14.2%、百仁重增加10.1%，产量增加

13.5%。炭基玉米专用肥有效地提高了穗粒数与粒重，产量提高7.6%—11.6%。炭基大豆专用肥使分枝数增加16.4%，单株二粒荚数、三粒荚数分别增加16.4%、27.9%，单株粒数增加12.1%，百粒重增加4.7%，产量增加7.2%。Lehmann等在总结全球各地开展的相关研究时发现，当生物炭施用量（按纯碳计算）在50t•hm-2以下时，对作物产量的作用基本都是正向的。在大多数研究中，生物炭对作物生长发育和产量的影响都表现出正的效应，但也有一些负效应的报道。Kishimoto等的研究结果显示，当土壤中施入5t•hm-2和15t•hm-2生物炭时，大豆的产量分别下降了37%和71%。生物炭施入量过大也会降低玉米等对pH敏感的作物的产量。张晗芝等发现，生物炭对玉米苗期的生长有显著地抑制作用。邓万刚等[62]的研究则表明，当炭/土比为0.1%、0.5%和1.0%时，在一定程度上降低了种植在花岗岩砖红壤上的王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量，同时品质也有所下降。生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一，但总体来说是正向效应大于负向效应。产生正向效应的原因主要来自以下几个方面：（1）生物炭具有丰富的多微孔结构，比表面积较大。在施入土壤后，有利于微生物的生存繁衍，增加土壤中有益菌群数量，增强土壤生态系统功能，为作物根系提供良好的生长环境。（2）施用生物炭有助于改善土壤理化性状，如pH、容重、孔隙度、持水性等，特别是有利于提高土壤有效养分含量，这些条件的改变对于促进作物生长发育有重要作用。（3）生物炭本身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，可增加土壤中可交换性阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的数量，在一定程度上减少活性铝等有毒元素的影响，为作物生长发育提供良好的元素供应源。（4）生物炭与其它肥料配合使用时，可减少肥料养分淋失，提高利用效率，促进增产。也有研究报道，施用生物炭后产量增加不显著甚至有负影响[6]。产生负向效应的原因可能来自于以下几个方面：（1）生物炭呈碱性（表），当施用量过大时，某些对pH敏感的作物极易表现出平产或减产。（2）生物炭对作物生长发育和产量影响的差异性与土壤类型有关，Jeffery等[63]的研究结果表明，在酸性土壤、中性土壤、粗质地与中等质地土壤中施用生物炭，增产幅度分别为14%、13%、10%和13%。换言之，生物炭对作物生长发育和产量的影响决定于生物炭自身的性质，也决定于特定土壤的理化性质和作物生物学属性等诸多方面，复杂的交互作用及其过程也会使试验结果不尽一致。因此，生物炭应用于作物生产，应该因地、因作物、因具体条件而异。尽管到目前为止尚无法确定通用的最佳施炭量范围，但大量的研究结果已经明，生物炭的改土增产作用已是不争的事实，只要应用适当，其正向效应是完全可以利用的。

3生物炭与国家粮食安全、环境安全和可持续发展

3.1秸秆炭化还田与中低产田改造

自1949年新中国成立以来，中国粮食生产取得了举世瞩目的成就，用世界9%的耕地，养活了世界22%的人口，为世界和平与发展做出了巨大贡献。尤其是近年来，随着惠农政策和保障措施的不断加强以及行业科技的不断进步，中国粮食生产总量已经连续多年超过5亿吨。但在这连年丰收的背后，是高强度的掠夺式生产和长期的巨量化肥投入。由此导致土壤板结退化、中低产田大量产生、水体污染进一步加剧等一系列生态、环境和可持续发展问题。随着人口数量的持续增长，中国粮食安全压力将进一步加大。放眼未来，在气候变化日趋剧烈，资源约束逐步增强的情况下，如何在有限的耕地上持续、稳定地生产出更多、更安全的粮食，是未来将面临的更严峻的挑战。另一方面，中国年产农林业废弃物约14亿t，仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就达到6.5亿t。随着粮食生产总量的增加，这一数字还将进一步提高。将这些生物质还田，无疑是增加土壤输入、遏制土壤退化、改善耕地质量的有效措施。但是，由于中国现行的土地家庭联产承包管理体制将生产单元分割的过小，限制了大型秸秆还田机械的使用。迥异的气候条件也使秸秆还田的适用范围受到限制。致使目前中国的秸秆还田量还不到20%，而被烧掉或废弃的量却超过了50%。宝贵的资源没有得到有效地利用，却变成了严重的污染源头。焚烧秸秆排放出大量的温室气体和烟尘，导致空气质量下降、诱发城市阴霾、航班起降受阻等一系列问题。以生物炭技术为核心的秸秆炭化还田是衔接农业循环链条首尾两端、实现废弃生物质资源化高效利用的重要途径。虽然有研究表明，生物炭还田有可能产生激发效应，刺激肥沃土壤中有机质的分解，但对于中国占总耕地总面积70%的中低产田而言，尤其是对于那些因理化性质恶化导致的障碍性土壤而言，废弃生物质炭化还田应该是一个值得引起高度重视的发展方向。因此，针对自然区划、耕作制度和不同土壤类型，进一步深入开展生物质炭化还田改土技术的研究和产业化开发，对于提升中低产田的生产潜力，确保国家粮食安全，实现农业可持续发展，都将具有重要的现实意义。

3.2秸秆炭化还田与农业低碳、循环和可持续发展

低碳、循环和可持续发展是当今世界经济和社会发展的主题。进入21世纪以来，全球气候变暖、灾害性气候频繁发生、荒漠化进程加速等已成为威胁人类生存和可持续发展的严峻问题。中国政府明确提出，到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年降低40%—45%。作为一项规模宏大的基础性产业，农业固有的碳汇能力得到了越来越多的重视。发展能源作物、以生物能源替代化石能源以实现减排是当前的热门研究领域之一。但面对稀缺的耕地资源和巨大的粮食安全压力，寻找一种更符合中国国情的农业减排技术，发展低碳农业，已越来越迫切，也越来越现实。研究表明，生物炭具有很大的固碳潜力与空间，可能是唯一的以输入稳定性碳源而改变环境生态系统中土壤碳库自然平衡，提高土壤碳库容量的技术方式。Lehmann在2007年《Nature》上发表文章指出，如果将植物转化为生物炭，可以大大降低空气中的二氧化碳含量。生物炭除本身可作为一种重要的“碳汇”形式外，施入土壤后亦可减少N2O等温室气体的排放。譬如，以20g•kg-1的标准向牧草地和大豆土壤中添加生物炭，N2O排放量可分别降低80%和50%，CH4的释放过程则受到明显抑制。目前，生物炭的减排机制尚不清楚，但其减排效果已经得到认可，相应的计量方法学也将很快产生，从而为生物炭减排量的计算奠定良好的基础，也为生物质炭化还田打上了“低碳”的时代特点。

生物炭来源于农业，如果再将其广泛地应用于农业，就可实现生物质在农田生态系统内部的循环。因此，循环应是生物炭应用的着眼点。在农业范畴，秸秆还田或“过腹还田”应是当农业废弃物利用的主要方式之一，在中国华北、华中、华南等地区都有较大面积的推广应用。但受低温冷凉气候的影响，该技术在北方特别是东北地区，还面临许多技术问题，比如还田秸秆当年难以腐烂，影响第二年出苗率；土传病害增加，不利于高产稳产；一家一户的小型化生产方式，不利于大机械的使用等。因此，在难以进行秸秆还田的地区，示范推广生物炭还田技术，符合因地制宜的原则，是科学、合理、可行的做法。秸秆发电、固化、气化、液化是农业生物质能源化利用的主要形式，虽然可以大量消耗秸秆，在一定程度上缓解秸秆焚烧压力，实现生物质的资源化利用，但其集中生产模式难以降低废弃物收集、储运过程中的运输成本，亦即相关企业难以脱离政府补贴而独立发展。更重要的是，这种能源化利用方式仅仅从资源利用角度考虑问题，忽视了对产出这些资源的耕地的保护，是一种“竭泽而渔、吃干榨净”的掠夺式做法，在一定程度上破坏了耕地可持续发展的物质基础，也无法实现农业系统内部稳定的物质循环。生物炭还田技术与上述利用方式不同，它结合了废弃物资源化、循环、可持续理念，在消化利用农业废弃物的同时，将生物炭再次返还给土壤，形成“取之于田，用之于田”的良性循环模式，因此可效地解决农林废弃物资源化利用、物质循环和耕地可持续发展等一系列问题。

狭义上说，生物炭的改土增产作用具有稳定性和持续性。广义上说，秸秆炭化还田则是保持农田生态系统持续发展的重要途径。2008年中国中、低产田面积已达到0.8亿hm2，占耕地总面积的65%以上，2009年进一步上升到耕地总面积的70%。特别是由于气候变化和掠夺式的过度开发利用，过去的良田沃土已经开始退化，有机质含量降低，酸化、板结、黏重现象严重，地力明显下降，已成为制约和影响粮食生产发展的“瓶颈”。另外，由于工、农业生产的发展，农田污染面积不断扩大，成为影响农业可持续发展的“隐忧”。以重金属污染农田为例，近20年中国重金属污染农田面积增加了14.6%，已近0.2亿hm2，占总耕地面积的1/6。生物炭应用于农田，不仅可以吸持养分、减少养分流失、缓解水体富营养化，亦可应用于受重金属、有机污染物等污染的土壤或水体，通过吸附、钝化、固持等作用方式降低污染物的生物有效性，对于粮食安全、食品质量安全保障能力的提升具有重要意义。

4展望

生物炭概念的提出源于对亚马逊流域先民无意间留下的“Terrapreta”（亚马逊黑土）所具有的增产作用的观察。它一经出现，便引起全世界的广泛关注。如前所述，作为一项来源于实践的技术，生物炭的改土增产作用已被国内外大量研究所证实。有理由相信，以秸秆炭化还田为核心的生物炭技术，未来必将得到普遍认可和迅速发展，生物炭产业也将应运而生，并成为国家战略性新兴产业。事实上，中国的生物炭研究与产业技术开发已经走过了近十年的发展历程，一些勇于探索的研究者和先锋企业已积累了一定的研究成果、产品和经验。尽管这些成果、产品和经验还不十分丰富，但已初步描绘出中国生物炭研究与产业发展的广阔前景。