近年来, 粮食生产和耕地土壤退化之间的矛盾日益突出, 根据《中国耕地质量等级调查与评定》报告, 全国耕地评定为15个等别, 1等耕地质量最好, 15等最差。我国耕地平均质量等别为9.80等, 质量水平总体偏低, 其中中低产地占全国耕地总面积的67.35%^[1]。耕地土壤质量退化问题制约了我国农业的可持续发展, 也逐步影响到我国粮食安全。肥料过量施用是导致耕地肥力退化的主要原因之一, 因此, 农业部于2015年2月17日制定颁布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》, 提出了推进新肥料新技术应用。国家农业政策围绕"稳粮增收调结构, 提质增效转方式"的工作主线, 大力推进化肥减量提效, 积极探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路。

我国秸秆废弃物每年平均产生量约为7.35亿t, 一直以来, 大量农作物秸秆处理主要以还田和焚烧, 如果没有得到更低碳更优化的合理处理利用, 不仅造成了直接的资源浪费, 也导致了间接的环境风险, 成为全面推进生态建设中必须面对并加以解决的问题^[2]。研究表明, 作物秸秆不但是优质的土壤有机质碳源, 同时也是良好的生物质原材料, 秸秆的炭化处理较其他处理方式可以更有效降低氮和磷养分的损失率。不同轮作制下秸秆炭化还田较秸秆直接还田均能提高作物产量和土壤理化性状^[3], 说明农作物秸秆炭化比其他形式的资源化更具优势, 具有更大的研究价值和市场前景。

生物质炭(Biochar)是以作物秸秆等农林植物废弃物为原料, 在绝氧或有限氧气供应条件下, 400~700 ℃热解得到的稳定固体富碳产物。国内外关于生物炭在农业上的试验研究主要集中于改良土壤、对土壤环境质量的影响等方面。近年来, 随着生物炭应用研究的不断深入, 生物炭与肥料结合的研究日益受到重视, 先后制定了相关的行业标准——生物质炭基肥料(Biochar based fertilizer)和生物炭基有机肥(Biochar-based organic fertilizer) ^[4-5]。本文综合分析多年来生物质炭基肥料的组成原材料与制备工艺配方技术, 及其在主要农作物上的试验研究结果, 以期为研发适用于不同土壤和作物的生物质炭基肥料, 为其高效环保施用技术提供参考。

1　生物质炭基肥原材料与制备工艺

Joseph等^[6]研究表明, 生物质炭具有复杂的碳晶格结构, 具有芳香族和脂肪族结构域、酸性和碱性基团、空位、金属和非金属元素以及自由基。生物质炭也有独立的矿物氧化物、硅酸盐和盐相, 以及大小不同的有机分子。施入土壤后存在于植物根际的生物质炭, 有效参与"土壤- 微生物- 植物"连续体的化学和生物过程, 包括养分循环、金属螯合和稳定、氧化还原反应和自由基清除等。作为生物质炭基肥料的基本载体, 生物质炭的原材料及其制备工艺至关重要, 作为生物质炭基肥料的载体成分, 它们决定了生物质炭基肥料的理化性状, 影响着土壤的供肥保水性, 对土壤、肥料养分、作物的产量和农产品品质等产生举足轻重的影响。

1.1　生物质炭原材料与制备温度

制备生物质炭的原材料来源十分广泛, 不同来源的生物质理化性状千差万别。根据国际生物质炭协会(IBI)制定的生物质炭标准《IBI Biochar Standards V2.1 Final(2015)》 ^[7]。生物质原料可以分为"未加工"原料和"加工"原料两大类, 未加工原料指直接取自植物界或仅被机械处理, 但未经动物体或者人为化学处理过的生物材料。根据近年来公开发表的文献, 绝大多数制备生物质炭原材料均属于"未加工"的原料, 具体有竹子^[8-9]、小麦秸秆^[10-13]、玉米秸秆^{[10, 14-18]}、水稻谷壳^{[9, 13, 19-20]}、花生壳^{[10, 13, 21]}、甘蔗渣^[22]、棉花秸秆^{[21, 23-24]}、园林废弃物^[25]、玉米芯^[26]、烟草秸秆^[27]等。只有极少部分是所谓被"加工"过的原料, 例如猪粪^[28]和制糖虑泥^[29]等。可以看出, 从植物型的农作物秸秆、园林废弃物, 到禽畜粪便、甚至工业有机废弃物等均可以作为生物质炭潜在的制备原料。

温度是热解生物质向生物质炭方向转变的必要条件, 不同原料热解炭化温度所得到的生物质炭的理化性状表现出较大差别。制备条件中, 裂解温度是影响生物质炭特性的主要因素。一般来说, 提高温度可以增加生物质炭的固碳含量。制备温度可以明显影响生物质炭的孔隙度和吸附性能, 随着制备温度的提高, 生物质炭芳香化程度增强, 化学稳定性增强^[30]。从一系列文献中可以看出, 水稻稻壳炭化温度为400 ℃^[20], 园林废弃树干枝条混合物^[25]、玉米秸秆^[18]炭化温度为400 ℃, 小麦秸秆^[12]、花生壳^[31]炭化温度为350 ℃, 甘蔗渣炭化、制糖虑泥炭化温度均为500 ℃^{[22, 29]}, 玉米芯^[26]炭化温度为450 ℃。利用流化床热解烟草秸秆制备生物质炭也是一大工艺特色^[27]。以生物质炭和膨润土为原料, 采用微波辐射法合成可生物降解的缓释NPK复混肥, 具有较好的保水保肥性^[32]。在现有文献中, 有不少试验研究所采用的生物质炭基肥料并没有提供生物质炭制备的温度参数。作为组成生物质炭基肥料的主要原材料——农作物秸秆的炭化温度绝大多数采用350~500 ℃的热解温度, 采用较高一点的炭化温度基本上也不会超过700 ℃^[19]。

1.2　生物质炭基肥料的制备工艺

根据中华人民共和国农业行业标准《生物炭基肥料NY/T3041-2016》, 生物质炭基肥料分为Ⅰ型和Ⅱ型: Ⅰ型总养分(N+P₂O₅+K₂O) ≥20%, 生物质炭(以C计)≥9%;Ⅱ型总养分(N+P₂O₅+K₂O)≥30%, 生物质炭(以C计) ≥6% ^[4]。按生物质炭组合的材料类型, 生物质炭基肥料可以分为生物质炭基有机-无机复混肥(Biochar-based organic inorganic compound fertilizer)、生物质炭基有机肥(Biochar-based organic fertilizer)和生物质炭基无机肥(Biochar-based inorganic fertilizer)等^[33]。

广义上, "生物质炭+ 肥料"都可以称之为生物质炭基肥料, 其中生物质炭是一个载体, 所含有作物必须的营养成分不多, 只在其灰分中含有少量的磷、钾, 以及钙、镁、硅等中微量元素。因此, 提供作物生长发育所必须的营养成分主要是肥料组分。生物质炭基肥料的肥料组成大多采用"生物质炭+ 复混肥"的方式, 部分采用"生物质炭+ 单质化学肥料"的方式^{[18, 20, 34-35]}, 也可以是"生物质炭+ 有机肥/生物有机肥" ^[10]。同时采用生物质炭、化肥和有机肥混合作为生物质炭基肥料的方式也是可行的^[19]。更为复杂的是利用生物质炭、氮磷钾肥料和猪粪堆肥制成具有土壤改良效果的生物质炭基肥料^{[10, 36]}。

生物质炭基肥料的制备多数采用常规的有机- 无机复混肥的生产工艺, 将生物质炭与有机肥、无机复混肥或单质肥料直接粉碎掺混而成。具体采用的化学氮肥有尿素、氯化铵, 同时含有氮和磷素的复合肥磷酸一铵、磷酸二铵, 钾肥多数以氯化钾、硫酸钾为主^{[18, 20, 34-35]}。

生物质炭与肥料混合后可以经过挤压工艺流程进行造粒^[16]; 用生物质炭对尿素进行包膜制成生物黑炭包裹尿素^[23]; 采用平底造粒机, 将生物质炭对尿素和过磷酸钙颗粒进行包衣, 制得类似于有机- 无机复混生物质炭基肥料产品^[37]; 通过熔融高压、水溶浸泡等更加复杂的工艺制备生物炭质基肥料^[25]; 利用糖厂滤泥炭化, 虑泥生物质炭与尿素以5 : 1的比例吸收尿素产生缓释生物质炭基肥料颗粒^[29]。有的试验还添加褐煤^[20]、木醋液^{[15, 17, 34]}、膨润土^[32]等强化某种功能的辅助材料。

根据作物的营养需求, 生物质炭基肥料中的"肥: 炭"按不同比例进行调配, 可以是8 : 2或者7 : 3配比^[14]。与普通的复混肥料相似, 生物质炭基肥料所含肥分N-P₂O₅-K₂O比例不同, 氮磷钾总养分也不尽相同。根据不同作物的需肥特点和施肥量, 生物质炭基肥料中氮磷钾总养分变幅为28.8%~51%^{[13, 20-21, 28, 38-40]}。此外, 由于造肥制粒工艺技术、结合改土和提质增效的需要, 生物质炭基肥料所含的碳量也不尽相同, 生物质炭基肥所含C量为18% ~35%^{[9, 16, 28, 35, 38, 41]}。

从化学组成来讲, 生物质炭基肥料是一种有机- 无机复混肥料。总体上, 生物质炭基肥料吸收了无机复混肥和传统有机肥料的长处, 同时克服了两者各自的缺点, 炭基复混肥料可以达到肥效缓释可控、土壤增碳和农业减排的效果。目前, 不少试验研究直接利用市售的生物质炭基肥料产品作为供试材料^{[28, 34, 38, 40, 42-46]}。

2　生物质炭基肥料作物施用技术和效果

从已有的试验研究来看, 生物质炭基肥料的应用涉及大田作物有水稻、玉米、小麦、花生、马铃薯、甘薯、大豆、棉花、烟草、黑麦草、砀山酥梨和蔬菜等, 其中蔬菜作物包括白菜、番茄、辣椒、青椒、朝天椒、小白菜、芹菜和生菜等。根据公开发表的文献, 整理出生物质炭基肥料供试作物、试验方法、炭基肥的组成及其施用技术、施用量和施用效果等(表 1)。

从表 1可以看出, 在水稻、玉米和小麦等粮食作物上的系列试验研究均证明, 生物质炭基肥能提高肥料利用率, 促进植株对氮磷钾养分的吸收, 增加植株各部位的生物量, 从而提高作物产量^{[12, 19, 28]}; 在减少施N量的情况下, 生物炭基肥依然能有效提高水稻植株的吸氮、磷和钾能力, 并提高氮素偏生产力^{[10, 47]}。生物炭基肥有效提高水稻穗粒数、单穗重和降低瘪粒率^[8]; 对玉米的穗长、穗粗、出籽率、穗粒数和千粒重均有促进作用^[34]; 增加小麦的千粒重、每穗粒数及每667 m²穗数, 同时提高氮肥偏生产力^{[22, 42, 49]}。值得关注的是, 炭基肥还能使水稻根际土壤与根膜电位差增加, 从而降低根系养分积累所需的自由能, 提高水稻植株养分含量和生物量^[11]。

生物炭基肥能有效提高蔬菜作物的光合效率和SPAD值^[41], 增加植株各部位的生物量^{[13, 31]}, 从而提高蔬菜作物产量^{[9, 16, 21, 23, 25, 41]}; 同时, 生物炭基肥能有效改善蔬菜收获物的品质, 具体表现在提高菜品维生素C^{[13, 16, 21, 23, 25, 41]}、可溶性糖^[21]和蛋白质含量^[13], 降低硝酸盐含量等^{[9, 16, 21, 23, 25, 41]}。

生物质炭基肥在花生上的施用效果主要体现在提高单株饱果数、百果重、百仁重、出仁率和荚果产量上^{[35, 41, 44]}, 同时在水分胁迫的不利条件下起到一定抗旱作用^[38-39]。

目前收集到的文献中, 生物质炭基肥在马铃薯、甘薯、大豆、烟草、棉花、牧草和果树等作物上的试验研究较少, 总体上均表现在增加植株生物量和提高产量方面^{[17, 18-24, 40, 45-46, 51]}; 对于烟草, 生物炭基肥则起到提高烤烟的经济性状和品质的作用^[52-53]。

综上所述, 生物质炭基肥料的试验研究在全国各地均有开展, 而且适用于不同的地域和土壤类型。试验方法以大田小区为主, 少数的保护地小区试验^{[13, 23, 25]}; 其余多为盆栽试验; 极少的袋栽试验^[11]和微区试验^[26]; 从试验周期长短来看, 有2年^[47]或4年^{[26, 31, 50]}的定位试验。生物质炭基肥的施用量、施用时期和施用方法, 基本沿用作物专用肥和土壤改良剂的技术模式。作物应用效果总体显示为正效应, 具体表现在增加作物产量、提高农作物植株的农艺性状、改善农产品品质、提升氮磷钾肥料的利用率、改良土壤理化性状、节水省肥以及低碳减排等方面。

3　展望

国内外公开文献表明, 关于生物质炭基肥料制备及其在作物上施用技术的研究不断增多, 且有一定的深度和广度, 已成为农业资源与环境领域关注的热点。但是, 生物质炭基肥料的作物试验大多集中于短期小区、小型的盆栽或者保护地微区试验; 生物质炭基肥料的输入对农田生态系统的整体影响尚不明确; 关于生物质炭基肥中"炭- 肥- 土"等之间的互作机理、"土壤- 作物- 养分"等因素的动态作用机制、以及对土壤微生物和水分胁迫等因素的时空变化研究尚浅。因此, 提出以下建议: (1)加大生物质炭基肥料对土壤、作物和环境的系统性研究, 进一步开展生物质炭基肥料与传统肥料之间的共通性和差异性、及其养分控/缓释规律性的试验研究。(2)探索生物质炭基肥料中"肥- 水"耦合的过程及机制。(3) 突破更加科学、高效、安全的生物质炭基肥料配方工艺技术, 尤其是生物质炭基肥料造粒制肥设备与辅助材料的研发。(4)开展不同地域、不同土壤类型和环境条件下生物质炭基肥料的长期定位研究。结合土壤、作物的需肥特点制定生物质炭基肥料高效环保施用技术规程, 为种植业的提质增效做贡献。