生物炭在设施蔬菜生产中的应用研究进展

张功臣 王 波 秦玉红 李 磊 张守才

（青岛市农业科学研究院，山东青岛 266100）

生物炭（biochar）通常是指由农林生物质废弃物（如锯木屑、秸秆、稻壳、粪肥等）在无氧或缺氧状态下经相对低温（≤700 ℃）热裂解成的固态富碳物质，其主要用于耕地土壤改良和环境污染修复等领域，以此区分于用作烧烤或取暖的木炭（Lehmann &Joseph，2009；Chen et al.，2019）。生物炭的使用可以追溯到前哥伦比亚时期，亚马逊原住民利用在土坑或战壕中燃烧农业废弃物产生的黑炭改良土壤，提高作物产量。欧洲移民称这些燃烧之后的黑炭为黑土。亚马逊地区的土壤在经历了上千年的历史演变后依然是世界上最肥沃的土壤，这其中黑土发挥了至关重要的作用（王典 等，2012）。

生物炭不仅在固碳减排领域发挥巨大的作用（Lehmann，2007），还广泛应用于土壤改良、水土保持、重金属污染修复等农业生产领域（Wu et al.，2019）。近年来，生物炭在蔬菜栽培中的应用研究取得了诸多进展，如改良退化菜地土壤、促进蔬菜作物生长、增强蔬菜作物抗病性和抗逆性等。本文聚焦于生物炭在设施蔬菜生产中的应用，综述了生物炭在改良设施土壤、提高设施蔬菜产量及抗逆性等方面的研究进展，并提出了今后的发展方向，以期为设施蔬菜绿色发展提供新的思路。

1 生物炭的制备及理化特性

1.1 生物炭的制备

生物炭的生产方法主要有限氧或无氧热裂解、气化、水热碳化和闪蒸碳化等（金梁 等，2015）。目前常用的生物炭制备方法主要是热裂解法，根据热裂解温度和滞留时间又可以分为慢速裂解法和快速裂解法（Wang &Wang，2019）。慢速裂解法是将生物炭原料提前放入反应釜中，逐渐升温至所需温度，维持半小时至几小时完成碳化。快速裂解法是将生物炭原料直接投放到已经升温至目标温度的反应釜中，瞬间完成碳化过程。慢速裂解法因其具有生物炭产率高、易操作等优点，是生产中生物炭的主要制备方法。

生产生物炭的设备多种多样，既有大型多联产式炭化设备，也有小型、中型可移动式炭化炉（张伟明 等，2019）。大型多联产式炭化设备价格高昂，综合生产成本高，仅适合于具备对秸秆进行集中收储运输条件的大型农场。科研人员针对我国大部分地区耕地小而分散的国情，研发的低成本、可移动式小型炭化设备，适于分散型秸秆资源，突破了秸秆收储运的限制，使得生物炭的大量制备利用成为可能（张伟明 等，2019）。

1.2 生物炭的理化特性

生物炭是一类含碳量丰富、具有良好多孔性结构、理化性质稳定的物质，其表面含有羟基、羧基等多种官能团。因此，生物炭具有吸收和吸附两种特性，生物炭中的大小孔隙可以贮存空气、吸收水分和养分，而巨大的表面积及其表面携带的电荷可以吸附离子及带电化合物（Wilson，2014）。生物炭和富含有机质的粪肥混合堆肥后，在生物炭多孔隙的表面形成一层营养丰富的有机覆盖层，有机覆盖层增加了生物炭的亲水特性、氧化还原特性以及中小孔隙，进而增强了生物炭的持水性和养分保持能力，在促进作物生长方面发挥重要作用（Hagemann et al.，2017）。

生物炭除了含有大量的碳还含有一定量的氮、磷、钾等养分，特别是作物秸秆来源的生物炭含钾量丰富，可以供给作物生长所需养分。生物炭理化性质受原材料来源、裂解温度、裂解时间等因素的影响，同种类或不同种类之间差异较大。如表1 所示，生物炭的含碳量在17.41%～72.38%，含氮量在0.59%～3.00%，含磷量在0.20%～3.00%，含钾量在0.60%～7.75%等较大范围内发生变化。

表1 常见代表性生物炭的养分特性

通常作物秸秆和畜禽粪肥等原料来源的生物炭呈碱性（pH ＞7.5），这主要是因为生物炭在裂解过程中会有碳酸盐、磷酸盐以及灰分的形成（Downie et al.，2009）。Yuan 等（2010）发现生物炭表面的-COO-和-O-等有机官能团和生物炭中的碳酸盐是碱的主要存在形态，碳酸盐对生物炭碱的贡献随制备温度的升高而增加，有机官能团的贡献呈相反的趋势。因此生物炭的pH 随裂解温度的升高而升高。然而，部分木材来源的生物炭的pH 值较低甚至呈酸性，例如在300 ℃条件下裂解的桦木生物炭pH 值低至4.48（Enders et al.，2012）。

2 生物炭改善设施土壤理化性状

设施蔬菜栽培具有生产高度集约化，长年连作及不平衡施肥引起土壤板结、盐渍化、酸化等土壤障碍，严重降低蔬菜产量和品质。生物炭在设施连作土壤改良、连作障碍绿色防控方面应用前景广泛，其作为土壤改良剂使用时，可均匀撒施于土壤表面，通过翻耕混匀，也可以采用垄施或沟施的方法集中施用（张伟明 等，2015），施用量一般在5～40 t·hm-2之间（韩召强 等，2018；肖婧 等，2018；黄修梅 等，2019）。生物炭生产成本较高，过高的生物炭施用量在生产中难以推广利用。此外，将生物炭与其他化学肥料或有机物料、微生物菌剂等进行科学混配，开发生物炭基肥，改善土壤结构，提高土壤肥力，可提高生物炭的附加值，促进生物炭的科学利用（李嫚 等，2019）。

2.1 降低土壤容重

生物炭含有丰富的多孔隙结构，施入土壤后能显著降低土壤容重，改善植物根系生长环境。潘洁等（2013）研究发现，日光温室土壤中施入7.5～30.0 t·hm-2棉花秸秆炭可降低土壤容重2.65%～15.73%。陈红霞等（2011）通过华北平原高产农田3年定位试验研究发现，土壤中施用2 250 kg·hm-2和4 500 kg·hm-2生物炭，耕层0～7.5 cm 土壤容重降低幅度分别为4.5%和6.0%。王彩云等（2019）研究发现，施用5%的玉米秸秆炭可显著降低连作6年和10年的设施土壤容重。

2.2 提高土壤养分含量

生物炭对土壤养分的影响较为复杂，土壤养分含量与生物炭类型、施用量、土壤类型和施入时间等密切相关。生物炭施用后可提高设施土壤中的C、N、P、K、Ca、Mg 等养分含量（程效义 等，2017；王彩云 等，2019）。生物炭中钾含量特别丰富，施用生物炭显著提高了土壤速效钾含量，且随生物炭施用量的增加，土壤速效钾含量升高。然而生物炭对土壤有效磷含量并无显著影响，对土壤碱解氮含量的影响因作物类型而异（李丽 等，2018）。此外，也有研究表明生物炭单一施用对土壤碱解氮含量无明显的改善（Bi et al.，2017；Boersma et al.，2017）。由于设施土壤肥力处于较高水平，而生物炭中养分含量有限，其施入后提高土壤养分含量，促进作物增产的效应在实际生产中难以观测。

2.3 提高作物养分利用率

提高化学肥料利用率是我国设施蔬菜生产中亟待解决的难题。李大伟等（2016）研究发现，生物炭基肥与化肥配施可以显著提高番茄、辣椒产量和氮素农学利用率。Li 等（2017）研究发现，蔬菜集约化生产中施用生物炭可显著提高氮肥偏生产力（PPFN）和氮素表观利用率（ARN），并且这种作用效果随着氮素投入量的增加而降低。然而，也有研究表明生物炭施用对氮素利用率并无显著影响或受其他因素影响较大。Zhu 等（2014）在酸性红壤土利用15N 标记的肥料评估玉米的氮素利用率，在7 个土壤样本中，仅有2 个样本施用生物炭可提高氮素利用率，其余5 个样本施用生物炭后氮素利用率与单施化肥相比并无显著差异。Wang 等（2017）开展连续4 个种植周期的蔬菜栽培试验，发现生物炭和生物炭堆肥处理对氮素利用率的影响存在种植周期的差异。程效义等（2016）报道，生物炭对氮肥利用效率的影响与生物炭的施用量有关，棕壤玉米旱田氮肥利用效率随着生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势，与单施氮肥相比，在施氮基础上增施20 t·hm-2的生物炭时氮肥利用效率提高6.21%，而增施40 t·hm-2的生物炭时氮肥利用效率反而下降16.97%。因此，需要更多的研究证据阐释生物炭施用对蔬菜集约化种植中氮素利用率的影响。

3 生物炭在设施蔬菜抗病中的应用

生物炭可诱导蔬菜作物产生系统抗性，提高植株抗病能力（Elad et al.，2010）。Mehari 等（2015）报道，施用生物炭可以诱导番茄系统抗性，降低灰霉病的发病率，且这一作用效果依赖于茉莉酸途径。Lu 等（2016）研究发现，施用生物炭可以显著降低土壤中青枯病病原菌的数量，降低番茄青枯病发生率，主要是由于生物炭的施用提高了土壤肥力和土壤酶活性，导致土壤细菌群落结构变化，进而提高番茄的抗病能力（Gao et al.，2019）。生物炭的这一特性拓展了其在农业生产中的应用价值，具有良好的开发潜力。

4 生物炭在盐渍化土壤改良方面的 应用

连续多年种植的设施土壤存在不同程度的盐渍化现象（黄绍文 等，2016；李涛 等，2018）。生物炭为解决这一问题提供了新的方向，其良好的离子交换能力以及较强的吸收吸附特性对改善设施土壤次生盐渍化具有很好的效果（She et al.，2018）。前人研究中详细阐述了生物炭用于盐渍化土壤改良的机遇与挑战（Ali et al.，2017；Saifullah et al.，2018）。生物炭施用可以通过提高土壤有机质和养分含量（特别是K+、Ca2+、Mg2+等阳离子含量）、增加阳离子交换量以及表面积、稳定土壤结构、改善土壤物理性状、增加多价阳离子含量、促进Na+置换等途径改良盐渍化土壤（Saifullah et al.，2018）。同时，生物炭还可改善土壤微生物群落结构，促进有益微生物的定殖，提高作物耐盐性（Zheng et al.，2018）。此外，生物炭还可以加速土壤中盐分的洗脱，减少土壤中盐分的滞留（Yue et al.，2016）。

5 生物炭与根际微生物协同提高蔬菜抗逆性

5.1 生物炭改善土壤微生态

健康的土壤微生物群落结构对作物生长至关重要。施用生物炭可以直接或间接地引起土壤微生物群落结构变化（韩光明 等，2012；黄修梅 等，2019）。一方面生物炭通过提高土壤pH 值，增加土壤持水性能，以及C、N、K、P、Ca、Mg 等养分含量，作为生长促进因子促进土壤微生物生长（Palansooriya et al.，2019）；另一方面，生物炭良好的多孔性结构和表面积为微生物提供了生存空间，有利于微生物的定殖（Jaafar et al.，2015）。邹春娇等（2015）研究发现，施用生物炭后连作黄瓜栽培基质内细菌和放线菌数量增加，而真菌数量则降低，并且生物炭处理能够显著提高基质内细菌的群落结构多样性。王彩云等（2019）也报道，生物炭处理连作黄瓜土壤显著提高了土壤细菌数量，降低了真菌和尖孢镰刀菌数量，使土壤类型由真菌型向细菌型转变，同时生物炭处理显著提高土壤微生物活性、Shannon 指数和均匀度指数。土壤微生物群落结构受多重因素影响，研究发现土壤细菌和总微生物丰度与土壤可溶性有机碳含量呈正相关，生物炭和秸秆共同处理可显著提高连作番茄土壤细菌和总微生物丰度（Zhang et al.，2018）。土壤微生物菌群结构劣变是连作障碍发生的主要原因之一，生物炭改善土壤微生物群落结构的良好潜力为连作障碍防控提供新途径。

5.2 炭菌协同提高作物产量及抗逆性

生物炭和微生物菌肥配施对改善土壤理化性状、促进作物生长、提高作物产量等方面具有协同促进作用（Saxena et al.，2013；Akhtar et al.，2015；Egamberdieva et al.，2018）。在非盐胁迫条件下生物炭和丛枝菌根同时施用可显著促进叶用莴苣（生菜）生长，生菜的地上部生物量显著高于两者单独施用处理，说明生物炭和土壤共生微生物存在协同作用（Hammer et al.，2015）。生物炭、堆肥和根际促生菌协同施用可显著促进干旱胁迫条件下黄瓜生长，缓解干旱胁迫伤害（Nadeem et al.，2017）。因此，生物炭与根际促生菌配施或生物炭作为载体制备生物炭基菌肥在农业生产中具有良好的应用前景（Hale et al.，2014，2015；王潇敏，2016；Sun et al.，2016）。然而，目前有关生物炭与根际促生菌协同改善土壤理化性状、提高作物抗逆性的研究在大田作物，如小麦、玉米上报道较多（Danish &Zafar-ul-Hye，2019；Ijaz et al.，2019；Sarfraz et al.，2019；Danish et al.，2020），在蔬菜作物上报道较少，两者协同作用机理还不十分清楚。

6 展望

设施蔬菜栽培具有高度集约化、高肥水投入、高产出等特点。但是长期的连作种植、不平衡施肥使得菜地土壤理化性状持续恶化，土壤酸化、次生盐渍化、自毒物质积累、微生物菌群失调等连作障碍现象频发；此外，化肥农药的大量投入带来了土壤面源污染、生态平衡破环等严重的环境污染问题。改善蔬菜种植土壤条件，减少或控制化肥农药的过度投入是目前蔬菜生产面临的重要问题。农林生物质废弃物为来源的生物炭因其在固碳减排、资源循环利用、水土保持、土壤重金属修复、连作土壤改良等方面的良好表现（Wu et al.，2019），为设施蔬菜绿色可持续生产提供了新的解决方案。

目前，生物炭在蔬菜上的应用报道较多，主要集中于可控环境条件下的盆栽试验或短期试验研究，且研究内容主要集中于生物炭对土壤理化性状和作物生长的影响，多为描述性报道，相关深入作用机理的报道较少。因此，今后研究中应注重生物炭施用的长期作用效果及机理解析，将盆栽试验和田间试验相结合，重点关注生物炭在蔬菜作物抗病、抗逆（盐胁迫、干旱胁迫）等方面的作用机理。此外，生物炭目前生产成本较高，秸秆炭市场价约为2 000 元·t-1，为提高生物炭产品的附加值，降低使用成本，一方面应加强新型炭基产品研发及示范应用，如生物炭基有机肥、生物炭基菌肥、改性生物炭等；另一方面还需要创新生物炭制备工艺和施用方式，生产中配套相应的炭化设备和施用机械，便于推广应用。