生物炭基肥料的制備方法及其在農業中的應用研究進展
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摘 要：因農業活動產生的溫室氣體，已成為加速全球氣候變暖的重要環境因子。利用生物炭作為肥料載體制備生物碳基肥料，是同步實現農作物增產增收和土壤理化性質改良的新型工藝。該文在國內外前沿研究成果和文獻綜述的基礎上，闡述了生物炭基肥在加工、制備和改性工藝方面的最新研究進展以及在生產物炭基肥農田應用研究進展，包括生物炭基肥對土壤微生物群落結構、對肥料養分、對作物生長和產量的影響和農田應用的發展趨勢。并針對存在的問題和技術需求，就施用生物炭的生態影響研究，系統評估生物碳基肥料施用帶來的生物多樣性減少和生態系統失衡等潛在生態風險方面進行了展望。
關鍵詞：生物炭基肥;農業;土壤;作物;進展
中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2019）09-0116-3
Abstract：Greenhouse gases produced by agricultural activities have become one of the major factors contributing to global warming.Biomass carbon-based fertilizer prepared by using biochar as a fertilizer carrier can not only promote crop growth and yield increase，but also contribute to the improvement of soil physical and chemical properties.Based on years of research results and comprehensive literature analysis，this paper expounds the latest research progress of biochar based fertilizer in processing technology，preparation process and modification preparation process，and expounds the research progress of biochar based fertilizer application，including biochar based fertilizer on soil microbial community.Structure，effects on fertilizer nutrients，crop growth and yield，and trends in the application of biochar-based fertilizers.Based on existing problems and technical needs，it is pointed out that the ecological impact of large-scale application of biochar should be further studied，and long-term，systematic and comprehensive assessment of ecological risks such as whether it threatens biodiversity and ecosystem balance.
Key words：Biochar based fertilizer; Agriculture; Soil; Crops; Progress
在許多國家，農田及食品加工廠等場所產生的廚余糞便垃圾、農作物秸稈等農業廢棄物被焚燒已成為常態，不僅帶來了嚴重的空氣污染問題，也造成了農田土壤養分的大量流失。據統計，近年來我國化肥的施用量持續上升[1]。
利用農作物秸稈等廢棄物制備成生物質炭并應用于農業生產是減少化肥施用、促進農業廢棄物資源化利用的新舉措。目前，常用的生物質炭基肥的方法是將20%生物質炭、5%膨潤土和75%NPK肥料混合制造而成，稻田試驗結果表明，在施肥量均為500kg/hm2的情況下，施用生物質炭基肥處理比復合肥處理產量增加15%～30%，并且可以減少溫室氣體的排放量[2]。生物炭基肥[3]是利用生物炭與其他化肥混合制成的，能夠超強吸附土壤中農作物所必需的營養元素，防止肥料流失，從而起到一定的緩釋作用。目前，有關我國生物炭基肥料的研究及應用仍較少，且主要集中在利用生物炭改良土壤方面。生物炭相較于傳統的培肥土壤方式——秸稈還田及施用廄肥，其在培肥土壤、改良土壤質地、促進農作物生長方面，受到了學術界的高度關注。其中，沈陽農業大學植物營養研究室于2009年便開始專注生物炭基肥制備研究，并取得了一定的研究成果。
1 生物炭基肥料的制備方法
1.1 加工工藝 目前，包膜造粒工藝和柱狀成型工藝[4]是2種廣泛應用于生物炭基肥制備試驗及實地應用的工藝技術。其中，具有低耗、高產及簡易操作性能的包膜造粒工藝是生物炭基肥量產的首選工藝[5]。在生物炭基肥制備工藝中，粘結劑的優化和選擇是決定肥料成型和施用效果的關鍵因素。粘接劑能夠大幅提升生物炭基肥料的成型率，從而獲得更好的肥料緩釋性能和農用效果。各類粘結劑因其性質不同有著不同的配施效果，其中以小麥淀粉、玉米淀粉等作物淀粉為原料經煮漿和沖漿得到的淀粉粘結劑具有易制備、成本低廉、施用效果良好等特點，但同時也伴隨粘接力不足、易變脆難保存等問題。通過添加無機填料、無機酸或加熱的方式可輔助增強其粘結性[7]。植物油粘結劑單獨施用同樣存在成型差的問題，配施一定劑量的溶劑、酸或堿進行改性處理，可提升其粘結性。在木質素粘接劑配施工藝中，通常利用化學制劑破壞木質素內部羥基間的分子結構，使其具有更好的粘接性，常見的化學制劑包括木醋液和乙醇。研究發現，木醋液作為延展劑制備的炭包膜尿素相比乙醇能更好地擴展木質素團狀分子結構，從而獲得可直接適用于炭包膜肥料制備的良好緩釋性及包膜成型率。 1.2 制肥工藝 近年來針對生物炭基肥制肥工藝的試驗研究逐漸興起。研究發現，當施用15%的木質素作為粘結劑，在5.1MPa、70℃的條件下制得的柱狀生物炭基肥擁有較好的緩釋性能[8]。通過1∶1配施尿素與生物炭、1∶19/1∶9配施水和羧甲基纖維素鈉，在6MPa的條件下制得的柱狀生物炭基肥擁有較好的緩釋性能[9]。粘接劑作為生物炭基肥制備工藝的必備材料，與水分以15%～25%的比例混合配施，再加入20%～60%的生物炭，可獲得緩釋和成型性能良好的炭基肥料[10]。
1.3 制作工藝改性研究 膨潤土和高嶺土均含有微孔礦物結構，能夠增強土壤養分吸附，是當今主流的生物炭基肥制肥工藝改性制劑。研究表明，利用膨潤土改性造粒生物炭基肥，在提高小白菜產量、促進維生素C等養分吸持、抑制硝酸鹽的葉面積累等方面具有良好的效果。此外，在促進果實增產、提高作物可溶性蛋白含量方面，以磷酸作為改性劑活化生物炭基肥，可輔助增加其表面官能團數量及比表面積，相比普通秸稈炭基肥，具有更好的施肥效果[11]。以氮、磷、鉀為肥芯外裹秸稈生物炭及膨潤土改性劑，再通過腐殖酸粘接成型的復合生物炭基肥，在提升作物產量、增強肥料緩釋性能及利用率方面具有良好的功效[12]。菜籽油作為制肥基料，在生物炭、膨潤土及腐殖酸復合制成的生物炭基肥制肥工藝中可額外提供營養供給，保證作物養分輸入，提高茶葉產收[13]。
2 生物炭基肥農田應用研究進展
2017年4月28日，國家農業部發布《關于推介發布秸稈農用十大模式的通知》（農辦科[2017]24號文件）中，提倡將“秸稈炭化還田、土壤改良技術”作為重點秸稈農用模式加以推廣。日前，國家能源局、國家環境保護部聯合下發《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》，對生物炭產肥發展作出進一步指示：“要鼓勵試點項目聯產生物炭，并開展炭基肥料還田、活性炭治理修復土壤水體等下游產業利用研究?！蹦壳氨粡V泛研究的生物炭基肥類型主要包括炭基氮肥、復合肥、有機肥等，并在小麥、玉米、花生、水稻等作物的試驗研究中取得了較好的施肥效果。
2.1 對土壤微生物的影響 土壤微生物是構成土壤生態系統的重要一環，對土壤肥力支撐、物質循環、能量流動具有重要作用。研究顯示，長期施用生物炭和炭基肥可明顯改善土壤的理化性質;施用生物炭相較豬廄肥，不利于真菌和革蘭氏陰性細菌的積累。生物炭和炭基肥的施用，對土壤微生物群落有著不同的影響，施用生物炭有助于促進土壤細菌繁殖，而施用炭基肥則有助于豐富土壤氮磷鉀、有機質、水分等微生物生長因子，并同步提升真菌和細菌在土壤環境中的生長，提高土壤微生物群落的多樣性[14]。
2.2 對肥料養分的影響 生物炭基肥可提高肥料利用率，是因為其相對于單獨施用生物炭，能夠賦予肥料養分緩釋性。摻混法是制備生物炭基肥最簡單的方法。Steiner等[15]通過摻混法制備的生物炭基復合肥，顯著延長了氮素供應時間，增加了土壤總氮、有效磷的含量。王劍等[16]以聚乙烯醇作為粘結劑，通過轉鼓式糖衣包膜機將稻殼炭包裹到尿素顆粒表面制得了包膜型炭基肥料，具有包裹層越厚，養分釋放速度越小的特點。Khan等[17]通過向木炭中澆注含氮、磷、鉀的肥料溶液，制備出木炭基緩釋肥。該肥在蒸餾水和模擬的土壤溶液中養分淋失緩慢，這是由于生物炭的多孔結構可以吸附肥料養分。
2.3 對作物生長和產量的影響 生物炭除了含有豐富的有機碳組分外，還富含大量的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、硫、鐵等無機礦物組分，同時其較大的比表面積為微生物群落的生存化及養分的吸附提供了空間，吸附的營養元素可直接作為作物養分被其根系吸收利用，從而促進了作物生長，提高了作物產量，這在水稻、小麥等作物上均有報道。此外，其表面含有的羥基苯甲酸丁酯及水楊醇可有效防止昆蟲入侵，防范蟲害。Schulz等[18]指出，單獨施用生物炭可以略微促進作物生長，而配施生物炭于礦物質肥料可協同增強作物的生長水平。生物炭基肥對作物生長的促進、產量的增加作用也優于常規肥料[19]。
2.4 應用發展趨勢 農業農村部化肥零增長行動方案將減少化肥用量和提升化肥利用率列為化肥綜合整治的重點舉措，因此今后新型肥料的研發及減肥增效工藝應為生物炭基肥料的前沿發展方向[20]。此外，由于肥料不合理施用帶來的肥料徑流、滲透、土壤殘留、土壤養分流失等環境問題，也是制約農業生產和作物產量的關鍵因素。因此，研發高效、適應性廣且不存在二次污染的生物碳基肥料是該領域的重點研究方向。
3 展望
基于生物炭基肥的諸多優點，其受到了越來越多的關注和研究。生物炭基肥及其應用的相關研究雖已取得了一些成果，但是其基礎研究仍然較弱，有關其結構和性質的研究時間仍較很短。生物炭基肥作為土壤改良劑的應用研究也基本都是短期性的。同時，生物炭基肥的種類、制備工藝及其所投入使用的土壤因環境不同產生一定的施用效果差異，今后需要進一步的深入研究。從目前的研究結果來看，生物炭對土壤環境主要產生積極影響，但其對土壤和農業環境影響的作用機制還未完全研究清楚。故今后應進一步加強對生物炭施用生態影響的研究，系統評估生物碳基肥料施用帶來的生物多樣性減少和生態系統失衡等潛在生態風險。未來生物炭和生物炭基肥有望得到科學合理的廣泛應用，為生物肥料的資源化利用和農業生產提供新途徑，為生態農業發展做出新的貢獻。
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（責編：張宏民）
基金項目：四川省科技重點研發項目（19ZDZX011，2017GZ0383，2017SZ0181）。
作者簡介：冉宗信（1995—），男，甘肅定西人，研究生，研究方向：環境土壤學。 收稿日期：2019-03-20
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