本文在簡要回顧國內外生物炭研究進展的基礎上,重點評述生物炭在農業上的應用特別是農林廢棄物炭化還田對土壤、作物及農田生態系統的影響,結合對中國農業發展的實際需求分析,就生物炭技術及其產業發展中出現的相關問題進行探討,以期為開展適合中國國情的生物炭研究和技術開發、明確產業化發展方向提供參考。

　　《農村天地》吉林省農業雜志，是綜合性農村刊物。主要研究農村改革與發展，報道典型與經驗、傳播信息與技術、反映現實與意見、活躍農村文化生活、促進兩個文明建設。

　　1生物炭概念及其理化性質

　　生物炭(Biochar)是農林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物,最早用來描述一種由高粱制備的、用于有害氣體吸附的活性炭。近年來,隨著糧食安全、環境安全和固碳減排需求的不斷發展,生物炭的內涵逐漸與土壤管理、農業可持續發展和碳封存等相聯系。2009年Lehmann在其所著的《BiocharforEnvironmentalManagement:ScienceandTechnology》一書中,將生物炭特指為以改良土壤性狀為目的人為施入的炭化有機物。

　　同年,《Nature》發表的“TheBrightProspectofBiochar”新聞評論和2010年發表的“SustainableBiochartoMitigateGlobalClimateChange”通訊以及2011年《中國工程科學》發表的“生物炭應用技術研究”等文獻,進一步明確了生物炭在糧食安全、環境安全、農業可持續發展及固碳減排中的作用。生物炭主要由芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳組成,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。生物炭的元素組成與制炭過程中的炭化溫度密切相關,具體表現為在一定范圍內,隨炭化溫度的升高,碳含量增加,氫和氧含量降低,灰分含量亦有所增加。

　　生物炭的可溶性極低,溶沸點極高,具有高度羧酸酯化、芳香化結構和脂肪族鏈狀結構。羧基、酚羥基、羥基、脂族雙鍵以及芳香化等典型結構特征,使生物炭具備了極強的吸附能力和抗氧化能力。在制炭過程中,原生物質的細微孔隙結構(圖1)被完好地保留在生物炭中,使其具有較大的比表面積。含碳率高、孔隙結構豐富、比表面積大、理化性質穩定是生物炭固有的特點,也是生物炭能夠還田改土、提高農作物產量、實現碳封存的重要結構基礎。

　　2農業領域的生物炭研究

　　2.1生物炭的穩定性及其對土壤理化性質的影響

　　生物炭固有的結構特征與理化特性,使其施入土壤后對土壤容重、含水量、孔隙度、陽離子交換量、養分含量等產生一定影響,從而直接或間接地影響土壤微生態環境。研究表明,在長期、復雜的土壤環境或地質變遷的作用下,施入土壤中的生物炭可能會發生一定程度的物理遷移或某種途徑的分解或降解,并在土壤垂直方向上進行重新分配,但不會發生明顯的化學變化。即便在適宜條件下,微生物會使生物炭表面發生一定程度的分解,但分解速度緩慢,而且會因此形成一個保護殼,使表面以下的絕大部分生物炭維持穩定的O/C比,從而繼續保持其穩定性。

　　隨著時間推移,生物炭最終有可能被礦化,但到目前為止,還沒有能夠精確測定生物炭在土壤及環境生態系統中運轉周期的方法,也還沒有直接證據可以證明生物炭的降解途徑和機制。可以認為,生物炭在土壤中的穩定性很強,周轉過程可能長達數百年或更久,還田后不會因其自身分解而對土壤產生潛在危害。這為生物炭還田后,能持續發揮改土增產作用和固碳減排作用奠定了基礎。

　　2.1.1生物炭對土壤物理結構的影響

　　已有研究結果表明,生物炭施入土壤后,可使土壤容重降低9%,總孔隙率由45.7%提高到50.6%。這種多微孔結構也使其對土壤持水能力產生影響,如提高土壤含水量及降水的滲入量等,尤其是提高土壤中可供作物利用的有效水分含量,對作物生長產生積極影響。生物炭的吸濕能力比其它土壤有機質高1—2個數量級,富含生物炭的土壤比無生物炭的土壤田間持水量高18%。一般認為,生物炭對土壤物理結構、土壤緊實度等性狀的改良以及對土壤水分的影響與生物炭本身所具有的多孔結構和吸附能力有關。

　　生物炭的持水性能與土壤質地有關,亦受生物炭自身結構與吸濕能力的制約。筆者曾用破碎白漿層摻混生物炭的方法改良黑龍江地區的白漿土,發現施用量為10t?hm-2時,經過一個大豆生長季就可有效降低土壤容重和比重,顯著提高土壤持水量,并通過土壤三相比的改善將白漿土塑性調整到理想狀態。但施用量超過30t?hm-2時,白漿層反而過于松散,耕性下降(相關結果另文發表)。可見,從改良土壤物理結構角度來看,生物炭還田改土效果顯著,但適宜的施用量需要根據具體的土壤類型來決定。

　　2.1.2生物炭對土壤化學性質的影響

　　生物炭不僅對土壤物理性質產生積極作用,也間接地對土壤化學性質產生重要影響。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子,進入土壤以后會有一定程度的釋放,交換土壤中的H+和Al3+,從而降低其濃度,提高鹽基飽和度并調節土壤pH值。生物炭提高土壤pH的作用隨施用量的增加而提高。已有研究結果表明,生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后,土壤pH提高了0.1—0.46。同時,生物炭本身含有豐富的官能團,施入土壤后土壤電荷總量增加,陽離子交換量(CEC)提高了20%,最高可比無生物炭土壤增加1.9倍,且隨施炭量的增加而提高,但作用程度與土壤類型、制炭原材料以及制炭技術等有關。生物炭的表面氧化能力及其表面陽離子吸附能力可能是提高土壤陽離子交換量的主要原因。

　　雖然生物炭本身可供作物直接吸收的養分含量很少,