生物炭与生物炭基肥利用研究进展

余慧敏 郭熙

摘 要：生物炭由于其自身具有的优良性状，可以用作土壤改良剂，改善土壤条件与环境。将生物炭与肥料融合制备生物炭基肥，在秉承其原有优良特性的基础上，能进一步促进作物增产，并对减少化肥施用具有重要意义。文章在总结国内外已有研究的基础上，从生物炭与生物炭基肥对土壤的物理、生化性状及对作物生长的影响进行综述，并简要综述不同量的生物炭基肥替代化肥施用对土壤与作物生长的影响，阐述当前生物炭与生物炭基肥研究中存在的问题与不足，提出进一步的研究方向，旨在为农业生产提供施肥依据。

关键词：生物炭；生物炭基肥；土壤理化性状；作物

中图分类号：S14 文献标识码：A DOI 编码：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，我国农业生产中化肥使用量持续增加，但作物产量却增长缓慢，肥料利用率也十分低下[1]。长期大量施用化肥不仅加大了农业生产成本，还导致了土壤肥力的下降与土壤质地的恶化，并对环境造成一定的污染，严重阻碍了农业可持续发展[2]。在此严峻的形势下，农业部于2015年制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，提出了“施肥结构进一步优化”、“施肥方式进一步改进”、“肥料利用率稳步提高”等3个目标任务，号召高效施肥、粮食增产与生态环境安全并行。

此外，我国每年农业种植产生大量的水稻、小麦、玉米等农作物秸秆，总量多于6.5亿t，大都是就地燃烧或者随意堆放，没有得到合理的处理利用，这不仅造成了资源浪费，也导致了环境污染，成为未来我国在促进农业低碳、循环、可持续发展，全面推进生态建设中必须面对并加以解决的问题[3-4]。

2005年，中国工程院院士陈温福提出了“秸秆炭化还田”理念与技术体系，即将秸秆加工成生物炭后施入农田，不仅改善了土壤理化性质与微生态环境，也提高了土壤生产性能与产品品质[5]。利用生物质废物原料制备生物炭，既能实现农林废弃物的高效处理与资源化利用，又能有效解决其弃置、焚烧和随意排放造成的环境问题，是农业可持续发展的必由之路[6]。研究表明，生物炭与肥料混合制备而成的新型肥料——生物炭基肥，能减少化肥使用量、改善土壤理化性状、促进作物优质生长与增产、降低农业生产成本[7-9]。生物炭与土壤肥料的相互融合提供了更多的农业施肥选择[5]。

1 生物炭与生物炭基肥对土壤的影响

1.1 对土壤物理性状的影响

1.1.1 生物炭对土壤物理性状的影响 生物炭具有疏松多孔、比表面积大、官能团丰富等优点，将其施加到土壤中，对于提高土壤持水能力、改善土壤孔隙结构、降低土壤容重等具有很大的作用，此外，由于生物炭多呈碱性，将其加入到土壤中能够中和土壤酸度，提高土壤pH值。ASAI等[10]在老挝北部对旱稻进行了3个不同的生物炭施用试验，结果表明，施用生物炭提高了表层土的饱和导水率和水稻的木质部液流。DAVID等[11]研究表明，土壤中添加生物炭后能够显著降低土壤容重、增强土壤持水能力。KRISTIINA等[12]研究表明，生物炭对土壤改良起着重要作用，在土壤中加入生物炭能促进对甲烷的吸收，减少CO2的排放，并能增强土壤持水性。UZOMA等[13]利用牛粪生物炭在砂质土壤上对玉米进行温室试验，结果表明，施用牛粪生物炭可以提高饱和砂土的渗透系数，从而提高净水分的利用率。XU等[14]研究了施用尿素情况下玉米秸秆生物炭对土壤的影响，结果表明，施加生物炭后，土壤pH值增加，土壤持水能力、导电率、和土壤呼吸速率也得到增强。RANDOLPH等[15]利用固体废弃物制备生物炭进行试验，研究表明，施加生物炭能够增加土壤pH值，提高土壤导电率、团聚体的稳定性、保水性。WANG等[16]通过对我国陕西黄土高原5种土壤应用生物炭进行试验，结果表明，添加生物炭可以减少土壤的累积蒸发量，增加土壤平均含水量。

1.1.2 生物炭基肥对土壤物理性状的影响 在生物炭的基础上制备而成的生物炭基肥秉承了生物炭的一些优点，也能改变土壤环境，改善土壤性状。OH等[17]通过用厌氧消化浆料浸渍的橘皮炭、木炭和污泥炭所得的生物炭基缓释肥用于莴苣栽培试验，结果表明，施用生物炭基缓释肥，土壤持水能力增加，土壤pH值升高。卢广远等[7]研究表明，施用炭基肥料能提高疏松土壤的容重，从而改善其通气透水性能，并能调节土壤pH值向中性靠近。王智慧等[9]研究表明，生物炭基肥对土壤呼吸均有一定促进作用。张锴[18]研究表明，炭基肥可增大土壤通透性，提高土壤持水性能，改善土壤的酸碱度。

1.2 对土壤化学性状和土壤微生物的影响

1.2.1 生物炭对土壤化学性状和土壤微生物的影响 生物炭较多的孔隙结构以及较强的吸附能力使得其在土壤中具有较强的元素吸收能力，生物炭具有的一些性质还能影响元素的稳定性、土壤微生物的活性，从而能促进土壤的阳离子交换，改善与维持土壤的肥力状况。GLASER等[19]研究表明，在热带潮湿的低地土壤中，黑碳可以作为一个重要的碳汇，增强土壤的营养保持能力，是土壤可持续性肥沃的关键因素。LIANG等[20]研究表明，土壤中加入黑炭有利于土壤阳离子交换量的增加，增加土壤总有机碳含量，对土壤养分保持有重要影响。UZOMA等[13]研究表明，在砂土上施用牛粪生物炭，显著增加了土壤中全碳、全氮、Oslen磷、交换性阳离子含量以及阳离子交换容量。马彦茹等[21]利用棉花秸秆生物炭对土壤进行试验，结果表明，施用生物炭后，土壤pH值、阳离子交换量、速效磷和速效钾的含量均得到提高。PATRYK等[22]利用农药和生物炭对土壤进行试验，研究表明，在所有的试验处理中，生物炭可以激发土壤酶的活性，此外，它能降低农药对土壤酶活性以及在风险评估微生物检测中对某些微生物的不利影响。ALEXANDRA等[23]研究表明，将生物炭添加到土壤中能够降低根际启动的影响，从而有利于土壤有机碳的长期储存。GASC等[24]利用猪粪在2种不同温度条件下制备的生物炭对土壤进行改良试验，结果表明，生物炭能够降低土壤碳矿化，在300 ℃下制备的生物炭对土壤脱氢酶活性有积极作用，而500 ℃下制备的生物炭对土壤酶活性基本没有影响。CAROLINE等[25]研究表明，施加生物炭能够增加土壤细菌多样性，改变根际微生物群落组成。XU等[14]研究表明，玉米秸秆生物炭能够减少土壤氮素的淋失，且氮素的淋失量随生物炭的增加而减少，同时，施加生物炭增加了土壤微生物量、细菌多样性，改变了土壤细菌群落结构。

1.2.2 生物炭基肥对土壤化学性状和土壤微生物的影响 生物炭基肥能够改善土壤肥力状况、改变土壤微生物活性。张锴[18]研究表明，生物炭基肥能够增加土壤中铵态氮、硝态氮含量，在等量氮磷钾条件下炭基肥对提高土壤速效养分含量的作用好于普通的氮磷钾肥料。杨劲峰等[26]研究表明，施用炭基肥在提高土壤有机质、全钾、速效钾含量方面效果优于其他处理方式。潘全良等[27]利用炭基肥、生物炭、猪厩肥以及秸秆对花生进行6年微区田间试验，结果表明，施用生物炭基肥与传统土壤培肥方式相比抑制了蔗糖酶与过氧化氢酶的活性，对脲酶活性的影响不明显，提高微生物活性的能力高于秸秆还田处理，但低于施用猪厮肥。王智慧等[9]研究表明，不同配比的生物炭基肥均对土壤全氮、有效磷、速效钾有一定促进作用。

2 生物炭与生物炭基肥对作物生长的影响

生物炭与生物碳基肥不仅仅对土壤的改良有较大的作用，同时对作物的生长和改善作物品质有较大的影响。

2.1 生物炭对作物生长的影响

生物炭一般能够促进作物的生长发育，在许多研究已均有发现。LEHMANN等[28]研究表明，木炭的添加能够促进植物对营养元素的吸收，有利于植物生长。ASAI等[9]试验表明，施用生物炭会导致磷有效性低的部位的籽粒产量增加，并能提高对N和NP化肥处理的响应；但是，生物炭的施用降低了旱稻叶片SPAD值，这可能是减少土壤氮素的有效性，说明生物炭施用的效果与土壤肥力状况以及肥料管理有很大的关系。UZOMA 等[13]研究表明，牛粪生物炭的施用可以促进玉米的养分吸收量，提高玉米的产量。SCHULZ等[29]通过对燕麦施用相同原料但不同的生物炭/堆肥的盆栽试验的研究表明，生物炭能促进植株的生长，生物炭添加量越多，植物生长越快，土壤肥力越高。也有研究表明，生物炭促进作物生长的效果与氮肥有关，张爱平等[30]通过对水稻施用不同水平的生物炭量与氮肥量的试验表明，生物炭与氮肥配施，水稻产量得到提高，且水稻产量、株高和穗粒数均随生物炭用量的增加而增加；此外，氮肥利用率与农学效率也与生物炭用量成正比；但在未施氮肥情况下，生物炭的添加对水稻产量无明显影响。

2.2 生物炭基肥对作物生长的影响

生物炭基肥融合了生物炭与肥料所具有的肥力，加上其自身的结构特点与稳定性，可以使养分缓慢释放，肥效更持久，因而能更加稳定地促进作物生长，一些研究已有证实。卢广远等[7]研究表明，施用合适种类的炭基肥，有利于玉米的生长发育，可提高玉米产量，且其效果显著优于化学肥料。HARDY等[31]利用生物炭、有机肥和无机肥对燕麦进行温室试验，结果表明，生物炭与有机肥混合施用比单独施用生物炭促进植株生长的效果更强。陈琳等[8]研究表明，施用生物炭基复混肥可不同程度地提高水稻每穗总粒数、单穗质量及水稻经济产量，可减少氮肥施用量，促进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对玉米植株干物质积累有一定促进作用。而DALILA等[32]将生物炭与堆肥對生菜分别进行单施、混施，结果表明，生物炭与堆肥混合施用并没有比堆肥单独施用对作物产量和土壤肥力产生的效果好，这与前面已有的研究结论相反，可能是由于在本试验高肥力水平条件下，堆肥的效应掩盖了生物炭的作用。

2.3 生物炭基肥替代量的研究

现有研究表明，生物炭基肥在改良土壤、培育作物等方面具有优良特性，但未揭示生物炭基肥替代化肥的用量，为此，有必要进一步阐明生物炭基肥替代化肥的效果，这对我国当前实行的“化肥减施”行动也将有着积极的推动作用。

吕一甲[33]研究表明，与当地常规施肥相比，施用生物炭基肥特别是在减少养分投入30%和等养分投入的条件下，耕层土壤含水率显著提高，土壤容重随生物炭基肥施用量的增大而减小，土壤肥力水平明显提高，玉米干物质积累量与经济产量均有明显提高。夏文斌[34]利用不同秸秆还田方式与生物炭基肥施用模式对玉米进行试验，研究表明，秸秆以生物炭基肥方式还田在减少氮肥用量20%条件下，可以保证作物產量稳定，对实现作物增产、化肥减施、减少温室气体排放具有良好作用。

3 问题与展望

3.1 存在问题

目前，国内外关于生物炭的研究已有一定的范围和广度，但有关生物炭制备的原料、工艺、条件等的不同对其自身性质的影响以及应用于土壤、作物后产生的影响差异的研究尚浅。生物炭应用的试验大多集中于短期、小型的盆栽或者温室试验，不具有代表性。不同的土壤类型、温度、湿度等环境条件下生物炭对土壤及作物的作用效果也存在一定差异。生物炭施加到不同的温度、湿度条件下其自身的氧化作用以及生物炭表面和土壤颗粒间的相互作用与聚集的研究不足。施加生物炭的具体量及其施加后对农田环境和生态系统的影响不明确。关于生物炭施加到不同类型的土壤中引起的土壤持水能力的增强是否会进一步导致植物有效含水量的增加，还未有科学合理的研究。

随着越来越多相关研究人员认识到生物炭基肥的优点，对生物炭基肥的制备以及作为肥源应用的研究也在逐渐增多。但目前关于生物炭基肥的研究仍处于初级阶段，制备生物炭基肥的生物炭与肥料的混合比、实际施用量的不同对土壤与作物产生作用的差异，还未有深入研究。生物炭基肥施用后产生的效果未开展不同地域、不同环境条件下的长期、定位对比试验。生物炭基肥的肥效随时间动态变化的研究不足。生物炭基肥应用后对农业生态环境的影响研究尚浅。目前，关于生物炭基肥对土壤与作物生长的影响大多集中于定性研究，有关生物炭基肥替代量的研究较少。此外，生物炭基肥施用对土壤有机磷矿化—固定过程的动态作用机制、生物炭基肥养分释放损失研究、生物炭基肥施用对土壤水分的时空作用特征机制、生物炭基肥对作物果实品质改善机制亟待进一步研究。

3.2 展 望

针对当前生物炭与生物炭基肥研究领域中存在的不足，未来应加大对生物炭内在性质的研究，探索更加科学、高效、安全的生物炭制备工艺与方法，深入研究生物炭基肥制备的最佳配比量，探索最合适的生物炭基肥施用量，进一步开展生物炭基肥与肥料之间替代量的研究。同时，要开展不同地区、不同条件下的长期、大规模的田间试验，探索生物炭、生物炭基肥作用的内在机制，考究其施用对环境的具体影响，为实现生物炭基肥的推广应用提供科学的理论基础，以促进化肥减施、农药零增长，实现农业可持续发展，保障社会经济稳定发展。

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