生物炭生产与农用的意义及国内外动态

近年来,生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭在土壤中能够保持数百年至数千年,实现碳的封存固定,生物炭还可以改善土壤理化性质及微生物的活性,培肥土壤肥力,延缓肥料养分释放,降低肥料及土壤养分的损失,减轻土壤污染。生物质的热裂解及气化均可产生生物炭,但是慢速热裂解和热水炭化工艺的生物炭产率最大,同时还可获得生物油及混合气,生物油及混合气可升级加工为氢气、生物柴油或化学品,这有助于减轻对化石能源或原料的依赖。生物炭的生产及农用是碳减排的过程,废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。中国在生物质热裂解获得生物能源方面做了较多工作,但对生物炭的生产及农用重视不够。今后,中国应以废弃生物质生产生物炭,并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。     

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响,以生物炭为基底,分别制备了炭肥比1:4,膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%,炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒,分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明,在炭肥比为1:4条件下,膨润土粘结剂质量分数越高,生物炭基肥微观结构越紧密,力学和缓释特性越好,质量分数为20%时,氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N,前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下,炭肥比越高,生物炭基肥缓释性能越好,炭肥比为1:3时,氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时,氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减,炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多,炭肥比为1:6时,平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑,满足中等肥料浓度要求时,膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。     

生物炭对土壤肥力与环境质量的影响机制与风险解析

生物炭作为土壤改良剂和促进作物生长的应用价值已经被很多研究证实。该文综述了生物炭在改善农业土壤质量和作物生长中的应用研究进展,系统阐述了生物炭在提高农业土壤有效水含量,增加土壤矿质元素利用效率,缓解土壤酸化,降低土壤重金属生物有效性和提高农作物产量与质量方面的重要作用与微观机制。特别地,该文强调了生物炭应用于农业生态系统过程中可能引起的多环芳烃、重金属等污染物富集以及氮素根系吸收量下降等不可忽视的潜在问题,并对今后的重点研究方向进行了系统分析总结,以期为生物炭在提高土壤肥力质量与环境质量中的安全与高效利用提供科学参考。     

秸秆热解工艺优化与生物炭理化特性分析

以肥料化利用为目标,优化秸秆热解工艺,实现秸秆生物炭的高值化利用。该研究以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为原料,以炭化温度、保温时间和升温速率为因素进行正交试验,采用综合评分法优化热解工艺,并分析最优工艺条件下生物炭的理化特性。结果表明,影响秸秆生物炭品质因素的主次顺序为炭化温度、保温时间、升温速率。以生物炭的肥料化利用为目标,5种秸秆炭化的最优工艺参数组合是炭化温度500℃、保温时间30 min、升温速率10℃/min。在最优工艺条件下,5种秸秆生物炭的炭产率约为32%~38%,固定碳的质量分数大于45%,C元素的质量分数大于53%,N元素的质量分数为0.7%~2.5%,K元素的质量分数为3.41%~6.81%。生物炭表面有含氧官能团且内部有丰富的介孔结构。该研究为秸秆生物炭的肥料化利用提供数据支撑。     

基于文献计量的厌氧消化领域生物炭应用发展态势分析

厌氧消化作为低碳排放资源化技术之一仍面临甲烷产气量低、系统运行不稳定、难降解污染物残留等挑战,生物炭因其优良特性,在改善厌氧消化的应用中受到广泛关注。本研究利用CiteSpace软件对生物炭在厌氧消化领域中应用的研究动态进行文献计量分析,探讨该领域的研究现状、热点和发展态势。结果表明：2010-2022年,生物炭在厌氧消化领域中的应用研究发文量保持逐年增加的趋势,中国和美国是发文量最多的国家;针对不同生物炭的理化性质对其在厌氧消化中应用效果的影响、生物炭提高厌氧消化效率的机制及生物炭对厌氧消化中重金属、多环芳烃及抗性基因等污染物去除的研究逐渐成为热点;该领域的研究前沿包括量化生物炭在厌氧消化中不同机制的贡献,进一步开发修饰方法以提高厌氧消化过程中难降解污染物（重金属、多环芳烃、抗生素、抗性基因和微塑料等）的去除。     

秸秆炭基肥料挤压造粒成型优化及主要性能

炭基肥料是以生物炭为基质与其他肥料复合而成的新型肥料,能有效提高土壤的肥力和透气能力,同时具有对肥料的缓释效果等。为了炭基肥料成型工艺优化及工业化生产,该文以复混肥料的国家标准为参考,尿素、过磷酸钙、磷酸氢二铵、氯化钾作为提供氮磷钾元素的基础肥料,并以秸秆炭为基质,着重讨论了成型前加水量、有无添加胶黏剂和成型前物料粒度对炭基肥料成型的影响。研究成型炭基肥料的较佳工艺为基础肥料质量分数占70.36%,总养分的质量分数为28%,其中N:P2O5:K2O养分质量比为10:8:10,秸秆炭质量分数16.64%,不加研磨,配以13%的水,搅拌均匀常温造粒成型;并对在此条件下成型后的炭基肥料养分含量、含水率、溶水性、强度、pH值和对土壤化学性质的影响等性能进行表征,指标如下:氮质量分数为10.07%,水溶性磷质量分数5.47%,有效磷质量分数8.38%,水溶性磷占有效磷65.27%,钾质量分数10.45%,水分质量分数3.24%,机械强度85%以上,pH值为6.41。实测结果符合国家相应标准,工艺设计简单可行,进而为炭基肥料的工业生产提供参考。     

生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展

生物炭因具有制备原料来源广泛、比表面积大、孔隙发达、富含碳素、表面官能团丰富等特点而被广泛用于土壤改良、污染物去除、固碳减排等方面。近年来,研究发现将生物炭进行物理、化学或生物改性,会强化生物炭功能,有利于生物炭的高效利用。本文综述了生物炭及改性生物炭的制备,理化性质分析及其在土壤、水体、大气中的应用,并将改性前后生物炭进行比较,客观分析了目前生物炭应用所存在的实际问题,为生物炭及改性生物炭的制备、功能强化及拓展应用提供了一定的理论依据。     

基于CNKI的我国生物炭研究趋势文献计量学分析

为客观全面地分析我国生物炭领域的发展脉络及研究动态,利用CNKI中国期刊全文数据库的出版年份、论文数量、研究机构、资助资金等指标,结合Citespace关键词可视化分析方法,系统阐述我国生物炭研究领域的概况,综合分析我国生物炭研究的主要热点及趋势。结果表明:我国生物炭领域的研究处在快速发展阶段,总发文量呈指数增长;发文量最多的研究机构是南京农业大学,被引频次最多的是西北农林科技大学;我国生物炭领域的研究主要受国家层面的基金引导;南京农业大学的潘根兴发表生物炭文章最多,被引频次最多的作者是西北农林科技大学的耿增超;发文量和总被引频次最多的期刊均是《农业环境科学学报》,篇均被引用次数最多的期刊是《应用生态学报》;我国生物炭研究的热点主要集中在肥料、土壤有机碳、土壤养分、吸附、解吸、改良剂等方向。总体而言,我国生物炭研究热点从农业领域向环境领域转变,土壤环境污染修复、土壤质量改善和土壤可持续发展、碳库储量提升是我国未来生物炭研究的主要趋势。     

生物炭基肥料对小麦生长、养分吸收及土壤肥力的影响

生物炭基肥料的研制是生物炭在农业应用中的重要方向。通过温室盆栽试验,研究了添加不同数量生物炭制作的肥料施入土壤中对小麦生长发育及土壤肥力的影响。结果表明,(1)小麦生育期内,施用生物炭占辅料75%及以上的处理(NPB3、NPB4)较对照处理均显著提高小麦地上部干重、地下部干重、总干重,其中辅料100%为生物炭(NPB4)的处理均达到显著水平,但各处理对小麦千粒重没有显著影响;(2)生物炭基肥料显著提高了小麦对N、P的吸收,提高幅度顺序为NPB4NPB3NPB2NPB1CK,其中小麦N吸收平均提高了19.07%,P吸收平均提高了15.00%;(3)土壤中有机质含量表现为NPB4NPB3NPB2NPB1CK,且与生物炭添加量呈显著正相关(p0.05);(4)土壤碱解氮和有效磷含量大多呈先降低后升高的趋势,表明生物炭基肥料可持续供给小麦在生长后期对土壤中养分的需求。     

生物炭固碳减排作用的研究进展

近年来,生物炭(biochar)在土壤改良,污染物修复和固碳等方面受到了国内外研究人员的普遍关注.特别是利用生物质废弃物制备生物炭,被认为是一种非常有前景的并能够实现碳封存和减缓气候变暖目的的管理策略.为此,本文重点概述了生物炭固碳的原理、特点、原因及潜力,并展望了生物炭固碳减排作用的理论研究方向,为生物炭固碳技术的应用和推广提供一定的借鉴.     

不同原料生物炭理化性质的对比分析

为研究不同原料生物炭理化性质的差异,以苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭和褐煤生物炭6种生物炭为测试材料,利用傅里叶红外光谱仪和Boehm滴定法对生物炭表面官能团进行定性和定量分析,用电子扫描显微镜观察生物炭表面形貌,并测定生物炭的pH值、有机碳含量和阳离子交换量等基本理化性质。结果表明,除污泥生物炭呈弱酸性外(pH=6.76),其他生物炭均呈碱性(pH=8.49~9.96)。苜蓿秸秆生物炭有机碳含量最高(588.43 g·kg~(-1)),污泥生物炭最低(168.17 g·kg~(-1))。阳离子交换量大小排序为,苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭葡萄藤生物炭小麦秸秆生物炭污泥生物炭褐煤生物炭。FTIR图谱表征显示,生物炭表面存在芳香烃类和含氧基团,生物炭的结构以芳环骨架为主。苜蓿生物炭表面官能团总数最多,污泥生物炭最少。扫描电镜(SEM)结果表明,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面有明显孔隙结构,褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构。综上,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭适用农田土壤改良与培肥,褐煤生物炭和污泥生物炭可尝试用于污染土壤的修复,同时污泥生物炭可用于盐碱土的改良。     

生物炭和炭基肥在烟草农业的应用及展望

烟草是我国重要的经济作物,烟叶提质增效及绿色清洁生产是烟草农业绿色发展的必然趋势。烟秆炭化还田是实现烟秆资源化利用和环境友好发展的双赢途径。生物炭较大的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的官能团、稳定的环状结构以及良好的吸附特性赋予其改良连作障碍烟田土壤、重建健康微生物生境的潜力。炭基肥融合了生物炭与肥料各自的优点,同时具有优于其构成原料的特性,可缓慢释放养分、持久保持肥效,持续改善土壤环境,促进烟草健康生长、烟叶提质增效,在烟草农业应用潜力较大。本文综述了生物炭和炭基肥对植烟土壤理化性质、土壤养分、烟田温室气体排放、土壤微生物及酶活性、烟草生长和烟叶品质、烟草土传病害的影响,分析了生物炭和炭基肥应用中存在的问题,并提出未来应重点关注的问题:(1)生物炭及炭基肥调控植烟土壤质量及烟草生长和品质的机制机理;(2)生物炭及炭基肥施用的生态环境风险评价;(3)生物炭及炭基肥生产技术工艺创新。研究结果可为生物炭和炭基肥在烟草农业的合理应用提供科学依据。     

生物炭主要类型、理化性质及其研究展望

【目的】 生物炭作为工农业生产副产品低碳利用的有效手段,其改善土壤及提高作物品质的有益功效已被逐步认识,但对其研究报道分散且差异较大。对已有研究进行梳理总结,可为生物炭生产施用以及形成有效的产业链提供科学依据。 主要进展 1）生物炭全碳含量在 30%～90% 之间,平均 64%。生物炭碳含量由大到小来源依次是木质、秸秆、壳类、粪污和污泥。秸秆类生物炭碳含量大多为 40%～80%,木质类生物炭在 60%～85%。生物炭灰分含量在 0～40% 之间变动,平均 15.52%。灰分含量由大到小依次是污泥、粪污、秸秆、壳类和木质。秸秆生物炭灰分含量主要在 20%～35% 之间,较少为 15%;木质炭灰分主要在 0～10% 范围内。生物炭碳含量和灰分含量相关系数为–0.77。裂解温度与生物炭碳灰组分呈正相关,相关系数分别为 0.17 和 0.28。施入生物炭可以改善土壤状况,生物炭灰分通常对养分贫瘠土壤及沙质土壤的一些养分补充作用较明显。2）生物炭比表面积绝大多数在 0～520 m2/g 之间,平均 124.83 m2/g,壳类、秸秆、木质、粪污和污泥生物炭比表面积逐渐降低。秸秆炭比表面积集中在 0～200 m2/g 以内,木质炭比表面积集中在 0～100 m2/g 以内。制备温度与比表面积的相关系数为 0.48。生物炭的孔隙结构能降低土壤容重、降低土壤密度,能较好地去除溶液和钝化土壤中的重金属。3）生物炭 pH 值范围在 5～12,平均为 9.15。秸秆、污泥、粪污、木质、壳类生物炭 pH 值中值逐渐降低。秸秆生物炭 pH 值多集中在 8～11 范围内,木质生物炭 pH 相对一致。生物炭的 CEC 从 0 到 500 cmol /kg 都有分布,平均为 71.91 cmol/kg。秸秆类生物炭 CEC 值大多集中在 0～100 cmol/kg 范围内,木质生物炭则在 5～10 与 15～25 cmol/kg 范围内均有一定数量的分布。裂解温度与 pH 值和 CEC 的相关系数为 0.58 和 0.30。生物炭施入土壤后可消耗土壤质子,提高酸性土壤 pH 值,提高酸性土壤一些养分的有效性;其巨大的表面积还可提高对阳离子的吸附,提高土壤保肥能力。4）生物炭的裂解温度大都集中在 200～800℃ 之间,偶有达到 1000℃ 的裂解温度。 建议和展望 目前,全世界范围内对生物炭的生产和使用还处于就近和来源方便的初级阶段,影响着生物炭功能和效益的最大化。应从以下几个方面加强研究和应用试验:首先,系统研究生物炭制造参数对理化性状的影响,研究不同原料生物炭的作用机理差异及其针对性,建立生物炭理化性质参数数据库;其次,加强应用研究,根据土壤理化性状和改良目标选择适宜的生物炭类型,根据对作物经济性状的要求,研究选择适宜的生物炭类型,实现生物炭功效的最大利用。加强不同原料的选配和组合研究,改良生物炭产品的目标性状,形成系列化产品。      

Impact of integrated application of biochar and nitrogen fertilizers on maize growth and nitrogen recovery in alkaline calcareous soil

Biochar application has been considered as a rich source of carbon which helps to improve the physico-chemical properties and fertility of the soil. In Pakistan, excessive use of nitrogen fertilizer is considered a serious problem, so it is of vital importance to examine the effect of biochar on soil with varying doses of nitrogen fertilizer. We hypothesized that addition of biochar to an alkaline calcareous soil could improve not only soil quality and crop yield but also nitrogen use efficiency (NUE), reducing the loss of nitrogen (N) in the form of denitrification, ammonia volatilization, and nitrate leaching. A pot experiment was conducted under 2-factorial completely randomized design having three replications to evaluate the NUE in biochar amended calcareous soil. Biochar was applied at the rate of 0%, 1% and 2% (w/w) in pots filled with 17 kg of soil using various levels of N (0%, 50% and 100% of recommended dose) on maize (Zea mays L.). Several soil quality indicators, uptake, and yield of maize were monitored. Biochar application significantly decreased soil pH, increased water-holding capacity, total organic carbon, maize yield, stomatal conductance, and nitrogen uptake in plant. The results of the study indicated that addition of biochar could not only decrease the use of inorganic fertilizers by improving its quality and yield as in our case biochar at the rate of 1% and N at the rate of 50% provided optimum output minimizing the economic cost eventually.     

生物质炭对茶园土壤改良及茶叶品质的影响

近年来,茶树种植过程中化肥的超量施用造成茶园土壤酸化加剧和有机质含量降低等一系列问题,进而影响到茶叶的产量和品质。生物质炭一般呈碱性,具有含碳量高、比表面积大、高度生物化学稳定性和较强的吸附性能等特性,能够增加土壤碳储量,提高土壤pH值和养分有效性,对于茶园土壤固碳、土壤改良和抑制土壤氮磷流失、改善农产品品质等方面有较大作用。针对我国茶园土壤存在的主要问题,以生物质炭的特性及生物质炭改良土壤的作用机理为研究对象,重点阐述了生物质炭在茶园酸化土壤改良、土壤氮素淋失阻控、土壤固碳增汇等方面的效应,以及生物质炭提高茶叶产量和提升茶叶品质方面的作用机理。基于以上研究,展望了生物质炭在茶园管理方面的理论研究方向,为生物质炭在农业生产中的应用和推广提供科学依据。     

生物质炭浸提液对大蒜生长品质及土壤的影响

[目的]证实生物质炭中的水溶性有机碳对作物生长和品质的作用,为生物质炭的应用开辟新的途径。[方法]在实验室制取400,450,500℃小麦秸秆生物质炭,以KOH溶液浸提水溶性有机碳获得生物质炭浸提液W_(400),W_(450),W_(500),并应用于盆栽大蒜试验,研究其对大蒜生长、品质及土壤的影响。[结果](1)W_(400),W_(450),W_(500)对大蒜的生长都没有显著影响;(2)W_(400)处理使大蒜可溶性糖的含量显著提高了27.53%,土壤有机质和速效磷含量分别提高37%,26%;(3)W_(450)处理下大蒜维生素C、大蒜素含量分别显著提高34.9%和8.2%。[结论]生物质炭浸提液对大蒜生长没有影响,但可以提高大蒜品质。     

小麦产量及土壤性状对施用生物质炭的量化响应

  【目的】  生物质炭作为一种新型的土壤改良材料,其增产效应已有很多报道。量化评估生物质炭对小麦产量和麦田土壤性状的影响,为生物质炭在小麦生产中应用推广奠定基础。  【方法】  本研究数据来源于知网、Web of Science和维普文献数据库,以“生物质炭”、“Biochar”和“小麦”为主要关键词检索文献,共获得国内外公开发表的59篇相关试验的文献和227组数据。采用整合分析方法 (meta-analysis),定量分析生物质炭在不同田间管理措施、不同土壤条件、不同生物质炭特性下对小麦产量的影响及麦田土壤性状对施用生物质炭的响应。  【结果】  我国施用生物质炭能使小麦产量平均提高11.7%。施用生物质炭的增产效应在质地疏松的壤土 (16.0%) 和6.5 ≤ pH < 7.5 (17.1%) 的田块最显著;不同原料生物质炭的增产效果存在一定差异,木本材质 (29.3%) > 玉米秸秆 (10.7%) > 小麦秸秆 (8.1%) > 水稻秸秆 (5.9%)。不同管理措施下施用生物质炭的增产效应具有差异,雨养区 (15.7%) > 灌溉区 (4.9%)。随氮肥施用量的增加,生物质炭的增产效应逐渐降低,施氮量为0 ≤ N < 50 kg/hm2时,增产17.9%。施用生物质炭对前四季小麦增产效应显著,第四季之后,增产效应不明显,第一季 (17.2%) > 第三季 (13.4%) > 第四季 (9.4%) > 第二季 (7.3%);生物质炭施用量为10～25 t/hm2时增产效应最大 (14.9%)。施用生物质炭对麦田土壤全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾、有机碳、pH、土壤含水量、C/N、微生物量碳含量均有显著提高,有机碳 (38.4%) 含量变化最大。  【结论】  在不同管理措施、土壤理化性状下,施用生物质炭能显著提高小麦产量,改善土壤理化性质,但对土壤微生物量氮 (SMBN) 影响不显著。生物质炭的增产效应随施用后时间的延长不断减弱,其产量效应持续时间为4季作物。小麦生产过程中,生物质炭最佳施用量为10～25 t/hm2。     

Effects of crop‐straw biochar on crop growth and soil fertility over a wheat‐millet rotation in soils of China

We conducted a pot experiment using a wheat‐millet rotation to examine the effects of two successive rice‐straw biochar applications on crop growth and soil properties in acidic oxisols and alkaline cambosols from China. Biochar was incorporated into soil at rates of 0, 2.25 or 22.5 Mg/ha at the beginning of each crop season with identical applications of NPK fertilizer. In the oxisols, the largest biochar treatment enhanced soil pH and cation exchange capacity, decreased soil bulk density, improved soil P, K, Ca and Mg availability and enhanced their uptake, and increased wheat and millet yields by 157 and 150% for wheat grain and straw, respectively, and 72.6% for millet straw. In the cambosols, biochar treatment decreased soil bulk density, improved P and K availability, increased N, P and K uptake by crops and increased wheat and millet straw yields by 19.6 and 60.6%, respectively. Total soil organic carbon increased in response to successive biochar applications over the rotation. No difference in water‐soluble organic carbon was recorded between biochar‐treated and control soils. Converting straw to biochar and treating soils with successive applications may be a viable option for improving soil quality, sequestering carbon and utilizing straw resources in China.     

不同用量秸秆生物炭对辣椒疫病防控效果及土壤性状的影响

采用盆栽试验研究了不同用量秸秆生物炭对辣椒疫病防控效果及土壤性状的影响,并解析生物炭用量、土壤性状与防控效果之间的关系。结果表明,随着生物炭用量的增加,土壤pH和有机质含量逐步上升,电导率、有效磷和速效钾含量迅速上升,而铵态氮和硝态氮含量变化较小。细菌、真菌及四种功能菌数量随着用量的增加而逐步增加,但辣椒疫霉数量呈现先上升后下降的趋势。土壤酶活性方面,脲酶和β-葡糖苷酶逐步降低,FDA酶和蔗糖酶则先上升后下降。微生物代谢能力、微生物多样性及微生物均匀度均与用量呈倒U型曲线关系,在1.33%用量下获得最高值。DGGE图谱显示,低用量生物炭对微生物区系影响较小,而1.33%和2%用量则能显著改变微生物群落结构。0.33%、0.66%、1.33%和2%用量的防效分别为-9.8%、8.6%、56.7%和35.1%,与用量也呈倒U型曲线关系,1.33%生物炭用量对辣椒疫病的防效最好。一定范围内防效随生物炭用量的增加而增加,这可能是因为生物炭对土壤性状的改善作用,而随后防效下降,则与高用量生物炭对土壤性状产生的负面影响有关。