李健華　楊鈞堯　李鋅林　吳奇潤　張思琦　方錚

摘? 要：隨著國內(nèi)對生物炭研究和應(yīng)用的不斷深入，生物炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。該文對近幾年來生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀以及對生物炭的產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行了回顧和總結(jié)，同時對目前的生物炭應(yīng)用過程中可能存在的一些問題進行了進一步的探討與總結(jié)，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和進一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭? 產(chǎn)業(yè)? 農(nóng)業(yè)影響? 環(huán)境影響

中圖分類號：X71 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）05（c）-0062-03

1? 生物炭來源綜述

制備生物炭的原料來源廣泛，主要可分為兩大類：農(nóng)林業(yè)的廢棄物以及城市生活的廢棄物。利用廢棄植物生物質(zhì)可制備木炭、稻殼炭、秸稈炭及竹炭等碳量較高的植物生物炭[1]。當然，說到農(nóng)林業(yè)，畜牧業(yè)中諸如雞、牛、羊等牲畜產(chǎn)生的糞便也是作為生物炭制備的原料[2]。工業(yè)和城市生活中產(chǎn)生的垃圾、污泥等有機污染物也可作為其來源之一。以下是變廢為寶進行利用，還能對資源進行充分利用的生物炭各來源以及制備的簡介[3]。

1.1 動物來源

制備生物炭的動物原料，諸如畜禽類的糞便、豬糞、羊糞球等都可作為其來源之一。磁性豬糞生物炭與堿改性豬糞生物炭是目前關(guān)于豬糞在水處理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的制備方法。該制劑的初步工作有相似之處，兩者均為氮氣高溫熱解預處理過的豬糞，經(jīng)冷卻、碾碎、過篩一系列的前期處理。前者需要與鐵鹽溶液和亞鐵鹽溶液混合攪拌，后者具有將豬糞生物炭與氫氧化鉀溶液混合的過程，pH和溫度是必不可少的;畜禽糞便經(jīng)沼渣收集、熱解炭化、微生物發(fā)酵、混合造粒、包裝貯存。有研究表明，采用沙蒿和羊糞球作為原料，使羊糞球與沙蒿相輔相成而制取的沙蒿生物炭也有可能成為一種新興的生物炭的制取與應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 植物來源

植物生物炭的制備大多應(yīng)用于吸附技術(shù)領(lǐng)域，特別是水體處理。未來有發(fā)展前景的植物來源生物炭包括園林廢棄物生物質(zhì)炭、硅摻雜生物炭、硫氮摻雜多孔生物炭、蔗渣生物質(zhì)炭和蠶砂生物炭。植物來源的生物碳制取離不開制粒、酸處理與溫度處理等過程。制備硅摻雜生物炭是以硫酸鈣為模板，草酸鉀為活化劑，豆類纖維為碳源，采用煅燒進行硫氮摻雜多孔生物炭;蔗渣生物質(zhì)炭具有較高的比表面積，吸附性能較好;竹筍殼是硅摻雜生物炭制備的原料，竹筍殼制備還原性多孔生物炭，具有原料豐富、成本低廉和制備工藝簡單等優(yōu)點，可作為中、低放廢液水泥固化處理的外加劑。

2? 生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2010年10月，為了強化生物炭產(chǎn)業(yè)研發(fā)，沈陽農(nóng)業(yè)大學陳溫福院士牽頭成立了生物炭工程技術(shù)研究中心[4]。隨著對生物炭的研究有了豐碩的成果，2017年，陳溫福院士在沈陽農(nóng)業(yè)大學成立了中國生物炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，目的是能夠?qū)⑸锾康目蒲谐晒D(zhuǎn)化為商品[5]。同時，生物炭相關(guān)的公司數(shù)量每年注冊數(shù)量也不斷增加，關(guān)于生物炭、生物質(zhì)炭的公司，在2010年注冊的公司只有75家，2018年就達到了846家（數(shù)據(jù)來源于天眼查），呈指數(shù)型上漲。

隨著近幾年生物炭的相關(guān)產(chǎn)品推出市場，生物炭收到各方面的認可。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生物炭基肥料的情況下，基于生物炭的肥料在上市后不久就已投放市場。生物炭基肥對改善農(nóng)田土壤質(zhì)量的現(xiàn)象顯著，提高了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，解決了農(nóng)民最關(guān)心的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。因此，生物炭基肥上市不久就得到了廣大農(nóng)民的認可[6]。由于我國化肥用量大，農(nóng)業(yè)用地利用率低，土壤質(zhì)量急劇下降，甚至造成水污染等問題。在第十三屆全國人民代表大會第二次會議上，國務(wù)院總理李克強在穩(wěn)定農(nóng)業(yè)方面提出全國新增高標準農(nóng)田8000萬畝以上[7]。耕地土壤改良的需求給生物炭帶來更大的市場發(fā)展。

然而生物炭市場沒有得到規(guī)范，市場出現(xiàn)混亂，并且出現(xiàn)產(chǎn)品成本偏高的問題。就言在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最多最廣泛的炭基肥，雖然生物炭的來源廣泛且原材料廉價，但制炭成本較高導致了產(chǎn)品價格偏高。2014年，隨著相關(guān)企業(yè)的參與，開展了生物炭的推廣試點工作，并取得了良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益。然而，炭基肥尚未列入國家新型肥料名錄，生物炭的綜合評價標準尚不統(tǒng)一，缺乏經(jīng)濟有效的生物炭含量檢測方法。有企業(yè)在市場上不以生物炭為原料生產(chǎn)化肥，但卻用著生物炭的稱號，且市場不規(guī)范，導致生物炭基肥市場產(chǎn)品混亂，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，造成中國生物炭產(chǎn)業(yè)混亂[6]。2018年12月9日，生物碳基有機肥標準草案發(fā)布，這是規(guī)范當前碳基肥料市場發(fā)展的一項政策，真正有利于推動炭基肥產(chǎn)業(yè)有序化。

3? 環(huán)境領(lǐng)域

3.1 生物炭在土壤修復方面的作用

生物炭多孔、大比表面的特點使重金屬離子吸附于其表面，或使金屬離子通過擴散進入其微孔內(nèi)部，這個過程一般為簡單、無選擇的線性吸附，主要是分子之間的范德華力在起作用[8]。同時，生物炭表面分布著豐富的含氧官能團，這些特定配位體官能團能與重金屬離子形成金屬絡(luò)合物，從而降低重金屬的遷移性及其毒害作用[9]。朱文英、唐景春在關(guān)于“小麥秸稈生物炭對石油烴污染土壤的修復作用”的研究表明，小麥秸稈生物炭經(jīng)過28天的培養(yǎng)，對土壤中的總石油烴降解率達到46.88%[10]。

3.2 生物炭對廢水中的污染物的吸附作用

生物炭的物化性質(zhì)穩(wěn)定，成本低廉，比表面積較大，在廢水吸附處理方面具有很好的應(yīng)用前景。生物炭本身是一種較好的吸附材料，具有較大的比表面積，對水體中的重金屬、有機物氨態(tài)氮均有一定的吸附作用[11]。同時，生物炭的多孔特點可以為系統(tǒng)中的好氧微生物提供生存條件，增強微生物的多樣性與活性，有利于污水中污染物的微生物降解。

目前，有很多關(guān)于不同種生物炭對水中污染物的吸附作用的研究。喬洪濤等人研究表明鯉魚肉骨生物炭對水中的Cd2+的去除率可達98%以上[12]。劉淼等人研究表明，在溶液pH<3時，改性玉米秸稈生物炭對水中的Cr6+的吸附去除率可達到80%以上[13]。陳修棟等人考察了經(jīng)KOH改性后的生物炭對印染廢水中的考馬斯亮藍（CBG）的吸附效果，研究表明改性后的生物炭對其的吸附性能明顯提升[14]。此外，生物炭還是微生物的良好載體。將蘆葦生物炭固定硝化污泥后所制成固定化顆粒對水中氨氮的降解率可達到96.3%[15]。這些研究表明，改性后的或新型的生物炭對廢水中的污染物都有很好的去除效果。對生物炭的吸附性能進行研究，對生物炭的創(chuàng)新研究在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域有著廣闊的前景。

4? 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

4.1 關(guān)于土壤的理化性質(zhì)

生物炭具有低容重的特性，施加一定量的生物炭可以改變土壤孔隙度，生物炭的親水官能團提高了土壤的持水能力[16]。其中，在土壤中添加水稻秸稈炭，其持水量的增幅最大，可達21.38%[17]。在酸性土壤中添加生物炭可以提高土壤的酸堿度，但對堿性土壤酸堿度的影響卻不明顯[18]。不同溫度下制備的生物炭對改良土壤酸性的效果不同，熱解溫度升高，對改良土壤酸性的影響越顯著[19]。

4.2 生物炭對作物產(chǎn)量的影響

經(jīng)研究表明，施加生物炭能夠促使作物生長，增加作物產(chǎn)量。Jeffery等人[20]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中生物炭的輸入可使作物增產(chǎn)10%。邵光成等關(guān)于“生物炭對不同地下水位番茄需水規(guī)律與產(chǎn)量的影響”的研究中得出，在地下水位-80cm，施加5%的生物炭，能顯著提高番茄產(chǎn)量38.7%[21]。張云舒發(fā)現(xiàn)，施用小麥秸稈炭處理能夠明顯增加玉米產(chǎn)量，其產(chǎn)量增加了28.7%～49.2%[22]。姜佰文等通過實驗得出，在減量施肥20%，且通過深翻和旋耕兩種耕作方式的條件下，施用高量（5000kg/hm2）生物炭對提高玉米氮素吸收和產(chǎn)量具有顯著作用[23]。但是有一些農(nóng)作物在施入生物炭后，產(chǎn)量反而降低。有研究發(fā)現(xiàn)，在玉米苗期，生物炭的加入對玉米的生長及養(yǎng)分吸收沒有促進作用[24]。

5? 存在問題

5.1 生物炭原料收集體系尚未完善

雖然制備生物炭的原材料廣泛來源于農(nóng)業(yè)，但是我國的農(nóng)業(yè)是小農(nóng)經(jīng)營，土地分散在個人手中，對農(nóng)業(yè)未能實現(xiàn)規(guī)?；慕?jīng)營，于是對原料的收集體系也未能完善。

5.2 生物炭產(chǎn)業(yè)尚未有序化

隨著生物炭的產(chǎn)業(yè)的興起，市場沒有得到規(guī)范，市場上的產(chǎn)品質(zhì)量、價格等未得到保障，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響極大。

5.3 生物炭的研究創(chuàng)新力度需增強

對生物炭進行改性或者生物炭與其他物質(zhì)相結(jié)合等方式進行對污染物的吸附、降解的研究仍需要加強探索。

6? 建議

生物炭是一種環(huán)境友好型材料，是變廢為寶的重要途徑之一，對農(nóng)林廢棄物等的回收進行規(guī)范，形成一個完整的體系，不僅改善了生物炭的產(chǎn)業(yè)，也對環(huán)境進行了改善。政府環(huán)境資源部可提出相關(guān)政策，完善生物炭原料收集體系。并盡快發(fā)布且落實好規(guī)范生物炭市場的政策，使生物炭產(chǎn)業(yè)朝有序性發(fā)展。此外，應(yīng)深入生物炭相關(guān)的科研創(chuàng)新，讓生物炭在農(nóng)業(yè)以及環(huán)境領(lǐng)域中發(fā)揮更加有效的作用。

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