田永強，張 正，張倩茹，尹 蓉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長治046011）

生物炭的研究現(xiàn)狀與對策分析

田永強1，張 正2，張倩茹1，尹 蓉1

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長治046011）

生物炭也稱生物質(zhì)炭，是生物質(zhì)原材料如植物組織、果園枝條、農(nóng)作物廢棄物、動物骨骼等在厭氧或缺氧的條件下，高溫裂解炭化而成的一種富碳產(chǎn)物。生物炭技術(shù)作為新興的綜合技術(shù)，已成為全球農(nóng)業(yè)、生態(tài)和碳減排等領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c。介紹了生物炭的基本特性，并對其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用研究進行了綜述，最后分析了生物炭研究中存在的問題并提出了相應(yīng)的對策，希望為生物炭技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供一定的參考。

生物炭；土壤改良；碳匯；環(huán)境修復(fù)

生物炭技術(shù)近年來已逐漸成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。國際生物質(zhì)炭聯(lián)盟（International Biochar Initiative，IBI）推動了全球生物炭事業(yè)的快速健康發(fā)展，2009年英國洛桑試驗站在Woburn農(nóng)場啟動了有關(guān)生物炭的長期定位試驗計劃，巴西農(nóng)業(yè)研究公司EMBRAPA開展的生物炭項目已進入了實施推廣階段，目標(biāo)是創(chuàng)造更多的“肥沃高碳黑土”[1-5]。2010年我國首個生物炭網(wǎng)絡(luò)中心的成立，對開展生物炭的研究與應(yīng)用起到了積極的推動作用。國內(nèi)外的科研工作者相繼對生物炭自身性質(zhì)及其在土壤改良、作物生長、生態(tài)環(huán)境改善等方面進行了大量的研究并取得了一些成果[6-9]。

本研究基于國內(nèi)外研究文獻，綜述生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用狀況，分析研究應(yīng)用中存在的問題并提出相應(yīng)的對策，以期為生物炭的合理應(yīng)用與推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 生物炭基本特征

常見的生物炭有稻殼炭、秸稈炭和木炭等，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，顆粒細致、質(zhì)地較輕，為黑色蓬松狀固態(tài)物質(zhì)，C含量一般在70%以上，主要組成元素除C外，還包括H，O，N，S及少量的微量元素。生物炭原料來源廣泛，含C量高，具有豐富的孔狀結(jié)構(gòu)，比表面積大、呈堿性、吸附能力強、容重小、穩(wěn)定性高、成本低廉，其被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護等領(lǐng)域[10-11]。

2 生物炭的應(yīng)用

2.1 生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

農(nóng)用生物炭的作用主要表現(xiàn)為對土壤理化性質(zhì)、作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響[12]。生物炭被認為是一種土壤改良劑。有研究表明，生物炭可降低土壤容重、增加土壤持水量、改善土壤孔隙度，但對肥力較高的土壤只明顯影響其容重。生物炭對土壤溫度的影響隨季節(jié)變化有差異，地溫偏低時生物炭提高地溫的作用更為明顯。另外，生物炭能夠增加土壤肥力。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭使酸性土壤pH值增加，對堿性土壤pH值卻影響不顯著。由于生物炭的施入會改變土壤條件，因此，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，如土壤慢生根瘤菌科、放線菌等增加，鏈霉菌科與微單孢菌科等減少[13-15]。

對生物炭與作物產(chǎn)量關(guān)系的部分研究進行分析發(fā)現(xiàn)，50%的研究認為，生物炭有利于作物增產(chǎn)，30%的研究認為，生物炭對作物產(chǎn)量沒有影響；近20%的研究認為，生物炭可使作物產(chǎn)量減少。生物炭與作物生長發(fā)育和產(chǎn)量之間的關(guān)系受生物炭自身的性質(zhì)、土壤的理化性質(zhì)和作物的生物學(xué)屬性等諸多因素的影響，因此，生物炭應(yīng)用于作物生產(chǎn)，也應(yīng)該靈活變通。特定條件下施用生物炭可以促進作物生長、提高產(chǎn)量已是不爭的事實，只要應(yīng)用恰當(dāng)，其正向效應(yīng)完全可以被利用，生物炭復(fù)合肥料將成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個新的研究方向[11-12]。

2.2 生物炭對生態(tài)環(huán)境的影響

合理施用生物炭不僅可以改善土壤性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量，還能夠有效地吸附土壤或沉積物中的有機污染物和重金屬。同時，生物炭難以被微生物降解，具有穩(wěn)定性，在固碳減排、緩解氣候變化方面具有積極的作用。

生物炭以其優(yōu)良的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點，生物炭技術(shù)在碳匯減排方面的應(yīng)用逐漸引起了廣泛的關(guān)注[16]。Lehmann[17]提出，利用生物炭技術(shù)可以每年降低10億t溫室氣體，Wolof等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭每年可減少全球溫室氣體總排放量的12%。CO2等溫室氣體的排放對氣候的影響非常明顯，施用生物炭可增加土壤中的“C庫”，生物炭具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，可使C元素在土壤中長期封存，有利于緩解溫室效應(yīng)。

生物炭的生產(chǎn)和使用就是對大氣C素的固定過程，其在固碳減排、緩解氣候變化的同時還能夠吸附環(huán)境中的有機污染物。此外，生物炭表面的羧基、酸酐酚、羥基等多種基團能夠促進有機污染物的降解。向被污染的土壤中添加生物炭已經(jīng)成為降低有機物污染的有效手段[19-20]。

3 存在的問題及對策

有關(guān)生物炭對土壤條件的改善和作物產(chǎn)量的影響及其在固碳減排改善生態(tài)環(huán)境方面的報道已經(jīng)有很多，但依然缺乏較為系統(tǒng)的研究，關(guān)于生物炭的研究主要以室內(nèi)試驗為主，缺少中長期定位試驗，試驗時間相對較短，對生物炭的作用機制更是缺乏深入的研究。因此，急需拓寬生物炭的研究領(lǐng)域，探索其作用機理，進行較為系統(tǒng)和深入的研究。

目前，生物炭的生產(chǎn)和應(yīng)用尚未引起足夠的重視，還缺乏完善的產(chǎn)業(yè)鏈，因此，生物炭在國內(nèi)并沒有大面積推廣應(yīng)用，仍停留在試驗研究階段；生產(chǎn)設(shè)備大多從國外進口，不易于在農(nóng)戶中間推廣；原料數(shù)量大、密度低與分散度高，收集難、儲運難、利用效益低，大規(guī)模生產(chǎn)生物炭實施起來顯然難度很大。大面積推廣生物炭應(yīng)用需要政府經(jīng)濟和政策上的扶持，可采用小規(guī)模和工業(yè)化相結(jié)合的方式，將一定區(qū)域內(nèi)所有生物質(zhì)廢料都送到處理廠統(tǒng)一集中處理，裝有高溫分解設(shè)備的合成氣動力車走鄉(xiāng)串戶，將制好的生物炭分發(fā)給農(nóng)戶。

最后，生物炭會增加土壤的堿化程度，應(yīng)用有一定的局限性，我國土壤的類型相對復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)土壤類型的不同，篩選、制備適宜的生物炭。我國生物炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)該以廢棄資源循環(huán)利用為基礎(chǔ)，避免環(huán)境污染，保障糧食安全，利用生物炭還田技術(shù)實現(xiàn)碳匯減排，從根本上解決資源浪費的問題，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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Research Current Situation and Countermeasures Analysis of Biochar

TIAN Yong-qiang1，ZHANG Zheng2，ZHANG Qian-ru1，YIN Rong1
（1.Institute of Pomology，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.Institute of Millet，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Changzhi 046011，China）

Biochar is a material derived from high temperature pyrolysis of biomass materials（plant tissues,orchard branches,crop waste,animal bones,etc）in anaerobic or anoxic conditions.Biochar is a new environmental functional material to which increasing attention was paid in many field.As a new synthetic technology,biochar technology became a hot spot in the fields of agriculture,ecology and carbon emission reduction.In this paper,the basic characteristics of the biochar were introduced,and its application in agricultural production and ecological environment were reviewed.Finally,the problems existing in the biochar research were analysed and the corresponding countermeasures were put forward,which provided some reference for the promotion and application of biochar technology.

biochar;soil improvement;carbon sink;environmental remediation

TK6

A

1002-2481（2016）05-0680-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.26

2015-12-22

田永強（1984-），女，山西五臺人，助理研究員，碩士，主要從事果樹病害研究工作。