李艷梅 張興昌 廖上強 楊俊剛 張 琳 孫焱鑫

(1.北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所, 北京 100097; 2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

生物炭基肥增效技術與制備工藝研究進展分析

李艷梅1張興昌2廖上強1楊俊剛1張 琳1孫焱鑫1

(1.北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所, 北京 100097; 2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

生物炭基肥是以生物炭為載體與傳統(tǒng)肥料復合而成的新型緩釋肥料，其在農業(yè)生產及污染防控中的作用得到廣泛認可?；诙嗄暄芯砍晒臀墨I綜合分析，闡述了生物炭基肥的研發(fā)背景與重要性及生物炭基肥的增效機制，包括: 吸持緩釋養(yǎng)分、改善土壤理化性質及作物根系生長的水肥氣熱環(huán)境、改善土壤微生物生長的微環(huán)境、提供礦質養(yǎng)分及生物刺激物質等。此外，闡述了生物炭基肥在提升作物產量與品質、肥料高效利用與減施增效及環(huán)境污染防控等方面的作用；以及產品在制備(調整生物炭來源和炭-肥混合方式)、成型(確定形狀，篩選粘接劑和延展劑)、配方(調整基礎肥料組成，調整生物炭、水和粘接劑比例)及改性工藝(添加不同比例的高嶺土、膨潤土、煤炭腐植酸及其復配物的改性材料)方面的最新進展。根據現(xiàn)有問題及技術需求，指出加強新型產品研制及應用基礎研究，加強大尺度應用的農業(yè)水土、經濟、環(huán)境等效應及綜合評價指標體系研究，及加快應用技術推廣是生物炭基肥增效技術領域未來主要研究方向。

生物炭基肥； 增效劑； 土壤； 作物； 污染防控； 碳減排

引言

我國農業(yè)生產中的肥料品種不適宜及施用方法不合理現(xiàn)象比較普遍，不僅導致作物產量與品質提升困難，而且易引起肥料利用率低、生產成本增加及環(huán)境污染等問題[1-3]。在農業(yè)部發(fā)布化肥零增長行動方案背景下，加強肥料增效關鍵技術研究及增效肥料產品推廣應用成為我國化肥行業(yè)結構調整的重要方向[4]。與此同時，我國農林業(yè)每年產生約10億t的廢棄副產物，而用作燃料和肥料的比率卻越來越低[5]。農林廢棄物的隨意丟棄和田間焚燒不僅存在有機質資源的巨大浪費，而且導致農田面源污染問題日趨嚴重，并加劇水體和大氣的污染風險[6-7]。生物質熱解炭化技術是當前綠色低碳農業(yè)的重點發(fā)展技術，其炭化產品生物炭的還田利用對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[8-9]。以農林廢棄物作為生物質來源制備的生物炭不僅富含羰基、羧基、羥基等官能團，而且具有來源廣、可再生和環(huán)境友好的特點，是一種具備多方面優(yōu)良性能的肥料增效載體[8,10]；將該類生物炭與傳統(tǒng)肥料復合制備生物炭基肥的研究已成為農業(yè)科學領域的研究熱點。

生物炭基肥的應用不僅有利于農業(yè)提質增效，還有利于農業(yè)面源污染控制及農田土壤固碳減排目標的實現(xiàn)[11]。更重要的是，生物炭基肥中的養(yǎng)分釋放后，殘留的生物炭載體仍能夠繼續(xù)發(fā)揮土壤改良劑的作用；且能有效避免生物炭直接還田引起的二次揚塵污染及操作不便，以及生物炭改良土壤時大量施入農田帶來的經濟成本等問題[12-15]。以農林廢棄物生物炭作為肥料增效載體的實踐是一項兼顧廢棄物資源化利用與新型環(huán)保肥料制備的雙贏舉措，相應的生物炭基肥產品的農業(yè)應用對進一步完善現(xiàn)行的生態(tài)循環(huán)農業(yè)模式具有深遠意義。但生物炭基肥研究是近年新興發(fā)展起來的研究內容，相關研究仍處于起步發(fā)展階段，文獻報道尤其來自權威期刊的報道相對較少，學科發(fā)展略顯薄弱；近幾年，國內學者針對生物炭基肥產品研發(fā)及其在農業(yè)與環(huán)保領域的應用開展了一些有益的探索和思考，但有關作物調控機理研究及大規(guī)模示范推廣相對缺乏，新型生物炭基肥產品的農田應用評價及市場化推廣仍亟待加強。

本文在現(xiàn)有研究基礎上，以生物炭基肥炭緩釋載體對農作物生產的調控機制為出發(fā)點，對生物炭基肥農田應用現(xiàn)狀及研發(fā)工藝現(xiàn)狀進行闡述，并提出生物炭基肥增效技術未來的重點研究方向。

1 生物炭基肥增效調控機制

生物炭基肥增效技術包括物理、化學、生物等技術，其對農作物生產的效應主要通過影響土壤水肥氣熱及作物水肥吸收的途徑來實現(xiàn)，著重于對水和肥這兩種作物關鍵生長因子的控制。生物炭基肥調控效應的實現(xiàn)關鍵在于炭基載體緩釋性能及生物炭調控特性的發(fā)揮。

生物炭載體的緩釋增效機制主要分為4大類：①吸持緩釋養(yǎng)分類，主要包括吸持肥料養(yǎng)分、延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放、降低肥料養(yǎng)分的損失等。②改善土壤理化性質及水肥氣熱特征類，主要包括增加土壤有機碳及改良團聚體結構、調控土壤酸堿度、增強土壤水分調節(jié)能力、增強土壤養(yǎng)分置換能力、增加土壤疏松度和透氣性、調節(jié)土壤溫度等。③改善土壤微生物特性類，主要包括為微生物提供棲息環(huán)境、生存空間及水分養(yǎng)分等。④提供養(yǎng)分及增加生物刺激物質類，主要包括提供大中微量元素、芳香烴及脂肪類化合物。

(1)生物炭可以吸持和緩釋養(yǎng)分

主要原因有：①生物炭表面富含羥基、羧基、羰基等官能團，且較為活躍[16]，能與肥料發(fā)生化學反應從而負載一定養(yǎng)分。②生物炭表面部分化學官能團能電離產生電荷，使其具備離子交換吸附能力，通過靜電作用吸附養(yǎng)分離子[17]。③生物炭豐富的孔隙結構使其具有較大比表面積，從而具有較大吸附能力，使其表面能吸持一定養(yǎng)分[18-20]。生物炭通過負載、吸附和吸持作用，固持肥料氮磷鉀養(yǎng)分，減少養(yǎng)分離子從土壤顆粒表面的解離，從而減少礦質養(yǎng)分的徑流、淋溶及揮發(fā)損失[21]。

(2)生物炭可以改善土壤理化性質及作物根系生長的水肥氣熱環(huán)境

主要表現(xiàn)在：①生物炭的富碳特征使其具有增加土壤碳截留、提升土壤碳供應的能力[22-26]。生物炭還有助于促進土壤團聚體形成，增加大團聚體含量及穩(wěn)定性，提高土壤及不同粒級團聚體中有機碳的含量，這有利于土壤障礙因子改良及土壤培肥目標的實現(xiàn)[27-29]。②生物炭表面的酚基、羧基和羥基，及鉀鈣鈉鎂硅的硅酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽使生物炭具有堿性特征，施于土壤后能吸附土壤溶液中的H+，進而增加土壤pH值，這種作用在水溶性有機物含量低的酸性土壤中尤其明顯[30-32]。③土壤中添加適量生物炭能有效降低土壤干燥過程中的收縮程度，增加土壤飽和含水量、毛管含水量和田間持水量，增強土壤吸水持水及入滲性能[20，33-37]。④生物炭含有巨大的比表面積、豐富的囊泡和微孔，這有助于降低土壤容重、增加土壤孔隙度及陽離子交換量[36,38-39]。⑤生物炭豐富的孔隙結構可增加土壤疏松度和通透性、優(yōu)化根系生長環(huán)境，進而優(yōu)化根系形態(tài)特征、提升根系活力及養(yǎng)分吸收能力[40-41]。⑥具有調節(jié)土壤地表溫度的潛力，對土壤起到保溫作用，有利于根系發(fā)育及養(yǎng)分吸收[42-44]。

(3)生物炭可以改善土壤微生物微環(huán)境

主要原因有：①生物炭能夠為微生物提供棲息場所和生存空間，使其免遭其他土壤生物的侵食[17,45]。②生物炭能夠增加酸性土壤pH值，創(chuàng)造有利于微生物生長的環(huán)境，從而增加微生物數量，使土壤中微生物群落結構向有利于作物根系生長的方向演替[46-48]。③生物炭能夠為微生物提供不同的碳源和其他營養(yǎng)物質，對微生物群落利用糖類、胺類和酚類碳源能力具有促進作用，使微生物能夠旺盛地生存繁衍，從而促進根系對養(yǎng)分的利用[49]。④生物炭調節(jié)土壤氮素循環(huán)，進而直接或間接影響土壤微生物活性、豐度以及多樣性，提高微生物碳源的代謝特征[50-51]。

(4)生物炭可以提供礦質養(yǎng)分及生物刺激物質

生物炭不僅含有豐富的有機碳組分，而且含有一定量的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、硫、鐵、錳、銅、鋅、鉬等無機礦物組分[23-26，52-53]，其含有的養(yǎng)分元素可直接輸入土壤供作物根系利用，尤其能提高土壤全鉀和速效鉀含量，促進作物對土壤鉀素的吸收[54-56]。生物炭表面有環(huán)化的呋喃類化合物和直鏈的小分子化合物，其中的13種化合物在植物代謝過程中起重要作用，丁子香酚、對羥基苯甲酸丁酯及水楊醇在植物防御機制中具有重要作用，羥基苯甲酸丁酯及水楊醇2種有機化合物在植物防御昆蟲入侵中發(fā)揮重要功能[57]。

2 生物炭基肥農田應用研究成果

從已有研究來看，生物炭基肥的產品類型有炭基氮肥、炭基復合肥、炭基有機肥、炭基復混肥等，應用對象涉及大田作物小麥、水稻、玉米、花生、馬鈴薯、棉花等，以及設施蔬菜小白菜、芹菜、青椒、番茄等，其農業(yè)應用總體表現(xiàn)為正調控效應，具體體現(xiàn)在增產提質、節(jié)肥增效及固碳減排等方面(表1)[15, 21, 52, 54, 58-77]。

表1 生物炭基肥調控目標、應用方法及作用效果Tab.1 Regulation goals, techniques and effects of carbon-based fertilizer

續(xù)表1

作物產量與品質形成是作物生產極重要的一環(huán)，也是農業(yè)生產系統(tǒng)的最后一環(huán)[78]。實現(xiàn)對作物產量和品質的調控，是生物炭基肥增效技術在農業(yè)生產的經濟效益的體現(xiàn)，也是生物炭基肥在農業(yè)生產中能夠得到大面積推廣應用的前提條件。大量的盆栽及大田試驗證實，應用生物炭基肥能夠促進大田主要作物的生長發(fā)育，增加其干物質累積及經濟學產量。生物炭基肥不僅增加了小麥、玉米和水稻等主糧作物的產量[13，15，21，58-67]，而且增加了花生、馬鈴薯和棉花等糧經作物的產量[54，68-69]。生物炭基肥還有效提升了設施蔬菜的產量與品質，不僅增加了小白菜、芹菜、青椒和番茄的產量，而且增加了小白菜和番茄的可溶糖、芹菜和青椒的維生素C含量，及番茄果實中番茄紅素的含量，有效降低了小白菜和芹菜葉片、青椒和番茄果實中的硝酸鹽含量[21，52，70-75]。

農業(yè)部化肥零增長行動方案的兩大關鍵措施是減少化肥用量和提升化肥利用率，所以減肥增效和新型肥料研發(fā)已成為農業(yè)研究和產業(yè)研發(fā)的重點[79-80]。近年的研究表明，新型炭基緩釋肥具有保肥增效的作用。生物炭基肥增加了小麥、花生、水稻收獲期土壤有機質含量和氮磷鉀全量及速效態(tài)含量[15,54,64]，增強番茄葉片光合作用并調節(jié)葉片蒸騰強度[74]，促進小麥、水稻、玉米、小白菜、芹菜和番茄的礦質養(yǎng)分吸收，提升了作物的肥料利用率[15, 21, 52, 58-59, 62, 71, 74-77]和灌溉水生產效率[75]。甘蔗渣炭基復合肥可在總養(yǎng)分量減少18%的基礎上，使小麥產量提升20%～35%[59]；秸稈炭豬糞炭基復混肥可在施氮量減少18%的基礎上，增加水稻、小白菜和青椒的產量[21，52，62，70]。更重要的是，生物炭基肥的這種減肥增效作用已經表現(xiàn)出年際持續(xù)效應[65]。

此外，礦質養(yǎng)分流失及氣體污染物排放是制約農業(yè)發(fā)展的關鍵因素，由于肥料不合理施用降低了肥料利用率，由此引起的肥料土表殘留與深層淋溶、徑流及揮發(fā)損失等成為當前農業(yè)生產亟待解決的問題[81-82]。如何采取有效的措施來減少肥料養(yǎng)分流失及其引發(fā)的環(huán)境污染值得思考研究。而據報道，一部分大田試驗已經證實生物炭基肥在防控面源污染及固碳減排方面的積極作用。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭基氮肥與普通氮肥相比，明顯減少了設施蔬菜地土壤硝態(tài)氮向深層土壤的淋失[74-75]，生物炭基復合肥與普通復合肥相比，明顯削減了稻田徑流總氮流失[63]。研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥顯著降低了水稻田CH4和N2O排放量及溫室氣體排放強度[21]，并且使小麥田N2O排放量顯著減少56%～65%[59]、全球增溫潛勢降低36%[61]、玉米田CH4+N2O排放量顯著降低27%[65]。

3 生物炭基肥研發(fā)工藝優(yōu)化

研究表明，調整生物炭物料來源、混合方式、炭基肥制備及改性工藝均會影響作物產量、品質及氮肥利用率(表2)[13,21,52,59-60,62-63,70-71,76-77,83-100]。

表2 生物炭基肥工藝優(yōu)化、研究方法及作用效果Tab.2 Process optimizations, research methods and effects of carbon-based fertilizer

續(xù)表2

水稻和小白菜施用研究發(fā)現(xiàn)，從化肥減施、提升作物產量及氮肥利用率的目標來看，小麥秸稈炭基肥優(yōu)于玉米秸稈炭基肥和花生殼炭基肥[52，62]；小麥生產證實，從作物產量與氮肥生產力角度考慮，不同物料來源生物炭基肥的優(yōu)先度順序為：花生殼源、棉花秸稈源和玉米秸稈源、稻殼源、小麥秸稈源[59]；青椒試驗發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈炭基氮肥增加作物產量的效果最好，稻殼炭基肥和花生殼炭基肥提升作物品質的效果更佳[70]。芹菜研究表明，水溶型炭基肥提升作物產量及氮肥利用率的效果最佳，熔融型和直混型的效果次之[71]；小麥和玉米試驗發(fā)現(xiàn)，硝酸銨與生物炭以化學反應方式混合制備的生物炭基肥的氮素緩釋及增效效果最佳，明顯優(yōu)于物理吸附型和直接摻混型[13，60, 76-77]。

基于方便運輸和施用便利性的考慮，生物炭基肥成型加工工藝的研究必不可少。目前，生物炭基肥小試和中試階段主要采用的工藝類型是包膜造粒工藝和柱狀成型工藝[84, 87-88，93-94,101-102]。其中，包膜造粒工藝具有能耗低、操作簡便和產量高等優(yōu)點，更適于產業(yè)化生產生物炭基肥料[88，93-94，101]。在包膜造粒和柱狀成型工藝中，粘接劑的篩選及優(yōu)化尤為重要。在生物炭和普通肥料作為基料基礎上添加粘接劑能大幅增加成型率，進而提升肥料緩釋性能及農用效果，但增效程度也因粘接劑類型不同而存在較大差異。文獻報道的粘接劑類型主要有木質素、羧甲基纖維素鈉、淀粉、植物油及其改性產物。木質素是在自然界中儲量僅次于纖維素的第二大天然高分子材料，具有無毒、可降解、可再生、化學活性好的優(yōu)點[89，103-106]，在生物炭基肥制備中的粘接效果較好[89-90]。羧甲基纖維素鈉由天然纖維素或淀粉經化學改性得到，存在粘度和取代度不高的問題，需通過添加酸、堿、醇的方式增強粘接性[107-109]。淀粉粘接劑由小麥淀粉、玉米淀粉和薯類淀粉等通過煮漿和沖漿方式制得，具有原料易得、價格低廉、無污染、使用方便等優(yōu)點，但存在易凝膠、初粘力不強及干燥后變脆的缺點[110]，應用時應同時添加無機填料或酸，或采用加熱方式來增強其粘接性[91,111]。植物油粘接劑單獨應用存在成型性差的問題，實際應用時也需添加一定量的溶劑、酸或堿進行改性處理以提升其粘接性[112-113]。對柱狀生物炭基尿素的淋溶試驗表明，羧甲基纖維素鈉和氧化淀粉作為粘接劑的炭基肥的緩釋效果優(yōu)于其他粘接劑[85]；不同粘接劑類型在粒狀及無定型生物炭基肥中的對比結果尚不可知。一些報道中，研究人員還通過兩種或多種粘接劑的復配混合來增強粘接性能[114-115]。一項針對顆粒包膜炭基肥粘接劑性能的測試結果顯示：在低濃度混合粘接劑中，木質素磺酸鈉與淀粉以1∶2比例混合的粘接效果最佳，在此基礎上繼續(xù)添加原粘接劑用量1/9的海藻酸鈉能進一步增強粘接性[94]。此外，針對常見木質素粘接劑的研究發(fā)現(xiàn)，對木質素進行延展優(yōu)化處理可提升肥料的粘接和緩釋效果。兩種木質素延展劑的比較顯示：以木醋液作為延展劑改性處理木質素粘接劑制備的炭包膜尿素的包膜率、成粒率、力學及緩釋性能均優(yōu)于乙醇改性處理，因此更適于生物炭包膜肥料的制備，其增強緩釋性能的原因在于木醋液通過破壞木質素內部羥基間的分子結構使木質素團狀分子結構展開，因而顯著提升了對肥料的粘接性[90]。

一些學者針對生物炭基肥制肥工藝開展了研究。通過工藝研究發(fā)現(xiàn)，將尿素、生物炭和堿木質素按不同質量比均勻混合，加入總質量10%的水分，在60 ℃環(huán)境中密封加熱5～10 min后裝入模具壓力成型制得的生物炭基肥具有較長的肥效[83]。沙柱淋溶試驗發(fā)現(xiàn)，木質素添加比例15%、成型壓力5.1 MPa、成型溫度70 ℃制備的柱狀生物炭基肥的緩釋性能較好[84]。尿素與生物炭質量比1∶1、水和羧甲基纖維素鈉添加量分別為5%～10%和7%、成型壓力6 MPa制備的柱狀生物炭基肥的緩釋性能較好[85]。基礎肥料(尿素、過磷酸鈣和磷酸二氫銨、氯化鉀)占比70%、秸稈炭占比16.6%、添加水13%，常溫下無需添加膠粘接劑即可擠壓制成符合國家相應標準的條狀生物炭基肥[86]。生物炭基肥粒狀成型工藝中，粘接劑是必不可少的輔助材料，同時應控制好各投入物料的添加比例。生物炭添加比例一般為20%～60%，粘接劑和水分添加比例分別為10%和15%～25%[88]。肥芯外包衣層的質量占比會明顯影響粒狀生物炭基肥的肥效期，25 ℃恒溫靜水培養(yǎng)試驗法和玉米盆栽試驗表明，玉米秸稈炭和植物油粘接劑作為粒狀生物炭基肥的主要包衣材料，其添加比例調至15%時的玉米株高、莖粗及產量性能最好[66]。擠出造粒法中，干燥溫度為60～100 ℃、炭肥比大于1，各組肥料干燥90 min左右時可獲得良好的抗壓強度和成粒率(大于95%)[87]。淀粉摻加NaOH溶液并加熱糊化處理制得黏性和流動性較佳的膠粘劑，進而與尿素、磷酸二氫鉀和炭粉以1∶1∶1∶4的質量比混合制得的生物炭基復混肥顆粒的成粒率(95.6%)和壓縮強度(0.026 MPa)均較高[91]。尿素與生物炭質量比1∶1、水和粘接劑添加量分別為15%～25%和10%，制備的粒狀生物炭基肥的緩釋性能較好[85]。通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，磷酸二氫鉀與玉米秸稈炭、羧甲基纖維素鈉以1∶2∶0.3的比例制備的粒狀生物炭基肥對溫室黑麥草生長的促進效果最佳[92]。

一些學者又對生物炭基肥的制作工藝進行了改性探索。膨潤土和高嶺土因含有微孔礦物結構，有助于增加養(yǎng)分吸持，是較常采用的生物炭基肥改性制劑。一項沙柱淋溶試驗發(fā)現(xiàn)，尿素與生物炭質量比1∶5、粒徑5～6 mm、水添加量15%、高嶺土添加量10%制備的粒狀生物炭基肥的成型效果及緩釋性能最佳[93]；生物炭與膨潤土比例1∶2.2，粘接劑濃度8%，粘接劑用量占粉料物料30%，擠出轉速8 r/min制得的粒狀生物炭基肥在含水率、顆?？箟簭姸?、圓度、粒度分布和養(yǎng)分釋放性能等指標上的整體性能較好[94]。對比研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土改性造粒生物炭基肥在促進小白菜生長、增加可溶糖和維生素C含量、降低葉片硝酸鹽累積及提升肥料偏生產力方面的效果均優(yōu)于高嶺土改性造粒工藝制備的生物炭基肥[21]。針對生物炭載體改性的研究表明，磷酸活化增加了半改性和改性生物炭表面官能團數量及比表面積，從而增強了生物炭的養(yǎng)分吸附和緩釋能力；相應的改性生物炭基復合肥與等養(yǎng)分量普通秸稈炭基肥相比，表現(xiàn)出增產、增加果實可溶蛋白和降低果實硝酸鹽累積的作用[95]。在復混肥料和改性秸稈炭中添加膨潤土制成的顆粒狀改性生物炭基肥可滿足大櫻桃各重要生育期的養(yǎng)分需求，提升了果實產量、品質和肥料利用率[96]；這種顆粒狀改性生物炭基肥一次施用即可有效供應烤煙全生育期的養(yǎng)分需求，表現(xiàn)出較好的節(jié)本增效、降耗、省工的作用[97]。膨潤土與腐植酸的配合也起到較好的改性增效作用。以氮磷鉀顆粒肥料作為肥芯，在肥芯外包覆水稻秸稈生物炭、膨潤土和腐植酸的復合粘接劑，制得的炭基緩釋肥用于水稻生產明顯提升了作物產量和肥料利用率，同時有效控制農業(yè)面源污染，肥料增效的原因在于：腐植酸通過在肥料外圍形成緊致膜層進而提升了炭基肥的緩釋性[63，98]。一種包含生物炭粉、酸性膨潤土、腐植酸、脲酶抑制劑、硝化抑制劑和微肥成分的肥料增效劑被證實能有效提升肥料利用率，降低肥料損失，減輕肥料施用對水體和大氣的污染[99]。以復混肥料為基料，向生物炭和膨潤土中添加一定比例的腐植酸和茶籽油，制備的生物炭基肥可有效調節(jié)茶樹生長過程中的營養(yǎng)供給，防止土壤板結、改善茶葉品質[100]。

總之，調整生物炭物料來源和添加量、肥料種類與配方、生物炭粉與肥料比例、水添加比例，粘接劑種類、濃度和用量，復配制肥工藝(摻混、吸附、反應、成型等)、外源功能物質及改性工藝等均會影響生物炭基肥的增效性能及農學與環(huán)境效應。制備生物炭基肥時應予以綜合考慮，以提升生物炭基肥制作工藝及農業(yè)應用的科學性和針對性。

4 展望

生物炭基肥是近年來新型緩釋肥的一種重要技術產品，也是備受農業(yè)及環(huán)保領域關注的研究課題。經過近年的研究與應用實踐，對生物炭基肥農田應用已經取得一定的成效和進展，在研發(fā)工藝方面也開展了一些有益的探索。

根據近年來生物炭基肥研究的進展和實踐，結合存在問題，生物炭基肥在未來還需要從以下幾方面繼續(xù)開展研究：

(1)加強生物炭基肥的應用基礎研究。對生物炭基肥水肥吸持特性與根系生長的互作機制及其對作物水肥利用的調控機制進行深入探索。

(2)對新型粘接劑材料及生物炭基肥制作工藝加大研發(fā)力度，生物炭、粘接劑及改性劑的作用性能是生物炭基肥緩釋技術的根本，新型環(huán)保生物炭基肥緩釋技術是今后研究的重點。

(3)加快生物炭基肥緩釋技術的推廣和示范，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品、施用量及施用方法等。

(4)生物炭基肥規(guī)模應用下的農業(yè)水土、經濟、環(huán)境等效應及綜合評價指標體系將是今后重要研究課題。

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ResearchProgressonSynergyTechnologiesofCarbon-basedFertilizerandItsApplication

LI Yanmei1ZHANG Xingchang2LIAO Shangqiang1YANG Jungang1ZHANG Lin1SUN Yanxin1

(1.InstituteofPlantNutritionandResource,BeijingAcademyofAgriculturalandForestrySciences,Beijing100097,China2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The carbon-based fertilizer, a new type of slow-release fertilizer made from compounding process of traditional fertilizer and biochar carrier, has been widely recognized in role of improving crop production and preventing non-point source pollution.Based on comprehensive analysis of author’s research experience and the literature summary in past few years, the research background and application significance of the fertilizer as well as its potential synergistic mechanisms were successively expounded.The mechanisms included: withholding and slow-releasing mineral nutrients; improving soil physical structure and chemical property, and regulating soil moisture, nutrient, vapor, and heat condition for root growth; improving microenvironment for soil microbial growth; and providing mineral nutrients and bio-stimulating substances for plants.Furthermore, the application values of the fertilizer were summarized from three aspects: improving crop’s yield and quality, enhancing the fertilizer use efficiency and help reducing fertilizer inputs, and preventing and controlling environmental pollution.Additionally, recent advances in the fertilizer’s research and development process were also summarized from four aspects: preparation process (changing feedstock of biochar carrier, and biochar-traditional fertilizer mixing method); forming process (determination of shape, screening of adhesives and extenders); formulation process (adjusting traditional fertilizer’s composition, and blending ratio of biochar, water and adhesives); and modification process (adding different proportions of kaolin, bentonite, coal humic acid and their binary or ternary complex).According to the existing problems and technical needs, it can be concluded that the main directions in this research field in the near future would be to enhance the research and development of new products and their applied basic research; strengthen the research into their agricultural soil and water effects, economics, environmental impacts, and comprehensive evaluation index system at large-scale application; and speed up application technology popularization.

carbon-based fertilizer; synergist; soil; crop; pollution control; carbon reduction

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.001

S724

A

1000-1298(2017)10-0001-14

2017-07-04

2017-08-10

北京市農林科學院青年基金項目(QNJJ201611)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0201010、2017YFC0504504、2017YFD0800400)、北京市葉類蔬菜產業(yè)創(chuàng)新團隊項目(BAIC07-2016)、北京市糧經作物產業(yè)創(chuàng)新團隊項目(BAIC09-2016)和北京博云益達種植專業(yè)合作社科技能力提升項目(201654)

李艷梅(1983—)，女，助理研究員，博士，主要從事廢棄物資源化利用和新型肥料等研究，E-mail: liyanmei0101@163.com

孫焱鑫(1971—)，男，副研究員，博士，主要從事養(yǎng)分資源管理研究,E-mail: Sunyanxin@sohu.com