孔祥海

摘要 闡述了生物炭對土壤肥力的影響以及生物炭制作過程中所產(chǎn)生的負面效應，分析生物炭的特殊性對土壤肥料的影響，并對其未來的發(fā)展前景進行展望。

關鍵詞 生物炭；應用效果；土壤肥力；肥料；發(fā)展前景

中圖分類號 S141 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）01-0212-02

隨著我國能源、環(huán)境和農(nóng)林等方面對生物炭研究和應用的不斷深入，生物炭在生物能源生產(chǎn)、肥料創(chuàng)新、廢棄生物質利用、溫室氣體減排等方面所起到的作用及影響日漸凸顯。我國作為世界首屈一指的農(nóng)業(yè)種植和生產(chǎn)大國，土壤肥力的不斷提升不僅有利于我國農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的靈活調整，對于我國農(nóng)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展及農(nóng)作物出口空間的有效拓展同樣能起到一定的推動作用?，F(xiàn)以生物炭在土壤肥料中的應用及對土壤肥料提升的影響為研究基礎，引入小麥的生物炭種植作為案例，主要針對生物炭當前對農(nóng)作物種植的影響及未來前景展開論述，藉此反思我國農(nóng)作物增產(chǎn)及土壤性能改良的方式及方法。

生物炭又稱為生物焦，其對土壤的改良作用主要源自其特征和性質對土壤微生物、生物性質及土壤物理等方面所產(chǎn)生的影響[1-2]。從土壤肥料肥力提升的角度來看，生物炭不僅可以有效提升土壤中的有機碳含量，在逐步改善土壤保肥、保水性能的同時，對于降低土壤養(yǎng)分損失等方面同樣具有良好的改善效果。隨著我國農(nóng)產(chǎn)品出口比例的不斷提升，農(nóng)業(yè)對于肥料、土壤肥力的要求將不斷升級，因此從土壤肥料種類的變革及肥力提升的角度研究生物炭，將對我國農(nóng)業(yè)結構的調整以及農(nóng)產(chǎn)品出口綜合實力的提升產(chǎn)生極大的推進作用。

1 生物炭對土壤肥力的影響

土壤肥力是以土壤有機質和腐殖質作為最主要的衡量指標，在土壤有機質和腐殖質的作用下，土壤的現(xiàn)有水分入滲能力、營養(yǎng)交換和吸收能力、穩(wěn)定性、團聚體維持能力及生態(tài)系統(tǒng)的平衡性均可以得到良好的改進和保持[3]。生物炭與土壤的構成架構有本質區(qū)別，但是土壤腐殖質和有機質可以與生物炭一起對土壤肥力進行改良，其改良的水平和程度主要取決于生物炭的使用量和性能的穩(wěn)定性。土壤有機碳與土壤碳氮比的提升成正比，土壤有機質和生物炭對土壤的作用主要在于二者可以有效提升土壤對各類養(yǎng)分元素如氮素等的良好吸收能力。在穆斯塔法克·侯賽因的試驗中，其將生物炭按照10 t/hm2加入農(nóng)田的方式應用于西紅柿的種植中，其結果顯示，西紅柿的平均產(chǎn)量有所提升，當年西紅柿總產(chǎn)量與同期相比提升了64%。經(jīng)過試驗檢測，土壤氮、磷平均含量及導電性均得到顯著提高，這同樣是生物炭對土壤肥力及整個土壤環(huán)境進行影響的結果。

雖然生物炭的有效融入可以提升土壤肥力，但是由于生物炭與腐殖質、土壤有機質的本質差異，過度重視生物炭而忽略其他類土壤肥料則會引起土壤肥力的降低。如布魯恩等以C標記生物炭開展2年土壤肥力培養(yǎng)試驗時發(fā)現(xiàn)，生物炭在連續(xù)2年內的使用其碳損失遠低于作物秸稈，如高溫和低溫下生物炭的碳損失率分別為9.1%、9.3%，而秸稈的碳損失率為56%，但是由于土壤腐殖質以25～50年為一個轉換周期，生物炭的長期運用對土壤肥力的作用遠無法達到其使用初期所產(chǎn)生的影響。

2 生物炭制作過程中所產(chǎn)生的負面效應

近些年，隨著國際上對生物炭研究的不斷深入，相應的生產(chǎn)技術及工藝也隨之提升，原有的生物炭產(chǎn)量低的問題，在當前生產(chǎn)工藝不斷改革的前提下有所改善，但是總量尚未超過35%。而一些農(nóng)戶自用生產(chǎn)系統(tǒng)和小型農(nóng)場中，生物炭的制作產(chǎn)值甚至低于35%。生物炭的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生65%以上的木醋液、裂解氣和焦油，如果使用生物炭提升土壤肥力，無法充分有效地利用木醋液、裂解氣和焦油等副產(chǎn)品，那么在使用秸稈等農(nóng)作物的剩余物熱來制造生物炭時，有可能會產(chǎn)生高于秸稈廢棄或秸稈還田所排出的有害物質及溫室氣體量[4]。

3 生物炭特殊性對土壤肥料的影響

3.1 對肥料種類多樣化的推動作用

隨著科技的不斷發(fā)展，由于不同農(nóng)作物對土壤肥力的要求不同，考慮到科學合理的施肥管理及補充土壤養(yǎng)分的需要，當前土壤的肥料種類趨向多樣化發(fā)展。按照施肥、追肥等的土壤環(huán)境保護要求，當前土壤肥料的應用包含綠肥類易解有機物等多種類別，其中在免耕條件的限定下，秸稈、堆肥、綠肥、廄肥等在5～10年內會損耗80%以上，但是直接被轉化成腐殖質的卻極少。生物炭作為更容易提升土壤有機物穩(wěn)定性的有機材料，不僅對腐殖質成分和有機質數(shù)量的提升具有直接推動作用，對土壤改良和氣候變化應對同樣具有一定的促進效果。由于生物炭的存在和大量的使用，在土壤肥力得到有效提升的同時，土壤對肥料的選擇標準和種類要求也產(chǎn)生了極大的變化[5-6]。

3.2 對土壤肥料選擇標準改革的影響

由于農(nóng)業(yè)中使用肥料需要考慮到成本、對土壤肥力提升的促進作用等方面，生物炭的存在不僅提升了土壤肥料選擇的標準，在靈活應對不同農(nóng)作物成長需要方面，生物炭與其他土壤肥料的有效融合可為農(nóng)業(yè)肥料的使用提供更為豐富的選擇。

3.2.1 使用成本。在成本對比方面，對比秸稈還田所產(chǎn)生的培肥能力，美國曾經(jīng)在大平原土壤中使用1.6～1.7 t/hm2的還田秸稈進行土壤有機質的提升，使原有的土壤有機質從1.79%提升至2.0%。但是從氣體排放量角度來看，秸稈還田 所產(chǎn)生的二氧化碳遠高于生物炭，以我國1.2億hm2的耕地為例，假設秸稈還田量為3 t/hm2，每年將產(chǎn)生1.19億t二氧化碳進入土壤，而生物炭的運用每年將產(chǎn)生5 200萬t二氧化碳進入土壤。在成本方面，如果按照150元/t來計算，在生物炭的成本為1 000元/t的前提下，秸稈還田的成本2 000元/hm2則遠低于應用生物炭的成本[7-9]。

3.2.2 土壤肥力提升效果。在對土壤肥力提升的促進性方面，以小麥的種植為例，在試驗中嘗試使用硝酸銨試劑作為對照肥料，在運用廄肥、生物炭和生物炭基氮肥來調節(jié)和改善土壤的pH值的過程中，試驗結果表明小麥中使用廄肥、生物炭、生物炭基氮肥后相應的增產(chǎn)率分別為10.6%、22.16%、27.83%。在土壤中單獨使用生物炭和生物炭基氮肥，土壤的速效鉀和速效磷有所提升，但是礦質態(tài)氨量卻有所降低。單獨使用生物炭和生物炭基氮肥在不同pH值條件下進行試驗時，無論在肥力較高的土壤還是肥力較低的土壤中，小麥的產(chǎn)量并不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)減產(chǎn)，其中生物炭基氮肥單獨使用時小麥的產(chǎn)量降低了22.46%，生物炭單獨使用時小麥的產(chǎn)量降低了11.09%；相對而言，單獨使用廄肥時小麥的產(chǎn)值卻相對穩(wěn)定。

由此可見，相比較傳統(tǒng)的肥料單獨使用和多種類別共同使用的模式，生物炭在土壤有效融入及當前各國對生物炭運用的深入研究不但可以激發(fā)肥料市場競爭力的提升，對于各項肥料在種類、質量等方面的調整也具有一定的推動作用。

4 生物炭未來的發(fā)展前景

在現(xiàn)有生物炭的研究中發(fā)現(xiàn)，盡管生物炭對土壤肥力的提升與增產(chǎn)方面可以起到極其明顯的促進作用，但是相對其他類型的肥料而言，除制作產(chǎn)量低、附加物需要同步處理外，在不同的土壤上單獨使用生物炭時其所產(chǎn)生的肥效并不穩(wěn)定，甚至低于其他肥料的使用效果。而在生物炭的應用中，就單純使用時的負面效果而言，生物炭基氮肥單純使用的有效率遠高于生物炭本身。其他類別的生物炭中如竹炭、竹炭基氮肥、木炭、木炭基氮肥均可對土壤的pH值進行調節(jié)，但是相對而言，木炭基氮肥和竹炭基氮肥的調整更為緩和，考慮到生物炭堿性對土壤肥力的影響，木炭基氮肥和竹炭基氮肥的緩和性能可以降低對土壤環(huán)境平衡性的破壞程度。在土壤的CEC、速效鉀、礦質態(tài)氨含量的提升對比中，使用木炭和竹炭對土壤有效氮水平的降低效果明顯，而相對來說，廄肥在以上各方面的調節(jié)能力遠低于生物炭、木炭、木炭基氮肥等[10-12]。隨著我國農(nóng)產(chǎn)品出口比重的不斷加大，為適應低碳環(huán)保經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)架構的需要，生物炭與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、農(nóng)田施用的有效融合可以推動我國農(nóng)業(yè)綠色低碳型改革的發(fā)展，但是考慮到生物炭生命周期、制作工藝、成本、對不同種類土壤的適應力等所產(chǎn)生的影響，對生物炭和肥料復合的研究及對肥料效益、使用方式和效率改善等方面的研究還需要不斷深入。

5 參考文獻

[1] 何莉莉.生物炭對土壤微生態(tài)環(huán)境的影響及機理研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2013.

[2] 黃劍.生物炭對土壤微生物量及土壤酶的影響研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2012.

[3] 高海英，何緒生，陳心想，等.生物炭及炭基硝酸銨肥料對土壤化學性質及作物產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2012（10）：1948-1955.

[4] 何緒生，耿增超，佘雕，等.生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國內外動態(tài)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011（2）：1-7.

[5] 楊放，李心清，王兵，等.生物炭在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和污染治理中的應用[J].地球與環(huán)境，2012（1）：100-107.

[6] 何緒生，張樹清，佘雕，等.生物炭對土壤肥料的作用及未來研究[J].中國農(nóng)學通報，2011（15）：16-25.

[7] 張文玲，李桂花，高衛(wèi)東.生物質炭對土壤性狀和作物產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)學通報，2009（17）：161-165.

[8] 劉玉學，劉微，吳偉祥，等.土壤生物質炭環(huán)境行為與環(huán)境效應[J].應用生態(tài)學報，2009（4）：239-244.

[9] 邱敬，高人，楊玉盛，等.土壤黑碳的研究進展[J].亞熱帶資源與環(huán)境學報，2009（1）：92-98.

[10] 劉志坤，葉黎佳.生物質炭化材料制備及性能測試[J].生物質化學工程，2007（5）：32-36.

[11] 羅凱，陳漢平，王賢華，等.生物質焦及其特性[J].可再生能源，2007（1）：20-22，25.

[12] 鐘雪梅，朱義年，劉杰，等.竹炭包膜對肥料氮淋溶和有效性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2006（S1）：163-166.