生物炭的研究现状与农业推广应用分析

闻艺 王昌梅 张无敌 徐锐 王润 宋荣平 何姝彦 李静秋 刘安琪 马敏 刘青松 孔令熙 张成昊 李扬

摘要 在加快推动以清洁低碳为导向的新一轮能源变革、减少二氧化碳排放与实现绿色生态可持续发展的背景下，我国生物质能产学研结合得更加紧密，生物炭的研究日益成熟，在大力呼吁与促进生物炭从实验室推广向产业化、生物炭产品投入农业使用的过程中，还存在需要解决的标准化问题。综述生物炭的性状特征、制备方法、应用现状，指出农业推广应用中需要评估环境、生物风险，展望生物炭在未来农业推广中的应用前景。

关键词 生物炭;研究现状;农业推广;应用分析

中图分类号 S156.2  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）22-0010-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Status and Analysis in Agricultural Extension Application of Biochar

WEN Yi，WANG Chang-mei，ZHANG Wu-di et al （School of Energy and Environment Science，Yunnan Normal University，Kunming，Yunnan 650500）

Abstract In the background of promoting the clean and low carbon oriented new energy revolution to reduce carbon emissions and to realize the sustainable development of green ecological，China's biomass energy production，education and research are more closely combined，the research of biochar matures，the research on biochar is becoming more and more mature.In the process of calling for and promoting biochar from laboratory to industrialization and agricultural use of biochar products，there are still some problems that need to be solved.The characteristics，preparation methods and application status of biochar were reviewed，and the problems existing in the agricultural application were analyzed.Meanwhile，the application prospect of biochar in future agricultural extension was prospected.

Key words Biochar;Research status;Agricultural extension;Application analysis

自工业化以来，日益严重的粮食危机、环境污染和气候变暖等问题逐渐成为制约各个国家和地区经济、社会和生态环境可持续发展的“瓶颈”。如何化解这些危机，成为各国政府和科学家们共同关注的焦点。生物炭的研究和应用在此背景下应运而生。生物炭是木材、粪肥或树叶等生物质在缺氧或者无氧的条件下，经过热解得到的一类高度芳香化的、化学性质稳定的高含碳量的固体物质[1-3]。定义直接或者间接地涉及生物炭的制备条件和在土壤中的应用。与传统的木炭不同，生物炭是以碳储存和应用于环境为目的的，而木炭是生物质作为燃料和能源而进行的碳化产品[4]，二者的主要区别在于最终应用。目前常见的生物炭种类包括秸秆生物炭、木质类生物炭以及固体废弃物类生物炭等。

我国是农业大国，每年农业活动会产生大量的水稻、玉米、小麦、棉花、油菜等作物秸秆。《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》指出，2015年我国秸秆总量约为10.4亿t，是2002年秸秆总量的近2倍[5]。传统的秸秆焚烧会带来严重的大气污染、降低土壤肥力，危害人体健康和影响农业可持续发展;并且由于秸秆在土壤中易降解，改良效果不持久，导致温室气体增加[6]。基于此，可将废弃农作物、废弃农业副产物等制备形成生物炭，以期获得更大的生态、经济效益，实现可持续发展与绿色生态循环。

1 生物炭的研究现状

1.1 生物炭的性狀特征

生物炭是生物质在限氧环境下通过热化学转化得到的产物。农作物秸秆数量多、来源广，是制备生物炭的主要原料[7]。生物炭的表面官能团结构赋予了生物炭诸多的表面化学性质。表面官能团结构主要包括羟基、环氧基、羧基、酰基、羰基、醚、酯基、酰胺基、磺酸基、氨基等，研究者对生物炭上多种官能团结构进行了不同角度的研究[8-9]。

Qian等[10]研究认为，生物炭表面带电，是因为起源于生物炭脂肪性/芳香性表面及其表面官能团的质子化或者解离，能够形成像土壤一样的双电层结构，同时其表面电性受pH的影响较大。

还有研究者对不同原料制备的生物炭进行了研究（表1）。由表1可知，即使是同一种原料，制备生物炭的时间和温度不同，所获得的生物炭特性的灰分含量、碳含量以及pH值等都各不相同;不同原料制备的生物炭，其性质差异特别明显。

1.2 生物炭的制备工艺

生物炭的制备方法可分为热解、汽化、水热碳化、瞬时碳化等[15]，另有分类方法分为批式制备与连续制备。我国目前多数采用的是地窖、砖窑等传统的堆埋裂解方式，这种批式制备的设备构造简单、易于实施、成本也比较低，但是也导致产率低、耗能高、没有热量回收、生产不能连续等一系列问题[16]。

韦思业[17]证实了热解温度和原料种类对生物炭的物理化学性质和结构均有重要影响，同时热解温度的影响要比原料种类的影响要大。结果还发现，低温（<300 ℃）下制备的生物炭的产率较高，并且可较好保留原料中对于改善土壤质量有很大益处的官能团，如羧酸、羟基和羰基等;而在500 ℃以上，表面的活性官能团基本上被去除，生物炭以稳定的高度芳香化碳结构物质为主，较适用于封存。林肖庆等[18]以竹片、山核桃壳、水稻及油菜秸秆4种生物质为原料进行热重分析，研究结果表明，在低温段（300～400 ℃），生物质材料中的纤维素、木质素等组分对生物炭产率影响较明显;400 ℃以上则是灰分含量对生物炭产率影响较大。黄玉威[19]用31种原料制备的生物炭研究表明，随着碳化温度升高，不同原料对生物炭产炭率影响逐渐减小;不論是低温碳化阶段还是高温碳化时期，原料差异对于生物炭产率的影响都比较小。

肖欣[20]对多种生物质原料在不同裂解温度下制备生物炭的极性、疏水性、表面电性、芳香性等物理化学性质进行了研究，发现生物炭在一定温度下的产率取决于生物质材料来源，而生物炭的稳定性则主要由炭化温度决定，且温度越高性质越稳定。

综上可知，生物炭物理化学性质与裂解温度有重要的关联。

1.3 生物炭的应用场景

生物质炭目前广泛应用为土壤改良剂[21]。2017年农业部发布的《农业部办公厅关于推介发布秸秆农用十大模式的通知》中推荐“秸-炭-肥还田改土模式”秸秆资源化利用方法。即将具有丰富的孔隙结构、高度难降解性和碱度特性的秸秆生物炭用以改善土壤肥力，可有效减少温室气体等的产生，同时完善土壤持续的固碳能力。众多学者发表文章强调生物炭的固碳效应并进行关于生物炭在土壤环境中的研究[22-24]。进一步研究发现，生物炭在土壤改良及污染修复等方面也展现出巨大潜力[25-27]。

总体来说，生物炭在农业领域的应用是广泛且相对成熟的。生物炭可以直接还田[28-35]，也可以作为载体生成更加绿色环保可持续的生物炭基肥[36-40]与生物炭基农药[41-42]。在农业领域，生物炭基的复合材料也在监测农药中得到推广与应用。在环境保护与治理方面，生物炭以及通过不同方式改性处理之后的生物炭副产品在吸附土壤和水环境中的重金属元素污染方面有较好的潜力[43-47]。

在一些已经成熟的生物质能运用技术中，生物炭作为新的催化剂与添加剂，也有大量学者探究其添加效果与作用机理[48-53]。例如在厌氧发酵技术中添加不同比例的生物炭，对于厌氧发酵的周期和甲烷产量会产生一定的影响。此外，在电化学领域，现行的锂离子电池对环境污染问题不容忽视，急需对锂离子电池进行技术革新[54]，而生物炭凭借优异的性能、廉价性、易获得性、环境友好等优点脱颖而出，对于生物炭作为负极材料制作锂离子电池的研究也在不断深入与发展[55]。

今后，在探索更多原料来源的生物炭同时，也应对生物炭应用场景的扩展进行探索。

2 生物炭对土壤特征的影响研究现状

2.1 对土壤理化性质影响

在土壤中施入生物炭会达到改良土壤内部结构、提高土壤保水能力的目的。数据表明，土壤中添加生物炭后保水能力达到18%[56]。直径小的生物炭与土壤颗粒结合在一起形成微小团粒结构可增强水分子在土壤中的附着力。生物炭还能降低土壤水分蒸发，保持土壤收缩程度、内部结构，提高土壤持水能力[57];也为传统酸性土壤改良提供了一种新的方向，在改良酸性土壤的同时，也为废弃物资源化利用提供了更多可能[58]。

2.2 对作物产量影响

廖萍等[59]通过田间试验发现生物炭作为酸化土壤改良剂对提高南方双季稻区水稻产量、改良土壤酸化和增加农民收入效果较好。肖和友等[60]采用炭化炉法制备以烟叶、烟秆和玉米秸秆为原料的生物质炭，田间试验发现添加生物质炭能提高烟叶的叶绿素含量、促进烟草生长。陈心想等[61]发现生物炭与肥料混合使用比单施肥料水稻增产更多。唐光木等[62]研究发现在新疆灰漠土施用生物炭量使得作物增产。

但是，也有研究表明，在低于400 ℃的温度下生产的生物炭具有较低的pH、CEC和表面积，因此可能不适合提高土壤肥力[63]。Liu等[64]综合36篇相关文献的研究结果进行Meta分析指出，生物炭施用对氮素淋失会产生先正面后负面的效果。

利用生物炭理化性质影响土壤的pH、土壤碳氮比、土壤保水率等，可对作物的生长周期、果实发育成熟度、产物营养元素比产生影响，但作用机理并不明确，作用效果也存在差异性。小剂量生物炭施加会产生增产、减少氮素淋失等效果，但超过阈值会对土壤微生态、作物产量、作物质量产生负面影响。

2.3 对土壤修复影响 秸秆生物炭在改善土壤通气性、改良土壤酸性、提高土壤阳离子交换量及促进土壤微生物生长方面具有较好的效果。生物炭的添加能够显著降低土壤交换性H+和Al3+，有效减弱活性酸的补充能力，对土壤的酸性改善明显[65-67]。

2.3.1 施入生物炭影响土壤的固氮作用。农业温室气体排放主要是作物在土壤中释放CO 数据统计[68]，我国仅秸秆每年的总产量就达7亿多t。用丢弃的秸秆制作生物炭不仅能够降低环境污染，还可以减少化肥的使用量[69]。与秸秆还田对比，生物炭施入土壤后就变成碳的净汇[70]。

2.3.2 生物炭对于盐碱地土壤的改良具有较好潜力。郑悦[71]对大庆地区盐碱地施加生物炭后土壤养分得到改善，土壤pH值降低，水稻也增产了。张芙蓉等[72]对上海地区盐渍土的改良对比试验也显示，与施用有机肥相比，生物炭显著降低了盐渍土壤的电导率。

在不同地区的盐碱地，生物炭对土壤的改良效果均显著，但其长期还田效应仍不明确，还需要基于田间试验进行长期大量的数据观测。

3 生物炭農业推广应用的机遇与挑战

3.1 应用机遇 2016年国家发展改革委印发的《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》指出，要促进农作物秸秆的综合利用，到2020年在全国建立较完善的秸秆还田社会化服务体系，秸秆综合利用率达到85%以上[73]。

秸秆焚烧会导致大气污染、降低土壤肥力，危害人体健康和影响农业可持续发展。秸秆在土壤中易降解，改良效果不持久。而用废弃农作物、农业副产物等制备生物炭，可获得更大的生态、经济效益，实现可持续发展与绿色生态循环，受到国家政策大力提倡和鼓励。

中共十八大以来，中国发展进入新时代，中国的能源发展也进入新时代[74]。我国要坚持创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，加快推动以清洁低碳为导向的新一轮能源变革，共建清洁美丽世界。

3.2 应用瓶颈与挑战

3.2.1 生物炭使用潜在的环境风险。长期或过量施用生物质炭，可能会对土壤有机碳的质量产生负面影响，减弱土壤有机质活性，从而影响农业土壤质量。Shen等[75]发现富含重金属和不含污染物的生物炭均有固定重金属的作用，但前者会增加轻度污染土壤中重金属的积累。

生物质原料中的各类重金属、有机物等在制备过程中形成小颗粒固体，会对大气环境与周围土壤生态产生影响。Kusmierz等[76]对生物炭工厂附近收集的土壤样品进行PAHs含量分析，发现16种多环芳烃的含量总和在1.80～101.3 μg/g范围内，超过欧洲许多国家的允许范围;土壤中的PAHs潜在来源很大可能与生物炭生产过程相关，与该土壤接触的人群患癌风险较高。研究表明，粉粒状形态生物炭颗粒与人体呼吸系统和心血管系统疾病具有显著相关性，易跟随气流通过呼吸道、皮肤等途径进入人体产生健康风险[77]。

生物炭在还田应用中不可避免地产生土壤重金属的富集与超标。生物炭施加后因其颗粒小、分布广泛，造成施加容易、捡出来难的现状。在后续处理中，富含重金属以及高度熟化后的生物炭该如何处理也是具有生态风险的问题。

生物炭使用长期效果不明确，短期会产生生态、健康风险，因此在推广过程中要谨慎，有待进一步探究。

3.2.2 施用生物炭导致成本增加。

凌遵学等[78]发现虽然一次性施用足量的生物炭基尿素可替代常规分次施肥，节省施肥次数及施肥用工数，但单位面积施肥成本高，其虽节省工费，但生物炭基尿素单价高，并需配施磷、钾肥，单位面积的成本反而高于现行使用的缓释剂。因此，生物炭在推广过程中还需辅以元素配比指导，借助政府和村集体科技补贴加强生物炭在农业领域的推广普及。

3.2.3 生物炭品质标准化不完备。目前生物炭有以下4种典型类型：壳基生物炭、糖基生物炭、淀粉基生物炭、纤维基生物炭。即使在制备原料品类与制备工艺相同的情况下，由于制备仪器、原料生长地域等变量，制备的生物炭理化性质也具有差异性。一些非常规原料制备的生物炭，大多还处于实验室小批量生产阶段，未形成工业化流水线生产。生物炭的标准与界定还没有完备的文件指导，不同用途的生物炭制备方式和品质未得到标准化规定。

不同原料制备的生物炭因其灰分与表面官能团的不同而具有不同的特性与功能。例如，壳基生物炭之一的大闸蟹壳生物炭，其为高灰分原料制备的生物炭富含磷元素，研究发现蟹壳生物炭对重金属铅的吸附性较好[79]。

不同类型生物炭具有不同功能，定向制备生物炭的需求应运而生。未来可以通过规定原料、温度、压力等制备条件对生物炭组分进行控制，从而得到满足特定功能的生物炭，故而相应标准的制定完善迫在眉睫。

4 生物炭农业推广应用的前景与展望

（1）亟待出台生物炭相关标准，对不同温度、原料、压强等制备条件下的产品进行理化性质分析，制定出合格标准线，对生物炭组分含量等基本数据进行规范。标准化文件可使试验数据对比更直观，使得生物炭产品产业化路径更清晰。

（2）科研人员不断扩展生物炭的制备原料与应用场景。例如目前大家熟知的林业废弃物，除了焚烧也有一部分进行厌氧发酵处理，但是基于林业废弃物大多木质素含量较高、发酵周期较长特点，将其通过碳化的方式进行再次利用，可能取得比厌氧堆肥发酵产沼气更高效的经济效益。

（3）面对生物炭作用机理不清晰的现状，政府部门要在政策与资金上帮扶乡镇企业，多进行田间试验，找到作物生长所需的土壤与元素需求条件。在推广应用中，应通过与他人的横向数据比较和生物不同周期的纵向数据比较分析，不断优化试验条件，力求摸清相对稳定的生物炭作用机制，将试验成果推广转化、落地实践，转化为农民经济收入，改善农村人居生活条件与生活水平。

通过生物炭标准制定、政策的支持、科技人员实践几方面的协调配合，生物炭在农业领域的推广应用具有很好的前景。

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