王麗淵 李小龍 任天寶 徐辰生 劉菊花 張勇江 陳楠 萬應(yīng)發(fā) 劉國順

摘要：循環(huán)農(nóng)業(yè)與綠色低碳是生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑。生物質(zhì)炭化還田在土壤改良與循環(huán)農(nóng)業(yè)等方面具有良好的發(fā)展?jié)摿?。土壤中施入生物質(zhì)炭是通過改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、修復(fù)土壤污染等方式對農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響。圍繞生物質(zhì)炭理化特性及炭化還田改良土壤這一基本途徑，系統(tǒng)分析了生物質(zhì)炭用于改良土壤的研究現(xiàn)狀，明確了生物質(zhì)炭改良植煙土壤所具有的突出優(yōu)勢，提出了生物質(zhì)炭化還田技術(shù)利用模式，探討了生物質(zhì)炭在植煙土壤保育和營養(yǎng)管理等方面的潛力。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭;煙田;土壤改良;固碳減排;技術(shù)途徑

中圖分類號：S572;X71? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0018-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.003 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： Circular agriculture and green low carbon is an important way of promoting the construction of ecological civilization. Agriculture to biomass returning carbonized has good development potential in soil improvement. The application of biomass charcoal in soil has an impact on the function of agricultural soil ecosystem by improving soil physical and chemical properties， improving soil fertility and remediation of soil pollution. Based on the physicochemical properties of biomass charcoal and the basic approach of carbonization returning to the field to improve the soil， the research status of biomass charcoal used in soil improvement was systematically analyzed， and the outstanding advantages of biomass charcoal in improving tobacco planting soil was identified. The utilization model of biomass carbonization technology was proposed， and the potential of biomass carbon in tobacco planting soil conservation and nutrition management was discussed.

Key words： biomass carbon; tobacco field; soil improvement; fixing carbon and reducing discharge; technological approach

隨著中國經(jīng)濟進入高質(zhì)量發(fā)展的新時代，低碳發(fā)展是生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑。黨的十九大報告明確指出“加快生態(tài)文明建設(shè)，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系”。農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的大量使用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的碳排放與日俱增[1]。據(jù)測算，中國農(nóng)業(yè)碳排放以平均每年5%的速度持續(xù)增長，嚴重制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進，迫切要求農(nóng)業(yè)增長方式由“粗放型”向“低碳型”轉(zhuǎn)變，依靠綠色全要素生產(chǎn)率驅(qū)動農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型[1]。

生物質(zhì)炭（Biochar）是由生物質(zhì)（農(nóng)林廢棄物和動物糞便等）在無氧或者缺氧條件下，通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的固態(tài)產(chǎn)物，是一類高含碳量、高度芳香化的難溶性固體物質(zhì)，具有較高的熱穩(wěn)定性和較強的吸附特性，是良好的土壤改良劑和重金屬吸附劑[3，4]。近年來，隨著應(yīng)對氣候變化而提出的溫室氣體減排任務(wù)日益艱巨，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域生物質(zhì)炭作為一種農(nóng)業(yè)增匯減排技術(shù)得到不斷開發(fā)和應(yīng)用[3]。生物質(zhì)炭這一物質(zhì)形式有可能為這些問題的解決提供新途徑，土壤增施生物質(zhì)炭被認為可以提高土壤碳庫容量[5]，有效降低農(nóng)田溫室氣體排放，顯著提高土壤pH，明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，持留土壤養(yǎng)分，修復(fù)土壤污染。

基于中國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綠色低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本要求和趨勢，本研究圍繞生物質(zhì)炭理化特性，綜述了生物質(zhì)炭用于改良土壤和影響環(huán)境的研究現(xiàn)狀，評價利用生物質(zhì)炭改良土壤所具有的突出優(yōu)勢和潛力，提出了基于生物質(zhì)炭實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的技術(shù)途徑，以期為中國低碳煙草農(nóng)業(yè)的研究和行動提供參考。

1 生物質(zhì)炭概念及理化特性

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在無氧或者限氧狀態(tài)高溫裂解（240～700 ℃）下分離可燃氣后剩余的含碳豐富固態(tài)產(chǎn)品，原料來源相當廣泛[1，3]。生物質(zhì)炭的元素組成主要有碳、氫、氧。據(jù)Demirbas[6]報道，主要元素的比重分別為C（66.6%～87.9%）、H（1.2%～2.9%）、O（10.6%～26.6%），碳、氫、氧之外的元素主要有鉀、鈣、鈉、鎂、硅等。生物質(zhì)炭的元素組成與炭化溫度有關(guān)，隨著炭化溫度的升高，其含碳量增加，氫和氧含量降低，灰分（礦質(zhì)元素）含量有所增加。而灰分的元素組成還與植物生長地的地質(zhì)、植物種類有關(guān)。生物質(zhì)炭顆粒內(nèi)的碳形態(tài)以多環(huán)芳烴為主，還有少量脂肪族、氧化態(tài)碳等有機碳[5]，其高度芳香化結(jié)構(gòu)決定了其穩(wěn)定性。各種碳形態(tài)所占比例可能取決于植物細胞結(jié)構(gòu)中碳的特征和炭化條件。

生物質(zhì)炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積（圖1）。針對生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)，Jeffery等[5]認為生物質(zhì)炭因表面疏松多孔且炭骨架高度富集而具有可增強土壤保水保肥的能力，并且生物質(zhì)炭表面含有大量羧基、羥基、醛基等含氧官能團[6-9]，本試驗進行的近紅外光譜分析證實了這些官能團的變化，如圖2所示。豐富的含氧官能團產(chǎn)生表面負電荷[10]，且呈堿性，從而使生物質(zhì)炭具有較高的吸附能力和陽離子交換量（CEC）。此外，高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和表面負電荷賦予生物質(zhì)炭很強的吸附性能，能吸附水、土壤中的無機離子及極性或非極性有機化合物[11]。

2 生物質(zhì)炭還田對植煙土壤的影響

2.1 生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭呈弱堿性，且具有較高的陽離子交換量，施入土壤后可以提高酸性土壤pH，增加土壤陽離子交換量。有學(xué)者指出，增施生物質(zhì)炭還可以增加土壤團聚體數(shù)量，改良土壤結(jié)構(gòu)[12]。Hoshi等[13]在pH為4.3的茶園土壤中施0.5 kg/m2竹炭，施用后連續(xù)2年土壤pH提高了0.5～1.0。曲晶晶等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施用小麥秸稈炭可降低土壤容重，提高土壤pH，增加土壤團聚體數(shù)量。Glaser等[15]研究顯示，施入竹炭后可引起土壤可交換性鹽基離子數(shù)量明顯增加;潘根興等[3]進一步推斷，生物質(zhì)炭進入土壤后，其芳香結(jié)構(gòu)邊緣在生物或非生物的氧化作用下能形成羧基官能團，進一步增加對陽離子的吸附。在紅壤中添加小麥秸稈炭培養(yǎng)1年后發(fā)現(xiàn)，紅壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量增加，土壤容重降低，紅壤性質(zhì)得到明顯改善[16]。

由于富鋁化作用和淋溶作用，中國南方煙區(qū)植煙土壤多呈酸性，pH多集中在4.5～5.5，少數(shù)煙區(qū)的pH可達6.0，致使農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)緊實，通透性差，土壤團聚體數(shù)量較少，呈堿性的生物質(zhì)炭作為土壤調(diào)理劑和調(diào)結(jié)構(gòu)劑將有望緩解土壤酸化的問題。

2.2 生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分利用率的影響

2.2.1 對有機質(zhì)含量的影響 土壤有機質(zhì)（SOM）是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質(zhì)，其含量是有機質(zhì)積累和礦化分解平衡的結(jié)果。生物質(zhì)炭具有較高的穩(wěn)定性，礦化速度慢，施入土壤可提高土壤有機碳含量。周桂玉等[17]研究了生物質(zhì)炭對土壤有效養(yǎng)分的利用效率和腐殖質(zhì)的組成，將不同量的秸稈生物質(zhì)炭添加到草甸黑土中，在施入土壤45 d后，土壤有機質(zhì)的含量與生物質(zhì)炭施用量呈正相關(guān)，從對照處理的16.2 g/kg增加到2%生物質(zhì)炭處理的29.2 g/kg，這與Middelburg等[18]通過研究證實炭化的植物殘體有助于土壤有機質(zhì)積累結(jié)論一致。王麗淵等[19]通過盆栽試驗研究了添加不同量（0、0.35%、0.70%、1.05%）生物質(zhì)炭對烤煙根際土壤的影響，結(jié)果表明，在烤煙移栽35、50、65、80、95 d后，根際土壤有機質(zhì)含量均隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而顯著提高，添加0.35%生物質(zhì)炭處理的有機質(zhì)含量增加7.9%～42.7%，添加0.70%生物質(zhì)炭處理的有機質(zhì)含量增加16.21%～108.52%，添加1.05%生物質(zhì)炭處理的有機質(zhì)含量增加43.48%～121.94%，且增施生物質(zhì)炭各處理的有機質(zhì)含量均在烤煙移栽50 d后增幅最大。綜上所述，生物質(zhì)炭的施用能提高耕層土壤與植物根際土壤的有機質(zhì)含量。

2.2.2 對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)吸收的影響 礦質(zhì)營養(yǎng)吸收是作物栽培領(lǐng)域關(guān)注的重點指標之一。生物質(zhì)炭獨特的多孔三維結(jié)構(gòu)和比面積增強了對礦物質(zhì)的吸附性能，被認為可以吸附和保持土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素，有效減少因雨水過多造成的氮、磷流失，而相應(yīng)提高留存于土壤中的養(yǎng)分，促進作物根系吸收?；ɡ虻萚20]研究表明向褐土中添加玉米秸稈炭一段時間后，各添加處理的土壤滲濾液中總氮和總磷質(zhì)量濃度均小于對照處理。Lehmann等[21]指出當生物黑炭和肥料配施后，生物質(zhì)炭可以通過吸附NO3-和NH4+，減少土壤的氨揮發(fā)與氮素流失來提高氮肥利用率。曲晶晶等[14]得出相似結(jié)論，認為施用生物質(zhì)炭提高水稻的氮肥吸收利用率達20.33%。添加生物質(zhì)炭可以提高土壤中有效養(yǎng)分的含量。周桂玉等[17]認為生物質(zhì)炭對有效磷、鈣、鎂的提高效果較明顯，但對氮和鉀的作用不顯著。Topoliantz等[22]也曾報道施用生物質(zhì)炭能增加有效P、K、Mg和Ca含量。王麗淵等[19]連續(xù)2年的研究結(jié)果表明施用生物質(zhì)炭可以提高烤煙生長期內(nèi)根際、耕層土壤速效鉀含量。

2.3 生物質(zhì)炭的固碳減排潛力

農(nóng)田土壤有機碳礦化釋放CO2是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要途徑，促進土壤碳截獲對減緩全球溫室效應(yīng)具有重要意義。ICPC AR4報告中提出，農(nóng)業(yè)是當前一個具有很大緩解能力和潛力的重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力高達CO2-eq 7 300（負1 100～16 900）Mt/年，其中93%來自減少土壤CO2釋放（即固定土壤碳）。東南亞被認為是全球最大的農(nóng)業(yè)（土壤）固碳與溫室氣體減排的潛力所在[23]。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物通過光合作用所固定的大氣CO2，50%用于自身呼吸作用，而另外的50%通過凋落物等植物殘體的形式進入土壤，經(jīng)過土壤微生物的作用釋放到大氣中，這個平衡稱之為“碳中性”。如果凋落物經(jīng)過高溫熱解，可產(chǎn)生25%的生物質(zhì)炭歸還土壤，由于生物質(zhì)炭的化學(xué)和微生物惰性以及土壤團聚體的物理保護使得其成為土壤的惰性碳庫，只有5%的碳經(jīng)過土壤微生物的作用重新釋放到大氣中，而土壤多固定了20%的碳，這樣就產(chǎn)生凈的碳吸收，這個平衡稱之為“碳負性”[24]。生物質(zhì)炭的土壤施用通過施入穩(wěn)定性碳來改變土壤碳庫的自然平衡，從而達到大幅度提高土壤碳庫容量的目的。與秸稈直接還田條件下新鮮有機碳迅速轉(zhuǎn)化相比，秸稈炭化還田減緩了有機碳的更新，并通過減少其他溫室氣體排放而表現(xiàn)為碳匯過程。因此，植物通過光合作用固定CO2，收獲的秸稈熱裂解后，50%左右的碳以生物質(zhì)炭的形式被固定，埋于土壤的生物質(zhì)炭就變成碳的凈匯。

生物質(zhì)炭的施用可以降低土壤呼吸強度，減少土壤溫室氣體排放。有研究表明，增施生物質(zhì)炭使得盆栽大豆和牧草全生育期N2O排放量減少50%～80%，并幾乎不排放甲烷[25]。N2O排放量的減少可能是由于生物質(zhì)炭施入后土壤容重降低，通氣性改善，土壤碳氮比升高，限制了氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化?；ɡ虻萚20]研究顯示除在秸稈炭添加初期外，添加秸稈炭各處理土壤呼吸強度均弱于對照組。到黑麥草收割時，添加2%和4%秸稈炭的處理比對照呼吸強度分別降低了26%和50%。

2.4 生物質(zhì)炭對土壤重金屬污染的修復(fù)作用

生物質(zhì)炭對重金屬有很高的吸附容量，可降低重金屬的生物有效性。用取自污染場地的土壤進行了為期60 d的培養(yǎng)試驗，結(jié)果表明，加入生物質(zhì)炭使土壤孔隙水中鎘的濃度降低到原來的1/10，從而減少了鎘的生物利用度。周建斌等[26]研究了棉稈炭對鎘污染土壤的修復(fù)效果以及鎘污染土壤上小白菜（Brassiea chinensis）對鎘的吸收，結(jié)果表明棉稈炭能夠降低小白菜對土壤中鎘的利用。此外，用牛糞制成的生物質(zhì)炭對水溶液中鉛的吸收率可達100%[27]。生物質(zhì)炭可以增強土壤保持重金屬元素鎳、銅、鉛和隔的能力。這可能與生物質(zhì)炭巨大的表面積及其表面的官能團對重金屬元素等的保持能力有關(guān)。也有研究表明，煙葉中的鎘、鎳、鉛等重金屬元素的含量與pH呈負相關(guān)，所以土壤酸性越強，重金屬的含量也就越多。生物質(zhì)炭可以通過提高土壤pH降低重金屬在土壤中的移動性，增強土壤對重金屬的保持能力，降低烤煙對重金屬的吸收率。

因此，煙田中施用生物質(zhì)炭，可以降低烤煙大田生長期對重金屬的吸收，減少卷煙重金屬含量，提高卷煙安全性，將有助于緩解吸煙與健康問題，應(yīng)對公眾對煙草危害健康的恐慌，同時有利于中國卷煙質(zhì)量與國際標準接軌，拓展國外市場。

2.5 降低因施用農(nóng)藥、化肥等帶來的農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)田土壤中增施生物質(zhì)炭可以通過吸附固定農(nóng)藥殘留或其他土壤有機污染物，降低由此帶來的地表水、地下水次生污染。添加生物質(zhì)炭后的土壤，表現(xiàn)出對農(nóng)藥殘留的吸收和固持，從而減少污染物下滲或隨地表徑流污染水體，同時降低殘留農(nóng)藥的生物利用度。Spokas等[28]用木屑制成的生物質(zhì)炭添加至土壤，發(fā)現(xiàn)當土壤中這種生物質(zhì)炭含量達5%時，對莠去津、乙草胺2種除草劑的吸收量會明顯增加。生物質(zhì)炭對土壤中的苯脲類除草劑也有很好的固定效果;對殺蟲劑的吸附能力是土壤的2 000倍[29，30]。增施生物質(zhì)炭可使土壤空隙水中多環(huán)芳烴的濃度降低50%[31]。值得一提的是，有研究發(fā)現(xiàn)在施用生物質(zhì)炭的土壤中，2種農(nóng)藥（毒死蜱、氟蟲腈）的殘留率雖然較高，但所栽種的韭菜對農(nóng)藥吸收率卻明顯降低[32]。

3 生物質(zhì)炭對作物生長發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量的影響

3.1 對作物生物量、產(chǎn)量的影響

Kimetu等[33]發(fā)現(xiàn)2年中3次連續(xù)施用生物質(zhì)炭（7 t/hm2）使得玉米的產(chǎn)量增加一倍?；ɡ虻萚20]研究表明添加秸稈炭處理的黑麥草植株健壯，葉片色澤鮮亮，且隨著秸稈炭使用量的增加，植株的生長更為茂盛。與不添加生物質(zhì)炭的處理相比，1%秸稈炭處理的黑麥草生物量在第90天增加了20%，4%秸稈炭處理的增加了68%。Major等[34]指出在富含生物質(zhì)炭的土壤中，野草植株對地表的覆蓋率比單獨施用無機肥料時提高了46%。Steiner等[35]發(fā)現(xiàn)與僅施無機肥料相比，增施生物質(zhì)炭的土壤谷物產(chǎn)量提高了2倍。當以500 kg/hm2的標準向火山灰壤土中施加生物質(zhì)炭時，大豆產(chǎn)量增加了5l%[36]。張偉明等[37]研究了重金屬污染土壤中添加秸稈炭對水稻生長的影響，表明不同秸稈炭處理均提高了水稻光合速率，顯著增加了水稻產(chǎn)量。

3.2 對烤煙產(chǎn)量、質(zhì)量的影響

龔亞琴等[38]認為煙田施用生物質(zhì)炭可以顯著增加煙株對磷、鉀養(yǎng)分的吸收量，從而有利于煙株的生長，其中施用煙稈生物質(zhì)炭比玉米稈生物質(zhì)炭更能促進煙株的生長。劉新源等[39]認為煙田按照? ? ?1 575 kg/hm2的量施用生物質(zhì)炭，可以促進煙葉生長和產(chǎn)量的提高，且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，煙株干質(zhì)量和產(chǎn)量也增加，但當生物質(zhì)炭施用量達到一定量（2 025 kg/hm2）時，煙葉的品質(zhì)開始下降。王麗淵等[19]研究也有相似結(jié)論，生物質(zhì)炭提高了烤煙大田生長后期根、莖、葉各部位的干物質(zhì)積累。據(jù)此，在烤煙的生產(chǎn)實踐中可考慮適當施用一定量的生物質(zhì)炭以進一步提高烤煙種植的生產(chǎn)效益。張園營等[40]研究表明煙田施用生物質(zhì)炭可以延長烤煙的大田生長期，使得煙葉內(nèi)在物質(zhì)更加充分轉(zhuǎn)化，利于煙葉品質(zhì)的形成。生物質(zhì)炭施用量為750～1 125 kg/hm2時，烤后煙葉石油醚提取物含量增加12%，中性致香物質(zhì)總量大幅提高。生物質(zhì)炭還可以顯著提高團棵期以后各生長階段煙葉葉綠素、類胡蘿卜素含量，這與生物質(zhì)炭顯著提高烤后煙葉致香氣物質(zhì)相一致。

王麗淵[41]研究表明，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，煙葉總氮和煙堿含量有不同程度地提高，但其含量均未超過優(yōu)質(zhì)煙葉適宜范圍。生物質(zhì)炭對植煙土壤鉀元素含量的貢獻，對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉有重要意義。針對中國黃淮煙區(qū)煙葉鉀含量偏低的問題，建議在烤煙的生產(chǎn)實踐中可適當施用一定量的生物質(zhì)炭，以提高煙田有機質(zhì)含量，減少因雨水而造成的土壤養(yǎng)分流失，提高土壤有效養(yǎng)分含量，尤其是鉀元素含量。在“降焦減害”的大背景下，隨之帶來的煙堿稀釋使得高煙堿含量的煙葉將顯示出更大優(yōu)勢。

4 生物質(zhì)炭化還田模式與科學(xué)問題探討

4.1 生物質(zhì)炭化還田技術(shù)模式

生物質(zhì)炭化還田是中國發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要途徑之一。河南省生物炭技術(shù)工程中心開展了秸稈炭化技術(shù)工程化研究，以生物質(zhì)炭為原料研制了不同產(chǎn)品，2016年9月在河南省洛寧縣建設(shè)了年產(chǎn)5萬t生物質(zhì)炭基肥生產(chǎn)線，技術(shù)模式如圖3所示。生物質(zhì)炭化還田技術(shù)是該生產(chǎn)線的技術(shù)核心，該設(shè)備采用雙層套筒傾斜平式設(shè)計對原料進行高溫快速炭化，炭化過程中可以自由調(diào)控反應(yīng)器的炭化溫度、升溫速率、滯留時間等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并可根據(jù)不同生物質(zhì)特性以及不同需求，調(diào)控設(shè)備轉(zhuǎn)速與滯留時間，生產(chǎn)出適合不同品質(zhì)的生物質(zhì)炭原料。該技術(shù)模式經(jīng)過3年的運行表明，農(nóng)作物秸稈炭化還田技術(shù)具有良好的發(fā)展?jié)摿?，有利于促進中國循環(huán)農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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