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农用生物炭研究进展与前景
来源: | 作者:bgdhzc | 发布时间: 2018-09-20 | 1208 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:

农用生物炭研究进展与前景

杜小 2017-09-26 10:47 肥料应用


农环格格有话说：
大家早上好！
       关于生物炭，应该说是在质疑声中一直前行， 生物炭表现出的效果确实有很多令人兴奋的发现。
我想在遵循自然与生态规律的前提下，借用文章一句话“地大物博”还是“地大物薄”？是一种认识，更是一种选择和责任！

本周，我们进入生物炭系列论文精选推送，欢迎大家表述自己的观点，给我们留言！！

来看今天的文章，题目是《农用生物炭研究进展与前景》，来源中国农业科学，2013年第8期。


作者：陈温福， 张伟明， 孟军

沈阳农业大学，辽宁省生物炭工程技术研究中心，辽宁沈阳 110866

摘要：
     生物炭以其良好的解剖结构和理化性质，广泛的材料来源和广阔的产业化发展前景，成为当今农业、能源与环境等领域的研究热点。本文综合分析、评述了生物炭在土壤、作物、农田生态系统等领域应用的主要研究进展及其对未来保障我国粮食安全的重要意义，从低碳、循环、可持续视角，客观、辩证地探讨了生物炭在农业上应用的价值及其产业化发展前景。认为生物炭在修复土壤障碍，提升耕地生产性能和作物生产能力，促进农业可持续发展和保障国家粮食安全等方面具有重要现实意义和应用价值，并结合我国国情，提出了进一步深入研究与开发生物炭产业的方向与建议，旨在为我国生物炭产业的健康发展提供参考。

关键词：生物炭；耕地质量；粮食安全；农业可持续发展


引言
自上个世纪末“生物炭”概念出现至今，短短十余年，相关研究已受到广泛关注并迅速升温。特别是近年来，在气候变化、环境污染、能源短缺、粮食危机和农业可持续发展等宏观背景下，生物炭的潜在应用价值和应用空间被进一步拓展，相关领域的理论研究与技术开发也已由涓涓细流汇聚成澎湃浪潮，正在朝着理论更深入、技术更完善、目标多元化的方向发展。
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虽然生物炭固有的理化性质决定了其应用领域众多，但在我国乃至全球多数欠发达国家，保障粮食安全，适应低碳、循环、可持续发展需求，仍是生物炭应用研究的首要着力点。在农业纵深领域，围绕生物炭在土壤、作物、环境系统中的作用与其机理等问题，各国研究者进行了诸多探索，初步证实了生物炭在改善土壤结构与理化性质、提高作物产量、治理环境污染以及增加“农业碳汇”、减少温室气体排放等方面具有的重要作用，特别是我们提出“通过生物炭技术实现农林废弃物炭化还田改土”新理念以后，极大地促进了生物炭在农业领域的应用基础研究与技术开发。但是，也有一些研究报道显示，生物炭改土增产作用不显著、不明确，甚至有负面效应。国际上，更有因担心生物炭技术大发展以后，有可能诱发伐木毁林导致生态灾难，因而反对发展生物炭技术的报道。虽然我国的生物炭技术是建立在农林废弃物资源化综合利用基础之上，不会出现毁林取炭等与开发生物炭技术初衷背道而驰的问题，但也确有必要对生物炭农业应用的利弊进行尽可能辩证、全面的评价，因为生物炭的稳定性决定了我们在实施该技术的过程中必须持谨慎态度。
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本文在简要回顾国内外生物炭研究进展的基础上，重点评述生物炭农业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，结合对我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，以期为开展适合我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。
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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《Biochar for Environmental Management：Science and Technology》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“The Bright Prospect of Biochar”新闻评论和2010年发表的“Sustainable Biochar to Mitigate Global Climate Change”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。
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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1a、1b）被完好地保留在生物炭中，使其具有较大的比表面积。
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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。
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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。
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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。
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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。我们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。
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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 值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得老成土后，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。
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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20 t•hm