摘要： 生物炭疏松多孔，具有很強的吸附和抗分解能力，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不僅實現(xiàn)了秸稈資源的有效利用，還對改良土壤、減少化肥使用、增強土壤固碳能力和降低溫室氣體排放具有重要意義。然而，生物炭直接用作肥料時，由于其養(yǎng)分含量相對較低，運輸和儲存成本較高，加之易引起粉塵污染等問題，限制了其在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。近年來，將生物炭作為載體或特定功能組分，開發(fā)新型土壤培肥改良產(chǎn)品及配套技術(shù)，成為推動可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。通過養(yǎng)分合理組配和控制釋放，生物炭基產(chǎn)品不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)分利用率，還能緩解土壤障礙、改善作物生長條件，已成為當前本領(lǐng)域研究熱點。本文綜述了生物炭基產(chǎn)品的類型、制備工藝、性能評價和在土壤改良與培肥中的應(yīng)用，指出其對提升土壤質(zhì)量、促進作物增產(chǎn)和環(huán)境保護具有顯著效果，未來需加強新材料和技術(shù)研發(fā)，完善檢測標準，加快示范推廣，并關(guān)注其長期應(yīng)用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 炭基肥； 炭基調(diào)理劑； 制備工藝； 評價體系； 長期環(huán)境效應(yīng)

生物炭源于農(nóng)作物秸稈等廢棄生物質(zhì)，富含穩(wěn)定性有機碳，孔隙豐富、吸附能力強，將其返還農(nóng)田，可同時實現(xiàn)秸稈利用、農(nóng)田培肥、化肥減量、固碳減排等多重目標，其顯著的環(huán)境效應(yīng)更是近年來全球資源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點與前沿（圖1）。但生物炭中一般礦質(zhì)養(yǎng)分含量較低，可直接提供給作物的養(yǎng)分有限，且生物炭質(zhì)量輕，脆而易碎，占空間大、運輸和儲存的成本較高，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施加生物炭存在飄揚、粉塵污染等問題，限制了其在農(nóng)業(yè)中的推廣和利用。在此背景下，以生物炭作為載體材料或特定功能組分開發(fā)土壤培肥改良產(chǎn)品及其配套應(yīng)用技術(shù)，將是實現(xiàn)肥料高效利用、土壤障礙消減和農(nóng)田環(huán)境治理，進而推動可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑[1]。因此，沿循“以農(nóng)林廢棄物為原料、以生物炭為基質(zhì)，通過養(yǎng)分的合理組配實現(xiàn)緩釋、改土等功能復(fù)合”的技術(shù)路線，將生物炭制備為生物炭基肥料和土壤改良劑，日趨成為我國生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)的主要發(fā)展方向。受不同地域、生態(tài)、氣候條件等因素的影響，我國中低產(chǎn)田種類繁多、性質(zhì)各異、等級不同。炭基土壤培肥與調(diào)理產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)與作用機理等多個方面，就構(gòu)成了生物炭應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)涵。本文從生物炭基產(chǎn)品類型、制備工藝、性能評價及改土培肥應(yīng)用等方面展開論述。

1 生物炭基產(chǎn)品類型與功能

隨著應(yīng)用場景和需求的不斷發(fā)展，生物炭基改土培肥產(chǎn)品從早期的原始生物炭，逐步發(fā)展到各類改性生物炭、生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥、生物炭基包膜肥、生物炭基（生物） 有機肥、生物炭基微生物肥料（菌劑）、生物炭基土壤調(diào)理劑、生物炭基肥料增效劑等多種類型（圖2），其設(shè)計原理、制備工藝、產(chǎn)品特性、功能和應(yīng)用技術(shù)等也不斷迭代發(fā)展，相關(guān)研究日趨深入[2?4]。

1.1 改性生物炭

生物炭改土培肥效果顯著，但由于土壤障礙的多樣性、作物需求的特殊性和農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性不同，在實際應(yīng)用中可能存在效能不突出、成本偏高、實施困難等問題。為了提高生物炭的靶向調(diào)理功能，實現(xiàn)精準、高效和綠色應(yīng)用，開發(fā)各類工程化的改性生物炭基材料，提高炭基材料性能就成了必然選擇[5]。研究發(fā)現(xiàn)，通過采取特定的調(diào)控手段和優(yōu)化炭化工藝及制備方法，可以有效地調(diào)控生物炭的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[6]。這不僅有助于彌補生物炭在某些方面的不足，還能引導(dǎo)其結(jié)構(gòu)特性和性能發(fā)生特定的、優(yōu)化的改變。通過這樣的調(diào)控，可以使生物炭更好地滿足預(yù)期的應(yīng)用需求，從而實現(xiàn)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的高效應(yīng)用。

1.2 生物炭基復(fù)合肥/復(fù)混肥

生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥料一般是將生物炭與化肥（氮、磷、鉀肥料等），有機肥（如畜禽糞便、秸稈等） 以及可能包含的其他成分（如微量元素、生物活性物質(zhì)等） 按一定比例，采用化學方法和（或） 物理方法混合制成的肥料。它結(jié)合了生物炭的環(huán)境友好特性和化肥或有機肥的高效肥效，不僅能改善土壤質(zhì)量，提升作物產(chǎn)量，還能在一定程度上減少長期過量施用化肥對環(huán)境造成的負面影響。

生物炭基復(fù)合/復(fù)混肥具備較強的養(yǎng)分緩釋功能。有研究表明，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富，其保留的細胞分室結(jié)構(gòu)可減少其中嵌入的養(yǎng)分與水和土壤環(huán)境的接觸，即通過物理隔離延緩養(yǎng)分釋放[7]。新制備生物炭的疏水表面可能進一步增強了其物理隔離能力。將生物炭和化學肥料混合造粒后，部分生物炭孔隙結(jié)構(gòu)中結(jié)晶狀物質(zhì)增多，化肥中的氮、磷、鉀養(yǎng)分不僅附著在生物炭表面，也可以進入生物炭的孔隙中，說明生物炭發(fā)揮了化肥載體作用[8]。生物炭比表面積大，加之豐富的羥基、羧基和羰基等官能團，表現(xiàn)出強大的吸附性。當把生物炭與硝酸銨結(jié)合制備生物炭基肥料后，通過紅外光譜圖分析可發(fā)現(xiàn)，硝酸銨中NH4+的 N?H 吸收峰弱化并移向高波數(shù)，說明羥基和 NH4+形成了強烈的氫鍵作用[9]。此外，生物炭對磷也具有一定吸附作用，能夠減少磷的淋溶損失，保持較長時間的供肥能力。生物炭基肥料與其它肥料的最大區(qū)別在于，當養(yǎng)分為當季作物利用后，生物炭仍在土壤中長期存在且持續(xù)發(fā)揮作用。隨著炭基肥的逐年施入，土壤中的生物炭含量將越來越多，其還田改土效果也將不斷累加。

1.3 生物炭基包膜肥

生物炭基包膜肥料是一種新興的農(nóng)業(yè)投入品，它結(jié)合了生物炭的優(yōu)點和包膜肥料的技術(shù)，旨在提高肥料效率，減少養(yǎng)分流失。生物炭基包膜肥料一般有兩種包膜形式：一種是將生物炭與化肥（如尿素、磷酸二銨等） 進行混合后，再通過特定工藝將其包裹在一層或多層材料（如聚合物、生物降解材料等） 中制成緩/控釋型肥料；另一種是將生物炭作為膜材料組分與其他功能制劑復(fù)配成膜，再進一步對其他肥料核芯進行包膜處理。近年來，研究熱點主要集中在炭基膜材料和包膜技術(shù)的研發(fā)等方面。

由于生物炭具有很強的疏水特性，將生物炭配比粘結(jié)劑負載在肥料顆粒表面可以起到屏障作用，有效地阻礙水分子快速進入肥料內(nèi)核，從而達到減緩養(yǎng)分釋放的效果[10]。周子軍等[11]研制了生物炭改性聚丙烯酸酯包膜控釋肥料，發(fā)現(xiàn)生物炭與氮丙啶交聯(lián)劑耦合改性膜強度增加，可延長包膜肥料控釋期。苑曉辰[12]以乙基纖維素為成膜材料，戊二醛作為交聯(lián)劑，鄰苯二甲酸二乙酯作為增塑劑，吐溫80 作為乳化劑，采用溶液共混法制備生物炭基肥包膜材料，發(fā)現(xiàn)制備的包膜材料物理機械綜合性能優(yōu)良，累計養(yǎng)分透過率達到80% 的時間為98 天，滿足大部分作物生長周期的肥效需求。

1.4 生物炭基（生物） 有機肥

生物炭基有機肥一般是指生物炭與來源于植物和（或） 動物的有機物料混合發(fā)酵腐熟，或與來源于植物和（或） 動物的經(jīng)過發(fā)酵腐熟的含碳有機物料混合制成的肥料，按照其來源和制備工藝可以劃分為：1） 直接混合型，即將生物炭與有機物料直接物理混合，然后通過堆肥化處理使有機物質(zhì)進一步礦化和腐熟；2） 發(fā)酵型，即先將有機物料進行微生物發(fā)酵，產(chǎn)生的有機肥與生物炭混合，通過后續(xù)處理增加肥效和穩(wěn)定性；3） 復(fù)合型，即不僅包括生物炭和有機物，還可能添加一些無機肥料成分，如氮、磷、鉀等，以提高肥效。在炭基有機肥的基礎(chǔ)上，加入特定的功能性微生物（如固氮菌、解磷菌、解鉀菌等），可制備成炭基生物有機肥，從而進一步增強肥效或病害防治能力等。與傳統(tǒng)堆肥相比，生物炭基（生物） 有機肥具有生產(chǎn)周期短、溫室氣體和氨排放少、養(yǎng)分含量高、腐殖化程度高、重金屬和抗生素生態(tài)風險低等優(yōu)點[13]。自2015 年以來，基于生物炭的有機肥料研究處于快速發(fā)展階段，研究熱點包括氮素轉(zhuǎn)化利用、溫室氣體排放、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和土壤肥力提升等[14?15]。

在制備生物炭基有機肥料時，以下幾點需要關(guān)注：1） 生物炭添加量，在一定用量范圍內(nèi)，生物炭可通過多孔表面增加曝氣和微生物活性進而促進產(chǎn)熱，還可填補堆肥物料顆粒之間的空隙以減少熱量損失，促使堆體迅速升溫進入高溫期。當生物炭用量過大（如 40%，w/w） 時，可能會降低易降解化合物的利用率，并可能導(dǎo)致較低的溫度[16]。2） 生物炭粒度，添加顆粒炭能夠增加堆體孔隙，改善堆體傳質(zhì)，延長堆肥高溫期時間，能夠有效促進堆體中微生物對溶解性碳氮的利用，促進腐殖質(zhì)生成并且提高持水能力。添加粉末炭能夠加快前期升溫但會促進水分揮發(fā)，降低含水率[17]。3） 翻堆，生物炭的添加導(dǎo)致堆料曝氣增加，微生物數(shù)量和活性提高，有可能暫時出現(xiàn)局部氧水平降低，延緩降解過程[18]，因此，需要增加翻堆次數(shù)，保證堆肥內(nèi)部溫度的均勻性。4） 溫度監(jiān)測，生物炭的添加縮短了堆體進入嗜熱階段的時間，提前進入高溫期，添加生物炭還可以將嗜熱期延長 1～6 天[19]，有利于使堆肥達到更高的無害化水平。5） 水分控制，一般建議將最佳含水量設(shè)為 50%～60%，因為水分含量太低會抑制微生物活性，而水分含量過高會影響堆肥曝氣。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)有利于吸收堆肥中多余的水分，從而防止?jié)B濾液形成，還可以防止嗜熱階段水分蒸發(fā)導(dǎo)致的堆肥過度干燥[20]。

1.5 生物炭基微生物肥料（菌劑）

生物炭是一種優(yōu)良的生物相容多孔材料，有利于微生物的繁殖和棲息，可以增加微生物的數(shù)量以及活性?；谶@一特性，將生物炭/微生物菌劑復(fù)合體進行混合接種擴繁形成生物炭基微生物肥料（菌劑），不僅有利于保持微生物菌劑的生物活性，也可以強化生物炭的土壤調(diào)理功能[21]。

在制備炭基微生物肥料時，需要確保微生物群體在擴繁過程中保持高活性和穩(wěn)定性，以便使最終產(chǎn)品具有良好的增產(chǎn)效果，改善土壤結(jié)構(gòu)和增加土壤肥力。高效菌株的篩選，生物炭材料表面改性與營養(yǎng)負載，生物炭材料的選擇以及功能菌的添加比例、發(fā)酵條件控制、產(chǎn)品保存條件等都是影響肥料中有效活菌數(shù)的重要因素。生物炭可負載多種不同類型菌株，例如用于負載固氮菌屬、芽孢桿菌屬、梭菌屬、弗蘭克氏菌屬、假單胞菌屬和根瘤菌屬等植物根際促生菌。勾穎[22]以土壤益生菌菌株為探針，通過載體結(jié)構(gòu)改良，益生菌定殖影響因素分析與培養(yǎng)條件優(yōu)化，構(gòu)建生物質(zhì)炭基?土壤益生菌的長效耦合體系，開發(fā)人參專用生物炭基微生物肥料，該產(chǎn)品中生防益生菌活菌數(shù)達到6.94×108 CFU/g，高于生物有機肥國家質(zhì)量標準，在實際應(yīng)用中，其活菌數(shù)高峰期較直接施用菌液增加了15 天，持效時間增加了60 天，表明生物炭基肥可有效提高生防菌在土壤中定殖數(shù)量以及存活時間。Shabir 等[23]測試了不同的生物聚合物添加劑（纖維素、黃原膠、殼聚糖和胰蛋白胨），使用經(jīng)過400℃ 炭化的松木生物炭（PWBC）作為基礎(chǔ)接種劑載體，檢測了其對Bradyrhizobiumjaponicum （CB1809） 生長和活性的支持能力，結(jié)果表明，在PWBC 中添加生物聚合物有助于促進CB1809的貨架壽命或存活率。

1.6 生物炭基土壤調(diào)理劑

生物炭基土壤調(diào)理劑主要利用生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、穩(wěn)定的碳框架等特性，對土壤進行物理、化學和生物學調(diào)節(jié)，通常以生物炭作為主體，輔助添加其他有益于植物生長和土壤改良的成分，如有機肥料、微生物制劑等。生物炭基土壤調(diào)理劑具備多效復(fù)合功能，其應(yīng)用場景非常廣泛，可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，減少養(yǎng)分流失，改善土壤的通氣性和保水性，促使土壤形成良好的團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物多樣性和活性，減輕土壤污染等[24]。柴冠群等[25]研究發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑能提高土壤對降水的截存和保貯能力，顯著提高土壤飽和含水量、田間持水量、水分總庫容、有效水庫容及重力水庫容，降低土壤凋萎點含水量和無效水庫容。Sunginthara等[26]利用堆肥和生物炭制備炭基土壤調(diào)理劑，顯著促進了土壤養(yǎng)分的活化和利用。Das 等[27]開發(fā)的水凝膠生物炭復(fù)合材料作為土壤調(diào)理劑在重金屬污染土壤修復(fù)方面發(fā)揮了重要作用。Li 等[28]發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑對土壤Pb 和Cd 的吸附率可分別達到99.9%和8 8 . 3 %，對阿特拉津的吸附率可達到7 5 . 2 %。Tran 等[29]發(fā)現(xiàn)，與生物炭共同堆肥可提高污染土壤中重金屬（HMs） 的修復(fù)效率，提高幅度為66%～95%，同時可高效吸附持久性污染物如農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯（PCBs），及新興有機污染物如微塑料、鄰苯二甲酸酯（PAEs）。

1.7 生物炭基肥料增效劑

生物炭作為肥料增效調(diào)節(jié)劑的研究由來已久，主要集中在堆肥過程調(diào)控和化肥養(yǎng)分減損增效方面。其增效機制主要體現(xiàn)在：調(diào)控堆體酸堿度和碳氮比，強化有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的生物和非生物驅(qū)動過程，加速纖維素降解，促進腐殖化和養(yǎng)分活化，利用其對養(yǎng)分離子的高代換和強吸附能力實現(xiàn)肥料增效。調(diào)控腐殖化過程是生物炭作為堆肥增效劑的核心目的，生物炭促進堆肥腐殖化的過程包含生物和非生物路徑。生物炭可通過改變碳水化合物、氨基酸代謝、芽孢桿菌目、梭菌目和乳桿菌目微生物之間的相互作用模式，與腐殖酸（HA） 和富里酸（FA） 一起改善堆肥過程中的腐殖化作用，這對于理解生物炭在堆肥過程中對腐殖化的影響機制具有重要意義[30]。Zhang 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭用作堆肥增效劑可以增強功能性微生物群落對碳代謝壓力的響應(yīng)，并且改變了關(guān)鍵的產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的微生物群落，進而調(diào)節(jié)堆肥纖維素轉(zhuǎn)化。此外，生物炭含有豐富的可變電荷，可以作為電子傳遞的載體驅(qū)動氧化還原反應(yīng)進而調(diào)控有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。有研究利用金屬改性生物炭驅(qū)動堆肥腐熟，發(fā)現(xiàn)生物炭的添加可加速Mn（II） 向可還原態(tài)Mn（Ⅲ） 和Mn（IV） 的轉(zhuǎn)化，進而通過氧化還原反應(yīng)增強非生物降解有機物和形成類腐殖質(zhì)物質(zhì)[32]。Zhou 等[33]基于 84 項生物炭調(diào)節(jié)堆肥研究的 876 個觀察結(jié)果進行了全球薈萃分析，結(jié)果表明，無論生物炭特性和堆肥條件如何，添加生物炭均能顯著提高 pH 值（5.90%）、發(fā)芽指數(shù)（26.6%）、硝態(tài)氮含量（56.6%）、總氮含量（9.50%） 和總鉀含量（10.1%） 以及聚合度（29. 4%），不同程度地降低電導(dǎo)率（?5.70%） 和銨態(tài)氮（?33.7%）、生物可利用鋅（?22.9%） 和生物可利用銅（?38.6%） 含量，以及氨（?44.2%）、氧化亞氮（?68.4%） 和甲烷（?61.7%） 的排放量。總體而言，生物炭基肥料增效劑前景可期，但是目前以研究居多，標準化產(chǎn)品仍較為缺乏。

2 生物炭基產(chǎn)品制備工藝

2.1 生物炭改性工藝

2.1.1 物理改性

物理法改性即通過物理方法對生物炭進行改性，這種方法可以改變生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團的性質(zhì)，從而改變生物炭的化學性質(zhì)和吸附性能。常見的物理改性方法包括：1） 氣體吹掃改性，主要是通過對熱解的原料進行二氧化碳或氨氣吹掃，從而達到對生物炭改性的效果。這種方法可以顯著提升生物炭的表面積，從而增強了其去除水體中重金屬污染物的能力。2） 蒸汽改性，其主要過程包括原料的熱解和蒸汽的氣化。在蒸汽改性過程中，熱解步驟會導(dǎo)致水分子中的氧原子與生物炭表面的自由活性位點發(fā)生交換。這種交換反應(yīng)使得水分子中的氧元素數(shù)量減少，進而產(chǎn)生氫氣，這些新生成的氫氣會與生物炭表面的碳元素發(fā)生化學反應(yīng)，形成表面氫絡(luò)合物[34]。3） 微波改性， 即通過微波輻射技術(shù)，改變生物炭表面的比表面積或孔隙大小等特性，從而提升其吸附污染物的能力[35]。4）球磨改性，一般指采用球磨機對生物炭進行物理研磨，以減小其固體顆粒的尺寸，從而改變生物炭結(jié)構(gòu)，提高生物炭整體性能的方法。由于球磨生物炭經(jīng)過精細的研磨處理，其顆粒尺寸顯著減小，這使得其比表面積大幅提升，生物炭表面暴露的活性位點數(shù)量隨之增多，從而有利于增加對有機和無機離子的潛在吸附位點。這些增加的吸附位點使得球磨生物炭在吸附過程中能夠更有效地捕獲和固定目標物質(zhì)，進而展現(xiàn)出優(yōu)異的整體吸附性能[36]。

2.1.2 化學改性

化學改性法是最常用的改性方法，主要包括酸、堿、氧化劑、金屬/非金屬摻雜和有機化合物改性?；瘜W改性可以在提高生物炭親水性的同時改變生物炭的孔徑和結(jié)構(gòu)，然后使其對極性吸附物的吸附能力提升。常見的化學改性方法包括：1） 金屬鹽或金屬氧化物改性，即主要是將生物質(zhì)材料浸泡在金屬鹽溶液中，然后經(jīng)熱解后負載納米金屬離子，也可以通過共沉淀法將金屬元素負載在生物炭表面。為了進一步提升生物炭的性能，兩種或兩種以上金屬改性的生物炭越來越受到關(guān)注，它們可以在生物炭表面形成多種金屬氧化物。例如，在Mn-Ce 改性生物炭表面形成MnO2 和CeO2，顯著改善了生物炭的靜電吸附、氧化還原和表面絡(luò)合[37]。2） 氧化劑改性，在生物炭的氧化劑改性過程中，通常使用過氧化氫（H2O2） 和高錳酸鉀（KMnO4）作為改性劑。與其他氧化劑相比，高錳酸鉀改性的生物炭不僅能夠增加官能團的種類和數(shù)量，還能在生物炭的表面形成氧化錳層。因此，KMnO4 通常被用于生物炭改性。通過引入氧化劑進行表面改性，可以顯著增加生物炭表面含氧官能團的數(shù)量，從而提升其對環(huán)境污染物的去除效率，但進行此改性時必須精確控制氧化劑的用量，因為氧化劑的用量不同，會使生物炭去除污染物的效果產(chǎn)生顯著差異[38]。在選擇氧化劑的過程中，還需考慮目標污染物的特性，這是因為不同的氧化劑可能對特定污染物展現(xiàn)出不同的去除效果[39]。3） 酸改性，即主要利用酸性物質(zhì)對生物炭進行改性。生物炭的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和灰分含量很容易被酸改性（硝酸、磷酸、硫酸等） 改變。同時，通過酸改性也可以改善生物炭官能團的種類和含量。因此，酸改性被認為是生物炭最常用的改性策略之一。使用硝酸改性可以將N=O 基團引入生物炭中，硫酸改性生物炭中出現(xiàn)H 基團，而磷酸改性生物炭表面可以形成新的官能團（P=O和=POOH）[40]。4） 堿改性，即主要利用堿性物質(zhì)對生物炭進行改性。堿改性是生物炭改變比表面積、含氧官能團和表面堿度的有效策略，也可以去除生物炭中的灰分和凝結(jié)有機物[41]。因此，通過堿改性可以有效增強生物炭的性能。氫氧化鉀（KOH） 和氫氧化鈉（NaOH） 是堿改性生物炭的常用試劑。然而，它們對生物炭的物理和化學性質(zhì)的影響不同。KOH改性生物炭的比表面積高于NaOH 改性生物炭，而NaOH 改性生物炭的?OH 含量高于KOH 改性生物炭[42]。

2.1.3 生物改性

生物改性是將吸附劑固定在生物炭上，使其在吸附過程中表現(xiàn)出環(huán)境友好且無污染的特點。通過生物改性，生物炭不僅具有高度的吸附專一性，還具有吸附廣泛性的優(yōu)勢。生物改性的生物炭在環(huán)境治理和污染控制方面具有巨大潛力，可以有效地清除廢水和廢氣中的有害物質(zhì)。吳夢莉等[43]選取花生殼生物炭（BC） 作為試驗的基底材料，對比了吸附法和包埋法將微生物固定在生物炭表面的效果差異，發(fā)現(xiàn)吸附法能夠顯著提升生物炭的比表面積和微孔容積，但介孔和大孔的容積則有所減少。而包埋法雖然能夠引入新的官能團，如羰基和亞甲基，但這種方法會導(dǎo)致生物炭的比表面積大幅下降，微孔幾乎完全被堵塞。在實際應(yīng)用中，吸附法在提高生物炭對氨氮的吸附量和吸附效率方面表現(xiàn)得更好。

2.2 生物炭成肥工藝

2.2.1 團粒法

該方法是將生物炭與一種或者多種肥料粉碎后，形成粒度接近的粉狀顆粒后混合造粒。團粒法造粒的基本原理是依靠肥料鹽類溶解產(chǎn)生的溶液以及額外加入的黏結(jié)劑，將一定顆粒細度的基礎(chǔ)肥料黏聚成粒，再通過轉(zhuǎn)動使黏聚的顆粒在重力作用下運動，相互擠壓、滾動使其緊密成型。生物炭顆粒粗糙、孔隙豐富、脆而易碎，而團粒法主要依靠自身重量和顆粒間的擠壓而成型，所以生產(chǎn)的炭基肥顆粒往往強度不高。轉(zhuǎn)鼓水汽造粒和圓盤造粒（噴蒸汽或黏結(jié)劑） 是兩種常見的團粒方式，均需保證成粒所需的液相量，屬于濕法造粒，需要接續(xù)進行烘干操作，以降低水分含量，防止結(jié)塊。

2.2.2 擠壓造粒法

擠壓法主要是利用機械外力的作用使粉體基礎(chǔ)肥料成粒，黏結(jié)劑種類與添加量、?？卓讖?、炭肥比以及成型溫度等因素對生物炭基肥料顆粒的抗壓強度、抗?jié)B水性、成型率和緩釋性能等均有顯著影響[44]。適度增加炭肥比，肥料結(jié)構(gòu)會更緊密，肥料養(yǎng)分緩釋效果更好，但過量的生物炭的添加會造成肥料粒徑不均勻、抗壓強度不達標[45]。

生物炭基肥料的制備是一個致密化的過程，需要消耗能量，因此成型耗能是很多生產(chǎn)技術(shù)人員關(guān)注的重要問題之一。參照秸稈、木屑等生物質(zhì)成型技術(shù)的研究結(jié)果，較小的粒徑往往在擠壓過程中需要較高的能耗，黏結(jié)劑、成型壓力、壓縮量、壓縮頻率、含水率等是需要考慮的關(guān)鍵因素[46]。彭春暉等[47]針對生物炭基肥成型過程中單位產(chǎn)品能耗高的問題，研究了不同壓縮速度、含水率、長徑比和基肥比（基質(zhì)材料與基礎(chǔ)肥料的比值） 對比能耗和抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)各因素對能耗影響大小依次為長徑比gt;含水率gt;壓縮速度gt;基肥比；各因素對抗壓強度影響作用大小依次為含水率gt;基肥比gt;壓縮速度gt;長徑比。在炭基肥擠壓造粒中，對輥、平模、環(huán)模等設(shè)備均有報道。相對于團粒法而言，擠壓造粒對物料含水量的要求較低，因此后期烘干所需能耗也較低。

包括團粒法與擠壓造粒法在內(nèi)，混合造粒具有生產(chǎn)效率高、操作簡便等特點，尤其便于生物炭與化學肥料緊密結(jié)合，更有利于養(yǎng)分利用率的提高，是目前生物炭基肥料生產(chǎn)的主要方式。原魯明等[48]認為，由于團粒法生產(chǎn)的肥料不抗壓、返料多、生產(chǎn)成本高，而擠壓法生產(chǎn)的肥料投資少、干燥成本低、肥料抗壓性好，所以擠壓法造粒是目前炭基肥造粒的較優(yōu)選擇。

2.2.3 摻混法

在生物炭基肥料發(fā)展的早期，曾有將成型生物炭顆粒與單質(zhì)肥料或復(fù)合肥料摻混的做法。在確保對應(yīng)的最終產(chǎn)品符合相關(guān)標準要求的前提下，摻混法簡便易行，有助于控制生產(chǎn)成本。但是這類產(chǎn)品中生物炭和肥料沒有緊密結(jié)合，生物炭在添加量有限的情況下難以充分發(fā)揮持肥緩釋作用，進而也難以通過提高養(yǎng)分利用效率來彌補化學養(yǎng)分含量下降的空缺，在應(yīng)用中可能會出現(xiàn)作物生長后期脫肥等不良現(xiàn)象。近年來，摻混法已十分少見。

2.2.4 吸附法

吸附法主要是利用生物炭的多孔性與吸附性，將肥料溶液中的一種或數(shù)種組分吸附于表面，或在表面發(fā)生反應(yīng)，進而實現(xiàn)生物炭與養(yǎng)分的復(fù)合。在此類方法中，生物炭的原料占比大，如何在常見的肥料用量下確?？傪B(yǎng)分投入量是需要解決的問題。

2.2.5 包膜/包裹法

主要是用細粉狀生物炭顆粒包裹速效化肥顆粒，以減少因分解、揮發(fā)、沖蝕等造成的養(yǎng)分損失，從而提高肥料利用率。在制備方法上，通常采用一步包膜法和兩步包膜法。一步包膜法，即將包膜材料和粘結(jié)劑混合后，噴涂到肥料顆粒表面；兩步包膜法，即先向肥料顆粒噴涂粘結(jié)劑，待粘結(jié)劑均勻附著于肥料表面后，再投放足量的包膜材料形成包膜層。該方法在思路上與前述工藝有所不同，但同樣可以取得良好效果。由于生物炭的結(jié)構(gòu)疏松，力學性能差，生物炭含量太高會造成肥料成型比例和抗壓能力下降。對包膜肥而言，炭殼越厚、成膜劑干燥后拒水能力越強緩釋效果越好，但膜層厚度的提升會導(dǎo)致膜層易碎、養(yǎng)分比例降低的問題[49]。徐佳鋒[50]分析了包膜量與生物炭基包膜肥機械性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)生物炭基包膜肥的抗壓強度為18.69～29.37 N，比純尿素的抗壓強度提高了68.23%～164.36%。

2.2.6 其它加工技術(shù)

在《生物炭基肥料》（NY/T3041—2016） 標準中，肥料的形狀與粒度要求與復(fù)合肥料標準保持一致，以求盡可能貼近使用者對傳統(tǒng)化肥的經(jīng)驗認知。但是，這種考慮也在很大程度上限制了產(chǎn)品中生物炭的添加量，其持肥緩釋、改土培肥作用難以充分發(fā)揮。因此，如果不考慮粒度限制，僅從肥效的角度思考，提高生物炭添加量不失為一條可行途徑。也有學者開展了炭基肥料棒研究，此類產(chǎn)品雖然形狀特殊，但在配方、生產(chǎn)工藝方面仍屬于復(fù)混[51]。

3 生物炭基產(chǎn)品節(jié)肥增效性能研究與評價

生物炭基土壤培肥產(chǎn)品的材料性質(zhì)和加工工藝對肥料緩釋性能有重要影響，對炭基產(chǎn)品性能的研究與評價，主要集中在生物炭類型、粒徑、改性工藝、膠黏劑類型、添加量與聚合方式、炭肥比、成型壓力，以及養(yǎng)分緩釋效果和作物養(yǎng)分利用效率等方面。

肥料中添加生物炭可以起到良好的養(yǎng)分緩釋作用，減少養(yǎng)分損失，提高作物養(yǎng)分利用效率。梳理當前的研究進展可以發(fā)現(xiàn)， 生物炭的O / C 比、H/C 比、陽離子交換量、pH、比表面積以及官能團性質(zhì)，對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸附?解吸起到?jīng)Q定作用，這些性質(zhì)與炭基肥持肥緩釋的能力高度相關(guān)，因此常作為生物炭改性或炭基產(chǎn)品研發(fā)的重要參考依據(jù)[52]。趙澤州等[53]系統(tǒng)研究了炭基復(fù)合肥、炭基氮肥、炭基磷肥以及炭基鉀肥的養(yǎng)分固持與釋放機制（圖3）。Khan等[54]利用小麥秸稈殘渣制備的納米生物炭作為基質(zhì)制備成納米炭基肥，Zhou 等[55]將玉米秸稈與蒙脫石共熱解合成了蒙脫石改性的生物炭，并吸附尿液中的磷以制備成炭基磷肥，這些肥料緩釋性能均顯著提高。生物炭顆粒粒徑是影響生物炭比表面積及孔隙結(jié)構(gòu)的重要因素，也是影響生物炭吸附及緩釋性能的關(guān)鍵因素。沈秀麗等[56]以不同粒徑稻殼生物炭粉為包膜材料，對尿素顆粒進行不同層數(shù)包膜處理，通過控制不同膜層生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑，減緩水分的滲入及養(yǎng)分的流出過程，緩釋效果突出。

黏土礦物、高分子材料、有機溶劑等常作為膠黏劑廣泛用于炭基肥制備過程，由于材料配合方式和聚合工藝不同，對炭基肥的緩釋效果也有不同影響。楊蘭文[57]通過微波輻射法，將已經(jīng)負載氮元素的生物炭引入高吸水性聚合物中得到高吸水性緩釋肥料，該肥料在30 天內(nèi)的氮釋放量僅為56.60%。鐘旋[58]以稻殼炭和尿素晶體為原料，以熔融尿素為“粘結(jié)劑”，采用熔融尿素滲透的方法制備了稻殼炭基尿素肥（RHBF），研究了成型工藝參數(shù)對RHBF 成型性能、養(yǎng)分釋放性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的影響，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，重結(jié)晶后的尿素晶體充分滲入到稻殼炭孔隙內(nèi)部，界面融合良好，二者通過固體橋、機械互鎖的形式相互結(jié)合，并且通過形成氫鍵進一步增強了分子間結(jié)合強度。安雄芳[ 5 9 ]、An 等[ 6 0 ]通過整合共熱解和共聚合過程（PSRFs） 開發(fā)了一種新型的生物炭基緩釋磷肥，發(fā)現(xiàn)所得炭基肥具有出色的磷緩釋性能，30 天后磷緩釋率約為51.5%，60 天后的磷利用率可達75.83%。

養(yǎng)分氣態(tài)損失控制也是肥料制備和應(yīng)用過程中需要注意的問題，尤其是氮肥的氣態(tài)損失。在肥料中添加生物炭可以削弱硝化和反硝化之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，有效抑制反硝化速率，從而降低N2O 排放[61]。Zheng 等[62]利用負載了銨氮的生物炭替代化肥中的氮肥，研究其對土壤N2O 排放的調(diào)控效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)炭基氮肥主要通過調(diào)節(jié)土壤pH 和C/N，進而增加攜帶nosZ基因的菌群總體豐度來促進N2O 減排。Harrison 等[63]發(fā)現(xiàn)在堆肥中添加20% 的生物炭可以顯著降低N2O和NH3 排放。Zhang 等[64]利用加載新型1，3，5-苯三羧酸鐵絡(luò)合物（BC-FeBTC） 的生物炭進行堆肥，發(fā)現(xiàn)BC-FeBTC 顯著減少了NH3 和N2O 的排放量，分別降低了57.2% 和37.8% 。綜上可知，不同的改性和制備工藝對炭基肥的節(jié)肥增效性能影響較大，也是未來炭基肥研究的一個重點方向。

田間試驗是對炭基肥性能評價的重要環(huán)節(jié)，在近幾年的國內(nèi)外研究報道中，可以找到大量炭基肥節(jié)肥增效的證據(jù)。例如，Roy 等[65]在稻田施用炭基肥，發(fā)現(xiàn)氮磷鉀肥利用率分別提高了11.7%～29.5%、32.9%～64.0% 和31.4%～38.0%。Banik 等[66]利用生物炭和硫分別制備包膜氮肥，發(fā)現(xiàn)炭基包膜氮肥可以增加玉米的莖（1%～34%） 和根（0%～23%） 生物量、氮回收效率（17%～50%） 和土壤潛在可礦化N，這對于調(diào)控土壤?作物系統(tǒng)氮釋放、吸收過程有重要意義。羅偉晨[67]對富鎂型秸稈生物炭肥（MBF） 緩釋性能及機理的研究結(jié)果表明，MBF 具有優(yōu)良的氮磷緩釋性能，其協(xié)同控制主要包括：鎂?磷沉淀物的溶解速率、MgO 的“磷控閥門”效應(yīng)、靜電吸引、氫鍵、“充孔效應(yīng)”以及生物炭的限域效應(yīng)，與化肥相比，MBF 顯著促進了玉米的生長，提高了玉米對養(yǎng)分的吸收效率。陳明明等[68]基于熱解轉(zhuǎn)化技術(shù)耦合氮磷，同步富集制備鈣鎂型秸稈生物炭肥并用于玉米農(nóng)田，結(jié)果表明其肥料緩釋作用好于常規(guī)化肥，且對玉米生長具有顯著促進作用。

4 炭基產(chǎn)品農(nóng)業(yè)應(yīng)用

4.1 土壤培肥與改良

炭基產(chǎn)品的土壤改良性能突出，它優(yōu)化了生物炭的功能，提升了對土壤的靶向培肥和調(diào)理能力，相比于傳統(tǒng)的大量直接施炭方式更為輕簡易行，是生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)載體（圖4）。

炭基產(chǎn)品孔隙發(fā)達、密度低，含有羥基、羧基等親水基團，有利于調(diào)節(jié)土壤容重，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，增加土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，改善土壤的通氣性和持水能力[69]。有研究表明施用生物炭能夠降低可排水孔隙的分布比例[70]，增加中等孔徑孔隙的分布比例，而中等孔隙的增加會提高土壤的保水能力[71]。

良好的土壤酸堿度是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，炭基肥有助于提高土壤的緩沖能力，有效地調(diào)節(jié)土壤pH值，特別是對于酸性土壤，可以明顯提高其pH 值，使土壤呈中性或微堿性。戰(zhàn)秀梅等[72]進行了4 年的田間定位試驗，結(jié)果表明施用炭基肥料，土壤pH 值較試驗前提高了0.57 個單位。由于生物炭大多呈堿性，尤其是秸稈類生物炭的灰分含量較高，因此經(jīng)常會直觀地認為其不利于降低鹽堿土pH 和鹽離子濃度，所以利用生物炭改良鹽堿土尚存在一些爭議。然而，炭基肥卻有所不同，制備工藝和應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化使其在鹽堿土改良方面可以發(fā)揮重要作用，其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特征、高有機碳含量、較高的陽離子交換量（CEC） 及吸附能力，均可在改善鹽堿土物理結(jié)構(gòu)、提高有機質(zhì)含量和有效養(yǎng)分含量以及降低作物根系受Na 離子鹽害等方面發(fā)揮作用[73]。

土壤氧化還原特性是驅(qū)動礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)和有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的重要影響因子，炭基肥具有發(fā)達的官能團結(jié)構(gòu)和豐富的可變電荷載體，在土壤氧化還原過程中可起到顯著的電子傳遞作用，進而參與到土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、釋放、吸附、絡(luò)合等一系列過程，有利于土壤?作物系統(tǒng)間的物質(zhì)流通。炭基肥可以通過控制植物根膜的離子電勢，促進養(yǎng)分向植物遷移，從而提高養(yǎng)分利用效率[74]。Chew 等[75]研究發(fā)現(xiàn)施用炭基肥使土壤氧化還原電位（Eh） 增加了85 mV，并使根際土壤和根膜之間的電位差增加了65 mV。這種增加的電位差降低了根部營養(yǎng)素積累所需的自由能，促進了植物的養(yǎng)分吸收和物質(zhì)代謝。

陽離子交換量是反映土壤持肥能力的重要指標。炭基肥具有較高的陽離子交換量、發(fā)達的孔隙，因此有很強的吸附特性，對養(yǎng)分具有持留功能，能促進土壤中養(yǎng)分的固定，延緩了肥料在土壤中的釋放和淋失，對養(yǎng)分起到緩釋作用，減少肥料和土壤養(yǎng)分的損失，從而提高肥料利用率[76]。有研究發(fā)現(xiàn)炭基肥能有效增加土壤有機質(zhì)含量，減少硝酸鹽氮、交換性鈣和鎂的淋失，并有效提高氮的利用效率[77]。炭基肥制備的過程增加了羧基等官能團的數(shù)量，提高了單位表面積的電荷密度，從而提高土壤陽離子交換量，這對于減緩?fù)寥乐械氐牧魇?，增加土壤中磷素的生物有效性有重要意義[78]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，在土壤有機碳礦化、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和固定中起著至關(guān)重要的作用，是土壤評價必不可少的指標之一。炭基肥可以為微生物提供適宜生存的微環(huán)境，對土壤微生物豐度、多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[79]。從材料特性的角度來看，炭基肥表面粗糙度、表面形貌、自由能、表面電荷和疏水性是影響微生物定殖的主要因子[80]。炭基肥有利于維持土壤微生物對碳源底物的利用能力，從而增強代謝活性。陳坤等[81]研究發(fā)現(xiàn)施用炭基肥能顯著提高土壤微生物Shannon-Winner 多樣性指數(shù)和真菌/細菌以及降低革蘭氏陽性細菌/革蘭氏陰性細菌，有利于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性提高。陶思遠[82]通過在液體牛肉膏培養(yǎng)基中添加生物炭，來提高枯草芽孢桿菌SL-13 的繁殖速度，并延長細菌的存活時間，在辣椒促生和土壤改良方面取得顯著效果。

4.2 作物高產(chǎn)高效栽培

近年來，生物炭基肥料在作物高產(chǎn)高效栽培方面的研究與應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，主要聚焦于作物增產(chǎn)提質(zhì)、養(yǎng)分利用、生理調(diào)控、防病抗逆等方面。

作物增產(chǎn)提質(zhì)是施肥的首要目標，Melo 等[83]基于2011—2021 年的相關(guān)文獻進行了薈萃分析，對炭基肥和傳統(tǒng)肥料的增產(chǎn)效果進行比較，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比，施用炭基肥作物平均增產(chǎn)10% 以上，與直接施用15～30 t/hm2 生物炭的效果相當，就養(yǎng)分高效利用和作物增產(chǎn)而言，大大節(jié)約了成本，也更易于輕簡化推廣應(yīng)用。Zhao 等[84]基于玉米?大白菜輪作系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，炭基肥處理的玉米和大白菜平均產(chǎn)量和氮素利用率顯著提高，炭基肥提高了玉米籽粒的淀粉含量和大白菜的氨基酸、糖分和維生素C 含量。陳松嶺等[85]在水基共聚物中加入生物炭來包膜尿素制得緩釋肥，并以玉米為供試作物進行田間試驗，在施肥量比傳統(tǒng)肥料減少20%的情況下，玉米產(chǎn)量提高了1.45%。Zonayet 等[86]在鹽堿地上施用炭基肥，緩解了土壤鹽脅迫，顯著提高了番茄產(chǎn)量與品質(zhì)。

根系是銜接土壤與作物的樞紐，根生理功能和根際微生態(tài)環(huán)境對作物生長具有舉足輕重的作用。炭基肥含有豐富的氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂等營養(yǎng)元素，為作物根系形態(tài)建成和組織發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時通過對土壤水氣條件的協(xié)調(diào)優(yōu)化，為促進根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境。炭基肥具有明顯的吸熱屬性，施入土壤后可提高土壤溫度，減輕低溫冷害，為根系生長發(fā)育提供有利條件[87]。張立蕓等[88]發(fā)現(xiàn)施用炭基肥可以促進玉米根系的生長，增大根系與基質(zhì)的接觸范圍，擴大養(yǎng)分和水分吸收面積，從而促進其對養(yǎng)分和水分的充分利用。隋世江等[89]發(fā)現(xiàn)生物炭基肥可促進水稻生育前期根系分泌大量的蘋果酸，并可通過增強銨態(tài)氮的初級同化和再同化改善植株根系的氮代謝能力。

光合作用是植物物質(zhì)合成與代謝的核心過程，涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等重要反應(yīng)步驟，是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。有研究表明炭基肥對作物光合生理也有影響。Chen 等[90]發(fā)現(xiàn)施用炭基肥增強了光合色素合成和光系統(tǒng)II （PSII） 活性，導(dǎo)致葉子老化延遲，并增加了甜菜葉片中氮同化量和蔗糖合成能力。楊勁峰等[91]研究了炭基緩釋肥對花生光合功能的影響，結(jié)果表明施用炭基緩釋肥可以引起花生營養(yǎng)生長階段葉片熒光誘導(dǎo)曲線顯著變化，具有提高葉片光合性能作用，尤其在電子傳遞和光能吸收方面優(yōu)于常規(guī)肥料。

在作物栽培過程中，除了養(yǎng)分高效供應(yīng)之外，提升防病抗逆能力也是重中之重。國內(nèi)外在炭基肥對作物病害抑制、緩解作物干旱和鹽堿脅迫等方面開展了諸多研究。Liu 等[92]認為生物炭對植物病害的控制效果有限，因為它不能特異性地殺死病原體，而生物炭（BC） 與微生物接種劑（MI） 的結(jié)合是一種抑制植物病害的有效方法。BC–MI 可以促進MI 在根系或根際的定殖，從而改變根系分泌物的組成并上調(diào)防御相關(guān)基因的表達。趙婭紅等[93]通過田間試驗研究拌塘施用不同量生物炭肥對煙草根結(jié)線蟲病株根際土壤的影響。結(jié)果表明，常規(guī)施肥減量10% 拌塘施用酵素生物炭肥能夠顯著降低煙草根結(jié)線蟲病的病情指數(shù)。Hafez 等[94]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地中施用生物炭基土壤改良劑降低了土壤pH 值、電導(dǎo)率和可交換鈉百分比。同時，它增強了水稻對K+的吸收，提高了水稻葉綠素a、b 和類胡蘿卜素、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和抗氧化相關(guān)酶的活性。魏萌萌[95]利用生物炭負載惡臭假單胞菌，研究其對辣椒和葡萄的耐鹽促生效果，結(jié)果表明該菌劑可通過降低滲透物質(zhì)和抗氧化酶的積累緩解鹽脅迫，促進植物生長。Védère等[96]認為，老化的生物炭基有機肥更有利于緩解植物干旱脅迫。Zheng 等[97]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱或半干旱地區(qū)，施用炭基肥可改善花生生長，提高產(chǎn)量。

4.3 農(nóng)田環(huán)境污染治理

炭基土壤調(diào)理劑不僅能改善土壤基礎(chǔ)理化性狀，在修復(fù)污染土壤方面同樣效果顯著，其作用機制主要包括表面吸附、絡(luò)合、還原、共沉淀、離子交換、電子傳遞、孔隙填充、π 鍵共軛作用、氫鍵和范德華力等。

生物炭堿性和吸附能力較強，常作為重金屬污染土壤調(diào)理劑，以生物炭為核心制備成炭基肥或炭基調(diào)理劑進行場地重金屬污染土壤修復(fù)，已成為我國生物炭研究與應(yīng)用的標志性成果之一。Lv 等[98]研究發(fā)現(xiàn)炭基肥可增強土壤?水稻系統(tǒng)中鎘的固定。赫天一[ 9 9 ]明確了炭基調(diào)理劑對鎘在水稻不同組織器官中的分配和轉(zhuǎn)移機制。生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙度，常作為固定降解菌的載體，提高土壤中PAHs 的生物降解效率。任靜等[100]通過生物炭固定多環(huán)芳烴高效降解菌Martelella sp.AD-3，實現(xiàn)了土壤有機污染的高效修復(fù)。Ji 等[101]利用3 步順序萃取和非穩(wěn)態(tài)模型方法，研究了炭基調(diào)理劑對新煙堿類農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)機制，發(fā)現(xiàn)炭基調(diào)理劑的添加促進了土壤中新煙堿類農(nóng)藥從易溶性組分向中等吸附和穩(wěn)定吸附組分的轉(zhuǎn)化， 促進了含?NO2 的新煙堿類農(nóng)藥降解菌的繁殖。

近年來，新出現(xiàn)的污染物，如抗生素耐藥基因（ARGs） 的傳播引起了科學界的關(guān)注，這在堆肥中尤為顯著[102]。Zhou 等[103]分析了負載納米零價鐵（BCnZVI）的改性生物炭對堆肥中抗生素抗性基因（ARGs）的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過65 天后，代表性ARGs 的相對豐度降低了56.12%。Wu 等[104]在雞糞堆肥過程中，通過Bacillus subtilis 與生物炭的聯(lián)合接種，增強了抗生素抗性基因的去除效果。Wang 等[105]研究發(fā)現(xiàn)，炭基調(diào)理劑在林可霉素發(fā)酵渣堆肥過程中顯著抑制了E.coli DH5α 和Pseudomonas aeruginosa HLS-6之間RP4 質(zhì)粒的共軛轉(zhuǎn)移，以及胞外耐藥基因的轉(zhuǎn)化。潛在的機制涉及細菌細胞膜的破裂，以及氧化應(yīng)激基因和SOS 響應(yīng)相關(guān)基因的表達變化。

除了傳統(tǒng)的有機無機污染之外，炭基調(diào)理劑對污染氣體排放、環(huán)境微塑料遷移轉(zhuǎn)化的影響和調(diào)控機制也成為近年來的研究熱點。Harrison 等[106]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥中添加生物炭基調(diào)理劑明顯降低了總甲烷排放量，降幅為58%±22%，H2S、VOCs 和NOx的排放分別減少了67%±24%、61%±19% 和70%±22%。這可能是由于多孔的生物炭改善了氧氣的擴散，并且氣體前體物質(zhì)被吸附到生物炭表面上。Zhou 等[107]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭促進了微塑料的氧化和降解（15896.06～23225.11 particles/kg），其中鋸末生物炭和豬糞生物炭的效果更好。此外，生物炭顯著降低了小顆粒（10～100 μm） 微塑料的豐度。

5 結(jié)論與展望

發(fā)展生物炭產(chǎn)業(yè)是突破資源環(huán)境約束、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力、消減面源污染、促進節(jié)能減排、支撐低碳循環(huán)可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措。以多元化炭基產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用為抓手，從政策支持與激勵機制、技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建和商業(yè)模式創(chuàng)新、示范項目與推廣應(yīng)用、國際合作與交流以及公眾教育與意識提升等方面全方位推進生物炭產(chǎn)業(yè)化進程，將為綠色經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護作出重要貢獻。

近年來，隨著《生物炭基肥料》（NY/T 3041—2016）、《生物炭基有機肥料》（NY/T 3618—2020）、《生物炭檢測方法通則》（NY/T 3672—2020）、《生物質(zhì)熱裂解炭化工藝技術(shù)規(guī)程》（NY/T 4161—2022）、《生物炭》（NY/T 4195—2022）、《生物炭基肥料田間試驗技術(shù)規(guī)范》（NY/T 4160—2022）、《農(nóng)作物秸稈炭化還田土壤改良項目運營管理規(guī)范》（GB/Z 39121—2020） 等行業(yè)和國家標準的實施，生物炭基產(chǎn)品的研發(fā)進入了快車道。根據(jù)國家官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到目前為止，我國炭基土壤培肥與調(diào)理產(chǎn)品的授權(quán)發(fā)明專利有183 項，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)行業(yè)和地方標準43 項、團體標準22 項，知識產(chǎn)權(quán)體系逐步完善。技術(shù)的標準化、功能的多樣化和應(yīng)用的規(guī)范化將成為未來生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。對未來研究工作提出以下幾點建議：

1） 加強新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)。生物炭、粘結(jié)劑、改性劑以及其他特異功能輔助劑的性能是生物炭基肥緩釋技術(shù)的根本，新型環(huán)保生物炭基肥緩釋技術(shù)是今后研究的重點。尤其應(yīng)關(guān)注新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，如通過加載納米金屬材料對生物炭進行改性，以增強生物炭的吸附容量。還可以通過調(diào)配包膜材料、生物炭原料、肥料合成條件和包裹技術(shù)等研制新的生物炭基包膜肥料。由于天然生物聚合物材料機械性能較差，且容易受到微生物和酶的作用而快速降解，因此不能長期有效地調(diào)節(jié)養(yǎng)分的釋放，在實際應(yīng)用中難以大面積推廣。為了解決這一限制，可以考慮使用化學方法、交聯(lián)劑和疏水化合物來改善機械性能和疏水性能，從而制備出性能更穩(wěn)定的炭基緩控釋肥料。此外，多功能復(fù)合炭基產(chǎn)品研發(fā)將可能成為下一階段研究重點，如“藥肥雙控”、“炭基凝膠”等產(chǎn)品，有益于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高效綜合治理。

2） 推進炭基產(chǎn)品質(zhì)量與性能檢測技術(shù)開發(fā)和平臺構(gòu)建。前期研究中，諸多學者在炭基產(chǎn)品機械性能、養(yǎng)分含量、緩釋能力測試等方面做了大量建設(shè)性工作，但由于測試方法、條件以及設(shè)備的差異，不同研究所得結(jié)果很難比較，導(dǎo)致產(chǎn)品在實際應(yīng)用中經(jīng)常達不到預(yù)期效果。建立標準體系與實現(xiàn)標準化作業(yè)之間仍存在距離，制約了產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，迫切需要在標準化檢測技術(shù)的開發(fā)與推廣應(yīng)用上進一步完善，形成細分的檢測標準，組建具備認證資質(zhì)的檢測平臺。

3） 在研究與應(yīng)用端，加強長期定位試驗示范，開展系統(tǒng)性研究和監(jiān)測。炭基肥和炭基土壤調(diào)理劑在緩解氣候變化、實現(xiàn)耕地保育和污染治理以及作物高產(chǎn)高效健康栽培等方面有巨大潛力，但其長期效應(yīng)如何仍有待驗證。國內(nèi)最早的生物炭定位試驗起始于2009 年，至今不過十余年。同時，受限于試驗設(shè)計、模式作物、土壤類型、耕作與管理制度等因素制約，所開展的研究遠遠不能滿足現(xiàn)實需求。加強頂層設(shè)計，建立全國長期定位試驗協(xié)作體系，開展有序分工與合作，可能是行之有效的辦法。加快生物炭基肥緩釋技術(shù)的推廣和示范，包括適合不同地域、氣候、土壤、栽培和水分管理條件下的生物炭基肥產(chǎn)品、施用量及施用方法等。

4） 防控污染風險，開展綜合評價。如前文述及，炭基產(chǎn)品類型與功能多元化特征突出，原材料性質(zhì)、制備工藝、應(yīng)用環(huán)境都十分復(fù)雜，加強炭基產(chǎn)品制備和應(yīng)用環(huán)節(jié)的風險評價十分必要。有研究指出，生物質(zhì)熱解為生物炭的過程中不可避免會產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs），其具有對人體致畸、致突變和致癌的潛在危害。此外，在集約化養(yǎng)殖過程中，常在畜禽飼料中添加Cu、Zn、As 等重金屬添加劑，以滿足生產(chǎn)的需要。隨著生物炭基有機肥、有機無機復(fù)混肥或調(diào)理劑的長期大量使用，可能會導(dǎo)致土壤中PAHs 和重金屬的積累，形成環(huán)境風險[108]。避免使用重金屬污染的生物質(zhì)廢棄物制備生物炭，同時通過優(yōu)化制備工藝以實現(xiàn)生物炭中有機污染物的安全控制，從而實現(xiàn)炭基產(chǎn)品的長期安全應(yīng)用。炭基產(chǎn)品規(guī)模應(yīng)用下的農(nóng)業(yè)水土、經(jīng)濟、環(huán)境等效應(yīng)及綜合評價指標體系將是今后的重要研究課題。

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作者簡介：

蘭 宇，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任沈陽農(nóng)業(yè)大學國家生物炭研究院副院長、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物炭與土壤改良重點實驗室副主任，中國植物營養(yǎng)與肥料學會生物炭專業(yè)委員會副主任，《BIOCHAR》期刊青年編委，主要從事生物炭固碳改土減肥增效基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究。主持國家自然科學基金等國家、省部級項目20 余項。發(fā)表高水平論文69 篇；獲批行業(yè)和地方標準17 項；授權(quán)國際、國家發(fā)明等專利13 項。主持完成遼寧省科技進步二等獎1 項、遼寧農(nóng)業(yè)科技貢獻獎一等獎1 項，作為主要完成人獲遼寧省科技進步獎一等獎、神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎一等獎、神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎創(chuàng)新團隊獎、沈陽市科技進步獎一等獎、遼寧省土壤肥料領(lǐng)域科技新成果3 項等。入選遼寧省百千萬人才工程千人層次，遼寧省高等學校創(chuàng)新人才，沈陽市領(lǐng)軍人才。

陳溫福，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士?，F(xiàn)任沈陽農(nóng)業(yè)大學水稻研究所所長，遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心主任，《BIOCHAR》期刊主編，國家生物炭科技創(chuàng)新聯(lián)盟理事長。在國內(nèi)率先開展生物炭研究。提出了以生物炭為載體開發(fā)緩釋肥和土壤改良劑，實現(xiàn)“作物秸稈炭化還田改土”新理念，并創(chuàng)建了“以生物炭為核心，以簡易制炭技術(shù)為基礎(chǔ)，以炭基肥和土壤改良劑為主要發(fā)展方向，兼顧炭化生物質(zhì)煤的農(nóng)林廢棄物資源化利用理論與技術(shù)體系”。生物炭技術(shù)已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，在解決耕地退化、秸稈焚燒、環(huán)境污染和農(nóng)林廢棄物資源化利用方面展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFD1500500）；沈陽市科技計劃項目（22-317-2-08）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-01-52）。