农业领域的生物炭研究

本文在简要回顾国内外生物炭研究进展的基础上，重点评述生物炭在农业上的应用特别是农林废弃物炭化还田对土壤、作物及农田生态系统的影响，结合对中国农业发展的实际需求分析，就生物炭技术及其产业发展中出现的相关问题进行探讨，以期为开展适合中国国情的生物炭研究和技术开发、明确产业化发展方向提供参考。

1生物炭概念及其理化性质

生物炭（Biochar）是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物,最早用来描述一种由高粱制备的、用于有害气体吸附的活性炭。近年来，随着粮食安全、环境安全和固碳减排需求的不断发展，生物炭的内涵逐渐与土壤管理、农业可持续发展和碳封存等相联系。2009年Lehmann在其所著的《BiocharforEnvironmentalManagement：ScienceandTechnology》一书中，将生物炭特指为以改良土壤性状为目的人为施入的炭化有机物。同年，《Nature》发表的“TheBrightProspectofBiochar”新闻评论和2010年发表的“SustainableBiochartoMitigateGlobalClimateChange”通讯以及2011年《中国工程科学》发表的“生物炭应用技术研究”等文献，进一步明确了生物炭在粮食安全、环境安全、农业可持续发展及固碳减排中的作用。生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的C元素。含有的其它元素主要有H、O、N、S等。生物炭的元素组成与制炭过程中的炭化温度密切相关，具体表现为在一定范围内，随炭化温度的升高，碳含量增加，氢和氧含量降低，灰分含量亦有所增加。生物炭的可溶性极低，溶沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构。羧基、酚羟基、羟基、脂族双键以及芳香化等典型结构特征，使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。在制炭过程中，原生物质的细微孔隙结构（图1）被完好地保留在生物炭中，使其具有较大的比表面积。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定是生物炭固有的特点，也是生物炭能够还田改土、提

高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础。

2农业领域的生物炭研究

2.1生物炭的稳定性及其对土壤理化性质的影响

生物炭固有的结构特征与理化特性，使其施入土壤后对土壤容重、含水量、孔隙度、阳离子交换量、养分含量等产生一定影响，从而直接或间接地影响土壤微生态环境。研究表明，在长期、复杂的土壤环境或地质变迁的作用下，施入土壤中的生物炭可能会发生一定程度的物理迁移或某种途径的分解或降解，并在土壤垂直方向上进行重新分配，但不会发生明显的化学变化。即便在适宜条件下，微生物会使生物炭表面发生一定程度的分解，但分解速度缓慢，而且会因此形成一个保护壳，使表面以下的绝大部分生物炭维持稳定的O/C比，从而继续保持其稳定性。随着时间推移，生物炭最终有可能被矿化，但到目前为止，还没有能够精确测定生物炭在土壤及环境生态系统中运转周期的方法，也还没有直接证据可以证明生物炭的降解途径和机制。可以认为，生物炭在土壤中的稳定性很强，周转过程可能长达数百年或更久，还田后不会因其自身分解而对土壤产生潜在危害。这为生物炭还田后，能持续发挥改土增产作用和固碳减排作用奠定了基础。

2.1.1生物炭对土壤物理结构的影响

已有研究结果表明，生物炭施入土壤后，可使土壤容重降低9%，总孔隙率由45.7%提高到50.6%。这种多微孔结构也使其对土壤持水能力产生影响，如提高土壤含水量及降水的渗入量等，尤其是提高土壤中可供作物利用的有效水分含量，对作物生长产生积极影响。生物炭的吸湿能力比其它土壤有机质高1—2个数量级，富含生物炭的土壤比无生物炭的土壤田间持水量高18%。一般认为，生物炭对土壤物理结构、土壤紧实度等性状的改良以及对土壤水分的影响与生物炭本身所具有的多孔结构和吸附能力有关。生物炭的持水性能与土壤质地有关，亦受生物炭自身结构与吸湿能力的制约。笔者曾用破碎白浆层掺混生物炭的方法改良黑龙江地区的白浆土，发现施用量为10t•hm-2时，经过一个大豆生长季就可有效降低土壤容

重和比重，显著提高土壤持水量，并通过土壤三相比的改善将白浆土塑性调整到理想状态。但施用量超过30t•hm-2时，白浆层反而过于松散，耕性下降（相关结果另文发表）。可见，从改良土壤物理结构角度来看，生物炭还田改土效果显著，但适宜的施用量需要根据具体的土壤类型来决定。

2.1.2生物炭对土壤化学性质的影响

生物炭不仅对土壤物理性质产生积极作用，也间接地对土壤化学性质产生重要影响。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，进入土壤以后会有一定程度的释放，交换土壤中的H+和Al3+，从而降低其浓度，提高盐基饱和度并调节土壤pH值。生物炭提高土壤pH的作用随施用量的增加而提高。已有研究结果表明，生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后，土壤pH提高了0.1—0.46。同时，生物炭本身含有丰富的官能团，施入土壤后土壤电荷总量增加，阳离子交换量（CEC）提高了20%，最高可比无生物炭土壤增加1.9倍，且随施炭量的增加而提高，但作用程度与土壤类型、制炭原材料以及制炭技术等有关。生物炭的表面氧化能力及其表面阳离子吸附能力可能是提高土壤阳离子交换量的主要原因。虽然生物炭本身可供作物直接吸收的养分含量很少，但在土壤等各种生物或非生物因素的交互作用下，也会缓慢释放一些营养元素，补充土壤养分来源供植物吸收利用。生物炭的多孔结构、较大的比表面积和电荷密度，使其对土壤水分和营养元素的吸持能力增强，从而间接提高了土壤有效养分的含量和生产性能。大量研究证明，生物炭施入土壤后对提高土壤肥力和肥料利用率有重要作用，当施用20t•hm-2以上的生物炭时，大约可减少10%的化肥用量。这是由于生物炭对铵离子有很强的吸附能力，因而降低了土壤中氮素的挥发，减少了养分流失，从而提高了土壤肥力。生物炭对磷酸根离子也具有很强的吸附能力。总体看来，生物炭吸持养分离子、持肥缓释的作用已经得到大量试验证明。可以认为，尽管生物炭对不同种类的离子吸附能力存在差异，但当土壤中存在一定数量的生物炭时，有助于土壤肥力的提高。

2.1.3生物炭对土壤微生物的影响

生物炭对土壤理化性质产生的各种影响直接或间接地影响到土壤微生物的活动，土壤微生物的消长又是土壤理化反应的重要“催化剂”，二者相辅相成，相互作用。已有研究结果表明，亚马逊黑土与西部原始森林土壤的细菌群落较为相似，但多样性却提高了25%，固氮菌的数量和固氮能力也在生物炭的作用下得到了明显提升。据报道，不同用量的生物炭使豌豆根系的固氮量由对照的50%提高到72%，并使作物根部真菌的繁殖能力增强，当生物炭用量达到30%时，菌根菌侵染量显著提高[46]。在一定范围内，随着生物炭施用量的增加，土壤微生物的数量和活性都显著提高。学界普遍认为，生物炭均匀、密布的孔隙在土壤中得以保留并形成了大量微孔，为微生物的栖息与繁殖提供了良好的“庇护所”，使它们免受侵袭和失水干燥等不利影响，同时也减少了微生物之间的生存竞争。生物炭在微小的孔隙内吸附和储存不同种类和组分的物质，则为微生物群落提供了充足的养分来源。

2.2生物炭对作物生长发育和产量的影响

关于生物炭施入土壤后对作物生长发育和产量的影响，由于生态条件、气候条件以及土壤类型等区域差别，国内外有不同报道，但总体上以正向效应居多。早在19世纪，亚马逊河流域古老的印第安人就在一种特殊的黑土“TerraPreta”上种植农作物以提高产量。经研究证实，这种黑色土壤富含稳定的生物炭，是导致土壤肥沃和作物增产的主要原因。随着人们对生物炭认识和研究的不断深入，生物炭在农业生产上的应用也逐渐受到重视，并已在水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、花生、豇豆、萝卜、菠菜等作物上取得了较好的效果。如Lehmann等模仿亚马逊流域高产“TerraPreta”土壤，将生物炭分别以68和135t•hm-2的标准混入试验土壤中，发现水稻和豇豆的生物量分别提高了17%和43%。Uzoma等将生物炭应用于沙质土壤生产玉米，结果是当生物炭施用量达到15t•hm-2和20t•hm-2时，产量分别提高了150%和98%。国内的研究也表明，生物炭能够促进玉米苗期生长，株高和茎粗分别比对照增加了4.31—13.13cm和0.04—0.18cm。Iswaran等以0.5t•hm-2的标准向土壤中添加生物炭，发现每盆大豆增产10.4g。在酸性土壤中以10t•hm-2的标准施用生物炭，土壤中交换性铝的毒害作用减小，小麦株高提高了30%—40%。在南美洲热带地区，施用生物炭使豇豆产量提高了28%。Chan等发现，先施氮后施炭可使萝卜产量增加120%。生物炭对作物生物量和产量的促进作用还随时间的延长而表现出一定的累加效应。Major等对玉米和大豆轮作土壤进行多年的生物炭处理试验结果表明，施用20t•hm-2生物炭的土壤，第1年玉米产量并未提高，

但在随后的3年中，产量逐年递增，分别比对照提高了28%、30%和140%。在巴西亚马逊河流域的田间试验也表明，以11t•hm-2标准在土壤中施入生物炭，经过2年4个生长季后，水稻和高梁的产量累积增加了75%。除了与土壤相互作用外，生物炭与肥料的互作研究也同样获得了积极反馈。在澳大利亚施氮100t•hm-2条件下，以50和100t•hm-2标准施用生物炭，萝卜产量分别提高了95%和120%。生物炭与肥料配合施用还能够增加玉米和花生的产量。在中国，研究者将生物炭与化肥混合，发明了专用炭基肥料。实验结果表明，炭基花生专用肥有利于花生叶片功能期的延长，饱果率增加