生物质炭化还田作为土壤改良与循环农业的技术途径分析

王丽渊 李小龙 任天宝 徐辰生 刘菊花 张勇江 陈楠 万应发 刘国顺

摘要：循环农业与绿色低碳是生态文明建设的重要途径。生物质炭化还田在土壤改良与循环农业等方面具有良好的发展潜力。土壤中施入生物质炭是通过改善土壤理化性质、提高土壤肥力、修复土壤污染等方式对农业土壤生态系统功能产生影响。围绕生物质炭理化特性及炭化还田改良土壤这一基本途径，系统分析了生物质炭用于改良土壤的研究现状，明确了生物质炭改良植烟土壤所具有的突出优势，提出了生物质炭化还田技术利用模式，探讨了生物质炭在植烟土壤保育和营养管理等方面的潜力。

关键词：生物质炭;烟田;土壤改良;固碳减排;技术途径

中图分类号：S572;X71         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0018-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.003 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Circular agriculture and green low carbon is an important way of promoting the construction of ecological civilization. Agriculture to biomass returning carbonized has good development potential in soil improvement. The application of biomass charcoal in soil has an impact on the function of agricultural soil ecosystem by improving soil physical and chemical properties， improving soil fertility and remediation of soil pollution. Based on the physicochemical properties of biomass charcoal and the basic approach of carbonization returning to the field to improve the soil， the research status of biomass charcoal used in soil improvement was systematically analyzed， and the outstanding advantages of biomass charcoal in improving tobacco planting soil was identified. The utilization model of biomass carbonization technology was proposed， and the potential of biomass carbon in tobacco planting soil conservation and nutrition management was discussed.

Key words： biomass carbon; tobacco field; soil improvement; fixing carbon and reducing discharge; technological approach

隨着中国经济进入高质量发展的新时代，低碳发展是生态文明建设的重要途径。党的十九大报告明确指出“加快生态文明建设，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系”。农药、化肥和农膜等现代农业生产资料的大量使用，导致农业生产活动所产生的碳排放与日俱增[1]。据测算，中国农业碳排放以平均每年5%的速度持续增长，严重制约农业可持续发展[2]。随着生态文明建设的深入推进，迫切要求农业增长方式由“粗放型”向“低碳型”转变，依靠绿色全要素生产率驱动农业转型[1]。

生物质炭（Biochar）是由生物质（农林废弃物和动物粪便等）在无氧或者缺氧条件下，通过热化学转化得到的固态产物，是一类高含碳量、高度芳香化的难溶性固体物质，具有较高的热稳定性和较强的吸附特性，是良好的土壤改良剂和重金属吸附剂[3，4]。近年来，随着应对气候变化而提出的温室气体减排任务日益艰巨，在农业领域生物质炭作为一种农业增汇减排技术得到不断开发和应用[3]。生物质炭这一物质形式有可能为这些问题的解决提供新途径，土壤增施生物质炭被认为可以提高土壤碳库容量[5]，有效降低农田温室气体排放，显著提高土壤pH，明显改善土壤结构，持留土壤养分，修复土壤污染。

基于中国农业高质量发展和绿色低碳农业发展的根本要求和趋势，本研究围绕生物质炭理化特性，综述了生物质炭用于改良土壤和影响环境的研究现状，评价利用生物质炭改良土壤所具有的突出优势和潜力，提出了基于生物质炭实现循环农业的技术途径，以期为中国低碳烟草农业的研究和行动提供参考。

1 生物质炭概念及理化特性

生物质炭是生物质在无氧或者限氧状态高温裂解（240～700 ℃）下分离可燃气后剩余的含碳丰富固态产品，原料来源相当广泛[1，3]。生物质炭的元素组成主要有碳、氢、氧。据Demirbas[6]报道，主要元素的比重分别为C（66.6%～87.9%）、H（1.2%～2.9%）、O（10.6%～26.6%），碳、氢、氧之外的元素主要有钾、钙、钠、镁、硅等。生物质炭的元素组成与炭化温度有关，随着炭化温度的升高，其含碳量增加，氢和氧含量降低，灰分（矿质元素）含量有所增加。而灰分的元素组成还与植物生长地的地质、植物种类有关。生物质炭颗粒内的碳形态以多环芳烃为主，还有少量脂肪族、氧化态碳等有机碳[5]，其高度芳香化结构决定了其稳定性。各种碳形态所占比例可能取决于植物细胞结构中碳的特征和炭化条件。

生物质炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积（图1）。针对生物质炭的结构，Jeffery等[5]认为生物质炭因表面疏松多孔且炭骨架高度富集而具有可增强土壤保水保肥的能力，并且生物质炭表面含有大量羧基、羟基、醛基等含氧官能团[6-9]，本试验进行的近红外光谱分析证实了这些官能团的变化，如图2所示。丰富的含氧官能团产生表面负电荷[10]，且呈碱性，从而使生物质炭具有较高的吸附能力和阳离子交换量（CEC）。此外，高度发达的孔隙结构和表面负电荷赋予生物质炭很强的吸附性能，能吸附水、土壤中的无机离子及极性或非极性有机化合物[11]。

2 生物质炭还田对植烟土壤的影响

2.1 生物质炭对土壤理化性质的影响

生物质炭呈弱碱性，且具有较高的阳离子交换量，施入土壤后可以提高酸性土壤pH，增加土壤阳离子交换量。有学者指出，增施生物质炭还可以增加土壤团聚体数量，改良土壤结构[12]。Hoshi等[13]在pH为4.3的茶园土壤中施0.5 kg/m2竹炭，施用后连续2年土壤pH提高了0.5～1.0。曲晶晶等[14]研究发现，施用小麦秸秆炭可降低土壤容重，提高土壤pH，增加土壤团聚体数量。Glaser等[15]研究显示，施入竹炭后可引起土壤可交换性盐基离子数量明显增加;潘根兴等[3]进一步推断，生物质炭进入土壤后，其芳香结构边缘在生物或非生物的氧化作用下能形成羧基官能团，进一步增加对阳离子的吸附。在红壤中添加小麥秸秆炭培养1年后发现，红壤水稳定性团聚体数量增加，土壤容重降低，红壤性质得到明显改善[16]。

由于富铝化作用和淋溶作用，中国南方烟区植烟土壤多呈酸性，pH多集中在4.5～5.5，少数烟区的pH可达6.0，致使农田土壤结构紧实，通透性差，土壤团聚体数量较少，呈碱性的生物质炭作为土壤调理剂和调结构剂将有望缓解土壤酸化的问题。

2.2 生物质炭对土壤养分利用率的影响

2.2.1 对有机质含量的影响 土壤有机质（SOM）是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，其含量是有机质积累和矿化分解平衡的结果。生物质炭具有较高的稳定性，矿化速度慢，施入土壤可提高土壤有机碳含量。周桂玉等[17]研究了生物质炭对土壤有效养分的利用效率和腐殖质的组成，将不同量的秸秆生物质炭添加到草甸黑土中，在施入土壤45 d后，土壤有机质的含量与生物质炭施用量呈正相关，从对照处理的16.2 g/kg增加到2%生物质炭处理的29.2 g/kg，这与Middelburg等[18]通过研究证实炭化的植物残体有助于土壤有机质积累结论一致。王丽渊等[19]通过盆栽试验研究了添加不同量（0、0.35%、0.70%、1.05%）生物质炭对烤烟根际土壤的影响，结果表明，在烤烟移栽35、50、65、80、95 d后，根际土壤有机质含量均随着生物质炭添加量的增加而显著提高，添加0.35%生物质炭处理的有机质含量增加7.9%～42.7%，添加0.70%生物质炭处理的有机质含量增加16.21%～108.52%，添加1.05%生物质炭处理的有机质含量增加43.48%～121.94%，且增施生物质炭各处理的有机质含量均在烤烟移栽50 d后增幅最大。综上所述，生物质炭的施用能提高耕层土壤与植物根际土壤的有机质含量。

2.2.2 对土壤矿质营养吸收的影响 矿质营养吸收是作物栽培领域关注的重点指标之一。生物质炭独特的多孔三维结构和比面积增强了对矿物质的吸附性能，被认为可以吸附和保持土壤矿质营养元素，有效减少因雨水过多造成的氮、磷流失，而相应提高留存于土壤中的养分，促进作物根系吸收。花莉等[20]研究表明向褐土中添加玉米秸秆炭一段时间后，各添加处理的土壤渗滤液中总氮和总磷质量浓度均小于对照处理。Lehmann等[21]指出当生物黑炭和肥料配施后，生物质炭可以通过吸附NO3-和NH4+，减少土壤的氨挥发与氮素流失来提高氮肥利用率。曲晶晶等[14]得出相似结论，认为施用生物质炭提高水稻的氮肥吸收利用率达20.33%。添加生物质炭可以提高土壤中有效养分的含量。周桂玉等[17]认为生物质炭对有效磷、钙、镁的提高效果较明显，但对氮和钾的作用不显著。Topoliantz等[22]也曾报道施用生物质炭能增加有效P、K、Mg和Ca含量。王丽渊等[19]连续2年的研究结果表明施用生物质炭可以提高烤烟生长期内根际、耕层土壤速效钾含量。

2.3 生物质炭的固碳减排潜力

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径，促进土壤碳截获对减缓全球温室效应具有重要意义。ICPC AR4报告中提出，农业是当前一个具有很大缓解能力和潜力的重要的陆地生态系统，全球农业减排的自然总潜力高达CO2-eq 7 300（负1 100～16 900）Mt/年，其中93%来自减少土壤CO2释放（即固定土壤碳）。东南亚被认为是全球最大的农业（土壤）固碳与温室气体减排的潜力所在[23]。

在陆地生态系统中，植物通过光合作用所固定的大气CO2，50%用于自身呼吸作用，而另外的50%通过凋落物等植物残体的形式进入土壤，经过土壤微生物的作用释放到大气中，这个平衡称之为“碳中性”。如果凋落物经过高温热解，可产生25%的生物质炭归还土壤，由于生物质炭的化学和微生物惰性以及土壤团聚体的物理保护使得其成为土壤的惰性碳库，只有5%的碳经过土壤微生物的作用重新释放到大气中，而土壤多固定了20%的碳，这样就产生净的碳吸收，这个平衡称之为“碳负性”[24]。生物质炭的土壤施用通过施入稳定性碳来改变土壤碳库的自然平衡，从而达到大幅度提高土壤碳库容量的目的。与秸秆直接还田条件下新鲜有机碳迅速转化相比，秸秆炭化还田减缓了有机碳的更新，并通过减少其他温室气体排放而表现为碳汇过程。因此，植物通过光合作用固定CO2，收获的秸秆热裂解后，50%左右的碳以生物质炭的形式被固定，埋于土壤的生物质炭就变成碳的净汇。

生物质炭的施用可以降低土壤呼吸强度，减少土壤温室气体排放。有研究表明，增施生物质炭使得盆栽大豆和牧草全生育期N2O排放量减少50%～80%，并几乎不排放甲烷[25]。N2O排放量的减少可能是由于生物质炭施入后土壤容重降低，通气性改善，土壤碳氮比升高，限制了氮素的微生物转化和反硝化。花莉等[20]研究显示除在秸秆炭添加初期外，添加秸秆炭各处理土壤呼吸强度均弱于对照组。到黑麦草收割时，添加2%和4%秸秆炭的处理比对照呼吸强度分别降低了26%和50%。

2.4 生物质炭对土壤重金属污染的修复作用

生物质炭对重金属有很高的吸附容量，可降低重金属的生物有效性。用取自污染场地的土壤进行了为期60 d的培养试验，结果表明，加入生物质炭使土壤孔隙水中镉的浓度降低到原来的1/10，从而减少了镉的生物利用度。周建斌等[26]研究了棉秆炭对镉污染土壤的修复效果以及镉污染土壤上小白菜（Brassiea chinensis）对镉的吸收，结果表明棉秆炭能够降低小白菜对土壤中镉的利用。此外，用牛粪制成的生物质炭对水溶液中铅的吸收率可达100%[27]。生物质炭可以增强土壤保持重金属元素镍、铜、铅和隔的能力。这可能与生物质炭巨大的表面积及其表面的官能团对重金属元素等的保持能力有关。也有研究表明，烟叶中的镉、镍、铅等重金属元素的含量与pH呈负相关，所以土壤酸性越强，重金属的含量也就越多。生物质炭可以通过提高土壤pH降低重金属在土壤中的移动性，增强土壤对重金属的保持能力，降低烤烟对重金属的吸收率。

因此，煙田中施用生物质炭，可以降低烤烟大田生长期对重金属的吸收，减少卷烟重金属含量，提高卷烟安全性，将有助于缓解吸烟与健康问题，应对公众对烟草危害健康的恐慌，同时有利于中国卷烟质量与国际标准接轨，拓展国外市场。

2.5 降低因施用农药、化肥等带来的农业面源污染

农田土壤中增施生物质炭可以通过吸附固定农药残留或其他土壤有机污染物，降低由此带来的地表水、地下水次生污染。添加生物质炭后的土壤，表现出对农药残留的吸收和固持，从而减少污染物下渗或随地表径流污染水体，同时降低残留农药的生物利用度。Spokas等[28]用木屑制成的生物质炭添加至土壤，发现当土壤中这种生物质炭含量达5%时，对莠去津、乙草胺2种除草剂的吸收量会明显增加。生物质炭对土壤中的苯脲类除草剂也有很好的固定效果;对杀虫剂的吸附能力是土壤的2 000倍[29，30]。增施生物质炭可使土壤空隙水中多环芳烃的浓度降低50%[31]。值得一提的是，有研究发现在施用生物质炭的土壤中，2种农药（毒死蜱、氟虫腈）的残留率虽然较高，但所栽种的韭菜对农药吸收率却明显降低[32]。

3 生物质炭对作物生长发育及产质量的影响

3.1 对作物生物量、产量的影响

Kimetu等[33]发现2年中3次连续施用生物质炭（7 t/hm2）使得玉米的产量增加一倍。花莉等[20]研究表明添加秸秆炭处理的黑麦草植株健壮，叶片色泽鲜亮，且随着秸秆炭使用量的增加，植株的生长更为茂盛。与不添加生物质炭的处理相比，1%秸秆炭处理的黑麦草生物量在第90天增加了20%，4%秸秆炭处理的增加了68%。Major等[34]指出在富含生物质炭的土壤中，野草植株对地表的覆盖率比单独施用无机肥料时提高了46%。Steiner等[35]发现与仅施无机肥料相比，增施生物质炭的土壤谷物产量提高了2倍。当以500 kg/hm2的标准向火山灰壤土中施加生物质炭时，大豆产量增加了5l%[36]。张伟明等[37]研究了重金属污染土壤中添加秸秆炭对水稻生长的影响，表明不同秸秆炭处理均提高了水稻光合速率，显著增加了水稻产量。

3.2 对烤烟产量、质量的影响

龚亚琴等[38]认为烟田施用生物质炭可以显著增加烟株对磷、钾养分的吸收量，从而有利于烟株的生长，其中施用烟秆生物质炭比玉米秆生物质炭更能促进烟株的生长。刘新源等[39]认为烟田按照     1 575 kg/hm2的量施用生物质炭，可以促进烟叶生长和产量的提高，且随着生物质炭施用量的增加，烟株干质量和产量也增加，但当生物质炭施用量达到一定量（2 025 kg/hm2）时，烟叶的品质开始下降。王丽渊等[19]研究也有相似结论，生物质炭提高了烤烟大田生长后期根、茎、叶各部位的干物质积累。据此，在烤烟的生产实践中可考虑适当施用一定量的生物质炭以进一步提高烤烟种植的生产效益。张园营等[40]研究表明烟田施用生物质炭可以延长烤烟的大田生长期，使得烟叶内在物质更加充分转化，利于烟叶品质的形成。生物质炭施用量为750～1 125 kg/hm2时，烤后烟叶石油醚提取物含量增加12%，中性致香物质总量大幅提高。生物质炭还可以显著提高团棵期以后各生长阶段烟叶叶绿素、类胡萝卜素含量，这与生物质炭显著提高烤后烟叶致香气物质相一致。

王丽渊[41]研究表明，随着生物质炭用量的增加，烟叶总氮和烟碱含量有不同程度地提高，但其含量均未超过优质烟叶适宜范围。生物质炭对植烟土壤钾元素含量的贡献，对生产优质烟叶有重要意义。针对中国黄淮烟区烟叶钾含量偏低的问题，建议在烤烟的生产实践中可适当施用一定量的生物质炭，以提高烟田有机质含量，减少因雨水而造成的土壤养分流失，提高土壤有效养分含量，尤其是钾元素含量。在“降焦减害”的大背景下，随之带来的烟碱稀释使得高烟碱含量的烟叶将显示出更大优势。

4 生物质炭化还田模式与科学问题探讨

4.1 生物质炭化还田技术模式

生物质炭化还田是中国发展循环农业的重要途径之一。河南省生物炭技术工程中心开展了秸秆炭化技术工程化研究，以生物质炭为原料研制了不同产品，2016年9月在河南省洛宁县建设了年产5万t生物质炭基肥生产线，技术模式如图3所示。生物质炭化还田技术是该生产线的技术核心，该设备采用双层套筒倾斜平式设计对原料进行高温快速炭化，炭化过程中可以自由调控反应器的炭化温度、升温速率、滞留时间等关键技术参数，并可根据不同生物质特性以及不同需求，调控设备转速与滞留时间，生产出适合不同品质的生物质炭原料。该技术模式经过3年的运行表明，农作物秸秆炭化还田技术具有良好的发展潜力，有利于促进中国循环农业和生态农业的发展。

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