从国际会议看生物炭研究及产业发展动态

王成己 王义祥 叶菁 林怡 黄毅斌

摘 要：我国农业发展已处于历史转折和变革期，绿色低碳发展成为新时期农业发展方向。在此背景下，加强耕地保护和质量提升，推进农业废弃物资源化利用，加快化肥农药减施增效、农业面源和重金属污染综合防治与修复等成为农业发展的重大议题。生物炭是生物质材料在厌氧高温条件下热裂解产生的高度芳香化的富碳物质，其独特物理和化学性质使其在土壤、环境和生态等领域具有广泛应用价值，成为土壤和农业可持续管理的重要途径。通过对第一届生物炭研究与应用国际研讨会进行总结与评述，对会议涉及到的生物炭制备及材料、生物炭与农业、生物炭与生态环境、生物炭与碳氮循环、生物炭与黑土地保护等领域的最新进展做了简要概括，对今后生物炭领域的研究热点进行了展望，以期为生物炭研究及产业发展提供参考。

关键词：生物炭;研究动态;产业发展;述评;国际会议

中图分类号：S 154 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2019）10-001

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.10.001

Abstract： China′s agricultural development has been in the historical transition and transformation period， green and low-carbon development has become the direction of agricultural development in the new period. In this context， strengthening the protection and quality improvement of cultivated land， promoting the resource utilization of agricultural wastes， accelerating the reduction of fertilizer and pesticide application and the high efficiency， and conducting the comprehensive prevention and restoration of agricultural non-point source and heavy metal pollution have become major issues in agricultural development. Biochar was a highly aromatic carbon-rich substance produced by thermal cracking of biomass materials under anaerobic high temperature conditions. Its unique physical and chemical properties made it widely used in soil， environment and ecology， and has become an important approach for the sustainable management of soil and agriculture. By summarizing and reviewing the first international symposium on biochar research and application， the latest advances in biochar preparation and materials， biochar and agriculture， biochar and ecological environment， biochar and carbon and nitrogen cycle， biochar and blackland conservation were briefly summarized， and the research hotspot in the field of biochar was prospected， so as to provide reference for biochar research and industry development.

Key words： Biochar; Research trends; Industrial development; Review; International conference

我國农业发展已处于历史转折和变革期，农业结构改革已成为国家战略发展需要，绿色低碳发展成为新时期农业发展方向。在此背景下，加强耕地保护和质量提升，推进农业废弃物资源化利用，加快化肥农药减施增效、中低产田改良、农业面源和重金属污染综合防治与修复等成为重大科研攻关和技术模式创新的重要内容和议题。

生物炭（biochar，又称生物质炭、生物黑炭等）是生物质材料在厌氧高温条件下热裂解产生的高度芳香化的富碳物质[1]，其独特物理和化学性质使其在土壤、环境和生态等领域具有广泛应用价值。生物炭技术所能发挥的支撑性作用使其成为土壤和农业可持续管理的重要途径[2]，也因此吸引了全世界的目光。由《BIOCHAR》编辑部牵头组织，沈阳农业大学、中国土壤学会主办，辽宁省生物炭工程技术研究中心、中国科学院沈阳应用生态研究所、辽宁绿色农业技术中心协办，沈阳市科学技术协会资助支持的“第一届生物炭研究与应用国际研讨会”于2019年9月20日至23日在辽宁沈阳召开。本次会议的主题为“生物炭与农业可持续发展”，旨在为国内外同行搭建沟通平台，交流生物炭研究的最新进展，切实推动生物炭在耕地质量提升、环境保护、生态建设，特别是东北黑土地保护等方面的应用。

会议以主旨报告、大会报告、分会报告、研究生专场及墙报交流等形式进行。共有来自19个国家和地区的636名专家、学者、研究生及企业代表参与（以正式会务手册为准）。与会机构主要以高校和研究院（所）为主，一些知名的生物炭企业也参与了本次会议。本次会议共设立1个主会场、5个分会场、3个研究生专场;共有151个口头报告，50份墙报和8家企业展览;收到论文摘要131份。会议围绕生物炭制备及材料、生物炭与农业、生物炭与生态环境、生物炭与碳氮循环、生物炭与黑土地保护等议题进行专题研讨和深入交流，充分展示了生物炭研究在国际上的学术影响力。笔者有幸参加本次会议，并就生物炭改良烟田土壤及提升烟叶品质等内容进行交流。本文就本次会议所反映的生物炭最新研究进展及产业动态进行总结，以期为生物炭研究及产业发展提供参考。

1 参会人员及其分布

根据会议举办方《会务手册》提供的信息，本次会议共有来自中国大陆、美国、澳大利亚、韩国、巴基斯坦、比利时、德国、芬兰、英国、埃及、丹麦、俄罗斯、加拿大、日本、塞尔维亚、新加坡、新西兰、中国香港、中国台湾等国家或地区的225个机构共636名专家、学者、研究生及企业代表参与（表1）。中国大陆地区有186个机构的590名代表参与会议。参与机构和人数较多的国家还有美国、澳大利亚、韩国、巴基斯坦等。

参与这次会议的中国大陆机构中，人数排名靠前的机构分别为地方大学（指非211和985工程大學）、生物炭企业、地方科研机构（指省市级科研机构）、211工程大学、985工程大学、中国科学院、中国农业科学院等（表2）。地方大学中涉农高校参会人数居多，其中沈阳农业大学参会人数最多。生物炭企业是本次会议的一大亮点，共有31家企业的45位代表参与会议，说明生物炭产业化程度有了很大提高。地方科研机构主要以省级农业科学院为主。211工程大学有南京农业大学、华中农业大学、华南农业大学、西南大学等，其中华中农业大学参会人数最多。985工程大学有清华大学、浙江大学、上海交通大学、南开大学、中国农业大学、西北农林科技大学等，其中中国农业大学参会人数最多。中国科学院的参会单位有南京土壤研究所、沈阳应用生态研究所、城市环境研究所、地球化学研究所等。中国农业科学院的参会单位有农业环境与可持续发展研究所、农业资源与农业区划研究所、烟草研究所、农田灌溉研究所等。此次会议，985工程大学、中国科学院及中国农业科学院等国家级教学及科研机构参会人数较2018年在广东佛山举行的“第四届亚太生物质炭国际会议”及2017年在湖北武汉召开的“生物质炭与生态功能学术研讨会”等会议有明显增加，说明生物炭研究的学术影响力在不断扩大，并且生物炭基础研究在不断深入。

2 大会主题报告

本次会议邀请中国工程院陈温福院士、张福锁院士作大会主旨报告，14名国内外知名专家及企业代表作大会报告，分享各自最新的研究进展，并就当前生物炭产业发展的现状及瓶颈问题深入交换意见。

2.1 主旨报告

沈阳农业大学陈温福院士作了题为“生物炭：为了更好的未来”的主旨报告。报告认为，生物炭是实现绿色发展、固定二氧化碳、提供高质量农业投入和产品的友好选择;生物炭技术是实现农业新的高水平平衡的可行途径，特别是当谈到供给侧结构性改革时，生物炭在中国的意义更大。因此，为了更好地利用秸秆，克服环境问题，陈温福院士提出了基于生物炭的综合利用路线图：即在分散式生物炭生产网络基础上，开发生物炭基肥料和土壤改良剂，提高土壤肥力，实现农业和环境的可持续发展。

中国农业大学张福锁院士在作题为“农业向绿色发展转变”的主旨报告中指出，多年来中国粮食产量仅仅靠化肥、灌溉、塑料薄膜和其他化学品等资源的大量投入来保证，中国农田土壤酸化明显，从20世纪80年代到21世纪初，土壤pH值平均下降0.5个单位，这主要是由于过量使用氮肥造成的。因此，农业向绿色、低碳发展转变迫在眉睫，生物炭产业大有作为。

2.2 大会报告

来自国（境）内外的14名知名专家及企业代表作了大会报告。韩国高丽大学Yong Sik Ok教授介绍了智能生物炭技术的发展机遇。美国马萨诸塞大学邢宝山教授介绍了生物炭在可持续作物生产和土壤应对气候变化中的作用。德国伍珀塔尔大学Jrg Rinklebe教授介绍了生物炭对水稻土中有毒元素的固定作用，认为生物炭可作为一种非常有效的钝化稻田土壤重金属和有毒物质的材料。澳大利亚新南威尔士大学Lukas Van Zwieten教授回顾了15年的生物炭研究成果，认为生物炭不是魔法，但是了解它的特性可为农业提供解决土壤问题的新工具，生物炭在土壤碳库周转和养分循环过程中可发挥重要作用。英国爱丁堡大学Ondrej Masek教授介绍了英国生物炭研究中心在生物炭标准制定方面的工作及其在国际科学研究中的应用情况。韩国汉阳大学Ki-Hyun Kim教授分享了生物炭、活性炭等先进功能材料的空气净化性能。澳大利亚纽卡斯尔大学Nanthi Bolan教授总结了生物炭的多功能应用：碳储存、土壤修复、水质净化、催化剂、动物饲料、提高土壤生产力和作物产量等。

中国科学院南京土壤研究所张佳宝研究员介绍了提高我国粮食主产区旱地土壤生产力的技术及作用机理。沈阳农业大学汪景宽教授分享了中国黑土地区耕地质量与推广技术。天津大学陈冠益教授介绍了应用功能导向的生物质热解方法制备生物炭的技术。中国农业大学林启美教授认为生物炭改良作用是增加土壤有机质的一个解决方案。

来自合肥德博生物能源科技有限公司赵成武经理介绍了高价值生物质炭化技术及应用。承德华净活性炭有限公司张鹏远经理预测了木质活性炭的未来发展行情。浙江长三角聚农科技开发有限公司于晨旭教授分享了生物炭生产自动化移动工厂的设计与开发技术。

3 分会场专题报告

本次会议在大会报告之后，设置了5个分会场，来自国（境）内外的96名专家、学者、企业代表围绕生物炭制备及材料、生物炭与农业、生物炭与生态环境（无机污染/有机污染）、生物炭与碳氮循环、生物炭与黑土地保护等专题展开研讨及深入交流（表3）。

3.1 生物炭制备及材料

本专题共有21名专家作报告，其中，国（境）外专家7名，国（境）内专家14名。生物质材料及炭化条件不同，生物炭性质及其施用效应也会存在差异[3]。因此，创新生物炭制备及利用方法具有重要意义。近年来，生物炭在解决全球生态环境安全与农业可持续发展等方面的作用已获得普遍认可，被学术界誉为“黑色黄金”，许多国家都成立了专门的机构来研究生物炭理论与应用前景。

新西兰奥克兰大学Ajit Sarmah教授从宏观到纳米尺度介绍了生物炭利用的创新方法。韩国世宗大学Hocheol Song教授分享了多功能生物炭的制备及其在环境治理中的应用情况。华北电力大学王祥科教授介绍了碳基纳米材料的合成及其在污染治理中的应用，认为纳米材料与技术是实现环境污染物分离与提取的重要途径。

研究表明，鸡粪、秸秆等长期施入可导致设施土壤重金属不同程度的积累，产生污染并增加其生态风险[4]。抗生素作为饲料添加剂被广泛应用于动物养殖业，从而进入食物链，人类大量使用抗生素带来的抗生素抗性基因的扩散和传播普遍存在，已开始威胁到全球人群的健康[5]。朱永官等[6]对养猪场猪粪、猪粪生产的堆肥以及施堆肥后的土壤样品进行抗性基因分析，并检测到几乎涵盖目前已知绝大多数抗生素类型的149种抗性基因，抗生素和抗性基因（耐药性）污染已经成为一个全球性的环境健康问题。因此，利用作物秸秆及畜禽粪便来制备生物炭，必须考虑其原料及生物炭施用所带来的环境和生态风险。

3.2 生物炭与农业

生物炭在农业中的应用是近年来的研究热点。本专题共有21名专家作报告，其中，国（境）外专家6名，国（境）内专家15名。韩国延世大学Sang Soo Lee教授介绍了基于生物炭的土壤改良对水资源安全的保障。日本九州大学Yoshiyuki Shinogi教授介绍了生物炭对适应性农业的挑战。美国路易斯安那州立大学农业中心Jim J Wang教授系统介绍了功能化生物炭在农业和环境方面的应用情况，提出生物炭在农业和环境领域的发展趋势和挑战：（1）各类农业废弃物生物炭增值产品开发呈指数式增长;（2）具有较高经济价值的专用产品;（3）肥料、环境修复、废物管理和养分回收;（4）增值生物炭的稳定性和可重用性;（5）增值和功能化生物炭的生态毒性;（6）生物炭在水生环境的应用。

近年来，烟秆炭化还田受到业界高度重视，这是因为烟秆含有大量病原菌而不能直接还田，因此将烟秆炭化并用于烟田土壤改良[7-8]、烟草连作障碍调控[9]及青枯病防控[10]，具有重要的现实意义。随着生物质热裂解技术及产业化水平的提高[11]，社会各界对生物炭特性的认知程度不断提高，以“三聚环保模式”为代表的农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术得到广泛应用[12]，成为土壤可持续管理的重要途径。因此，从某种程度讲，“炭基农业”时代已经来临。

3.3 生物炭与生态环境

本专题分为无机污染和有机污染两个子专题。无机污染子专题有21名专家作报告，其中，国（境）外专家5名，国（境）内专家16名;有机污染子专题有11名专家作报告，其中国（境）外专家2名，国（境）内专家9名。

在无机污染子专题，美国佛罗里达大学高斌教授分享了工程生物炭特性及其在水、土、气净化和痕量挥发物去除中的应用情况。浙江大学陈宝梁教授从材料到设备的角度介绍了生物炭的多重和多层结构及其潜在的环境应用效应[13]。上海交通大学曹心德教授的报告区分了生物炭还原Cr（VI）的电子供体和介导机制，认为生物炭具有豐富的供/受电子能力，在还原Cr（VI）过程中，土壤中的铁、有机酸和细菌都参与了电子传递过程，从而影响了Cr（VI）的还原速率。铁生物炭通过对铁（0）的还原能力和对无定形铁矿物的吸附能力来固定土壤。广东省生态环境技术研究所李芳柏研究员详细解读了用于重金属污染控制的ZVI@biochar（零价铁生物炭）的设计原理及应用情况，认为生物炭是一种很有前途的金属固定器，ZVI@biochar的协同效应远远大于它们本身。同时认为生物炭改良土壤可能会增加二次环境风险，如果释放到土壤溶液中，将会增加对稻米的生物有效性，因此，利用生物炭改良水稻土应慎重考虑。

在有机污染子专题，南开大学孙红文教授详细介绍了生物炭与有机污染物的相互作用及其在农田污染修复中的应用，认为吸附机理取决于化学性质，对于极性化学物质，中等温度的生物炭可能表现出最高的吸附能力;生物炭与土壤组分的相互作用使生物炭在土壤中的吸附能力随时间的增加而降低，高温生物炭可以通过催化水解和氧化来促进有机污染物的化学降解;低温生物炭可以通过增加微生物的丰度来促进生物降解。昆明理工大学潘波教授介绍了生物炭的反应性及其在有机污染物去除中的应用。

生物炭表面持久性自由基在Cr（VI）去除过程中的生成和消亡为持久性自由基在环境中的转化提供了重要的参考价值。近年来，我国学者在生物炭对有机污染物迁移转化[14]及生物炭表面环境持久性自由基在去除Cr（VI）过程中的转化[15]等方面取得了重要研究进展。

3.4 生物炭与碳氮循环

本专题共有9名专家作报告，其中，国（境）外专家3名，国（境）内专家6名。浙江大学徐建明教授解读了生物炭对土壤N2O排放和微生物氮循环基因的影响，认为无论水分水平和N形态如何，生物炭会增加反硝化基因的丰度，即nirK、nirS和nosZ，从而增加N2O排放;随着生物炭芳香度的增加或热解温度的升高，其N2O排放和反硝化基因减少，易矿化碳的去除也会使N2O排放和反硝化基因减少。澳大利亚格里菲斯大学徐志宏教授就开发和应用基于生物炭的新型解决方案和技术进行详细解读，包括用于食品安全和环境未来的生物炭研究与应用技术、具有成本效益的生物炭解决方案及技术、基于科学的生物炭标准开发和应用（1.0版）等，从而在控制土壤-植物生态系统中碳和营养物质的关键生物地球化学循环方面，增进对生物产品和技术关键机制的理解。

3.5 生物炭与黑土地保护

本专题共有13名专家作报告，其中，国（境）外专家7名，国（境）内专家6名。德国尤里希研究中心Roland Bol教授做了题为“优化肥料，从头开始”的报告，认为磷肥中铀的浓度是评价土壤中铀积累的主要影响因素;土壤中铀的积累也受到农业管理（磷肥施用量、土地利用类型）、土壤理化性质的影响，这些因素应在政治层面加以考虑和调整，以限制施肥引起的铀污染所造成的环境风险。华盛顿州立大学Markus Flury教授介绍了生物炭粒径对砂土、粉砂壤土和黏土保水性能的影响。莫斯科蒂米尔亚泽夫农业科学院Lvan Vasenev教授介绍了俄罗斯黑土的智能管理、监测和保护工作，对我国东北地区黑土地利用和保护具有重要借鉴意义。

中国农业大学李保国教授在“中国的土壤退化、水资源短缺和粮食安全”的报告中，认为中国未来的粮食安全在于：（1）在保护土壤资源基础上，大幅度提高作物水分生产力;（2）开发符合可持续发展目标的区域化精准农田水土管理技术;（3）提高并突破资源利用效率，以解决土壤-水-食物-环境的关系;（4）大力发展智慧农业。针对中国区域农业发展，李保国教授建议：东北地区要发展保护性耕作制度;华北地区应发展水分适应型轮作制度，提高产量、减少水分胁迫;东南地区应做好稻田土壤污染防治工作;西南地区应重视水土保持;西北地区则要做好盐碱化治理和水土保持工作。中国科学院沈阳应用生态研究所张旭东研究员作了题为“黑土资源安全与耕作制度改革”的报告，认为玉米秸秆覆盖免耕可显著提升黑土综合功能：（1）显著促进土壤有机质积累，遏制黑土退化;（2）改善土壤养分循环，降低养分损失，提高化肥利用率;（3）提高土壤水分保蓄能力，增加降水截获，减少土壤蒸发;（4）解决秸秆焚烧问题，降低面源污染;（5）农机-农艺结合为东北黑土的保护及可持续利用奠定了理论和技术基础。

4 研究生专场

本次会议设置生物炭与农业、生物炭与生态环境、生物炭与农业环境3个研究生专场，来自华中农业大学、沈阳农业大学、天津大学、浙江省生物炭工程技术研究中心及英国爱丁堡大学等24个大学及科研机构的39名研究生作了口头报告（表4），同时将口头报告内容做成会议墙报，进行广泛交流。会议主办方组织专家对研究生口头报告及墙报进行评审，并对优秀口头报告及墙报进行奖励。

5 会议成果

本次会议共有102位国（境）内外知名专家、学者和企业高管就生物炭基础理论研究、炭化装备与工艺开发、生物质热解示范工程建设、功能性生物炭材料制备、炭基产品研发、生物炭标准体系建设等内容作了精彩汇报，为生物炭在耕地质量提升、环境保护、生态建设特别是东北黑土地保护等方面的广泛应用起到了积极推动作用。

与会专家认为，要保证粮食安全和农业可持续发展，就必须遵循农业生态系统物质循环规律，“取之于田、用之于田”，以生物炭产品为技术载体，补炭（碳）减氮（肥）、以炭（碳）锁氮（肥）、活化磷钾，实现秸秆的间接炭化还田改土，在秸秆、环境、耕地永续利用与粮食安全之间架起一座绿色、循环、可持续发展的桥梁。

会议期间，成立黑土国际研究合作联盟（iRCN-BS）并发布宣言。黑土国际研究合作联盟的代表，与世界主要机构和相关研究单位一起，共同宣布致力于世界范围内黑土科学、技术与管理方面的合作研究。

本次会议由《BIOCHAR》编辑部牵头组织，由沈阳农业大学主办。《BIOCHAR》是我国乃至国际上第一份生物炭领域专业刊物，涵盖农业科学、环境科学、材料科学等领域。刊物下设生物炭制备、生物炭材料、生物炭与可持续农业、生物炭与

生态环境、生物炭与气候变化、生物炭与农村发展等栏目。本次会议的主题和议题与《BIOCHAR》的办刊方向和栏目设置高度契合，充分说明《BIOCHAR》期刊和本次会议对生物炭研究的引领作用。作为本次会议的牵头组织者，《BIOCHAR》编辑部为全球学者搭建了一个高效优质的学术交流平台，而本次会议也必将促进《BIOCHAR》期刊传播和办刊质量的进一步提升，二者有效结合取得了双赢效果。

6 展望

生物炭是个新兴的研究领域，涵盖农业科学、环境科学、材料科学等学科。多年来，广大科研人员和企业界人士致力于生物炭研究和产业创新，并取得一些积极成果[16]。本次会议涵盖了国（境）内外生物炭从研究到应用的各个层面，是一次开放、互享、共赢的盛会。通过广泛交流和深入探讨，真实展现了当前生物炭研究与应用领域的最新成果，也基本探明制约生物炭产业发展的关键问题所在，为未来研究指明了方向。

6.1 生物炭制备及材料

（1）生物质材料及炭化条件不同，生物炭性质及其施用效应存在差异，应积极开展生物炭生产标准化、系统化研究;（2）改性生物炭在环境修复中得到了广泛应用，但是生物炭改性费用较高，其潜在环境风险需要深入研究;（3）生物炭粉末无法从水或土壤中快速有效分离，使用后的生物炭粉末易造成二次污染;（4）高温热解制备过程导致生物炭表面含氧官能团分解，因而其对重金属的吸附去除性能有限，如何实现生物炭与水体的快速分离以及提高生物炭的吸附性能是生物炭材料大规模应用的重大挑战。

6.2 生物炭与农业

生物炭在改善酸性土壤、保持土壤水分、促进根际土壤微生物活性、增强土壤肥力和助力发展绿色可持续农业方面均有巨大应用潜力，但是生物炭对土壤的改良机理依然不明晰，其长效性如何也不清楚。因此，需要针对生物炭对不同类型土壤及作物的作用进行全面长期监测，相关研究不应局限于实验现象的重现与实验规律的总结，应深入微观层面详细分析现象形成的机理。

6.3 生物炭与生态环境

目前在修复污染环境、净化水质、抑制温室效应、去除有机污染物、固定重金属及有机固体废物堆肥等方面取得了较好的发展，但是在土壤或水系中施入大量生物炭后其生态风险尚缺乏系统研究;畜禽粪便及其衍生产品中抗生素和抗性基因（耐藥性）污染已经成为全球性的环境健康问题，必须考虑畜禽粪便原料及其炭化产品施用所带来的环境和生态风险。因此，合理评价生物炭在农业和环境方面的生态风险具有重要意义。今后还要更多关注生物炭中持久性自由基的危险性。

6.4 生物炭与碳氮循环

目前在生物炭对土壤有机碳动态变化、团聚体组成、固碳增汇、土壤N2O排放、肥料利用率、硝化速率、NH4+/NH3吸附、NO3-吸附以及土壤微生物氮素固持等方面已经取得很多进展。但是，田间施用生物炭作为土壤改良材料，仍需根据不同土壤条件、气候类型综合考虑，其对土壤的长期培肥及作物增产效果，仍有待长期定位试验进行验证。

6.5 生物炭与黑土地保护

建议在iRCN-BS联盟体系下，优先开展导致黑土肥力降低的关键因素、如何修复退化黑土等方面的研究。要持续发展保护性耕作制度，提高作物秸秆覆盖免耕的农学及环境效应。利用秸秆资源优势大力推广“农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术”，推动农业“绿色、低碳、高效”发展。

6.6 生物炭产业发展

目前，生物炭企业发展势头迅猛，但存在生物炭生产标准不统一、产品质量不统一现象，相关企业应积极响应国家政策，和科研机构合作开展生物炭及炭基肥生产标准化、系统化研究及应用。

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（責任编辑：柯文辉）