勒 思，魏清江，辜青青

（江西農業(yè)大學農學院，江西南昌 330045）

生物炭（Biochar）是指生物質原材料在厭氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定的溫度（＜700℃）熱解產(chǎn)生的含碳量高、具有較大比表面積的固體產(chǎn)物，主要施用于農林業(yè)土壤[1-2]。生物炭這一概念出現(xiàn)于20 世紀80 年代，但當時生物炭相關研究論文數(shù)量很少，生物炭還沒有被人們所重視。近年來，生物炭因其自身性質及應用價值備受重視，受到廣泛關注。僅2020 年CNKI 數(shù)據(jù)庫生物炭相關研究論文就有6539 篇，發(fā)展十分迅猛。

1 生物炭及其性質

20 世紀60 年代，在巴西的亞馬孫河流域，荷蘭科學家宋布魯克發(fā)現(xiàn)一片神奇的黑色土地，與周邊土壤具有明顯的區(qū)別，有機碳（來源于包括動物糞便，魚、動物骨頭和植物廢物等生物炭）含量高達35%，人們主要靠這些原生態(tài)材料制造的生物炭來肥沃土地[3]。生物炭是一種理化性質穩(wěn)定，芳香化結構的富碳物質，可用作土壤改良劑施于土壤，有效改善土壤的理化性質和微生態(tài)環(huán)境，對農業(yè)污染土壤進行修復；施用生物炭還有利于作物生長發(fā)育，增加作物產(chǎn)量，提高品質[4]。

生物炭主要由碳組成，并富含礦物質元素氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂和硅等[5]。生物炭具有較高的pH 值，可用于改良酸性土壤。生物炭具有豐富的孔隙結構，比表面積大，且表面分布著大量的負電荷，表現(xiàn)出巨大的吸附潛力，能有效修復農業(yè)污染土壤。生物炭具有芳香化多碳結構，施用到土壤中后，可以實現(xiàn)固碳，且長期不易分解并保持穩(wěn)定。生物炭的性能主要取決于其原料來源和熱解條件，其中熱解溫度是關鍵因素。生物炭這些性質和功能特性使其在土壤改良、作物生長、修復農業(yè)污染土壤等方面發(fā)揮重要作用，廣泛應用于農業(yè)、環(huán)境領域[6-7]。

2 生物炭對土壤的改良作用

生物炭對土壤物理和化學性質具有明顯的改良作用。生物炭多孔結構可以使土壤表層的孔隙度增大、容重降低，有助于解決因長期過量施用化肥而引起的土壤板結問題。生物炭可以吸附和保持水分，且能夠增強土壤水分的滲透性[8-9]。Lydia 等[10]研究結果表明，生物炭可以改善土壤物理結構和孔隙度，從而提高土壤持水性和土壤水分有效性，改善土壤水分狀況，提高生態(tài)系統(tǒng)的抗旱性。由于生物炭中含有一定的礦質元素如K、Ca、Mg 等，其以氧化物或碳酸鹽的形式存在，溶于水后呈現(xiàn)堿性，具有較高pH 值，施于酸性土壤后，可以顯著提高南方強酸性紅壤土、弱酸性黃棕壤土、紫色土、北方白漿土、北方典型酸性棕壤土pH 值[11-14]，降低土壤酸度，還可以增加土壤pH 的緩沖能力，通常用作酸性土壤的中和劑。

生物炭具有固炭、貯存養(yǎng)分、提高土壤肥力的能力[15]。生物炭施入土壤后，可以吸附多種離子，顯著提高土壤有效氮的比例，顯著提高土壤速效磷、鈣、鎂含量，從而提高肥料利用率[7]。生物炭含有豐富的有機碳，可以顯著改變土壤有機物質的組成，提高土壤有機質或腐殖質含量。生物炭具有豐富的孔隙結構，富含碳和礦物質元素氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂和硅等，給微生物供給生長所需營養(yǎng)物質，有利于微生物的生長[16]。Zhang等[17]研究結果表明，生物炭可以緩解污染物對土壤微生物的毒害作用，增加真菌生物量和群落結構多樣性。

3 生物炭對園藝作物的影響

施用生物炭能有效促進園藝作物生長發(fā)育，提高產(chǎn)量，改善品質。生物炭處理顯著增加了南豐蜜橘春梢長度和粗度，增加葉片營養(yǎng)成分，提高南豐蜜橘的產(chǎn)量，改良果實的風味品質和化渣性品質[4]。郭昌勛[18]研究結果表明，生物炭施用增加了生長在酸性紅壤中的盆栽枳殼幼苗的光合作用，改良了土壤理化性質，使枳殼幼苗根系結構發(fā)生改變、根內叢枝菌根真菌多樣性增加，促進了根系生長，顯著增加了枳殼生物量的積累。土壤微生物是引起連作障礙的重要因素，王玫等[19]研究結果表明，生物炭和有機肥配施可調整土壤微生物結構，提高連作條件下平邑甜茶幼苗的生物量和根系呼吸速率，促進根系結構生長。生物炭施入土壤后，土壤水肥利用率提高，肥料淋失減少，番茄產(chǎn)量增加56.1%[20]。李彬等[21]研究結果表明，施用生物炭可促進葡萄植株葉片的生長和果實糖分的積累，并提高糖酸比。Muhammad 等[22]研究結果表明，生物炭顯著增加了番茄幼苗生物量的積累，顯著增加葉片葉綠素含量，顯著降低了干旱條件下番茄幼苗超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性和丙二醛活性，改善番茄幼苗生理機能。Mumtaz 等[23]研究結果表明，在土壤中施用生物炭能顯著增加洋蔥鱗莖重和葉長，顯著增加洋蔥鱗莖中全氮和全鉀含量，增加洋蔥的產(chǎn)量，提高土壤肥力。Wang[24]等研究結果表明，生物炭能有效抑制辣椒疫病，降低病原菌豐度，改變土壤細菌群落結構，富集有益細菌，改善土壤理化性質。Lin 等[25]研究結果表明，生物炭可以通過提高酸性土壤的pH 值和速效養(yǎng)分來降低鋁毒，從而促進甘藍的生長，提高甘藍產(chǎn)量。

4 生物炭在污染治理中的應用

隨著工農業(yè)的不斷進步和人類活動的迅速增加，土壤環(huán)境中的污染已經(jīng)引起了極大的關注，其中主要為重金屬污染和有機物污染。由于這些污染物通常不可生物降解，很容易在環(huán)境中積累，對動植物特別是人類的生存造成嚴重威脅。吸附通常被認為是修復污染土壤最有效的方法之一。生物炭來源豐富，制作簡便，比表面積較大，孔隙結構豐富，表面官能團數(shù)量較多，表現(xiàn)出巨大的吸附潛力，被認為是一種高效環(huán)保、低成本的吸附劑，廣泛運用于環(huán)境保護[26-27]。

生物炭施入土壤后，土壤中汞、鉛、鉻、鎘重金屬含量顯著下降[4]。Wang 等[28]研究結果表明，竹炭、玉米秸稈生物炭和豬糞生物炭對鎘均有較好的吸附性，其中豬糞生物炭的吸附效果最佳，不同原料的生物炭吸附機理不同。J.H.F.deJesus 等[29]研究表明，椰子和柑橘廢棄物制備的生物炭對多環(huán)芳烴具有較好的去除效果，其中椰子廢棄物生物炭效果更佳。生物炭能改變土壤重金屬有效性，降低植株內重金屬的轉運吸收，促進植物生長[30]。Tang 等[31]研究表明，生物炭與堆肥聯(lián)合施用對重金屬污染土壤pH、有機質、有機碳和速效鉀的改善更為有效，顯著降低了鎘和鋅的有效性。施用生物炭能緩解鋁毒對小白菜的抑制效果，顯著改善小白菜的生長狀況，降低小白菜鋁含量[32]。Saba 等[33]研究表明，生物炭可以修復咪唑啉酮類除草劑對土壤的污染，降低咪唑啉酮類化合物的持久性，咪唑啉酮類化合物的生物降解速度明顯加快，對環(huán)境的危害降至最低。

5 展望

當前的生物炭研究使用的生物炭原料各種各樣，研究方法也不盡相同，且大部分的研究集中于短期效果，使得研究結果缺乏可比較性。不同原材料、熱解條件下制備出的生物炭性質差異很大，且生物炭的使用效果因生物炭的性質、土壤類型、作物的生物學特性、生物炭施用方式各有不同。生物炭制備標準研究，以及將生物炭研究與生物環(huán)境效應進行關聯(lián)以觀察其綜合表現(xiàn)，對園藝作物生產(chǎn)和環(huán)境保護具有重要意義。每年果樹冬季修剪產(chǎn)生大量的修剪物，如何炭化回田進行綜合利用，亦值得深入研究。