河南农业科学，２０１６，４５（３）：１４—１９ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｄｏｉ：１０．１５９３３／ｊ．ｃｎｋｉ．１００４—３２６８．２０１６．０３．００３
生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展 魏春辉，任奕林 ，刘 峰，邓宇玄，苑晓辰 （华中农业大学工学院，湖北武汉４３００７０）
摘要：生物炭可作为土壤改良剂单独施入土壤，改善土壤环境条件，也可与肥料混合制成生物炭基 肥，其具有养分缓释、增产稳定等一系列优点，在农业上的应用越来越广泛。主要从生物炭对土壤 理化性质、微生物、农业温室气体排放、作物生长和产量的影响，对农田土壤污染的治理，以及生物 炭基肥对肥料养分、作物生长和产量的影响这几个方面，对生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研 究进展进行综述，阐明其优点和不足，并提出了进一步的研究方向，旨在为生物炭和生物炭基肥在 农业中的应用研究提供参考。 关键词：生物炭；生物炭基肥；农业；应用进展 中图分类号：Ｓ１５６．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—３２６８（２０１６）０３—００１４—０６
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈａｒ—ｂａｓｅｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ
ＷＥＩ Ｃｈｕｎｈｕｉ，ＲＥＮ Ｙｉｌｉｎ ，ＬＩＵ Ｆｅｎｇ，ＤＥＮＧ Ｙｕｘｕａｎ，ＹＵＡＮ Ｘｉａｏｃｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｂｉｏｃｈａｒ ｉｓ ｐｕｔｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｌｏｎｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｓｏｉｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｏｉｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ，ｔｕｒｎｉｎｇ ｉｎｔｏ ｂｉｏｃｈａｒ－ｂａｓｅｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ，ｗｉｔｈ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｌｏｗ—ｒｅｌｅａｓｅ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｓｔａｂｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｙｉｅｌｄ，ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ａｐ— ｐｌｉｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ ｂｉｏｃｈａｒ—ｂａｓｅｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｆｒｏｍ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｓｅｖｅｒａｌ ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｉｏ— ｃｈａｒ ｏｎ ｓｏｉｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ｃｒｏｐ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｓｏｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ－ｂａｓｅｄ ｆｅｒｔｉ－ ｌｉｚｅｒ ｏｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｃｒｏｐ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ，ａｎｄ ｃｌａｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓｓｕｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ ｂｉｏｃｈａｒ—ｂａｓｅｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｃｈａｒ；ｂｉｏｃｈａｒ－ｂａｓｅｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
生物炭是通过热解过程从生物质中获得的富含 碳元素的固体物质，具有羟基、羧基、脂族双键等亲 水基团和芳香化结构¨ ，拥有丰富的多孔结构和较 大的比表面积 。生物炭独特的结构决定了它拥 有特殊的性质，例如改良土壤、改善土壤环境等。但 生物炭也有不足之处，它自身所含矿质养分含量有 限，满足不了作物生长发育的需求，为弥补该缺陷， 生物炭基肥应运而生。生物炭基肥是将生物炭作为 载体，与肥料混合制成的一种长效肥料 。生物炭 基肥将生物炭和普通化肥有机结合起来，具有改良 土壤、提高化肥利用率、稳定增产、减少化肥使用次 数和数量、降低环境污染等优点。它是一种长效肥
收稿日期：２０１５一Ｏ９—２Ｏ 基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１４ＢＡＤ１１Ｂ０３）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（２０１４ＰＹ０４４）
作者简介：魏春辉（１９９１一），男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工技术与装备。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｉｃｈｕｎｈｕｉｘｙｚ＠１ ２６．ｃｏｎ 通讯作者：任奕林（１９７０一），女，湖北天门人，副教授，博士，主要从事农产品贮藏加工及农产品检测研究。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｅｎｙｉｌｉｎｇ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 第３期 魏春辉等：生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展 １５ 料，具备较高的研究价值，具有良好的发展前景。 纵观最新研究成果，重点阐述了生物炭对农田 土壤理化性质、微生物、作物生长和产量的影响，以 及生物炭基肥对肥料养分、作物生长和产量的影响， 并指出了目前研究中的不足以及未来研究方向，以 期为生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究提供 参考。 １ 生物炭在农业中的应用研究进展 １．１生物炭对农田土壤的影响 １．１．１ 生物炭对农田土壤物理性质的影响 生物 炭可以影响土壤持水量、透水性、容重等物理性质， 这种影响作用与生物炭的特殊结构及其施用量等有 关。生物炭具有羧基、羟基、脂族双键等亲水基结 构，从而具有极强的吸附和持水能力。研究表明，在 农场土壤中添加２０ ｇ／ｋｇ生物炭，田间持水量增加 １５％＿４ 生物炭对土壤持水量的影响，与生物炭所 施人的土壤类型也有一定关系。与壤土、黏土相比， 生物炭更加有助于改善砂质土壤持水量 。Ａｓａｉ 等 研究发现，生物炭能够改善土壤饱和导水率， 表明土壤透水性得到提高。生物炭还可改善土壤结 构，这归因于生物炭的多孔结构增大了土壤表层的 孑Ｌ隙度，降低了其容重。多数研究表明，土壤容重随 生物炭施用量的增加而降低 ’ 。 １．１．２ 生物炭对农田土壤化学性质的影响 １．１．２．１ ｐＨ值 施用生物炭会提高土壤ｐＨ值。 这是因为生物炭中含有矿质元素如Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ等，溶 于水后显碱性，会交换土壤中的一部分Ｈ ，降低其 浓度，从而使土壤的ｐＨ值变大。另外，Ｕｚｏｍａ等 研究表明，随着生物炭施加量的增加，土壤ｐＨ值直 线上升。但生物炭对碱性钙质土壤ｐＨ值影响不显 著 。值得一提的是，生物炭生产过程中会产生一 种可用于改良盐碱土壤的副产品木醋液，这使得使 用生物炭来改良土壤酸碱度的作用更加突出，具有 广阔的前景。 １．１．２．２阳离子交换量（ＣＥＣ） 施用生物炭可提 高土壤ＣＥＣ¨ 。这是因为生物炭含有丰富的官能 团。此外，生物炭比表面积大，这也有助于提高土壤 ＣＥＣ¨ 。生物炭对土壤ＣＥＣ的影响主要受土壤类 型、生物炭类型、生物炭制备工艺、生物炭施用量以 及生物炭在土壤中的作用时间等因素影响¨ 。 １．１．２．３土壤肥力 生物炭具有提高土壤肥力的 潜力。这是因为一方面，生物炭有丰富的微孔结构， 比表面积较大，施人土壤后能吸附多种离子，可以减 少氮和可溶性磷这些养分的淋溶损失¨ ，提高土 壤肥力；另一方面，生物炭含有丰富的有机碳，可以 增加土壤有机质含量¨ 。然而，生物炭对土壤有机 质含量的影响也有相反结论的报道。Ｃｏｎｔｉｎａ等¨ 研究发现，生物炭会导致土壤有机质损失。因此，关 于生物炭对土壤有机质含量的影响方面还有待继进 步研究。另外，生物炭的种类及其作用的土壤类 型对土壤有机质含量也有很大影响 。 １．１．３ 生物炭对农田土壤微生物的影响 生物炭 独特的结构是其对微生物影响的关键基础条件。生 物炭的微孔结构，为微生物的繁殖提供了温床，使它 们免遭干燥等不利条件的影响，同时也为微生物提 供了生存空间，减少了生存竞争。生物炭的孑Ｌ隙使 其能够吸附大量水分、养分物质，可为微生物提供充 足的营养物质。生物炭可以调控土壤的理化性质， 进而影响微生物的新陈代谢；同时，微生物的活动也 会反过来对其生存的环境施加影响。这使得生物炭 对土壤微生物的影响呈现出复杂性，其作用机制尚 未研究清楚。 １．１．３．１微生物组成 生物炭对土壤微生物的影 响首先体现在土壤微生物组成的变化上。生物炭对 微生物群落种类分布具有一定的管控作用。Ｇｒｏｓｓ． ｍａｎ等 对含生物炭和不含生物炭２种不同土壤 样品中的微生物群落种类进行比较发现，含有生物 炭的土壤中微生物种类基本相同，并且与不含生物 炭的土壤中的种类明显不同。 １．１．３．２微生物数量生物炭还能影响土壤微生物 数量的变化。研究发现，经高施用量（６ ０００ ｋｇ！ｈｍ ） 生物炭处理过的棕壤土大豆田，在大豆成熟期，细菌 数量增长９４．９％，真菌数量减少１．２６倍 。 １．１．４生物炭对农田土壤污染的影响 １．１．４．１重金属污染物 重金属是农田土壤的一 大污染物。汞、镉、铅、铬和砷（毒性较强）以及铜、 镍、锌（微小毒性）等重金属元素通过某些渠道在土 壤中过量沉积，造成土壤污染，进而在植物体内富 集，再经过食物链进人人体，会对人体健康产生损 伤。将生物炭施人土壤中，可降低重金属离子的富 集程度，提高土壤品质 。生物炭颗粒大小、ｐＨ 值、施加量、制备生物炭时的热解温度等，都会使生 物炭对重金属的治理情况有所影响 。此外，生 物炭的种类也是一个重要因素。玉米秆炭对Ｐｂ 的除净率高达９０．３％，而麦秆炭和花生壳炭的除净 率分别为５２％和４７％ 。 将生物炭施人被污染的土壤中，能够有效降低 土壤中有害物质的含量。其主要是通过直接与重金 属离子发生作用，吸附其中的重金属离子或其表面