生物炭应用效果及前景分析

2015-04-02孔祥海

现代农业科技 2015年1期

孔祥海

摘要阐述了生物炭对土壤肥力的影响以及生物炭制作过程中所产生的负面效应，分析生物炭的特殊性对土壤肥料的影响，并对其未来的发展前景进行展望。

关键词生物炭；应用效果；土壤肥力；肥料；发展前景

中图分类号 S141 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0212-02

随着我国能源、环境和农林等方面对生物炭研究和应用的不断深入，生物炭在生物能源生产、肥料创新、废弃生物质利用、温室气体减排等方面所起到的作用及影响日渐凸显。我国作为世界首屈一指的农业种植和生产大国，土壤肥力的不断提升不仅有利于我国农作物产业的灵活调整，对于我国农业的稳步发展及农作物出口空间的有效拓展同样能起到一定的推动作用。现以生物炭在土壤肥料中的应用及对土壤肥料提升的影响为研究基础，引入小麦的生物炭种植作为案例，主要针对生物炭当前对农作物种植的影响及未来前景展开论述，藉此反思我国农作物增产及土壤性能改良的方式及方法。

生物炭又称为生物焦，其对土壤的改良作用主要源自其特征和性质对土壤微生物、生物性质及土壤物理等方面所产生的影响[1-2]。从土壤肥料肥力提升的角度来看，生物炭不仅可以有效提升土壤中的有机碳含量，在逐步改善土壤保肥、保水性能的同时，对于降低土壤养分损失等方面同样具有良好的改善效果。随着我国农产品出口比例的不断提升，农业对于肥料、土壤肥力的要求将不断升级，因此从土壤肥料种类的变革及肥力提升的角度研究生物炭，将对我国农业结构的调整以及农产品出口综合实力的提升产生极大的推进作用。

1 生物炭对土壤肥力的影响

土壤肥力是以土壤有机质和腐殖质作为最主要的衡量指标，在土壤有机质和腐殖质的作用下，土壤的现有水分入渗能力、营养交换和吸收能力、稳定性、团聚体维持能力及生态系统的平衡性均可以得到良好的改进和保持[3]。生物炭与土壤的构成架构有本质区别，但是土壤腐殖质和有机质可以与生物炭一起对土壤肥力进行改良，其改良的水平和程度主要取决于生物炭的使用量和性能的稳定性。土壤有机碳与土壤碳氮比的提升成正比，土壤有机质和生物炭对土壤的作用主要在于二者可以有效提升土壤对各类养分元素如氮素等的良好吸收能力。在穆斯塔法克·侯赛因的试验中，其将生物炭按照10 t/hm2加入农田的方式应用于西红柿的种植中，其结果显示，西红柿的平均产量有所提升，当年西红柿总产量与同期相比提升了64%。经过试验检测，土壤氮、磷平均含量及导电性均得到显著提高，这同样是生物炭对土壤肥力及整个土壤环境进行影响的结果。

虽然生物炭的有效融入可以提升土壤肥力，但是由于生物炭与腐殖质、土壤有机质的本质差异，过度重视生物炭而忽略其他类土壤肥料则会引起土壤肥力的降低。如布鲁恩等以C标记生物炭开展2年土壤肥力培养试验时发现，生物炭在连续2年内的使用其碳损失远低于作物秸秆，如高温和低温下生物炭的碳损失率分别为9.1%、9.3%，而秸秆的碳损失率为56%，但是由于土壤腐殖质以25～50年为一个转换周期，生物炭的长期运用对土壤肥力的作用远无法达到其使用初期所产生的影响。

2 生物炭制作过程中所产生的负面效应

近些年，随着国际上对生物炭研究的不断深入，相应的生产技术及工艺也随之提升，原有的生物炭产量低的问题，在当前生产工艺不断改革的前提下有所改善，但是总量尚未超过35%。而一些农户自用生产系统和小型农场中，生物炭的制作产值甚至低于35%。生物炭的生产过程中会产生65%以上的木醋液、裂解气和焦油，如果使用生物炭提升土壤肥力，无法充分有效地利用木醋液、裂解气和焦油等副产品，那么在使用秸秆等农作物的剩余物热来制造生物炭时，有可能会产生高于秸秆废弃或秸秆还田所排出的有害物质及温室气体量[4]。

3 生物炭特殊性对土壤肥料的影响

3.1 对肥料种类多样化的推动作用

随着科技的不断发展，由于不同农作物对土壤肥力的要求不同，考虑到科学合理的施肥管理及补充土壤养分的需要，当前土壤的肥料种类趋向多样化发展。按照施肥、追肥等的土壤环境保护要求，当前土壤肥料的应用包含绿肥类易解有机物等多种类别，其中在免耕条件的限定下，秸秆、堆肥、绿肥、厩肥等在5～10年内会损耗80%以上，但是直接被转化成腐殖质的却极少。生物炭作为更容易提升土壤有机物稳定性的有机材料，不仅对腐殖质成分和有机质数量的提升具有直接推动作用，对土壤改良和气候变化应对同样具有一定的促进效果。由于生物炭的存在和大量的使用，在土壤肥力得到有效提升的同时，土壤对肥料的选择标准和种类要求也产生了极大的变化[5-6]。

3.2 对土壤肥料选择标准改革的影响

由于农业中使用肥料需要考虑到成本、对土壤肥力提升的促进作用等方面，生物炭的存在不仅提升了土壤肥料选择的标准，在灵活应对不同农作物成长需要方面，生物炭与其他土壤肥料的有效融合可为农业肥料的使用提供更为丰富的选择。

3.2.1 使用成本。在成本对比方面，对比秸秆还田所产生的培肥能力，美国曾经在大平原土壤中使用1.6～1.7 t/hm2的还田秸秆进行土壤有机质的提升，使原有的土壤有机质从1.79%提升至2.0%。但是从气体排放量角度来看，秸秆还田所产生的二氧化碳远高于生物炭，以我国1.2亿hm2的耕地为例，假设秸秆还田量为3 t/hm2，每年将产生1.19亿t二氧化碳进入土壤，而生物炭的运用每年将产生5 200万t二氧化碳进入土壤。在成本方面，如果按照150元/t来计算，在生物炭的成本为1 000元/t的前提下，秸秆还田的成本2 000元/hm2则远低于应用生物炭的成本[7-9]。

3.2.2 土壤肥力提升效果。在对土壤肥力提升的促进性方面，以小麦的种植为例，在试验中尝试使用硝酸铵试剂作为对照肥料，在运用厩肥、生物炭和生物炭基氮肥来调节和改善土壤的pH值的过程中，试验结果表明小麦中使用厩肥、生物炭、生物炭基氮肥后相应的增产率分别为10.6%、22.16%、27.83%。在土壤中单独使用生物炭和生物炭基氮肥，土壤的速效钾和速效磷有所提升，但是矿质态氨量却有所降低。单独使用生物炭和生物炭基氮肥在不同pH值条件下进行试验时，无论在肥力较高的土壤还是肥力较低的土壤中，小麦的产量并不稳定甚至出现减产，其中生物炭基氮肥单独使用时小麦的产量降低了22.46%，生物炭单独使用时小麦的产量降低了11.09%；相对而言，单独使用厩肥时小麦的产值却相对稳定。

由此可见，相比较传统的肥料单独使用和多种类别共同使用的模式，生物炭在土壤有效融入及当前各国对生物炭运用的深入研究不但可以激发肥料市场竞争力的提升，对于各项肥料在种类、质量等方面的调整也具有一定的推动作用。

4 生物炭未来的发展前景

在现有生物炭的研究中发现，尽管生物炭对土壤肥力的提升与增产方面可以起到极其明显的促进作用，但是相对其他类型的肥料而言，除制作产量低、附加物需要同步处理外，在不同的土壤上单独使用生物炭时其所产生的肥效并不稳定，甚至低于其他肥料的使用效果。而在生物炭的应用中，就单纯使用时的负面效果而言，生物炭基氮肥单纯使用的有效率远高于生物炭本身。其他类别的生物炭中如竹炭、竹炭基氮肥、木炭、木炭基氮肥均可对土壤的pH值进行调节，但是相对而言，木炭基氮肥和竹炭基氮肥的调整更为缓和，考虑到生物炭碱性对土壤肥力的影响，木炭基氮肥和竹炭基氮肥的缓和性能可以降低对土壤环境平衡性的破坏程度。在土壤的CEC、速效钾、矿质态氨含量的提升对比中，使用木炭和竹炭对土壤有效氮水平的降低效果明显，而相对来说，厩肥在以上各方面的调节能力远低于生物炭、木炭、木炭基氮肥等[10-12]。随着我国农产品出口比重的不断加大，为适应低碳环保经济和产业架构的需要，生物炭与农业产业化、农田施用的有效融合可以推动我国农业绿色低碳型改革的发展，但是考虑到生物炭生命周期、制作工艺、成本、对不同种类土壤的适应力等所产生的影响，对生物炭和肥料复合的研究及对肥料效益、使用方式和效率改善等方面的研究还需要不断深入。

5 参考文献

[1] 何莉莉.生物炭对土壤微生态环境的影响及机理研究[D].北京：中国林业科学研究院，2013.

[2] 黄剑.生物炭对土壤微生物量及土壤酶的影响研究[D].北京：中国农业科学院，2012.

[3] 高海英，何绪生，陈心想，等.生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤化学性质及作物产量的影响[J].农业环境科学学报，2012（10）：1948-1955.

[4] 何绪生，耿增超，佘雕，等.生物炭生产与农用的意义及国内外动态[J].农业工程学报，2011（2）：1-7.

[5] 杨放，李心清，王兵，等.生物炭在农业增产和污染治理中的应用[J].地球与环境，2012（1）：100-107.

[6] 何绪生，张树清，佘雕，等.生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J].中国农学通报，2011（15）：16-25.

[7] 张文玲，李桂花，高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J].中国农学通报，2009（17）：161-165.

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[9] 邱敬，高人，杨玉盛，等.土壤黑碳的研究进展[J].亚热带资源与环境学报，2009（1）：92-98.

[10] 刘志坤，叶黎佳.生物质炭化材料制备及性能测试[J].生物质化学工程，2007（5）：32-36.

[11] 罗凯，陈汉平，王贤华，等.生物质焦及其特性[J].可再生能源，2007（1）：20-22，25.