刘　方，陈祖拥，刘元生，何腾兵

(贵州大学 环境与资源研究所，贵州 贵阳 550025)



·专家特稿·

炭基肥在贵州山地特色高效农业发展中的应用及其效益分析

刘方，陈祖拥，刘元生，何腾兵

(贵州大学 环境与资源研究所，贵州 贵阳 550025)

通过对贵州山区农业废弃物利用现状、存在问题进行分析，探讨该区农业废弃物资源化发展的方向及炭基肥在贵州山地特色高效农业发展中的应用前景。在利用传统堆肥和沼气发酵技术生产有机肥及其应用的基础上，施用生物质炭与肥料配制的炭基肥可以明显地促进耕地有机培肥及作物生长。在贵州发展山地特色高效农业，要全面推广高效的堆肥发酵及沼气发酵技术，利用作物秸秆和畜禽粪便生产有机肥及土壤改良剂，实现农业废弃物的高效化、高值化利用。同时，要大力推广生物质炭化技术，利用农业废弃物生产以生物质炭为载体的多元化产品，通过生产炭基土壤改良剂、炭基有机肥、炭基复合肥，以及蔬菜、花卉、苗木等育苗基质，全面地提高农业废弃物利用的经济效益、生态效益及社会效益。

炭基肥；农业废弃物利用；高效农业；作物生长

生物质炭是生物质经限氧热裂解炭化得到的富含稳定性碳的有机物质，近年的研究表明：生物质炭施用对改善土壤有机碳库、土壤结构、土壤微生物、土壤水分及养分循环与植物生长都有良好的作用[1-5]，也是减少氮、磷素流失与农业面源污染控制和固碳减排的有效技术途径[5-7]。此外，生物质炭与其他有机或无机肥料配合施用可提高作物产量及肥料的利用率[8-10]。炭基肥是一种以生物质炭与有机肥、无机肥配制而成的环保型肥料，根据添加肥料的种类，炭基肥可分为：炭基有机肥、炭基无机肥、炭基有机无机复合肥(复混肥)和炭基微生物肥。炭基肥的施用不仅能快速提升土壤稳定性碳库，而且能明显地提高土壤肥力及改善土壤质量，从而促进作物生长[8-13]。

农业是贵州省发展的主导产业，2014年3月贵州省委、省政府提出“遵循山地经济规律,发展现代高效农业”战略；在这一战略思想下，2015年11月，省委、省政府出台了《关于加快推进现代山地特色高效农业发展的意见》，进一步明晰贵州加快推进现代山地特色高效农业发展的方向、目标和路径，要立足贵州山区土地、气候和生态优势，大力开发山地资源。近十年来，国家大力支持农田有机质提升计划，出台政策并提供财政支持有机肥生产、秸秆还田及农业废物资源化利用，对提高土壤肥力水平起到重要的作用[14]。但是，贵州山区中低产田土面积达76.3%，土壤有机培肥仍是该区农业生产的主要任务[15]。近年来，随着农村经济快速发展和生活方式的改变，土壤有机培肥的压力日益增大[14]。而发展高效农业，就是要根据农业生态学原理，从当地资源条件出发，以国际、国内市场为导向，以发展生态农业为基础，以农业产业化为动力，以设施和特色农业为辅助，科学发展农村经济[16]。因此，如何实现农业废弃物循环利用与土壤培肥的有机统一，是贵州现代山地特色高效农业发展面临的主要问题[17-19]。本文从农业废弃物资源化及生物质炭化技术应用的角度，探讨生物质炭的农业利用方式与土壤培肥的有机联系，为炭基肥在贵州现代山地特色高效农业发展中的应用提供科学依据。

1　贵州山区农业废弃物利用现状

及存在问题

1.1农业废弃物利用现状

贵州山区农业废弃物主要包括作物秸秆和畜禽粪便两大类。目前对作物秸秆资源化利用方式主要是秸秆还田，通过秸秆粉碎还田和传统沤肥还田方式，将秸秆施入土壤中，一方面增加了土壤有机质及腐殖质含量，改善土壤结构性及保水性；另一方面，提高了土壤氮、磷、钾等养分含量。其次是对作物秸秆进行饲料化利用，秸秆通过微生物发酵及氨化等方式处理后，直接用于饲养牛、马等牲畜，有效利用了作物秸秆的营养物质。此外，利用作物秸秆栽培食用菌，生产各种平菇、香菇等，提高了秸秆利用率。据典型调查估算[20]，目前全省每年可利用的作物秸秆达1 000万吨以上，其中约1/3 用做饲料，1/3 用作燃料，近20%的秸秆直接或堆腐后还田，还有10%以上的秸秆(主要是油菜杆)被就地焚烧处理；而饲喂牲畜和直接还田用作肥料的秸秆约占作物秸秆总量的一半。

目前对畜禽粪便资源化利用方式主要是堆肥化，对大部分分散养殖的农户来说，主要是采用传统堆肥发酵的方法，利用微生物在一定温度、pH值、湿度条件下，使畜禽类便和秸秆等农业有机废物降解，形成有机肥直接施用。而对大型养殖场来说，主要是采取集中堆肥发酵，通过主发酵及二次发酵后，经分选、干燥制成有机肥或复合肥，进入市场销售，用于作物生产。其次是沼气化方式利用，以畜禽粪便、秸秆等农业废物为原料，采用沼气池或沼气罐形式经厌氧发酵产生沼气，作为燃料进行利用；同时沼液、沼渣可作肥料改土肥田或养鱼等，形成种养有机结合的循环农业。

1.2农业废弃物利用存在的问题

贵州山区农业废弃物利用存在的问题主要表现在：利用方式粗放、利用率偏低、资源浪费严重。由于对农业废弃物资源化的认识不足，多数农户仍采用就地焚烧的方式处理秸秆。此外，近年来多数农村青年外出打工，而堆肥或沼气化处理秸秆或禽畜粪便需要强度劳动力，导致农民对土壤有机培肥的积极性降低，而是通过购买大量化肥来进行作物生产，农田的自然有机循环过程减弱，造成耕地肥力水平下降。特别是规模化养殖场，由于大量畜禽粪尿未经过无害化处理而直接排入河沟，引起水环境的严重污染。

目前秸秆直接还田虽然利用了部分农业废弃物，但其改土效果较差，也不利于下茬作物耕种，并容易导致病虫害发生，而禽畜粪便堆放及处理不当，容易造成环境污染。利用禽畜废物结合秸秆发酵生产有机肥，多采用传统堆肥工艺，堆肥周期长，生产产业化及产品市场化程度低；而沼气发酵工艺面临季节性物料变化及冬季温度低的问题，这些因素都制约了贵州山区农业废弃物的有效利用。随着农业生产水平的不断提高，这些传统的农业废弃物处理方法已经不能适应现代农业发展和社会的需要，种植业逐渐由粗放型向集约型转变，农业废物的利用量不升反降，造成大量的农业废物堆积，成为污染农村生态环境的污染源之一。造成这种现象主要是由于人们还没有树立农业废物资源化利用的观念，没有充分认识到资源化利用带来的经济、环境和社会价值；另一方面，农业废弃物资源化利用还存在技术保障、政策引导不力、投入不足等问题[17,21]。

2　贵州山区农业废弃物资源化的发展方向

2.1优化堆肥发酵及沼气发酵工艺，扩大有机肥源与持续培肥土壤

耕地有机培肥不但能提高农产品产量及品质，而且可以明显降低农业面源污染及农田温室气体排放。作物秸秆及禽畜粪便肥料化利用是促进贵州山区土壤有机培肥及稳定优质农产品生产的重要途径。通过对1998 年贵州省310 个耕层土样测定值和1985 年相应的土壤化验结果进行比较，经过13 年的水稻种植和耕作施肥后，土壤肥力水平发生了较明显的变化，总体上水稻土有机质含量有所增加，平均提高了8.79%(n=149)；但旱地有机质含量出现减少，平均降低了8.02%(n=161)[20]。可见，作物秸秆还田是农业生态系统物质与能量转化和平衡过程中重要的一环，良好的秸秆还田方式对提高土壤有机质含量及平衡土壤养分有着重要的作用。因而，全面推广高效的堆肥发酵及沼气发酵技术，采用现代生物技术的成果，利用作物秸秆和畜禽粪便生产有机肥及土壤改良剂，可以使农业废弃物利用实现高效化、高值化，有利于土壤有机培肥的可持续发展。

2.2大力推广生物质炭化技术，体现生物质炭在高效农业中的重要作用

近年来生物质炭的有效利用已经成为环境、农林、能源等领域关注的重点内容，从加工生物质炭的材料来看，生物质炭可以分为木炭、竹炭、秸秆炭、动物粪便炭等，生物质炭既可以作为植物育苗及栽培基质，又是良好的土壤改良剂，可以改善土壤理化性质，提高土壤孔隙度和比表面积，降低土壤容重，增加土壤的保水能力，调节土壤通透性，提高植物养分的有效性，促进作物生长及改善农产品质量[1-5]。同时，生物质炭具有较强的吸附能力，可以作为肥料缓释剂，也可作为环境修复材料用于减缓水体和土壤重金属污染[6]，其施入土壤后能够改善土壤生态环境、减少养分流失、提高肥料利用率、增加土壤碳库、减少温室气体排放[7]。通过利用生物质炭吸附肥料溶液中氮、磷、钾等养分，制备的生物质炭基复合肥，能使养分延缓释放，同时还能减少肥料养分的损失[8-11]；而利用粘合剂将生物炭与化学肥料复合制备而成的炭基肥料，可以补充生物质炭养分的不足，同时又利用了生物质炭优越的吸附性能，达到生物炭与肥料的互补或协同作用的效果[10]。

3　炭基肥在贵州山地特色高效农业发展中应用及其效益分析

3.1炭基育苗基质对作物生长的影响

利用生物质炭可以开发多元化产品，不仅可以用于生产炭基改良剂和炭基有机肥，用于土壤有机培肥，还可以作为蔬菜、花卉及苗木等优质育苗基质。在贵州大学试验场利用不同配比育苗基质进行小白菜种植试验的结果表明(表1)：从播种后5 d测定的小白菜出苗率来看，在添加生物质炭、蚯蚓粪、保水剂的育苗基质上，小白菜平均出苗率比对照处理(腐殖土)分别增加7.69%、10.26%和23.08%；到播种25天后，小白菜平均株高则分别比对照增加12.45%、3.97%和42.35%；而小白菜平均鲜重分别比对照增加5.91%、2.96%和144.3%，小白菜平均干重则分别比对照提高了6.90%、3.45%和156.3%。可见，育苗基质添加生物质炭后，小白菜的生物量出现了明显的增加。

利用不同配比基质进行辣椒育苗试验的结果也表明(表2)：从播种7 d后测定的出苗率来看，在基质中添加生物质炭、保水剂、蚯蚓粪处理上，辣椒平均出苗率比对照处理(腐殖土)分别增加了18.18%、21.20%和42.41%；到播种20 d 后，辣椒幼苗的平均株高则分别比对照增加14.13%、7.80%和30.45%；在育苗基质中添加生物质炭、蚯蚓粪、保水剂后，辣椒的株高都出现明显的增加。辣椒播种20 d后，辣椒地上部分生物量的大小顺序为蚯蚓粪>保水剂>生物质炭，施用保水剂、生物质炭及蚯蚓粪后辣椒幼苗鲜重分别比对照提高了17.50%、15.75%和80.75%。可见，在辣椒育苗基质添加适量的生物质炭后，辣椒幼苗的生物量也出现较明显的提高。

3.2炭基微生物肥对作物生长的影响

多孔的生物炭为微生物提供了合适的栖息场所，同时生物质炭含有可溶性有机化合物、矿物质及水分等为微生物提供了碳源和营养，从而提高了微生物量及其活性，也增强了微生物多糖的分泌及对土壤矿物质的分解，增加了土壤中稳定性团聚体的形成。

在育苗基质中添加不同浓度的炭基微生物肥后，小白菜的生长也出现明显的变化(表3)。从播种后5 d测定的小白菜出苗率来看，添加低浓度至高浓度的炭基微生物肥后，小白菜平均出苗率比对照处理(腐殖土)分别增加17.95%、25.64%和23.08%；到播种25 d后，小白菜平均株高分别比对照增加10.14%、6.67%和3.06%；而小白菜平均鲜重分别比对照增加28.01%、47.56%和42.34%，小白菜平均干重则分别比对照增加31.03%、24.14%和20.69%。可见，栽培基质施用炭基微生物肥料后，小白菜生物量也明显增加。

表1　不同改良剂处理下小白菜的生长状况

注：表中数字为三次重复的平均值±标准差，每盆播种5粒，出苗数为播种5 d后测定值，其它指标为播种25 d后的测定值。

表2　不同改良剂处理下辣椒幼苗的生长状况

注：表中数字为三次重复的平均值±标准差，每盆播种5粒，出苗数为播种7 d后测定值，其它指标为播种20 d后的测定值。

表3　炭基微生物肥对小白菜生长的影响

注：表中数字为三次重复的平均值±标准差，出苗数为播种5 d后测定值，其它指标为播种25 d后的测定值。

3.3炭基复合肥对大田作物生长及产量的影响

生物质炭具有高度的稳定性，对氮、磷等养分有较强的吸附持留作用，是良好的缓释肥载体材料，生物质炭与肥料配合使用能提高肥料的利用率。从表4看出，施用炭基肥能显著地促进大田移栽辣椒的生长，在传统施用有机肥的基础上，添加适量的生物质炭混合施用后，辣椒成熟期平均株高比未施炭处理增加了20.28%；同时，辣椒的单株果数及百果重分别平均增加了18.75%和26.44%，而辣椒产量则平均提高了36.85%。在施用有机肥的基础上，利用适量的生物质炭覆盖表土后，其平均株高比对照处理增加了7.23%，辣椒的单株果数及百果鲜重(平均值)分别增加了7.71%和17.09%，而鲜椒的平均产量也增加8.54%。

试验结果也表明(表4)，施用添加生物质炭的复合肥也能明显地提高辣椒的株高、单株果数及百果鲜重，其平均值分别比盖炭小区增加了9.50%、0.52%和16.67%，而鲜椒的平均产量则提高了4.88%。可见，生物质炭基肥可以明显地提高辣椒的株高、单株果数及百果重，从而显著地增加了鲜椒产量。生物质炭施用的增产效果明显高于覆盖表土。

4　结　语

近年来，贵州山区农业废弃物产生量逐年增加，由于对农业废弃物资源化的认识不足，作物秸秆就地焚烧或畜禽粪尿未经处理随意排放的现象普遍存在，从而造成资源浪费和环境污染。此外，由于化肥的大量施用，农田的自然有机循环过程减弱，造成耕地肥力水平出现下降，影响了贵州山区农业的可持续发展。高效农业是经济、社会、生态综合效益最佳的农业，贵州山区高效农业的发展要以生态农业为基础，以循环经济为依托，以山地特色农业为主体，通过发展生态农业与农业产业化相结合的高效农业生产经营模式，才能实现农业的可持续发展。从农业废弃物资源化利用来说，要彻底改变对秸杆、杂草等直接燃烧方式，优先采用肥料化、沼气化、饲料化等物质循环方式，全面推广高效的堆肥发酵及沼气发酵技术，利用作物秸秆和畜禽粪便生产有机肥及土壤改良剂，实现农业废弃物的高效化、高值化利用，有利于耕地持续性的有机培肥及稳定性的作物生产。同时，要大力推广生物质炭化技术，利用农业废弃物生产以生物质炭为载体的多元化产品，通过生产炭基土壤改良剂、炭基有机肥、炭基复合肥，以及蔬菜、花卉、苗木等育苗基质，全面地提高农业废弃物利用的经济效益、生态效益及社会效益。可见，在贵州山区发展高效农业，要从山地资源优势条件出发，以国内外市场为导向，运用现代农业技术，合理利用自然资源，发展特色山地农业，全面提高资源利用率、生物能利用率、废弃物利用率及土地生产率，保护山地自然资源，防止水土环境污染，建设一个资源节约型、生态农业型、多元产品型和质量安全型的现代化农业，实现贵州现代山地特色高效农业的全面发展。

表4　不同施肥处理下辣椒大田生长状况及产量变化

注：表中数字为三个重复小区(面积20m2)的平均值±标准差。在辣椒结实盛期(第5次采摘期)选择各小区有代表性的5株辣椒测定株高及百果鲜重,然后取平均值进行统计分析；单株果数为7次采摘辣椒鲜果数量之和；小区辣椒产量为7次采摘辣椒鲜果重量之和。

[1]黄超，刘丽君，章明奎. 生物质炭对红壤性质和黑麦草生长的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版) ，2011，37(4)：439- 445.

[2]周桂玉，窦森，刘世杰. 生物质炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30(10)：2075-2080.

[3]高海英，何绪生，耿增超，等. 生物炭及炭基氮肥对土壤持水性能影响的研究[J]. 中国农学通报2011，27(24)：207-213.

[4]王典，张祥， 姜存仓，等. 生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展[J]. 中国生态农业学报，2012，20(8)：963-967.

[5]张万杰，李志芳，张庆忠，等. 生物质炭和氮肥配施对菠菜产量和硝酸盐含量的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30(10)：1946-1952.

[6]周志红，李心清，邢英，等. 生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用[J]. 地球与环境，2011，39(2): 278-284.

[7]刘方，冯仕江，张雷一，等. 生物质炭对喀斯特山区连作蔬菜地土壤有效养分及水分的影响[J]. 北方园艺，2014，20(7)：158-162.

[8]张晗芝，黄云，刘钢，等. 生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J]. 生态环境学报，2010，19(11)：2713-2717.

[9]付嘉英，乔志刚，郑金伟，等. 不同炭基肥料对小白菜硝酸盐含量、产量及品质的影响[J]. 中国农学通报，2013，29(34)：162-165.

[10]卢广远，张艳，王祥福，等. 炭基肥料种类对土壤物理性质及玉米产量的影响[J]. 河北农业科学，2011，15(5)： 50-53.

[11]王育红，肖辉，程文娟，等. 炭基肥对设施土壤肥力、番茄产量及品质的影响[J]. 安徽农业科学，2015，43(16)：390- 392.

[12]陈琳，乔志刚，李恋卿，等. 施用生物质炭基肥对水稻产量及氮素利用的影响[J]. 生态与农村环境学报，2013，29(5)： 671-675.

[13]康日峰，张乃明，史静，等． 生物炭基肥料对小麦生长、养分吸收及土壤肥力的影响[J]． 中国土壤与肥料，2014(6)：33 -38．

[14]潘根兴，林振衡，李恋卿，等. 试论我国农业和农村有机废弃物生物质碳产业化[J]. 中国农业科技导报，2011，13(1)：75-82.

[15]陈林. 中低产土壤是贵州农业开发的重点[J].耕作与栽培，1989，7(2)：54-55.

[16]王建法，陈晓东，吕本国，等. 高效农业及其发展思路[J]. 中国农学通报，2010，26(7)：383-386.

[17]宫渤海，徐家英，庞立习，等. 农村和农业有机废物综合利用工艺研究[J]. 环境卫生工程，2015，23(4)：7-20.

[18]孙振钧，孙永明. 我国农业废弃物资源化与农村生物质能源利用的现状与发展[J]. 中国农业科技导报，2006，8(1)：6-13.

[19]孙永明，李国学，张夫道，等. 中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J]. 农业工程学报，2005，21(8)：169-173.

[20]陈旭晖. 贵州土壤养分含量的变化与施肥管理[J]. 植物营养与肥料学报，2001，7(2)：121-128.

[21]马骥. 中国农户秸秆就地焚烧的原因: 成本收益比较与约束条件分析—以河南省开封县杜良乡为例[J].农业技术经济，2009(2)：77-84.

The Application of Biochar-fertilizer and Its Benefit Analysis for Developing Efficient Agriculture with Mountainous Characteristic in Guizhou Province

LIUFang,CHENZu-yong,LIUYuan-sheng,HETeng-bing

(EnvironmentandResourceInstituteofGuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025)

By analyzing the situation of agricultural wastes utilization and problems, we discussed the direction of using agricultural waste as resources and the prospects of utilizing biochar-fertilizer for developing efficient agriculture with mountainous characteristic in Guizhou Province. On the basis of the traditional compost and biogas fermentation technology to produce organic fertilizer and its application, applying biochar-fertilizer can significantly promote arable organic fertilization and crop growth. The efficient composting and biogas technology were comprehensively promoted to develop efficient agriculture with mountainous characteristic in Guizhou Province, which the organic fertilizer and soil conditioner were produced by using crop residues and animal manure for efficiency or high-value use of agricultural waste. At the same time, we should vigorously promote the technology of biomass carbonization, using agricultural waste to produce the carrier of diversified products with biochar, by the production of charcoal-based soil conditioner, carbon-based organic fertilizer, carbon-based compound fertilizer, as well as the nursery matrix of vegetables, flowers, seedlings and other plants, to comprehensively improve economic, ecological and social benefits of agricultural waste utilization.

Carbon-based fertilizer; Agricultural waste utilization; Efficient agriculture; Crop growth

2016-3-29；

2016-04-02

贵州省科技厅农业科技攻关项目(黔科合NY[2013]3075号)；贵州省科技创新人才团队建设计划项目(黔科合人才团队[2013]4020)。

X71

A

1008-0457(2016)02-001-06国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.02.001