生物质炭化还田作为土壤改良与循环农业的 技术途径分析（一） 严重制约农业可持续发展

随着中国经济进入高质量发展的生物新时代，低碳发展是质炭生态文明建设的重要途径。党的化还环农十九大报告明确指出“加快生态文明建设，建立健全绿色低碳循环发展的田作途径经济体系”。农药、为土化肥和农膜等现代农业生产资料的壤改大量使用，导致农业生产活动所产生的良循碳排放与日俱增。据测算，技术中国农业碳排放以平均每年 5% 的分析速度持续增长，严重制约农业可持续发展。生物随着生态文明建设的质炭深入推进，迫切要求农业增长方式由“粗放型”向“低碳型”转变，化还环农依靠绿色全要素生产率驱动农业转型。田作途径

生物质炭（Biochar）是为土由生物质（农林废弃物和动物粪便等）在无氧或者缺氧条件下，通过热化学转化得到的壤改固态产物，是一类高含碳量、高度芳香化的难溶性固体物质，具有较高的热稳定性和较强的吸附特性，是良好的土壤改良剂和重金属吸附剂。近年来，随着应对气候变化而提出的温室气体减排任务日益艰巨，在农业领域生物质炭作为一种农业增汇减排技术得到不断开发和应用。生物质炭这一物质形式有可能为这些问题的解决提供新途径，土壤增施生物质炭被认为可以提高土壤碳库容量，有效降低农田温室气体排放，显著提高土壤 pH，明显改善土壤结构，持留土壤养分，修复土壤污染。基于中国农业高质量发展和绿色低碳农业发展的根本要求和趋势，本研究围绕生物质炭理化特性，综述了生物质炭用于改良土壤和影响环境的研究现状，评价利用生物质炭改良土壤所具有的突出优势和潜力，提出了基于生物质炭实现循环农业的技术途径，以期为中国低碳烟草农业的研究和行动提供参考。

1 生物质炭概念及理化特性

生物质炭是生物质在无氧或者限氧状态高温裂解（240~700 ℃）下分离可燃气后剩余的含碳丰富固态产品，原料来源相当广泛。生物质炭的元素组成主要有碳、氢、氧。据 Demirbas报道，主要元素的比重分别为 C（66.6%~87.9%）、H（1.2%~2.9%）、O （10.6%~26.6%），碳、氢、氧之外的元素主要有钾、 钙、钠、镁、硅等。生物质炭的元素组成与炭化温度有关，随着炭化温度的升高，其含碳量增加，氢和氧含量降低，灰分（矿质元素）含量有所增加。而灰分的元素组成还与植物生长地的地质、植物种类有关。生物质炭颗粒内的碳形态以多环芳烃为主，还有少量脂肪族、氧化态碳等有机碳，其高度芳香化结构决定了其稳定性。各种碳形态所占比例可能取决于植物细胞结构中碳的特征和炭化条件。生物质炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积（图 1）。针对生物质炭的结构，认为生物质炭因表面疏松多孔且炭骨架高度富集而具有可增强土壤保水保肥的能力，并且生物质炭表面含有大量羧基、羟基、醛基等含氧官能团，本试验进行的近红外光谱分析证实了这些官能团的变化，如图2 所示。丰富的含氧官能团产生表面负电荷，且呈碱性，从而使生物质炭具有较高的吸附能力和阳离子交换量（CEC）。此外，高度发达的孔隙结构和表面负电荷赋予生物质炭很强的吸附性能，能吸附水、土壤中的无机离子及极性或非极性有机化合物。

2 生物质炭还田对植烟土壤的影响

2.1 生物质炭对土壤理化性质的影响

生物质炭呈弱碱性，且具有较高的阳离子交换量，施入土壤后可以提高酸性土壤 pH，增加土壤阳离子交换量。有学者指出，增施生物质炭还可以增加土壤团聚体数量，改良土壤结构。 在 pH 为 4.3 的茶园土壤中施 0.5 kg/m2 竹炭，施用后连续 2 年土壤 pH 提高了 0.5~1.0。研究发现，施用小麦秸秆炭可降低土壤容重，提高土壤 pH，增加土壤团聚体数量。研究显示，施入竹炭后可引起土壤可交换性盐基离子数量
明显增加；进一步推断，生物质炭进入土壤后，其芳香结构边缘在生物或非生物的氧化作用下能形成羧基官能团，进一步增加对阳离子的吸附。在红壤中添加小麦秸秆炭培养 1 年后发现，红壤水稳定性团聚体数量增加，土壤容重降低，红壤性质得到明显改善。由于富铝化作用和淋溶作用，中国南方烟区植烟土壤多呈酸性，pH 多集中在 4.5~5.5，少数烟区的pH 可达 6.0，致使农田土壤结构紧实，通透性差，土壤团聚体数量较少，呈碱性的生物质炭作为土壤调理剂和调结构剂将有望缓解土壤酸化的问题。

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