文献综述题目：生物炭在农业生产上的研究进展生物炭在农业生产上的研究进展摘要：作为重要的土壤改良剂、污染物质吸附剂的生物炭在农业和环境中具有巨大的应用价值和现实意义，因而受到国内外学者们的普遍关注。

生物炭具有多孔性和巨大的表面积，它能够增加土壤的持水量、增加对营养元素的吸附以减少其流失并改善土壤的结构，此外生物炭本身含有丰富的营养元素并能够缓慢释放以供作物吸收，因此生物炭能改善土壤肥力并增加农作物产量。

同时，生物炭巨大的吸附功能可以降低重金属和有机污染物在土壤及污水中的活性，起到降低污染物浓度的作用。

因此生物炭在农业增产和减少污染方面有巨大的潜力。

本文基于生物炭在农业增产和重金属污染治理方面的国内外研究文献，综述了生物炭的基本理化特性及对土壤重金属污染的改良作用，分析了生物炭对土壤肥力及作物增加产量提高品质的影响，阐述了生物炭对土壤重金属污染修复机理,及该领域未来的发展动向，为生物炭的全面研究和应用提供参考。

关键词：生物炭；农业增产；土壤改良；重金属污染治理1 引言生物炭是一种细粒度和多孔的物质，外观类似木炭，是由生物质在缺氧条件下高温热解或燃烧生成。

而在国际生物炭组织(IBI)对生物炭的定义中，进一步强调了其被目的性地施用到农业土壤及其环境效益的需求。

生物炭的生产工艺相对简单, 原材料来源广泛且价格低廉, 使得炭在农业生产上应用成为了可能。

生物炭施入土壤以后, 可以增加土壤的碳汇, 缓解气候危机; 还可以提升土壤肥力, 增加作物产量。

在中国，重金属污染和农业面源污染已经成为国家和科学家们重点关注的环境问题，并且我国的重金属治理形势极其严峻。

同时由于70年代以来，农民过量使用化肥和杀虫剂等造成了Ｎ、Ｐ等营养元素以及有机污染物通过土壤进入水体造成了严重的有机污染以及水体富营养化，鉴于生物炭的多孔性以及较大的表面积，为改善中国的面源污染提供了可靠的途径。

2 生物炭在农业生产上的研究进展2.1 生物炭的概念及其理化性质目前为止，生物炭还没有十分确切的定义。

一般认为，生物炭是生物质在供氧不足条件下发生不完全燃烧热裂解后所形成的产物(Antal and Gronli, 2003)。

生物炭属于黑碳的一种，多为颗粒细致、质地较轻的黑色蓬松状固态物质，主要组成元素为碳、氢、氧、氮等，含碳量多在70%以上。

其原料来源广泛，农业废弃物(如鸡粪、猪粪、木屑、秸秆)、城市污泥以及工业有机废弃物等都可作为其原料。

生物炭多孔，比表面积大，容重小，吸水、气能力强，多带负电荷，能形成电磁场(陈温福，2011;杨放，2012)。

生物炭具有高度的芳香化、生物化学抗分解性和物理的热稳定性(刘玉学，2009)。

因此，生物炭能够促进植物对营养元素的吸收，有利于土壤微生物的生长，还利于吸附土壤和水体中重金属污染物质和有机污染物，减少农药残留(钟哲科，2009)。

由此可见，生物炭的性质决定其对污染物的吸附行为以及环境效应。

因此，认知生物炭的性质，掌握生物炭对污染物吸附的影响及其作用机制显得至关重要。

2.2 生物炭在农业生产上的应用2.2.1改良土壤及重金属污染治理生物炭的土壤改良剂功能源于南美亚马逊盆地黑土（Terra Preta）的发现及研究。

19 世纪，当时生活在亚马逊河流域的人们发现了一种特殊的“黑土壤”，这种称为Terra Preta（TP）的土壤是古人类刀耕火种形成的一种特殊的肥沃土壤，其所含的有机炭是普通土壤的3~4 倍，对恢复土壤生产力和改良土壤具有重要作用。

据报道，酸性土壤占世界可耕种面积的30%，酸性条件下可导致铝对植物的毒性，还可引起P、Mo、Ca 和Mg 的缺失，这将影响作物的生长和产量。

而生物炭大都呈碱性，生物炭施入土壤，对酸性土壤的改良、提高土壤pH 值，减轻铝毒性具有显著效果。

重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环境污染。

主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。

随着中国经济的飞速发展，重金属污染变得相当普遍，特别是中国的南方地区。

生物炭主要针对土壤的重金属污染，其中包括铅、镉、铜等。

其主要原理还是利用生物炭巨大的比表面积、表面各种基团较强的吸附能力和表面的的离子交换反应。

Uchimiya，M等用不同温度生产的生物炭对水中和土壤中的镉、铜、镍、铅离子作了研究，发现高温热解能够使表面的脂肪族等基团消失并形成吸附能力强的表面官能团；同时随着生物炭的PH升高，其对重金属离子的吸附和固定加强，说明了生物炭对重金属的吸附与生物炭的表面官能团和PH值有关。

Cao，X等用牛粪生产的生物炭对土壤进行重金属铅离子和除草剂（阿特拉津）的研究，发现与普通活性炭相比，生物炭具有六倍吸附铅离子的能力，且在热解温度为200℃时，生物炭的吸附量是最大的；对于存在两种或多种污染物的介质，用活性炭处理，污染物之间是竞争关系，而用生物炭处理时这种竞争关系很微弱。

有研究表明低温生产的生物炭能够加强重金属离子的固定和吸附。

Liu，Z.G用松树和米糠生产的生物炭来研究生物炭对水中铅离子吸附，结果显示，生物炭表面有大量的含氧基团，这些基团对铅离子有较强的吸附效应，同时这种吸附为吸热过程。

同时，生物炭能改善土壤的物理结构，影响土壤微生物活性，减少营养元素的流失，调控营养元素的循环。

生物炭的施用能够显著影响土壤中重金属的形态和迁移行为，生物炭能降低土壤中Pb、Cd 的酸可提取态含量，因而降低重金属的生物有效性，对重金属表现出很好的固定效果，减少了农作物对重金属的吸收。

周建斌等研究结果表明，镉污染土壤经棉秆生物炭修复后，小白菜可食部镉质量分数降低49.43%~68.29%，根部降低64.14%~77.66%。

王宁研究发现，生物炭修复土壤中生长的黑麦草植物中重金属Cr、Ni、Cd 含量明显较低，As 污染土壤经生物炭处理后种植西红柿，其根与幼苗中的As 的砷含量显著降低，西红柿中的As 含量低于3 μg·kg-1，As 毒性及转移风险均达最小，说明生物炭可以减少农作物对重金属的吸收，提高农作物的品质。

2.2.2 生物炭对农作物产量品质的影响关于生物炭施入土壤后对作物生长发育和产量的影响，由于生态条件、气候条件以及土壤类型等区域差别，国内外有不同报道，但总体上以正向效应居多。

生物炭对作物产量影响报告最早追溯到1879年，探险家赫伯特·史密斯在《Nature》杂志发表文章，阐述亚马逊河流域的黑土使得当地种植的甘蔗和烟草产量很高，原因是这种黑土中含有丰富的生物炭。

Uzoma等将牛粪生产制备的生物炭应用在沙质土壤的玉米种植中，结果显示，与对照相比，总体看来，随着生物炭施用量的增加玉米产量显著提高，但处理中15 t·hm2的产量比20 t·hm2高。

Major等通过4 年的研究表明，在哥伦比亚的热带稀树草原土壤中施加生物炭( 0、8、20t·hm 2) 后，第1 年玉米产量无显著影响，随后影响效益显著，施入20 t·hm2生物炭玉米产量可提高140%。

据Kimetu 等报道，在肯尼亚贫瘠的土壤中添加生物炭( 7 t·hm 2) ，2 年内连续施用3 次后玉米产量翻倍增长。

Van 等和Hossain等通过试验发现，施加生物炭( 10 t·hm 2) 后小麦、萝卜和番茄的产量增幅均超过50%。

无土栽培条件下，生物炭和灰岩混合( 按其体积的1%～ 5%) ，辣椒和番茄生物量可提高28. 4% ～228. 9%，果实产量提高16. 1% ～ 25. 8%; Glaser在黄色铁铝土土壤中施加生物炭( 6. 7 t·hm 2) ，豇豆生物量增加50%，水稻产量也增加了20%。

近年来，国内有关施加生物炭增加作物产量的报道逐渐增多。

张伟明等研究表明，以不同标准在砂壤土中施入生物炭( 0、10、20、40 g/kg) ，水稻的产量平均比对照提高21. 98%，其中以10 g/kg处理最高; 对大豆生长的影响，3 t·hm2和6 t·hm2的生物炭施用量均比对照产量提高近11%。

黄超等在红壤土中施用10、50 和200 g/kg生物炭种植黑麦草，产量分别可增加7%、27%和53%。

唐光木等在新疆灰漠土中添加生物炭种植玉米，结果显示施入40 t·hm2的生物黑炭，玉米产量提高近50%，增产效果显著。

然而，在生物炭对作物的生长作用方面还存在一些不同观点。

Kishimoto 等认为，在壤土中施加生物炭( 0. 5 t·hm2) 大豆产量可增加50%，然而随着施用量的增加产量出现减少趋势，15 t·hm2时减产近70%。

Gaskin 等研究生物炭对黏性土壤影响中发现，施用量在11 ～ 22 t·hm2时，作物产量无显著性差异。

邓万刚等在海南花岗岩砖红壤土上施用不同比例的生物炭( 炭土比为0. 1%、0. 5%和1. 0%) ，反而得出不同处理与对照相比，在一定程度上均降低了王草第 2 次刈割产草量和柱花草第 1 次刈割产草量。

张晗芝等研究发现，在玉米苗期生物炭抑制了植株的生长发育，表现为添加量越大抑制效果越明显，随着玉米生长这种抑制效应逐渐消失。

生物炭对作物生长发育和产量的影响决定于生物炭自身的性质，也决定于特定土壤的理化性质和作物生物学属性等诸多方面，复杂的交互作用及其过程也会使试验结果不尽一致。

因此，生物炭应用于作物生产，应该因地、因作物、因具体条件而异。

尽管到目前为止尚无法确定通用的最佳施炭量范围，但大量的研究结果已经明，生物炭的改土增产作用已是不争的事实，只要应用适当，其正向效应是完全可以利用的。

2.3 农用生物炭的发展前景展望生物炭是近年来迅速发展起来的热点研究领域之一，生物炭取之于农，亦可用之于农，生物炭在农业中的应用具有广阔前景。

在粮食危机、能源危机、环境危机日益突显的大背景下，适应低碳经济发展的需要，以前瞻性眼光看待和加强生物炭应用基础研究、技术创新及其产业化开发，已成为国内外备受关注的热点问题。

目前，关于生物炭的基本性质及其在农业应用方面研究已取得了一定的成果，但对生物炭的研究还需在以下几方面继续深入:( 1) 有关生物炭的制备方法和理化性质的研究相对薄弱，今后应开展生物炭的标准化和系统性研究，同时根据不同类型土壤筛选和制备适宜的生物炭;( 2) 开展生物炭及其复配材料在盐碱地等土壤中的应用技术和机理研究;( 3) 虽然许多研究表明了生物炭在改良土壤、提高作物产量等方面有一定的效果，但研究大多停留在室内模拟和小区田间试验阶段，因地制宜地开展大规模长期应用还需加强，同时在大规模应用生物炭之前还要考虑它的成本与效益问题; ( 4) 开展生物炭对土壤水肥高效利用机理及有效性等方面的研究。