生物质碳在农业中的应用

吴丽凝　叶永上　刘羽　林欣瑜　沈桂钊

摘要 目前我国还有大量的生物质碳废弃物未得到有效利用，将这些大量未得到利用的生物质废弃物在缺氧或者无氧的条件下发生热化学反应，可生成一种含有大量碳素的孔隙结构的固体颗粒物质，也就是俗称的生物质碳。生物质碳含有农作物生长所需要的营养元素，拥有较强的吸附性和一定的持水性，在农业生产中具有重要应用，可为农作物和土壤提供养分、提高土壤pH值或作为缓释肥料。主要阐述了生物质碳在农业上的应用。

关键词 生物质碳;农业;应用

中图分类号：S216.2 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）11–0120–02

农业发展与人们的日常饮食息息相关，随着工业化进程的加快，世界范围内每年都会产生生物质废弃物大约有百亿吨，把这些含有大量碳的生物质废弃物在无氧或者缺氧条件下通过热化学反应转变成生物质碳，将其添加到土壤中，达到改善土壤理化性质和增产的目的，提高生物质废弃物利用价值的同时推动农业高效、可持续发展。

1 生物质废弃物的来源

生物质碳的制备原料充分，林业废弃物、农作物废弃物和人们生活的有机垃圾等均是生物质废弃物的主要来源。生物质碳废弃物每天都在以肉眼可见的速度增加，世界范围内每年所产生的生物质废弃物数量高达百亿吨。农作物废弃物是生物质废弃物的主要来源之一，据不完全统计，我国每年所产生各种各样的农作物秸秆废弃物就有7亿～10亿 t左右，其中30%的农作物秸秆没有得到有效利用。此外，国内居民生活有机垃圾堆积量也已高达70亿 t。目前我国城市内的有机生活垃圾量仍在以平均每年4.8%的速度增长。大量的生物质废弃物未能得到有效利用。将这些大量未得到利用的生物质废弃物在缺氧或无氧的条件下使之发生热化学反应，可以生成一种含有大量碳素的孔隙结构的固体颗粒物质，即生物质碳。

2 生物质碳的定义

生物质碳是由生物质废弃物在限氧的条件下经过热分解转变成的。生物质碳由碳、氢、氧3种元素构成，还含有少量的灰分。生物质碳的碳含量与热分解温度呈线性相关，若在生物质废弃物热分解过程温度越高，生物质碳的含量也就越高。生物质碳在农业、治理环境污染等方面有重要的应用，具有很好的绿色发展前景。目前生物质碳在农业上的应用主要体现在以下4个方面。

2.1 固碳作用

生物质碳可以将农作物的有机碳转变为惰性碳，减低了土壤中的微生物对有机碳的利用能力，因此能够提高土壤封存碳的能力。

2.2 作为缓释肥料的载体

生物质碳的稳定性强，可在土壤中保留2000年左右，可作为缓释肥料的固体载体，制成新型的肥料，减少有机化肥在农田的使用，因此在农田上起到温室气体减排的效果。

2.3 提高农作物的产量及其品质

生物质碳本身含有大量营养元素，适量添加生物碳到土壤中，一方面可以改善土壤的理化性质，另一方面可为农作物提供了长所需要的营养物质，从而提高农作物的产量及品质。

2.4 在酸性土壤中的应用

生物质碳呈碱性，可以升高酸性土壤的pH值，使农作物能更好地生长。目前生物质碳作为具有绿色发展前景的物质，被广泛应用农业上。

3 生物质碳对土壤的作用

生物质碳能与土壤中的矿物质结合，提高土壤营养物质的含量，对提高农作物的产量和改善土壤的理化性质起着重要作用。生物质碳还是绿色环保的土壤改良剂，有修复土壤的作用。生物质碳的pH值一般为5～12，呈碱性，生物质碳碱性物质以碳酸盐为存在的主要形式，其表面含氧活性官能团对酸碱有一定的缓冲能力，添加生物质碳到土壤中，可以增加土壤的pH值，起到降低土壤酸性的作用。我国酸性土壤主要分布在东南地区，目前我国土壤酸化程度和酸化面积正逐年增加。土壤偏酸不利于农业的发展，会导致农作物的根壞死、大量养分流失、泥土厚重，不适合农作物的种植等。Novak等[1]研究表明添加适量的核桃壳生物质碳到酸性土壤里，土壤的pH值由原来的4.8上升到6.3，生物质碳可以改变土壤的酸碱度，使得土壤更加适合农作物的生长，从而对提高农作物的产量具有一定的作用。

由于生物质碳有着丰富的孔隙结构和大量的含氧活性官能团物质，因此具有一定的持水能力，但随着在生物质碳制备过程中热分解反应温度越高，生物质碳的持水能力就变得越弱。此外生物质碳具有较强的吸附特点，可吸附土壤和农作物所需要的营养元素、能减少土壤的养分流失、提高农作物对营养物质的利用效率及加强土壤的肥沃。施加生物质碳到土壤里，可以增加土壤的孔隙度和保水能力，还能降低土壤容重。有研究表明[2]，添加生物质碳到土壤中，土壤容重降低了9%。生物质碳的多孔结构也为微生物群落提供了较大的生存空间，防止其因空间不足或者密度较大而导致营养物质枯竭死亡，在一定程度上提高了微生物菌群的活性，起到维持土壤生态平衡的作用。

生物质碳可以加深土壤的颜色，从而促进太阳能的吸收，提高土壤的温度，缓解春寒和冬寒对农作物的损害。生物质碳富含大量的含氧官能团，这使得其表面带有负电荷，因此生物质碳拥有较强的阳离子交换能力（CEC）。添加其到土壤中可以增加土壤的阳离子。根据杜衍红等[3]的研究，在红壤中添加10%的稻壳生物质碳，土壤的阳离子交换能力提高了214%。

此外，生物质碳是一种高度芳香化的物质，生物质碳的高度芳香化结构特点使得生物质碳具有较强稳定性，它可以和土壤中的矿物质结合，降低微生物分解泥土中营养物质的速度。生物质碳也具有固碳能力，能将农作物中的有机碳转变成惰性碳，不但增加了土壤中碳的含量，而且减少温室气体向大气的排放[4]。据统计显示，添加1 t的生物质碳到土壤里，就会有2.15 t的CO2被固定到土壤中，1 t的生物质碳可以代替氮肥0.58 t。添加1 t的生物质碳可以获得的固碳减排效益大概为13.15美元。将生物质碳当作缓释肥料载体，制造成有机复合肥，这样不仅可以促进农作物生长，还能有利于减少有机肥料的使用。

农田中NO2的排放量与使用有机肥的含量有关。使用有机化肥会导致大量的NO2产生。因此，在农业上使用生物质碳还能降低使用有机肥料对环境所造成的污染。添加生物质碳到土壤中改善了土壤性质，在促进农作物产量的同时，更好地提升了农作物的品质，使得蔬菜等农作物产量提高28%～48%。生物质碳在农业上具有良好的应用前景，是农业发展的又一推动力。

4 结束语

制成生物质碳的原料充分，所需要的技术和成本不高，生物质碳在农业发展上有着十分重要的应用，如改良土壤的理化性质、土壤固碳、作为缓释肥料载体、降低土壤酸性等。

参考文献

[1] Novak J M， Busscher W J， Laird D L， et al. Impact of biochar amendment on fertility of a Southeastern Coastal Plain soil[J]. Soil Science， 2009，174（2）： 105-112.

[2] Oguntunde P G， Abiodun B J， Ajayi A E， et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 2008（4）： 591-596

[3] 杜衍紅，蒋恩臣，刘传平，等.生物质碳对华南典型红壤水分渗透及持水性的影响[J].生态环境学报，2019，28（2）：276-282.

[4] Goldstein B D. Erythrocyte glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency does not pose an increased risk for black Americans exposed to oxidant gases in the workplace or general environment[J]. Toxicology and Industrial Health， 1985， 1（1）： 75-80.

责任编辑：黄艳飞

Application of Biochar in Agriculture

WU Li-ning et al（Beijing Institute of Technology Zhuhai， Zhuhai， Guangdong 519088）

Abstract At present our country still have a lot of waste biomass carbon has not been used， these are not get use of biomass waste for its lack of oxygen or thermal chemical reaction in anaerobic conditions， The formation of a solid granular material containing a large amount of carbon pore structure， which is commonly known as biomass carbon. Biochar contains nutrients needed for crop growth and has strong adsorption and certain water holding capacity. Biochar therefore has important agricultural applications， such as providing nutrients to crops and soils， raising soil pH value， and as a slow-release fertilizer. This paper described the application of biochar in agriculture.

Key words Biochar; Agriculture; Appli-cation

作者简介 吴丽凝（2002—），女，广东湛江人，主要从事生物工程研究。

收稿日期 2021-09-10