生物炭的研究现状与对策分析

田永强，张 正，张倩茹，尹 蓉

（1.山西省农业科学院果树研究所，山西太原030031；2.山西省农业科学院谷子研究所，山西长治046011）

生物炭的研究现状与对策分析

田永强1，张 正2，张倩茹1，尹 蓉1

（1.山西省农业科学院果树研究所，山西太原030031；2.山西省农业科学院谷子研究所，山西长治046011）

生物炭也称生物质炭，是生物质原材料如植物组织、果园枝条、农作物废弃物、动物骨骼等在厌氧或缺氧的条件下，高温裂解炭化而成的一种富碳产物。生物炭技术作为新兴的综合技术，已成为全球农业、生态和碳减排等领域研究的前沿热点。介绍了生物炭的基本特性，并对其在农业生产和生态环境方面的应用研究进行了综述，最后分析了生物炭研究中存在的问题并提出了相应的对策，希望为生物炭技术的应用和推广提供一定的参考。

生物炭；土壤改良；碳汇；环境修复

生物炭技术近年来已逐渐成为国内外农业和生态环境领域的研究热点。国际生物质炭联盟（International Biochar Initiative，IBI）推动了全球生物炭事业的快速健康发展，2009年英国洛桑试验站在Woburn农场启动了有关生物炭的长期定位试验计划，巴西农业研究公司EMBRAPA开展的生物炭项目已进入了实施推广阶段，目标是创造更多的“肥沃高碳黑土”[1-5]。2010年我国首个生物炭网络中心的成立，对开展生物炭的研究与应用起到了积极的推动作用。国内外的科研工作者相继对生物炭自身性质及其在土壤改良、作物生长、生态环境改善等方面进行了大量的研究并取得了一些成果[6-9]。

本研究基于国内外研究文献，综述生物炭在农业生产和生态环境方面的应用状况，分析研究应用中存在的问题并提出相应的对策，以期为生物炭的合理应用与推动现代农业的可持续发展提供理论依据。

1 生物炭基本特征

常见的生物炭有稻壳炭、秸秆炭和木炭等，主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，颗粒细致、质地较轻，为黑色蓬松状固态物质，C含量一般在70%以上，主要组成元素除C外，还包括H，O，N，S及少量的微量元素。生物炭原料来源广泛，含C量高，具有丰富的孔状结构，比表面积大、呈碱性、吸附能力强、容重小、稳定性高、成本低廉，其被应用于农业、生态修复和环境保护等领域[10-11]。

2 生物炭的应用

2.1 生物炭在农业中的应用

农用生物炭的作用主要表现为对土壤理化性质、作物生长发育和产量的影响[12]。生物炭被认为是一种土壤改良剂。有研究表明，生物炭可降低土壤容重、增加土壤持水量、改善土壤孔隙度，但对肥力较高的土壤只明显影响其容重。生物炭对土壤温度的影响随季节变化有差异，地温偏低时生物炭提高地温的作用更为明显。另外，生物炭能够增加土壤肥力。研究发现，生物炭使酸性土壤pH值增加，对碱性土壤pH值却影响不显著。由于生物炭的施入会改变土壤条件，因此，土壤微生物种群结构会发生变化，如土壤慢生根瘤菌科、放线菌等增加，链霉菌科与微单孢菌科等减少[13-15]。

对生物炭与作物产量关系的部分研究进行分析发现，50%的研究认为，生物炭有利于作物增产，30%的研究认为，生物炭对作物产量没有影响；近20%的研究认为，生物炭可使作物产量减少。生物炭与作物生长发育和产量之间的关系受生物炭自身的性质、土壤的理化性质和作物的生物学属性等诸多因素的影响，因此，生物炭应用于作物生产，也应该灵活变通。特定条件下施用生物炭可以促进作物生长、提高产量已是不争的事实，只要应用恰当，其正向效应完全可以被利用，生物炭复合肥料将成为农业领域一个新的研究方向[11-12]。

2.2 生物炭对生态环境的影响

合理施用生物炭不仅可以改善土壤性质、提高作物产量，还能够有效地吸附土壤或沉积物中的有机污染物和重金属。同时，生物炭难以被微生物降解，具有稳定性，在固碳减排、缓解气候变化方面具有积极的作用。

生物炭以其优良的环境效应和生态效应已经成为环境科学研究的热点，生物炭技术在碳汇减排方面的应用逐渐引起了广泛的关注[16]。Lehmann[17]提出，利用生物炭技术可以每年降低10亿t温室气体，Wolof等[18]研究发现，生物炭每年可减少全球温室气体总排放量的12%。CO2等温室气体的排放对气候的影响非常明显，施用生物炭可增加土壤中的“C库”，生物炭具有很高的化学稳定性，可使C元素在土壤中长期封存，有利于缓解温室效应。

生物炭的生产和使用就是对大气C素的固定过程，其在固碳减排、缓解气候变化的同时还能够吸附环境中的有机污染物。此外，生物炭表面的羧基、酸酐酚、羟基等多种基团能够促进有机污染物的降解。向被污染的土壤中添加生物炭已经成为降低有机物污染的有效手段[19-20]。

3 存在的问题及对策

有关生物炭对土壤条件的改善和作物产量的影响及其在固碳减排改善生态环境方面的报道已经有很多，但依然缺乏较为系统的研究，关于生物炭的研究主要以室内试验为主，缺少中长期定位试验，试验时间相对较短，对生物炭的作用机制更是缺乏深入的研究。因此，急需拓宽生物炭的研究领域，探索其作用机理，进行较为系统和深入的研究。

目前，生物炭的生产和应用尚未引起足够的重视，还缺乏完善的产业链，因此，生物炭在国内并没有大面积推广应用，仍停留在试验研究阶段；生产设备大多从国外进口，不易于在农户中间推广；原料数量大、密度低与分散度高，收集难、储运难、利用效益低，大规模生产生物炭实施起来显然难度很大。大面积推广生物炭应用需要政府经济和政策上的扶持，可采用小规模和工业化相结合的方式，将一定区域内所有生物质废料都送到处理厂统一集中处理，装有高温分解设备的合成气动力车走乡串户，将制好的生物炭分发给农户。

最后，生物炭会增加土壤的碱化程度，应用有一定的局限性，我国土壤的类型相对复杂，应根据土壤类型的不同，筛选、制备适宜的生物炭。我国生物炭产业应该以废弃资源循环利用为基础，避免环境污染，保障粮食安全，利用生物炭还田技术实现碳汇减排，从根本上解决资源浪费的问题，实现我国农业的可持续发展。

［1］孔丝纺，姚兴成，张江勇，等.生物质炭的特性及其应用的研究进展[J].生态环境学报，2015，24（4）：716-723.

［2］潘根兴，张阿凤，邹建文，等.农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨 [J].生态与农村环境学报，2010（4）：394-400.

［3］张阿凤，潘根兴，李恋卿.生物黑炭及其增汇减排与改良土壤意义[J].农业环境科学学报，2009，28（12）：2459-2463.

［4］Johannes L.Bio-energyin the Black[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2007，5（7）：381-387.

［5］张又弛，李会丹.生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响[J].生态环境学报，2015，24（5）：898-905.

［6］翁福军，卢树昌.生物炭在农业领域应用的研究进展与前景[J].北方园艺，2015（8）：199-203.

［7］何绪生，耿增超，佘雕，等.生物炭生产与农用的意义及国内外动态[J].农业工程学报，2011，27（2）：1-7.

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［9］Baldock J A，Smernik R J.Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa（Red Pine）wood[J].Organic Geochemistry，2002，33（9）：1093-1109.

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［11］张千丰，王光华.生物炭理化性质及对土壤改良效果的研究进展[J].土壤与作物，2012，1（4）：219-226.

［12］陈温福，张伟明，孟军.农用生物炭研究进展与前景[J].中国农业科学，2013，46（16）：3324-3333.

［13］Laird D A，Fleming P，Davis D D，et al.Impact of biochar amendment on the quality of a typical midwestern agricultural soil[J]. Geoderma，2010，158：443-449.

［14］Zwieten LVan，Kimber S，Morris S，et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil，2010，327（1/2）：235-246.

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［19］李力，刘娅，陆宇超，等.生物炭的环境效应及其应用的研究进展[J].环境化学，2011，30（8）：1411-1421.

［20］李振科.生物炭在农业生产中的应用研究进展 [J].山西农经，2015（1）：94-96.

Research Current Situation and Countermeasures Analysis of Biochar

TIAN Yong-qiang1，ZHANG Zheng2，ZHANG Qian-ru1，YIN Rong1
（1.Institute of Pomology，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.Institute of Millet，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Changzhi 046011，China）

Biochar is a material derived from high temperature pyrolysis of biomass materials（plant tissues,orchard branches,crop waste,animal bones,etc）in anaerobic or anoxic conditions.Biochar is a new environmental functional material to which increasing attention was paid in many field.As a new synthetic technology,biochar technology became a hot spot in the fields of agriculture,ecology and carbon emission reduction.In this paper,the basic characteristics of the biochar were introduced,and its application in agricultural production and ecological environment were reviewed.Finally,the problems existing in the biochar research were analysed and the corresponding countermeasures were put forward,which provided some reference for the promotion and application of biochar technology.

biochar;soil improvement;carbon sink;environmental remediation

TK6

A

1002-2481（2016）05-0680-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.26

2015-12-22

田永强（1984-），女，山西五台人，助理研究员，硕士，主要从事果树病害研究工作。