(2) 吸附效果同生物炭的烧制温度和前体材料有关。专家认为所有由粪肥制造的生物炭随温度变化的特点相似， 比表面积 、 含碳量以及 pH 都随着温度的升高而升高， 100 ℃ 温度下烧制的生物炭能够吸附 93 % 的 Pb2 + ， 而 200 ℃ 和 350 ℃ 几乎能够吸附溶液中所有的 Pb2 + 。Liu 等在 300 ℃ 下用水热法烧制的以松木和稻糠为材料的生物炭在 318 K 的环境中对 Pb2 + 的吸附量分别为 4． 25 mg g － 1 和2． 40 mg g － 1 ． Pb2 + 或 Cd2 + 吸附初始添加浓度相同时， 热解温度为 150 ℃ —300 ℃ 时， 生物炭中极性基团含量增加， 生物炭吸附 Pb2 + 和 Cd2 + 的量增大; 热解温度为300 ℃ —500 ℃ 时， 生物炭中极性基团含量减少。

四、生物炭改良土壤肥力研究

4.1研究现状

对生物炭提升土壤肥力的报道最初见于对南美亚马逊流域黑土 terra preta 的研究中。这种高质量黑色壤土是当地居民先人烧制生物炭质改良之后的耕作土， 其生物炭平均含量超出周围土壤的 4 倍， 部分地区甚至高达 70 倍。早在 1879 年， Herbert Smith 在其出版的《Scribner's Monthly》 一书中就注意到当地烟草和甘蔗的富饶多产与富含生物炭的黑土密切相关。自从 20 世纪 40 年代确认黑土的产生源于人工之后， 作为一种肥沃的土地资源， 人们对它的研究一直

在进行． 被誉为“生物炭教父”的 WimSombroek 于 1966 年在其专著《Amazon Soils》 中详细描述了黑土的分布和特性． 之后其大量的著作中进一步概括了生物炭在改良土壤肥力和储存大气碳汇等方面的作用目前关于生物炭改良土壤肥力的研究已经扩展到生态系统高度， 如 Laird 等［40］ 认为传统的获取生物能源的热解技术将生物质与土壤系统隔离， 是以消耗土壤有机质和降低土壤肥力为代价的， 而生物炭还田既可以补偿土壤有机质的消

耗， 又能够改良土壤肥力， 从而实现能量和物质的循环效益最大化． 现在， 研究人员普遍观察到生物炭对植株产量的影响。

4.2 生物炭改良土壤机理

生物炭能够增加土壤肥力， 提高作物产量， 是学者们通过观察大量实验现象得出的事实， 但具体机理还有待探究， 目前文献认为可能的原因有如下几点:

首先， 生物炭能够显著提高土壤 pH、 改变土壤质地、 增大盐基交换量， 从而引起土壤 CEC 增加。同时 Lehmann 等。还认为由于生物炭含有丰富的芳环结构和羟羧基等基团， 显著增加了离子交换的位点， 其表面交换活性更高， 因此施加生物炭之后， 土壤的 CEC 水平显著提高， 影响植物对营养元素的吸收效果。施用生物炭能够促进土壤有机质 ( Soil Organic Matter， SOM) 水平的提高，一方面生物炭能吸附土壤有机分子， 通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成 SOM， 另一方面生物炭本身极为缓慢的分解有助于腐殖质的形成， 通过长期作用促进土壤肥力的提高。如 Glaser 等认为在热带地区， 含有生物炭的土壤由于其高度的化学稳定性和生物稳定性， 相较其它形式的有机质更难以在高温高湿环境下被分解， 从而提高了 SOM 含量， 成为其重要的“库”．另外， 生物炭能够有效调控土壤中营养元素的循环． ①生物炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中的 NH4+ -N， NO3－ -N、 K、 P及气态 NH3 等不同形态存在的 营养元素有很强的吸附作用 ， 同时， 施加生物炭之后土壤的持水能力和供水能力得到提高， 生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移避免营养元素的淋失， 并在土壤中持续而缓慢地加以释放， 相当于营养元素的缓释载体， 从而达到保持肥力的效果。如 Laird 等观察了在

施用猪粪的温带农业土中添加不同含量生物炭对营养元素淋滤效果的影响， 发现滤出液中的 N、 P、 Mg 和 Si 总量随生物炭添加量的增加而显著降低， 添加20 g kg － 1 生物炭更是能够减少总 N 滤出量的 11 % 和可溶性 P 滤出量的 69% ， 保肥效果十分明显． ②生物炭能够通过调节硝化和反硝化过程避免氮素流失， 如 DeLuca 等［59］ 实验发现在同等 NH4+ 供应水平下， 施加生物炭能够使土壤中 NO3－ 含量加倍， 他推测生物炭能够吸附去除土壤中某些硝化作用的抑制剂解除抑制作用 ， 促进硝化作用 ． 此外， 生物炭具有多孔和低密度的特性， 施用后能改善土壤通气状况，降低厌氧程度， 从而抑制反硝化作用。③生物炭和其它有机或无机肥料配合施用 ， 作物增产效果更佳，Chan 等对比了生物炭和氮肥对萝卜的交互作用 ， 结果发现在施用氮肥条件下， 添加生物炭的作物产量增加 120% 。生物炭的多孔性和表面特性能够为微生物生存提供附着位点和较大空间 ， 同时调控土壤微环境的理化性质 ， 影响和调控土壤微生物的生长、 发育和代谢， 进而改善土壤肥力。 例如 Pietikainen 等描述了生物炭对土壤中腐殖质 pH 值和腐殖质中微生物群落生长率的影响效果， 认为生物炭通过增加 pH 提高微生物群落的呼吸代谢速率， 改善微生物对基质的利用格局， 进而改良土壤肥力。 Graber 等实验认为施加生物炭能增加微生物群落， 因此提高植物的生物量， 同时增强植物对病害的抗性。 Grossman 等比较观察了含生物炭和不含生物炭的土中微生物群落的种类， 发现含有生物炭的土不论种类和用途其微生物种类基本相同， 而且和不含生物炭的土中微生物种类大有不同 ， 说明生物炭对微生物的群落分布具有一定的控制作用。最后， 生物炭能改变有毒元素的形态， 降低有毒元素对作物以及对环境的危害， 有助于植株正常发育。许多学者认为，施用生物炭能显著增大土壤 pH， 由此降低 Al 、 Cu 、 Fe 等重金属可交换态的含量，与此同时增加 Ca 和 Mg等植物必需元素的可利用性， 一方面减轻了有害元素对作物生长过程中的伤害， 另一方面增加了植物对营养元素的摄取， 从而促进了植株的生长。

五、生物炭在农业上应用的依据

物质结构决定物质的性质，物质的性质决定物质的用途，生物炭的这些特点使其用途变得极

为广泛。参考木炭的用途，生物炭也可广泛应用于农业、工业、建筑业、环保、卫生、保健等众多领域。但用农作物秸秆等废弃物制成的生物炭，因其灰分含量高，应用会受到一定的限制，而在农业上的应用却可以取长补短，发挥其最大作用。生物炭是一种多孔体，通气性和透水性特别好；容重小，表面积大，吸水、吸气能力强，有利于保水保肥；除含有大量的高分子碳水化合物之外，还含有多种矿物质营养，可提供作物所需的营养元素，提高土壤肥力；生物炭可以调节土壤的PH值和水、肥、气、热状况；生物炭还可以改善微生物生存环境，为许多重要微生物的生长和繁殖提供了有利的条件。微生物呼吸释放的CO2可以提高作物附近的CO2浓度，在白天增强光合作用，增加有机物的积累，在夜里抑制呼吸作用，减少有机物的消耗，从而达到作物增产的效果。微生物的代谢可为作物的生长提供氮肥，减少氮肥的使用量。这对整个环境的影响是巨大的，因为氮肥释放的N2O对温室效应的影响要比CO2高出300多倍。生物炭施入土壤以后利用自身超强的吸附性像海绵一样把土壤中作物生长所需要的营养元素吸附在它周围，一是可以防止流失，二是可以达到缓释的效果，这对作物的生长极为有利。生物炭的副产品——木醋液，呈弱酸性，有机质含量丰富，渗透性很强，与叶面肥或农药混合使用可提高两者的利用率，减少使用量，从而减少化肥和农药的残留，使农产品的品质有所提高。生物炭与木醋液的这些功能和特点，决定它在农业上应用的广阔前景。

六、生物炭在农业上应用的模式

（1）、炭基有机肥模式

生物炭与牲畜粪便混合发酵，然后烘干，掺上木醋液，制成优质的炭基有机肥。我国人口众多，像国外那样的养殖业规模根本无法保障居民的饮食需要，所以我国的养殖业必须规模化，追求高产出、高品质。我国的耕地资源又十分紧张，规模化养殖场附近根本不可能有足够的耕地来消化利用这些养殖场排出的粪便，大量的养殖污水和养殖粪便无法得到安全处理，引发了一系列环境问题。我国发展有机农业、生态农业需要大量的有机肥料，有机肥料市场广阔，发展前景良好，因此用牲畜粪便做有机肥符合循环经济的发展模式。但牲畜粪便含水量大，做有机肥需要烘

干，经过调查，烘干费用在有机肥的生产成本中占到15%左右。我们用刚出炉的炽热的生物炭与湿的牲畜粪便混合先使一部分水分气化，然后再干燥；生物炭的多孔结构使与粪便混合干燥过程中传热性能提高，减少了能量的消耗，降低了生产成本，产品也更具价格优势。生物炭多孔，利于微生物生长和繁殖，可以缩短发酵时间、提高发酵质量；木醋液具有杀毒作用，可以杀死寄生虫卵；所以两者可以说是有机肥的“黄金搭档”。生物炭和木醋液本身也含有很高的有机质，这对土壤有机质的提升也很有帮助，符合现代生态农业、绿色农业对肥料的要求。

（2）、炭基有机-无机复混肥模式

生物炭与市面销售的各种化肥进行掺混（主要是为了满足各种农作物对氮、磷、钾等各种元素的需要）造粒，制成新型的炭基有机-无机复混肥料（表1），其中NPK的总含量≥15%，有机质的含量≥30%。

表：炭基有机-无机复混肥料的配方

项目名称

禾谷类及叶菜类

果树类及果蔬类 生物炭 45% 45% 木醋液 3% 2.5% 粘合剂 2% 2.5% 尿素 45% 35% 磷酸二铵 5% 5% 硫酸钾肥 10% 农业的高产、增产离不开化肥，但作物对化肥的吸收利用率是有限的，目前中国农业的科学施肥不是很普遍，由此造成的化肥流失、土壤板结和水体污染等十分严重。生物炭与化肥掺混造粒后，化肥与生物炭紧紧结合在一起，可以减少化肥的流失，缓释肥效，从而提高化肥的利用率，减少化肥的用量。农田多处的田间试验表明，农田土壤施用生物炭达到1公顷20吨时，大约可以减少10%的化肥施用量；在残留化肥量较多的农田土壤中，当季甚至可以不用化肥只用生物炭就可达到高产的效果。化肥的生产需要耗费大量的煤、石油、天然气等不可再生能源，所以间接上也节约了大量的化石能源，对环境也更有利。化肥是农业生产最基础而且是最重要的物质投入，化肥在农业生产成本(物资费用加入工费用)中占25％以上，占全部物资费用(种子、肥料、农药、机械作业、排灌等费用)的50％左右。国家、地方和农民都为此付出了很大的代价：农民每年为购买化肥要支付1400亿元(按耕地面积计算，每年平均每公顷在购买化肥方面为1005元)；国家和地方每年为进口化肥支付35亿美元外汇；全国为增加化肥生产能力，每年投入160亿元；每