“双碳”背景下生物炭基肥的研究现状及展望

张继宁，张鲜鲜，孙会峰，王从，刘善良，蒲加军，周胜*

(1.上海市农业科学院 生态环境保护研究所，上海 201403；2.上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201415；3.农业农村部东南沿海农业绿色低碳重点实验室，上海 201403；4.时科生物科技(上海)有限公司，上海 201108)

农林废弃物是农林业生产和加工过程中废弃的生物质，包括种植业废弃物、林业废弃物和养殖业废弃物等。据统计，我国每年产生农林废弃物约14亿t，其中玉米、水稻、小麦等作物的秸秆高达7亿t[1]，约占种植业废弃物秸秆总量的83.5%。生物炭以作物秸秆等农林植物废弃生物质为原料，在绝氧或有限氧气供应条件下，400～700 ℃热裂解得到的稳定的固体富碳产物[2]，其具有高度的芳香性、优良的吸附性能及高化学稳定性[3]。目前关于生物炭还田土壤的相关研究逐渐增多[4-6]。生物炭自身含有的钾、钙、镁等矿质元素可作为营养源释放到土壤中被作物和微生物吸收利用[7]，然而这部分矿质元素含量在生物炭中的比例并不高。单一生物炭的输入对于提高土壤质量存在局限性。

以生物炭为载体，与常规化学肥料或有机肥等材料科学复配而成的生物炭基肥料(biochar-based fertilizer)应运而生。2020年7月，农业农村部印发了《关于开展2020年农业农村部引领性技术集成示范工作的通知》，秸秆炭基肥利用增效技术被列入十大引领性技术之一。农业农村部《生物炭基肥料》 (NY/T 3041—2016)[2]和《生物炭基有机肥料》(NY/T 3618—2020)[8]行业标准的实施，推进了秸秆炭基肥的市场化进程。

1 生物炭基肥的种类

炭基肥包括炭基无机肥(biochar-based inorganic fertilizer)、炭基有机肥(biochar-based organic fertilizer)和炭基有机无机复合(混)肥(biochar-based organic inorganic compound fertilizer)[9]。其中，炭基无机肥指生物炭与无机肥科学配伍制成的肥料，其中无机肥包括硝酸铵、尿素、硫酸钾、磷酸一铵和氯化钾等[10]。根据复配肥料养分的种类，炭基无机肥可分为炭基氮肥、炭基磷肥和炭基钾肥等。炭基有机肥指生物炭与来源于植物和(或)动物的有机物料混合发酵腐熟，或与来源植物和(或)动物的经过发酵腐熟的含碳有机物料混合制成的肥料[8]。炭基有机无机复合肥指生物炭同时复配有机肥料及无机肥料，通常复配的无机肥包括氮磷钾等两种或两种以上养分。此外，在炭基肥制备过程中可以通过复配其他菌剂和(或)酵素[11]，或者通过改性生物炭[12]创制功能性炭基肥，增强炭基肥的缓释性能及专用肥效果。

2 生物炭基肥的作用

炭基肥含有生物炭，承担着缓释养分和改良土壤的作用；也含有矿质养分，承担着补充养分的作用。炭基肥兼具了生物炭和肥料的双重优势，同时克服了各自的不足。炭基肥在田间应用过程中主要表现为提高作物产量、减少温室气体排放、提高土壤有机质、改良土壤以及污染土壤修复等方面。

2.1 作物增产

单独生物炭的添加对作物产量产生不同的效果，包括增产[6，13]、对产量没有影响[14]，甚至减产[5]。而多数研究报道炭基肥应用于水稻[15]、小麦[16]、玉米[17]和蔬菜[18]等作物后，其对作物的增产效果优于生物炭。比如，相同添加量的生物炭和炭基肥均可提高大叶罗勒的生物量，而增加幅度分别为39.7%和71.6%[19]。在同样增产10%的前提下，生物炭的添加量需要15～30 t·hm-2；而炭基肥的施用量仅为0.9 t·hm-2[20]。与单施复合肥处理相比，竹炭基肥及稻壳炭基肥分别配施化肥处理均可以提高番茄产量，增加幅度存在差异，分别为8.5%和23.2%[21]。Meta分析表明，0.9 t·hm-2的炭基肥添加条件下，相比常规化肥作物可增产10%；相比不施化肥处理作物可增产186%[20]。与常规施肥相比，炭基肥的作物增产幅度的平均值可达17%±23%[22]。

炭基肥促进作物增产的主要原因在于，生物炭具有较高的比表面积，即便形成炭基肥，其比表面积也是常规复合肥的4倍多[23]，这样的多孔结构可以通过吸附/解析机制调控炭基肥中的矿质养分。此外，炭基氮肥将尿素封存在生物炭的多孔孔隙中，其中的氮素已经与炭表面的化学官能团发生反应成为新的有机态氮素。这些氮素的延缓释放，减少了氮素的流失，提高了氮素利用率，保证了作物在整个栽培过程中的氮素供给[24-25]。与化学复合肥只含有大量元素不同，炭基肥含有硅、镁、钙、铁、硼等中微量矿质元素[26]。

2.2 温室气体减排

已有研究将炭基肥和常规施肥相比，麦田氧化亚氮(N2O)的排放降低了56.0%～65.4%，全球增温潜势和温室气体排放强度分别降低57.5%～66.9%和68.0%～77.5%[16]；水稻的甲烷排放降低了41.6%[27]；栽培马铃薯的栗钙土N2O排放强度降低了10.5%～13.8%[28]。

炭基肥输入土壤表现出土壤减排效应。这是由于1)炭基肥提高了氮素利用率。常规氮肥的氮素利用率为34%，而施用炭基氮肥的氮素利用率可达37%，尤其在减氮条件下施用炭基氮肥后，其氮素利用率高达55.4%[29]。2)炭基肥降低土壤中水溶性有机氮浓度，影响着氮素的硝化和反硝化作用。3)就总孔隙率和比电容来说，炭基复合肥是常规复合肥的1.6倍和2.9倍[23]，其具有较高的储存和提供电子的能力[30]，影响着土壤中微生物活性和养分转化。而炭基肥表现的减排效应主要源于生物炭。生物炭通过降低土壤容重、改善土壤透气性、增加对土壤NH4+的吸附，限制氮素的微生物转化和反硝化，从而抑制N2O排放[3]。关于生物炭和炭基肥对土壤温室气体减排的效应对比研究较少。

2.3 土壤固碳

已有研究发现，与常规施肥相比，施入炭基肥后种植玉米的土壤有机碳增加了3.6%～8.2%[31]；栽培薏苡土壤中的有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳的含量分别提高了10.2%～22.8%、24.8%～36.9%、1.4%～6.7%和41.1～76.0%[32]，且随着炭基肥施用量(800～1 600 kg·hm-2)的增加而升高；连续4年栽培花生的棕壤总有机碳、游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳的含量分别提高了6.5%、40.0%和43.2%[33]。与等碳量投入的生物炭相比，炭基肥处理的土壤中游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳含量的提升幅度可分别达43%和17%[33]；而另有研究表明，炭基肥处理的土壤有机碳含量仅提高4.4%，且显著低于生物炭配施化肥处理(有机碳提升27.6%)[34]。

炭基肥的输入提高了土壤有机碳含量。这是由于炭基肥中含有载体生物炭，其有机碳含量远高于土壤，因此，增加了土壤的碳储量。生物炭含有易分解态碳和稳定态碳两种组分。易分解态碳组分约占有机碳总量的1.5%～37.0%[35]，主要为脂肪族碳和氧化态碳[36]，具有移动性强、稳定性差的特性。稳定态碳组分约占有机碳总量的63.0%～98.5%[35]，主要为芳香化碳，以芳香环和不规则的形式堆积，使生物质炭具有稳定性高和抗分解能力强的特性。10～40 t·hm-2秸秆生物炭混入土壤中，经过3 a的蔬菜栽培，土壤有机碳含量增加了4.2%～35.8%[4]。当生物炭与化肥复配后，炭基肥中生物炭的占比降低，因此，其固碳能力可能不及单纯的生物炭处理[37]。

2.4 土壤改良

与等量的常规施肥相比，炭基肥表现出提高土壤酶活性、减少养分流失及保水等功能。以灰钙土为供试土壤的研究表明，与该土壤施入等量的化肥相比，炭基肥与化肥配施可增加土层0～20 cm和20～40 cm水稳性大团聚体含量，增加幅度分别可达75.7%和64.4%；0～20 cm土层的土壤磷酸酶活性、过氧化氢酶活性和脲酶活性分别提高18.6%、5.3%和59.4%[38]。与常规施肥相比，炭基肥减少了麦地里63%的氮素流失[39]。在干旱和半干旱地区，炭基肥(0.75 t·hm-2)在适度的水分胁迫(60%～65%田间持水量)条件下仍可提高花生产量[40]。

炭基肥发挥土壤改良作用主要在于，生物炭可以保蓄和吸持水分于其孔隙及表面，增加土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量，增强土壤吸水持水及入渗性能[41]。生物炭可以增加土壤容重、促进土壤团聚体的形成[4]，改善土壤结构。生物炭的吸附特性可以将硝酸根等养分吸附，减少其淋溶损失。生物炭可以为土壤微生物提供栖息地并改善其生长环境，增加有益微生物的活性和改变菌落结构，进而间接影响土壤中养分的生物利用效率[38]。当炭基肥中的养分释放后，其残留的生物炭载体可以继续发挥土壤改良作用。

2.5 受污染土壤修复

土壤污染具有隐蔽性、复合性和积累性等特点，治理难度大，其修复改良是一项系统工程。由于农用地土壤需要承担生产功能，其修复改良目的、方法与污染场地的修复存在本质差异。生物炭修复受污染农田土壤的研究较多，而炭基肥研究多集中于作物增产及土壤改良等方面，关于土壤重金属修复的研究较少。对于铜污染的土壤，单施氮肥处理下土壤铜有效态含量为11.2 mg·kg-1，而炭基肥与氮肥配施的处理中土壤铜有效态含量降低了39.4%[42]。有研究对比了稻秆生物炭(6 t·kg-1)和炭基肥(6 t·kg-1)对烟叶土壤中重金属的削减效果。两者均可显著降低烟叶土壤中砷和铅的含量，而生物炭的降低效果优于炭基肥[42]。

炭基肥可以降低土壤中有效态重金属含量。生物炭主要通过与土壤中的重金属发生物理吸附、静电作用、离子交换、沉淀或络合等作用[3]，由其衍生的炭基肥1)具有丰富的孔隙结构，有利于重金属离子的附着；2)存在大量的羟基、羧基等官能基团，对土壤重金属具有较强的固定作用；3)通过改变稻田的氧化还原电位[22]，改变重金属形态；4)改变土壤微生物数量及群落结构从而促进重金属在土壤中的固定。然而，当生物炭与肥料结合成为炭基肥后，比表面积降低，可能减少了重金属的吸附位点，与单纯的生物炭处理相比，炭基肥限制了对重金属的吸附效果[43]。

3 影响炭基肥性质的因素

目前市售及研究文献所用的炭基肥质量参差不齐。而生物炭原料类型、热解温度、生物炭用量、炭基肥的制造工艺、养分配比等均会影响炭基肥的质量和实际应用效果。

3.1 优选生物炭

炭基肥改良土壤以及促进作物增产的效果已在多种作物上得以证实，然而关于生物炭基肥在土壤减排固碳方面的研究较少，而生物炭承担着这一作用。因此，优选生物炭是制备优质炭基肥的前提条件。生物炭的产量、碳含量及性质主要取决于热解温度和热解工艺。一般而言，生物炭的产率随热解温度的升高而降低，300～500 ℃的产率相对较高[36]。生物炭的碳含量(23.6%～87.5%)[44]、比表面积和孔隙度随热解温度的升高而增加。生物炭的阳离子交换量同时与热解温度和原料相关。在300～700 ℃，秸秆生物炭的阳离子交换量(20～30 cmol·kg-1)随热解温度升高呈增加趋势[45]；而猪粪生物炭的阳离子交换量(15～60 cmol·kg-1)随热解温度升高呈降低趋势[46]。热解温度在300～500 ℃条件下的生物炭具有提高土壤肥力的作用；而>500 ℃的生物炭吸附和固碳作用较强[36]。目前研究所用的炭基肥并没有提供生物炭的制备温度和制备原料等参数。有研究表明，若炭基肥中使用的生物炭是在400 ℃条件下制备，则可促进作物增产12%；而是在<400 ℃条件下制备，则没有增产效果。此外，当炭基肥中使用的生物炭中碳含量>30%时，作物生产力得以提高；而当碳含量<30%时作物生产力则不受影响[20]。因此，基于热解温度、原料性质等考虑，若将秸秆制备成炭基肥时可采用 350～500 ℃的热解温度，最高不要超过700 ℃。

热解工艺也会影响生物炭的产率、碳含量和比表面积等参数。比较常见的热解工艺主要包括慢速热解、快速热解[47]、气化和水热炭化[48]等。慢速热解(又称干馏工艺、传统热解)工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，热解温度在500～1 100 ℃，升温速率在20～100 ℃·min-1，生物炭得率约30%～35%[47]。快速热解发生在极短的时间内，升温速率约为10～200 ℃·s-1，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，生物炭得率约20%[47]。气化是将生物质转化为烟气的工艺过程，主要发生在气化炉(温度>700 ℃)，其生物炭产率相对较低，具有较大的比表面积[48]。水热炭化是将生物质在较低的反应温度(150～375 ℃)、高压水中停留数小时，制备得到炭-水-浆混合物[49]。因此，基于热解工艺等考虑，制备成炭基肥可采用常规热解技术，即在慢速热解和快速热解参数之间选择。

3.2 制备工艺

炭基肥的制备工艺主要包括掺混法、吸附法、包膜法和混合造粒法[10]。其中，掺混法指把生物炭和化学肥料按一定比例进行掺拌混合。吸附法指基于生物炭的多孔性与吸附性，将生物炭浸泡在一定浓度的肥料溶液中，促进肥料中的多种组分吸附于生物炭表面。如，将生物炭吸附木醋液用于盐碱土改良。包膜法指在生物炭表面，喷涂缓释包膜材料后包裹速效性化肥颗粒[48]。混合造粒法指将生物炭与肥料分别粉碎后，再进行混合造粒。混合造粒方式又分为团粒法造粒与挤压法造粒。前者的基本原理在于将基础肥料黏聚成粒、再通过转动使黏聚的颗粒在重力的作用下产生运动，相互挤压、滚动使其紧密成型；后者的基本原理在于利用机械外力作用使基础肥料成粒。在造粒过程中，由于添加了生物炭导致肥料不易成型，需要添加黏结剂。黏结剂应该选择绿色环保、易降解且价格低的材料，通常使用淀粉、膨润土、黏土和羟甲基纤维素钠等[10]。

这4种炭基肥生产工艺中，掺混法制备工艺比较简单；包膜法和混合造粒法是目前肥料生产的主要方式。掺混法、吸附法和包膜法生产的炭基肥主要为细粉状，直接施用时易扬起粉尘。而混合造粒法可有效解决上述问题。目前的炭基肥中生物炭的添加比例一般在20%～60%。生物炭的添加量主要是依据不同施肥需要、生物质原料利用及土壤功能等进行合理配比。比如在增产需肥方面，生物炭的添加比例不高；而针对土壤减排固碳及钝化土壤重金属方面，生物炭的添加比例需要提高。在我国相对有限的耕地上，化肥、农药及农用柴油等农用投入品的不断增加，碳排放总量逐渐增长。而有机肥的施用往往会增加农田土壤固碳作用。因此，将生物炭和高效优质堆肥产品进行配比而创制研发的含有生物炭、腐殖质和功能降解菌的炭基有机肥，更有利于土壤减排固碳，最终实现土壤质量和农产品品质提升。

4 “双碳”背景下炭基肥的研究展望

炭基肥系列产品借助生物炭丰富的孔隙结构封存肥料中的养分，而提高肥料的缓释功能和养分利用率。就炭基肥在农业领域应用方面而言，目前的研究方向主要以增产、改良土壤、提升土壤有机质及肥料利用率为目的。围绕实现“碳达峰、碳中和”的”双碳”目标要求，2022年农业农村部及国家发改委颁布的《农业农村减排固碳实施方案》将“农田固碳扩容”作为六项重点任务之一。因此，炭基肥系列产品在农业领域的减排固碳将在“碳中和”进程中发挥重要作用。目前炭基肥质量参差不齐，有些企业的热解工艺较为落后，产生的生物炭稳定性差，影响了炭基肥的质量。因此，应统一生物炭及炭基肥的制备标准，便于其在肥料市场、碳汇核算和碳交易系统中顺利开展。此外，价格偏高也是炭基肥推广受限的主要因素。需要制定相关的扶持政策，鼓励科研院所等利用优势资源与企业形成互补调动、协同共进，推广炭基肥的高值利用。

基于已有的研究成果，今后在炭基肥农业应用方面，应继续优化生物炭与肥料和助剂的复配比例与方式；优选并应用经济环保的改性材料及制剂；优化热解工艺等参数创制炭缓释载体；解析生物炭载体改性及强化缓释性能的机制；探究炭基肥的精准协同减排固碳机理。在不同区域尺度不同类型炭基肥施用条件下，通过开展生命周期评价，明确从秸秆等农林废弃物收集、制炭、创制炭基肥到田间应用全周期的温室气体减排因子以及土壤固碳因子，从而量化该区域的减排量和固碳量；通过试验示范基地建设构建生物炭基肥农田应用配套技术规程，加快技术成果的转化，促进生物炭及炭基肥产业的快速发展。炭基肥的规模化应用有助于构建低碳、循环、可持续、高效的农业农村经济发展模式，对保障土壤健康和粮食安全具有重要意义。