“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。     

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。     

生物炭及炭基肥影响农田土壤改良效应的研究进展

我国南方农田普遍存在土壤酸化加速、土壤肥力和质量不断下降、土壤微生物群落结构和功能失调等土壤退化现象。近年来,大量研究表明生物炭是一种应用前景广阔的土壤改良剂,而将其与肥料有效结合制成生物炭基肥,将在我国农田酸化土壤改良和作物增产等方面发挥重要作用。本文重点针对生物炭和生物炭基肥在农田生态系统中影响土壤改良的效应进行了综述,旨在为我国南方农田土壤改良和农业生产可持续发展提供参考。     

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。     

生物炭与生物炭基肥利用研究进展

生物炭由于其自身具有的优良性状,可以用作土壤改良剂,改善土壤条件与环境。将生物炭与肥料融合制备生物炭基肥,在秉承其原有优良特性的基础上,能进一步促进作物增产,并对减少化肥施用具有重要意义。文章在总结国内外已有研究的基础上,从生物炭与生物炭基肥对土壤的物理、生化性状及对作物生长的影响进行综述,并简要综述不同量的生物炭基肥替代化肥施用对土壤与作物生长的影响,阐述当前生物炭与生物炭基肥研究中存在的问题与不足,提出进一步的研究方向,旨在为农业生产提供施肥依据。     

生物炭在马铃薯生产中的应用研究

为探明生物炭在马铃薯生产中的应用效果,特设置生物炭用量试验。结果表明:无论施肥与否,添加生物炭后,单株薯重、大中薯率均有所增加,但生物炭提高了土壤碳氮比,造成土壤微生物与植株争氮,显著抑制块茎形成,单株结薯数大幅减少,并导致最终产量大幅下降,且该趋势随生物炭剂量的增加愈发明显。建议在生产中应考虑将生物炭施入时间后移,并采用螯合制备工艺,将生物炭与肥料制备成炭基肥,以进一步探明施用效果。     

浅析生物质炭基肥的应用效果

炭基肥是一种以生物质炭为基质,根据不同区域土地特点、不同作物生长特点以及科学施肥原理,添加有机质或无机质配制而成的生态环保型肥料。文章首先介绍了生物质碳的特性,然后阐述了施用生物质炭基肥料的应用效果,可提高农作物的产量和品质,提高土壤活性,提高氮素利用率,将农林业产生的生物废弃物进行资源化高效利用与低碳农业有机结合。     

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。     

白浆土条件下炭基肥对作物干物质积累量及生物产量的影响

正0引言近年来,国内许多科研单位在缓控释肥料研制上做了很多探索性工作(陈温福,2013;何绪生,2011),有关生物质炭与肥料复合方法主要有掺混、包膜、吸附和反应等工艺。研究发现,生物质炭与化学肥料混合造粒或生物质炭与化学肥料复合施用可明显提升作物的肥效。高海英等(2012)用木炭和竹炭在一定浓度硝酸铵水溶液中通过吸附法制备硝酸铵炭基肥料,通过盆栽试验表明,炭基肥可有效提高土壤保肥能力,提高作物产量。卢广远等(2011)利用黏合剂将炭粉与化学肥料黏合制备成炭基肥料,通过试验表明,炭基肥料对玉米具有增产效应。生物炭基肥的研究虽已取得了一些成果,但研究结果都是短期的,生物炭基肥对作物生长和产量的作用效果与其施用量、种类、组分比例、所投入使用的土壤环境等因素有关,需要进一步深入研究。     

生物炭基肥料在水稻上的应用效果研究

为研究生物炭基肥料的应用效果,开展了生物炭基肥料对水稻植物学性状、产量因素以及产量的影响试验。结果表明,在水稻上施用生物炭基肥料能够促进水稻生长发育,有助于水稻成产因素的形成,从而提高水稻的产量。生物炭基肥料的用量越多,效果越明显,且生物炭基肥料能部分替代缓释复合肥。     

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

为了促进生物炭研究和农用,采用盆栽试验研究了两种生物炭基氮肥及相应生物炭对土壤部分化学性质、养分状况及作物产量的影响.试验结果表明:施用生物炭基氮肥可显著提高土壤有机碳含量,提高土壤pH值、阳离子交换量、土壤速效磷、速效钾和矿质态氮含量,增强土壤保肥能力,促进作物增产.生物炭对土壤化学性质和养分状况虽有一定改善作用,但作物增产效应不明显甚至减产.因此,将生物炭与肥料复合制成生物炭基肥料不但可以保持生物炭改良土壤的功能,还可促进作物生长和增产,有利于生物炭农用效益的提升.     

丛枝菌根真菌和生物炭联合施用对土壤有机碳组分及团聚体的影响

为明确AM真菌与生物炭联合施用对农田土壤有机碳组分及团聚体的影响，设计室内盆栽试验，以灭菌的农田土壤为基质，种植玉米幼苗，接种AM真菌并配施不同裂解温度(300、400、500℃)制备的玉米秸秆生物炭，分析不同生物炭和AM真菌处理对玉米植株生长、土壤有机碳组分和团聚体结构的影响。结果表明，与未接菌未加生物炭的对照组相比，接种AM真菌并配施300、400、500℃生物炭均能够显著增加玉米的株高，而且接种AM真菌配施300℃生物炭能显著增加玉米的地径，达8.86 mm。单施生物炭能够显著提高土壤总有机碳含量，施用300、400、500℃生物炭可分别提高土壤总有机碳含量76.3%、97.0%、86.0%,而且接种AM真菌配施300℃生物炭能够显著增加土壤可溶性有机碳含量(283.02 mg/kg),但AM真菌和500℃生物炭配施会降低土壤易氧化有机碳含量(0.723 g/kg)。AM真菌和生物炭联合施用对中等粒径土壤团聚体的影响作用并不显著，但单独接种AM真菌能够促进土壤大团聚体>4 000μm和>2 000～4 000μm的形成。     

我国生物炭基肥生产工艺与设备研究进展

炭基肥作为一种新型绿色环保肥料,其生产工艺及加工设备大多还在沿用有机肥生产的工艺与设备。介绍了目前生物炭基肥的生产工艺及设备研究进展,重点对国内炭基肥造粒配方及工艺进行了总结、归纳分析,并对主要的炭基肥造粒设备进行了分析,在分析造粒设备工作原理、技术参数、造粒工艺及其主要影响因素的基础上,指明了炭基肥造粒设备的研发方向。     

生物炭改性及其在农田土壤重金属修复中的应用研究进展

当前农田土壤重金属污染现象十分严重,给农产品与食品安全带来严重威胁。生物炭因其特殊的结构及表面活性,加之原材料来源广、制备简单且环保,故在农田土壤重金属修复中受到越来越多的关注及应用,但初始生物炭对土壤重金属的固持效果还未达到理想状态。因此,对生物炭进行各种改性以提高其对重金属的固持效率已成为土壤污染修复领域的一个研究热点。综述国内外在生物炭热解前、共热解和热解后(化学浸渍、物理球磨和辐照)等多种改性方法与吸附、络合反应、沉淀等修复重金属机制方面的研究进展;并从改性生物炭的应用对农田土壤中重金属及其他理化性质、生物性状和农作物生长的影响等方面来诠释改性生物炭的研究意义;最后提出了可将生物炭磁性改性与共裂解、球磨改性等技术有机结合,在未来实践中利用磁性技术将施用时间较长、吸附饱和的生物炭进行回收,实现改性生物炭安全、高效、灵活应用,为改性生物炭的后续研究和应用提供理论基础和技术支撑。     

生物质炭施用对深层土壤碳库的影响

施用生物质炭进行农田土壤改良已被认为是一种有效的土壤固碳与温室气体减排措施,研究深层土壤有机碳动态对于准确评估农田土壤固碳潜力有重要意义。目前,国内外学者对于生物质炭施用对土壤有机碳动态影响已有一定的认知,尤其是对表层土壤有机碳的周转情况,但对于深层土壤有机碳影响方面的研究还相对缺乏。本文主要阐述深层土壤固碳研究的趋势,农田深层土壤有机碳的来源与稳定性,生物质炭施用下表层土壤有机碳移动性的变化及其对深层土壤有机碳动态的影响,探讨深层土壤有机碳研究方面存在的问题和未来研究方向,期望为农业土壤固碳和生物质炭应用的相关研究提供参考。     

生物炭在土壤中矿化的研究进展

虽然生物炭因自身特性决定了其矿化缓慢,但生物炭矿化仍能影响土壤生态系统内部及外部物质循环,该方面的研究对于区域碳格局、碳平衡和储碳改土都具有重要意义。人工合成的生物炭的原材料、制备条件以及所处土壤类型的不同,其矿化率不能以自然形成的土壤黑炭类推。研究方法从CO_2流量测定法、常规差减法发展到稳定同位素~(13)C技术的应用,使得生物炭矿化研究更加精确。生物炭特性受其源材料、制备温度、制备过程升温率、最终温度及其后续处理等影响,进一步影响其矿化阶段特点。生物炭矿化的根本是因土壤微生物的作用,而该作用是多种菌群作用的综合效应。自然条件下微生物活性受到诸多外界环境因素(包括土壤类型、土壤温度、水分、通气状况、土壤结构、植被类型和农田管理模式等)的影响,多种因素综合作用使得自然条件下的生物炭矿化速率明显小于培养试验。从生物炭矿化及其研究方法、生物炭矿化阶段、生物炭矿化受影响的诸多因素(包括生物炭来源、制备方法、制备温度、土壤类型、温度、水分和耕作制度等)几个方面分别展开综述,综合分析评述了生物炭输入土壤的矿化特征方面及其微生物学机制的主要研究进展。     

炭基肥施用对农田土壤性质及温室气体排放的影响

农业活动产生的温室气体已经成为引起全球气候变暖的主要因子之一。将生物炭作为肥料载体制备的生物质炭基肥料,不仅可以促进作物生长和增产,而且有利于土壤理化性质的改善。选择内蒙古阴山北麓地区马铃薯生产基地,以当地的栗钙土为研究对象,于2014年生长季利用静态箱-气相色谱法,采用随机区组设计,研究了0、40、80 kg/hm~2炭基肥及等量N、P、K化肥(CK、H_(40)、H_(80)、M_(40)、M_(80))对土壤性质及地-气CO_2和N_2O交换通量的影响。不同施肥处理对当季土壤的pH无显著影响。施化肥和炭基肥的耕作层土壤有机质含量分别较对照增加了34.3%和30.8%。土壤碱解氮的季节变化不明显,除M_(40)之外其他所有施肥处理都没有改变土壤碱解氮的含量。生长季结束后,化肥和炭基肥处理土壤全氮含量分别较开始时增加了62.0%-68.3%和27.7%-48.0%。施化肥和炭基肥土壤CO_2通量分别较对照增加了24.6%和17.6%,但两种肥料以及同种肥料两个施肥梯度之间土壤CO_2通量均无显著差异。施化肥处理显著增加了土壤N_2O的排放,炭基肥处理土壤N_2O排放在整个试验期间均与CK无差异。H_(40)、H_(80)、M_(40)、M_(80)的农田增温潜势分别较对照增加了24.2%、26.3%、17.1%、17.8%,施用炭基肥降低了单位马铃薯产量的温室气体排放强度,其中M_(40)、M_(80)分别降低了10.5%和13.8%。综合考虑施用炭基肥的生产与环境效益,M_(80)炭基肥为当地合适的施肥推荐量。     

生物质炭在农田生态系统中的应用

近年来,生物质炭作为一种应对气候变化实现农田生态系统固碳减排的重要措施,被广泛应用于各类室内以及田间试验中,因此施用生物炭已经成为一种实现农田生态系统固碳减排的双赢策略。通过总结归纳生物炭对作物产量、酸性土壤理化性质、温室气体排放以及固碳等方面的影响,以期为实现生物炭在农田生态系统中的推广应用提供理论依据。     

面向自愿减排碳交易的生物质炭基肥固碳减排计量方法研究

【目的】秸秆热解炭化-生物质炭基肥-生态农业产业体系正在中国兴起。炭基肥通过替代化肥产生可观的温室气体减排量并显著增加土壤有机碳库,其规模化发展具有参与我国正在实施的自愿减排碳交易项目的明显潜力。本研究探讨构建生物质炭基肥项目固碳减排计量方法,为其大规模农业应用参与自愿减排碳交易提供科学依据和方法学支撑。【方法】根据自愿减排项目固碳减排计量方法学和农田固碳减排计量的逻辑框架,基于秸秆炭基肥项目发展的实地调查、已有炭基肥试验的固碳减排案例监测及文献统计,并参考已备案的农业减排方法学,从项目合格性、基准线确定、边界选择、关键排放源和土壤碳库确定、系统泄漏到净碳汇计量方法等方面探讨开发炭基肥项目固碳减排计量方法学,以分析炭基肥项目进行碳交易的可行性。【结果】秸秆炭基肥项目计量方法学的基准线情景为农田常规施肥管理,但需针对不同农田经营模式而确定项目边界(例如分散农民为经营主体的田块模式和工厂-农田的集约化企业运营模式),分别考虑农田氧化亚氮和甲烷的排放和土壤有机碳库来审视项目的关键排放源和碳库,考虑项目的泄漏可能包括农民运输炭基肥导致的额外排放或原有秸秆利用方式发生改变导致的额外排放。农作物炭基肥案例分析表明:以农民为主体的炭基肥项目,单个生长季的冬小麦或水稻生产可分别产生1 440和282 kg CO2-eq·hm-2的减排量;而"工厂-农田"集约化模式中,在未对炭基肥生产工艺进行优化的条件下(副产物未被循环利用),炭基肥生产过程带来的温室气体排放将抵消部分炭基肥应用的农田碳汇量;如对优化炭基肥生产工艺后,单个生长季的冬小麦和水稻生产可分别产生1 479和340 kg CO2-eq·hm-2的净碳汇量。【结论】构建了一套用于量化炭基肥项目净碳汇量的计量方法,可以合理地量化炭基肥农田应用项目产生的净碳汇量。本研究发展的方法学适用炭基肥农业固碳减排项目,量化结果显示炭基肥项目可带来可观的减排量,且旱作农田的净碳汇效应高于稻作农田,优化炭基肥生产工艺条件下工厂-农田集约化运营模式获得的碳汇量显著高于未优化工艺条件下的农民主体的项目模式。研究表明未来应当关注和开发区域尺度不同类型炭基肥施用下氧化亚氮和甲烷减排因子以及土壤固碳因子。     

生物质炭基肥料及作物施用技术研究进展

随着生物质炭在农业领域的应用研究不断深入,以生物质炭为载体,与常规化学肥料或有机肥等材料结合的新型肥料—生物质炭基肥料(biochar-based fertilizer)的研制及其在农作物上的试验研究越来越多。相关研究表明,生物质炭基肥料具有诸多优点,如控释/缓释养分的释放、改善土壤理化性状、增强抗旱能力、减少养分资源的损失和提高肥料利用率等。深入挖掘生物质炭基肥料的环境友好性和资源节约性潜力日益受到重视。通过综合分析多年来公开发表的生物质炭基肥料试验研究文献,阐述了各种生物质炭基肥料的组配材料、造肥制粒配方与工艺技术,以及生物质炭基肥料在水稻、玉米、小麦、蔬菜、薯类、花生、大豆、烟草、棉花、牧草和果树等作物上的施用技术,尤其是生物质炭基肥料对作物生长发育、产量、农产品品质以及土壤的影响等方面的研究进展。根据试验研究中存在的问题及技术需求,提出今后生物质炭基肥料的研究设想,展望其在土壤环境、作物高产高效以及绿色生态等方面的系统研究方向。