硅等[5]。生物炭具有較高的pH 值，可用于改良酸性土壤。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，且表面分布著大量的負(fù)電荷，表現(xiàn)出巨大的吸附潛力，能有效修復(fù)農(nóng)業(yè)污染土壤。生物炭具有芳香化多碳結(jié)構(gòu)，施用到土壤中后，可以實(shí)現(xiàn)固碳，且長(zhǎng)期不易分解并保持穩(wěn)定。生物炭的性能主要取決于其原料來(lái)源和熱解條件，其中熱解溫度是關(guān)鍵因素。生物炭這些性質(zhì)和功能特性使其在土壤改良、作物生長(zhǎng)、修復(fù)農(nóng)業(yè)污染土壤等方面發(fā)揮重要作用，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境領(lǐng)域[6-7]。

2 生物炭對(duì)土壤的改良作用

生物炭對(duì)土壤物理和化學(xué)性質(zhì)具有明顯的改良作用。生物炭多孔結(jié)構(gòu)可以使土壤表層的孔隙度增大、容重降低，有助于解決因長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥而引起的土壤板結(jié)問(wèn)題。生物炭可以吸附和保持水分，且能夠增強(qiáng)土壤水分的滲透性[8-9]。Lydia 等[10]研究結(jié)果表明，生物炭可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)和孔隙度，從而提高土壤持水性和土壤水分有效性，改善土壤水分狀況，提高生態(tài)系統(tǒng)的抗旱性。由于生物炭中含有一定的礦質(zhì)元素如K、Ca、Mg 等，其以氧化物或碳酸鹽的形式存在，溶于水后呈現(xiàn)堿性，具有較高pH 值，施于酸性土壤后，可以顯著提高南方強(qiáng)酸性紅壤土、弱酸性黃棕壤土、紫色土、北方白漿土、北方典型酸性棕壤土pH 值[11-14]，降低土壤酸度，還可以增加土壤pH 的緩沖能力，通常用作酸性土壤的中和劑。

生物炭具有固炭、貯存養(yǎng)分、提高土壤肥力的能力[15]。生物炭施入土壤后，可以吸附多種離子，顯著提高土壤有效氮的比例，顯著提高土壤速效磷、鈣、鎂含量，從而提高肥料利用率[7]。生物炭含有豐富的有機(jī)碳，可以顯著改變土壤有機(jī)物質(zhì)的組成，提高土壤有機(jī)質(zhì)或腐殖質(zhì)含量。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，富含碳和礦物質(zhì)元素氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂和硅等，給微生物供給生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于微生物的生長(zhǎng)[16]。Zhang等[17]研究結(jié)果表明，生物炭可以緩解污染物對(duì)土壤微生物的毒害作用，增加真菌生物量和群落結(jié)構(gòu)多樣性。

3 生物炭對(duì)園藝作物的影響

施用生物炭能有效促進(jìn)園藝作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)。生物炭處理顯著增加了南豐蜜橘春梢長(zhǎng)度和粗度，增加葉片營(yíng)養(yǎng)成分，提高南豐蜜橘的產(chǎn)量，改良果實(shí)的風(fēng)味品質(zhì)和化渣性品質(zhì)[4]。郭昌勛[18]研究結(jié)果表明，生物炭施用增加了生長(zhǎng)在酸性紅壤中的盆栽枳殼幼苗的光合作用，改良了土壤理化性質(zhì)，使枳殼幼苗根系結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、根內(nèi)叢枝菌根真菌多樣性增加，促進(jìn)了根系生長(zhǎng)，顯著增加了枳殼生物量的積累。土壤微生物是引起連作障礙的重要因素，王玫等[19]研究結(jié)果表明，生物炭和有機(jī)肥配施可調(diào)整土壤微生物結(jié)構(gòu)，提高連作條件下平邑甜茶幼苗的生物量和根系呼吸速率，促進(jìn)根系結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。生物炭施入土壤后，土壤水肥利用率提高，肥料淋失減少，番茄產(chǎn)量增加56.1%[20]。李彬等[21]研究結(jié)果表明，施用生物炭可促進(jìn)葡萄植株葉片的生長(zhǎng)和果實(shí)糖分的積累，并提高糖酸比。Muhammad 等[22]研究結(jié)果表明，生物炭顯著增加了番茄幼苗生物量的積累，顯著增加葉片葉綠素含量，顯著降低了干旱條件下番茄幼苗超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶活性和丙二醛活性，改善番茄幼苗生理機(jī)能。Mumtaz 等[23]研究結(jié)果表明，在土壤中施用生物炭能顯著增加洋蔥鱗莖重和葉長(zhǎng)，顯著增加洋蔥鱗莖中全氮和全鉀含量，增加洋蔥的產(chǎn)量，提高土壤肥力。Wang[24]等研究結(jié)果表明，生物炭能有效抑制辣椒疫病，降低病原菌豐度，改變土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，富集有益細(xì)菌，改善土壤理化性質(zhì)。Lin 等[25]研究結(jié)果表明，生物炭可以通過(guò)提高酸性土壤的pH 值和速效養(yǎng)分來(lái)降低鋁毒，從而促進(jìn)甘藍(lán)的生長(zhǎng)，提高甘藍(lán)產(chǎn)量。

4 生物炭在污染治理中的應(yīng)用

隨著工農(nóng)業(yè)的不斷進(jìn)步和人類(lèi)活動(dòng)的迅速增加，土壤環(huán)境中的污染已經(jīng)引起了極大的關(guān)注，其中主要為重金屬污染和有機(jī)物污染。由于這些污染物通常不可生物降解，很容易在環(huán)境中積累，對(duì)動(dòng)植物特別是人類(lèi)的生存造成嚴(yán)重威脅。吸附通常被認(rèn)為是修復(fù)污染土壤最有效的方法之一。生物炭來(lái)源豐富，制作簡(jiǎn)便，比表面積較大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，表面官能團(tuán)數(shù)量較多，表現(xiàn)出巨大的吸附潛力，被認(rèn)為是一種高效環(huán)保、低成本的吸附劑，廣泛運(yùn)用于環(huán)境保護(hù)[26-27]。

生物炭施入土壤后，土壤中汞、鉛、鉻、鎘重金屬含量顯著下降[4]。Wang 等[28]研究結(jié)果表明，竹炭、玉米秸稈生物炭和豬糞生物炭對(duì)鎘均有較好的吸附性，其中豬糞生物炭的吸附效果最佳，不同原料的生物炭吸附機(jī)理不同。J.H.F.deJesus 等[29]研究表明，椰子和柑橘?gòu)U棄物制備的生物炭對(duì)多環(huán)芳烴具有較好的去除效果，其中椰子廢棄物生物炭效果更佳。生物炭能改變土壤重金屬有效性，降低植株內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[30]。Tang 等[31]研究表明，生物炭與堆肥聯(lián)合施用對(duì)重金屬污染土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和速效鉀的改善更為有效，顯著降低了鎘和鋅的有效性。施用生物炭能緩解鋁毒對(duì)小白菜的抑制效果，顯著改善小白菜的生長(zhǎng)狀況，降低小白菜鋁含量[32]。Saba 等[33]研究表明，生物炭可以修復(fù)咪唑啉酮類(lèi)除草劑對(duì)土壤的污染，降低咪唑啉酮類(lèi)化合物的持久性，咪唑啉酮類(lèi)化合物的生物降解速度明顯加快，對(duì)環(huán)境的危害降至最低。

5 展望

當(dāng)前的生物炭研究使用的生物炭原料各種各樣，研究方法也不盡相同，且大部分的研究集中于短期效果，使得研究結(jié)果缺乏可比較性。不同原材料、熱解條件下制備出的生物炭性質(zhì)差異很大，且生物炭的使用效果因生物炭的性質(zhì)、土壤類(lèi)型、作物的生物學(xué)特性、生物炭施用方式各有不同。生物炭制備標(biāo)準(zhǔn)研究，以及將生物炭研究與生物環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)以觀察其綜合表現(xiàn)，對(duì)園藝作物生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。每年果樹(shù)冬季修剪產(chǎn)生大量的修剪物，如何炭化回田進(jìn)行綜合利用，亦值得深入研究。