生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展

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。     

生物炭对酸性土壤改良的研究进展

土壤酸化是其退化的重要表现之一,且易引发诸多问题,如土壤板结、肥力下降、重金属迁移性增强、生物活性降低、作物产量与品质下降等。近年来,随着现代社会快速发展,高强度人类活动持续干扰,加之其他各种影响因素,土壤酸化趋势有所加剧,已严重影响土壤的生态环境质量,严重制约土壤生产力。生物炭具有pH值较高、孔隙结构发达、比表面积巨大、吸附性能极佳、内含元素丰富等特性,因此,在酸性土壤改良等方面备受国内外学者关注。综述了生物炭施用对酸性土壤理化性质、土壤微生物、土壤酶活性和作物产量及品质等方面的影响,并探讨可能存在的作用机制。最后,提出生物炭在酸性土壤改良方面尚未解决的问题并进行展望,以期为生物炭改良酸性土壤的理论研究及应用推广提供参考。     

“双碳”背景下生物炭基肥的研究现状及展望

炭基肥是以生物炭为载体,通过添加化肥或者有机肥,采用化学方法和物理方法混合制成的肥料。本文首先总结了炭基肥主要包括炭基无机肥、炭基有机肥和炭基有机无机复合肥,其次汇总了炭基肥的作用。炭基肥由于兼具了生物炭和肥料的双重优势,在田间应用过程中主要表现为提高作物产量、减少温室气体排放、提高土壤有机质、改良土壤以及污染土壤修复等方面。然后列举了影响炭基肥性质的因素,生物炭的制备及其与肥料的制备工艺。最后展望了炭基肥在我国农业领域的应用前景。本文通过生物炭的优选、炭基肥的制备工艺优化及其应用体系的完善等方面展开综述,为构建炭基肥的规模化应用提供指导意义。     

施用炭基肥及生物炭对棕壤有机碳组分的影响

【目的】作为土壤肥力的重要指标,土壤有机碳及其组分在耕地生产力和作物产量方面发挥着重要作用。论文以4年定位施肥试验为依托,分析连续施用炭基肥及生物炭对土壤有机碳含量及其组分的影响,为调控农田土壤肥力及棕壤有机碳库的管理提供科学依据。【方法】田间试验始于2011年,设置5个处理：不施肥（CK）、低量生物炭（C15）、高量生物炭（C50）、氮磷钾配施（NPK）、炭基肥（BBF）。其中C15与BBF是等碳量处理,NPK与BBF是等氮磷钾养分处理。于第4年花生收获后（2014年秋季）采集各处理耕层（0-20 cm）土壤样本,测定土壤有机碳总量、各组分含量及花生产量。【结果】施用炭基肥和生物炭均可以显著增加耕层土壤总有机碳含量,比试验起始年土壤（简称起始土）分别提高10%、8%;而在相同碳素（C15和BBF）或氮磷钾养分投入（NPK和BBF）条件下,施用炭基肥提升土壤总有机碳含量的效果最好,提升幅度为2%-15%。施入炭基肥及生物炭显著提高了游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳含量;在等碳量投入条件下,炭基肥处理的提升幅度分别为43%、17%;等氮磷钾养分投入条件下,炭基肥处理的提升幅度更大,分别为40%、43%。无论施入炭基肥或生物炭,对于矿物结合态有机碳含量影响均不大,但都比起始土略高。土壤可溶性有机碳含量变化规律与总有机碳相似,即施入炭基肥或生物炭均提高了其含量,但等碳量投入条件下无显著差异。各施肥处理花生产量在199.4-232.9 kg/667m²,均显著高于不施肥处理,其中施用炭基肥产量最大,比等碳量处理（C15）高17%,比等养分处理（NPK）高10%,且差异显著。【结论】连续多年施用炭基肥或生物炭均能明显提高土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳含量;提升效果显著优于投入等量碳素或等量氮磷钾养分。连续多年施肥可以提高土壤中水溶性有机碳含量,但炭基肥与生物炭、氮磷钾配施处理间无明显差异。无论施用炭基肥还是生物炭对土壤矿物结合态有机碳含量影响不大。连续施用炭基肥对花生产量的提升效果最好,显著高于等氮磷钾养分和等碳量处理。     

生物炭及其对酸性土壤改良的研究进展

近年来,生物炭以其特殊的性质及环境生态效应日益成为众多学科研究的前沿热点,特别是其在酸性土壤改良方面有较大的应用前景.随着中国农业种植方式和结构的不断变化,一些区域的土壤酸化现象逐渐加重.主要从生物炭的性质及其对酸性土壤改良方面的最新研究成果进行了阐述,并对今后生物炭的研究方向进行了展望.     

不同配比炭基肥对玉米生长、土壤养分及呼吸的影响

为了探索适合种植玉米施用的生物炭基肥料,采用箱式试验研究了生物炭、复合肥料及不同配比的炭基肥对玉米生长、土壤全氮、有效磷、速效钾、土壤呼吸的影响。结果表明:不同配比的生物炭基肥均较单施生物炭或单施复合肥对玉米植株干物质积累、土壤全氮、有效磷、速效钾有一定促进作用。不同配比的炭基肥处理中,肥炭比为8∶2或7∶3对玉米植株生长及提高土壤性状较突出,为较优炭基肥比例。生物炭和生物炭基肥对土壤呼吸均有一定促进作用,这可能是生物炭自身特殊的性质与结构发挥的作用。     

生物炭改良土壤机理及其在我国热区应用前景综述

近年来,生物炭在农业废弃物的有效利用、土壤改良、环境修复等方面发挥着重要作用,日益受到国内外研究者的关注。众多研究结果表明:生物炭可以通过改善土壤结构,提高土壤p H和有机质含量,增加土壤养分有效性,提高土壤酶活性,调控土壤微生物环境,进而改良土壤,促进作物生长。本文从生物炭对土壤物理、化学性质、土壤养分、酶活性和土壤微生物的影响等方面,综述生物炭改良土壤的机理。同时结合我国热带亚热带农业生产现状,从原材料供应和土壤环境条件等方面,分析生物炭在我国热带亚热带地区的应用前景,为生物炭的广泛利用及热带亚热带地区土壤改良提供理论参考和借鉴。     

农田土壤活性氮损失现状和生物炭调控途径研究进展

农田N₂O排放与NO^-3-N淋失是土壤活性氮损失的主要途径,是全球活性氮污染的重要来源,对全球气候变化和水质安全构成严重威胁。农田活性氮的产生途径与土壤硝化和反硝化作用密切相关,不同种植体系下土壤硝化和反硝化过程存在很大差异,尤其是我国甘蔗等经济作物连作农田长期大量施肥导致大面积土壤加速酸化、土壤硝化程度不断加强,直接影响到农业源活性氮库的变化趋势和控制策略。近年来,生物炭作为一种被广泛关注的多功能化炭基土壤调理剂,在农田活性氮转化调控、土壤改良、农作物稳产增产中具有重要的应用潜力。综述了农田活性氮的损失现状、主要影响因素及其关键微生物过程,指出了生物炭在农田活性氮转化和氮素循环利用中的潜在调控途径,并展望其未来研究发展方向,为我国农田活性氮污染控制、氮肥高效利用以及农业高效绿色与可持续发展研究提供新思路。     

利用生物炭改良土壤研究进展

生物炭成为近年来农林、环境及能源等诸多研究领域关注的焦点,为废弃生物质利用、生物能源生产、土壤改良培肥、肥料创新、温室气体的减排等提出了综合解决方案。通过对近年文献资料的搜集与整理,对生物炭技术发展历程、生物炭特性、土壤改良及作物增产理论等方面进行论述,旨在为生物炭在农业领域中更广泛的应用提供思路,并对我国开展生物炭的应用研究提供依据。     

生物炭在土壤环境中的应用

生物炭具有巨大的比表面积、发达的孔隙结构和丰富的表面官能团,是一种廉价易得、吸附性能良好的吸附材料,在土壤改良、增加碳汇、污染物质吸附等方面有着巨大的应用价值。该文主要介绍了生物炭的基本性质、改性方法以及其在土壤改良和土壤污染修复中的应用,分析了生物炭对土壤中有机污染物和重金属的吸附机制,为生物炭的大规模应用提供理论依据。     

炭基微生物肥料制备工艺及性质分析

以稻壳炭与氮磷钾肥及枯草芽孢杆菌孢子粉复合,采用掺混法、吸附法、混合造粒法3种工艺,设置10%、20%和30%三种稻壳炭添加水平,小试制备了9个炭基微生物肥料样品,并对其进行电镜扫描及元素含量、pH值、总养分、有效活菌数、缓释效果等的测定与分析。结果表明,采用混合造粒法制备的炭基微生物肥料负载氮磷钾肥和微生物孢子粉最多,其次是吸附法,掺混法最少。9个炭基微生物肥料样品中各元素含量比较丰富,工艺相同时,随着稻壳炭添加量的增加,C、N含量增加而H含量减少。9个炭基微生物肥料的pH值均呈酸性或接近中性,总养分含量均达到了复合肥国家标准的要求。枯草芽孢杆菌孢子粉与稻壳炭及氮磷钾肥复合60 d后,有效活菌数为3.4×10⁵~7.0×10⁵ g^-1,同种工艺制备的炭基微生物肥料的有效活菌数随稻壳炭添加量的增加而增加。炭基微生物肥料的7 d氮素累积水溶出实验表明,9个肥料样品均有一定的缓释功能,同种工艺制备的炭基微生物肥料的氮素累积释放率随稻壳炭添加量的增加而降低。稻壳炭添加量相同时,缓释效果混合造粒法>吸附法>掺混法。综上,添加30%的稻壳炭、采用混合造粒工艺制备的炭基微生物肥料具有最优的性质,可进一步验证其效果并推广应用。     

中国南方水稻土酸化演变特征及影响因素

【目的】明确中国南方水稻土酸化特征及主要影响因素,为防控水稻土酸化提供理论依据。【方法】选择中国南方江苏、湖南、广东、广西、四川和云南6个省份（自治区）的20个水稻土长期定位监测点,统计分析水稻土pH演变特征及阶段性变化规律,并探讨施肥量及土壤氮素含量对水稻土酸化的影响。【结果】1988-2013年25年间中国南方水稻土显著酸化,土壤pH下降0.59个单位,平均每年下降0.023个单位。水稻土酸化具有明显的阶段性特征,起始的14年中水稻土pH急速下降,平均每年可下降0.051个单位;近10年间,土壤pH趋于平稳。增施化肥特别是化学氮肥可导致水稻土酸化,二者与土壤pH均呈显著负相关关系（P＜0.01）,由此推算出化学氮肥每增施100 kg·hm^-2,水稻土pH可下降0.65个单位。减少有机肥的施用也可引起水稻土酸化,有机肥施用量与土壤pH之间呈显著正相关关系,有机肥每减少100 kg·hm^-2,水稻土pH下降0.51个单位。土壤全氮及碱解氮含量与pH间均呈极显著负相关关系,土壤全氮和碱解氮含量每增加100 mg·kg^-1,水稻土pH约下降0.1个单位。【结论】在过去25年间,中国南方水稻土显著酸化,酸化具有明显的阶段性特征,施肥初期土壤pH显著降低。减少化学氮肥的施用和增施有机肥是控制水稻土酸化的重要措施。     

Cd污染农田的炭基修复方案设计和效果评价

为了解不同Cd污染农田土壤上炭基改良剂的治理效果，运用土壤医生理念，针对广东省韶关和云浮3个重金属Cd污染状况和土壤理化性质不同的区域农田分别设计了3种以生物炭为主要原料，搭配石灰、有机肥等不同辅料的3种生物炭基土壤改良剂，并进行了大田应用试验，同时归纳总结设计原则，评价设计的3种改良剂对Cd污染农田的治理效果。结果表明：在3个区域施用的改良剂均不会降低作物的产量，在Cd污染严重的酸性土壤上有显著增产的效果（增产效果达到383.03%）；同时施加3种不同配方的炭基改良剂均可以有效降低作物可食用部位的Cd含量，分别是对照的33.33%、46.88%和42.86%，使3个试验区的农产品可食用部分Cd含量均达到国家标准；施用炭基改良剂，可有效降低土壤中酸溶态Cd的含量，尤其是在酸性较强、Cd污染程度高的土壤中，能够将土壤中活性和生物可利用形态的Cd含量降低18.28%。综上所述，根据土壤理化性质、污染程度和修复目的来针对性设计以生物炭为基础的炭基改良剂可以保障作物产量，提高作物品质，实现对南方Cd污染土壤的改良。     

生物黑炭还田对红壤旱地芝麻产量及土壤养分的影响

为探讨南方丘陵区芝麻种植过程中合理的有机培肥措施,通过不同用量的秸秆和生物黑炭还田试验,研究了其对芝麻产量以及土壤pH值、有机质和氮磷钾养分含量的影响。结果表明:与常规施肥相比,秸秆和生物黑炭处理的芝麻籽粒产量分别增加了42.7%~89.0%和75.6%~118.3%,秸秆产量分别增加了24.2%~39.3%和43.6%~61.9%;同时,施用秸秆或生物黑炭可以较好地改良土壤酸化情况,并提升土壤有机质和速效氮磷钾的含量,且生物黑炭的效果优于秸秆直接还田;在试验设置的用量范围内,生物黑炭施用量越大,作物增产幅度和土壤肥力提升幅度越高。     

短期生物炭添加对不同类型土壤细菌和氨氧化微生物的影响

【目的】氨氧化作用是硝化作用的第一步,也是硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的关键环节。本试验旨在研究在我国不同类型土壤中添加花生壳生物炭对细菌和氨氧化作用的影响,为生物炭的推广使用提供理论依据。【方法】试验以黄棕壤、潮土、黑土为供试土壤,通过短期培养试验,利用16SrRNA测序研究生物炭对不同类型土壤氨氧化微生物、细菌群落结构以及相关酶基因表达量的影响。每种土壤设置4个处理：CK（不施用化肥和生物炭）,F（单施化肥）,C（单施2%花生壳生物炭）,FC（施用化肥+2%花生壳生物炭）。【结果】施用生物炭后（C、FC）酸性土壤pH显著提高了0.5—1.0个单位,但碱性土壤pH显著降低了0.5—0.6个单位;单施生物炭（C）造成黄棕壤的微生物丰富度和多样性显著提高,潮土在单施生物炭（C）时仅显著提高了土壤的微生物多样性指数,在黑土中施用生物炭和化肥都未显著改变土壤微生物的丰富度和多样性;在3种土壤中氨氧化细菌的丰度皆高于氨氧化古菌,测得的氨氧化细菌的OTU丰度约为氨氧化古菌的8.1倍;生物炭和化肥并未显著改变奇古菌门中的OTU丰度,却对β和γ变形菌中的OTU丰度产生了显著性影响;3种土壤的氨氧化细菌都以β变形菌为主,约占60%;另外,生物炭的施用（C、FC）在PC1（40.4%）上显著改变了黄棕壤的微生物群落结构,在PC1（42.3%）和PC2（21.3%）上都显著改变了潮土的微生物群落结构;施用生物炭后（C、FC）,短期内潮土中氨合成相关酶基因表达量显著降低14.7%—39.9%,氨氧化古菌丰度在单一施炭（C）和化肥与生物炭同施（FC）时分别降低了70.5%和48.7%。【结论】施用生物炭后,短期内显著改变了黄棕壤和潮土的微生物群落结构,并明显抑制了潮土的氨氧化作用。     

生物炭与不同肥料配施对镉胁迫下烟叶和土壤中镉含量的影响

为探索生物炭与肥料配施降低烟叶对重金属镉的吸收和土壤中镉含量的可行性,采用盆栽试验,研究了镉胁迫下生物炭与不同肥料配施对生育期内烟叶生物量、烟草各部位镉含量、植烟土壤中镉含量和土壤p H的影响。结果表明:生物炭与肥料配施能够促进烟叶生物量的增加,烟叶生物量依次为有机肥+无机肥+生物炭无机肥+生物炭有机肥+无机肥无机肥未施肥;生物炭与不同肥料配施时烟叶各叶位镉含量较低,生育期内生物炭与有机肥+无机肥配施下烟叶镉含量较有机肥和无机肥配施降低了52.57%,根茎中降低的镉含量最高达59.69%;各处理土壤中的有效态镉含量均有不同程度降低,降幅顺序为有机肥+无机肥+生物炭无机肥+生物炭有机肥+无机肥无机肥未施肥。上述结果表明生物炭与有机肥和无机肥配施既能促进烟叶生长,也能降低土壤有效态镉的相对含量,减少烟叶中镉的吸收积累,进而降低烟叶中镉含量,适合在重金属污染烟田施用。     

生物炭对作物氮肥利用率影响的整合分析

为科学施用生物炭、提高氮肥利用率,采用整合分析的方法,收集符合筛选标准的文献33篇,统计了170组包含生物炭配施化肥(BC+NPK)和单施化肥(NPK)处理下作物氮肥利用率的数据,从不同地域、土壤养分、氮肥用量、生物炭特性与施用量、作物种类等方面量化分析生物炭对作物氮肥利用率的影响。结果显示：施用生物炭可以使作物氮肥利用率提高4.76%,其中南方地区生物炭的促进效果最为明显,提高了11.73%。土壤肥力影响生物炭对氮肥利用率的增幅,在土壤pH值、有机质含量、速效氮含量较低的南方地区,施用生物炭对氮肥利用率的提升效果最优,而在有机质含量较高、pH值较高的东北地区,施用生物炭的效果则有所降低;当氮肥施用量≤120 kg/hm2时,生物炭的增效效果最明显,氮肥利用率提高了10.73%。与经济作物相比,粮食作物的氮肥利用率提升效果更为明显,增加了5.71%。生物炭施用量控制在≤1%时,氮肥利用率提高3.43%,木质材料制备的生物炭的提升效果最明显,氮肥利用率提高7.99%;生物炭含氮量>2%时,氮肥利用率提高19.43%;生物炭pH 9~10时氮肥利用率最佳,肥料利用率能够提升5.01%。     

生物炭及炭基肥对土壤微生物群落结构的影响

【目的】微生物在土壤养分循环中起到转换者的作用。论文以传统有机肥(玉米秸秆和猪厩肥)为对照,探究施用生物炭和炭基肥等新型有机物料培肥改土对土壤微生物群落结构的影响,以期为不同有机物料合理施用提供理论参考。【方法】依托沈阳农业大学棕壤改土定位试验平台(始于2009年),利用磷脂脂肪酸(PLFA)技术研究长期不同有机无机配施条件下土壤理化性质和微生物群落结构特征及二者的相关关系。试验处理包括:秸秆配施化肥还田(CS)、猪厩肥配施化肥(PMC)、炭基肥(BF)以及生物炭配施化肥(BIO)。【结果】PMC和BF处理的pH显著高于BIO处理;PMC处理的全氮含量显著高于BF和CS处理,BIO与PMC处理没有显著差异;PMC处理的有机质含量显著高于BF和BIO处理;PMC处理的土壤含水量最高;不同处理间土壤全钾含量没有显著差异。PMC处理的土壤微生物总PLFAs含量最高,其他处理间没有差异;PMC处理的细菌PLFAs含量最高,BF处理的细菌PLFAs含量显著低于BIO和CS处理;PMC处理的真菌、革兰氏阳性和阴性细菌PLFAs含量显著高于BIO处理,BF与PMC处理差异不显著;PMC处理的放线菌含量显著高于CS处理,BF和BIO处理居于中间无显著差异。BF处理的Shannon-Winner多样性指数和真菌/细菌比值显著高于BIO处理,BF和PMC处理的革兰氏阳性/阴性细菌比值显著低于BIO处理。冗余分析(RDA)结果显示,土壤pH、全氮和有机质对土壤微生物各PLFA有极显著影响(P0.01),含水量和全钾有显著影响(P0.05)。【结论】生物炭和炭基肥长期施用明显改善了土壤理化性质;相较猪厩肥,施用生物炭不利于真菌和革兰氏阴性细菌的积累,而且施用生物炭和炭基肥对土壤微生物群落的影响不同,施用生物炭有利于细菌群落的繁殖,施用炭基肥有利于土壤真菌/细菌比和土壤微生物群落结构多样性的提高;土壤pH、全氮、有机质、含水量和全钾依次是影响土壤微生物群落的重要因子。