生物炭与农业环境研究回顾与展望

本文综合分析、评述了生物炭在农业环境领域应用的主要研究进展,从生态安全和可持续发展视角,探讨了生物炭对农业生态环境系统的重要影响和潜在价值,并对其应用前景进行了客观、深入、综合的分析。认为生物炭在治理农业面源污染、提升耕地质量、修复重金属污染农田、应对气候变化、维持和稳定农业生态系统功能及保障农业环境安全等方面具有重要意义和应用价值。结合我国农业发展现状,提出了未来生物炭在农业环境领域的研究方向和发展重点,旨在为生物炭的应用及产业化发展提供参考。

生物炭介导的连作大豆光合生理代谢及产量响应

为明确生物炭长期存在条件下对连作大豆光合生理和产量的调控效应及作用关系,探讨其应用可行性,采用大田长期定位试验方法,设置CK(施肥,不施炭)、B1(生物炭12 t·hm^(-2))、B2(生物炭24 t·hm^(-2))和B3(生物炭48 t·hm^(-2))4个处理,研究了施用生物炭(9年)对连作大豆进行光合作用的物质基础、生理功能、产物积累以及产量等方面的影响。施用生物炭可提升连作大豆叶绿素含量(Chla、Chlb)、叶面积及叶面积指数,明显增强连作大豆的光合作用能力,其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、水分利用效率(WUE)明显提高,胞间CO_(2)浓度(Ci)降低,其中B3处理的Pn、Tr和Gs分别比CK处理提高15.44%、14.98%和117.73%。同时,生物炭介导的连作大豆PSⅡ反应中心内禀光能转换效率(Fv/Fm)、潜在光化学效率(Fv/Fo)及热耗散量子比率(Fo/Fm)提高,进行光合的植物效率提升。生物炭处理的连作大豆可溶性蛋白、可溶性糖、蔗糖含量及叶片干物质量均有不同程度提高,光合产物积累增加,且最终产量表现为生物炭处理均高于CK处理,其中B2、B3处理的大豆产量分别比CK处理提高7.69%、15.38%。相关分析表明,生物炭长期介导的连作大豆产量响应与Chla、Pn、Tr、Gs以及叶片可溶性糖含量密切相关,是促进连作大豆产量提升的重要因素。施用生物炭可增强大豆光合生理功能,促进光合产物积累,提高连作大豆产量。

玉米秸秆生物炭压制成型特性研究

制取生物炭是农作物秸秆资源化利用的途径之一，秸秆生物炭松散,不便于处理、运输和储存,压制成型是提髙生物炭容重的有效措施.为确定生物炭压制成型较优的原料含水率、成型压力、保压时间等工艺参数,以玉米秸秆烧制的生物炭为原料,利用与WDW-200型微机控制电子液压万能试验机配套的压制成型试验装置,以压制后生物炭块的抗破坏强度和尺寸稳定性为成型质量检测指标,通过单因素试验分别研究各因素对生物炭压制成型特性的影响及其较优范围.根据预试验,确定试验生物炭原料含水率分别为12%,14%,16%,18%,20%,22%,24%,成型压力分别为30,40,50,60,70,80,90MPa,保压时间分别为2,5,8,11,14,17,20s.对某一因素进行试验时,将另外两个因素设定在预试验及前一因素试验的较优水平.压制成型后密封保存72h,测定生物炭成型块的尺寸稳定性,并利用压力机测定生物炭块的抗破坏强度.结果表明：含水率、成型压力和保压时间对压制成型生物炭块的抗破坏强度、尺寸稳定性影响极显著.通过对2个成型质量检测指标综合分析,确定压制生物炭较优的含水率范围为18%-22%,成型压力范围为60-80MPa,保压时间范围为5-11s.该结果对生物炭压制成型工艺及装置研制具有参考意义.

生物炭净化造纸废水的效果研究

目前以生物炭为代表的生物质对重金属的吸附表现出良好的应用前景。为确定生物炭对造纸废水中污染物的吸附性能,本研究采用自制装置进行试验,将供试基质材料置于同等大小且底部有孔的塑料花盆内,研究生物炭对造纸废水pH值、CODcr和Pb2+的去除效果,并运用正交矩阵分析所有有效变量。结果表明:生物炭能够有效降低不同浓度造纸废水pH值、CODcr和Pb2+含量。在整个试验周期内,生物炭条件下,浓度为50,175,300mg·L-1的造纸废水pH值依次减少0.89,0.86,1.29,生物炭可效降低造纸废水pH;生物炭对造纸废水CODcr去除率为91.88%,在50mg·L-1条件下,去除效果较为稳定,同时还表明,温度对造纸废水CODcr影响较大,CODcr随温度升高增大后减小;生物炭对造纸废水中Pb2+的吸收值明显高于其他两种基质,表明生物炭对Pb2+有较强的吸附能力,且在pH值为6~8时,生物炭对Pb2+的吸附量随着pH的升高呈减小,说明生物炭可作为一种廉价高效吸附剂用于水体污染修,并提供一定的理论基础。

中国生物炭研究及其产业发展趋势

以生物炭为核心的秸秆炭化还田技术不但为秸秆等农林业废弃物提供了一条变废为宝的出路,更为提高耕地生产能力、促进农业固碳减排提供了有效手段。生物炭技术的产业化发展对治理农村面源污染、改善农村生态环境、促进耕地可持续发展和保障国家粮食、环境和能源安全都具有重要意义。因此,国家应加大生物炭技术的政策扶持力度,尽快制定生物炭行业技术标准和生物炭减排计量方法;立项支持生物炭产业研发项目,为低碳农业发展提供科技支撑;尽快成立国家生物炭工程技术研究中心,逐步促进农林废弃物的炭化综合利用;广泛开展生物炭技术研发合作,成立生物炭产业技术创新联盟。

生物炭对小鼠的毒性作用研究

为研究生物炭对小鼠亚急性毒性作用,以水稻秸秆制备的生物炭为原料,将30只体重18~22g的雌性小鼠随机分成4组,即水稻秸秆生物炭低、中、高剂量组和对照组,按小鼠体重3750、7500、15000mg·kg-1剂量灌胃处理,对照组用等体积的蒸馏水代替,连续灌胃28d,检测小鼠的慢性中毒症状、生长发育、血常规指标、内脏器官系数以及组织器官病理变化等。结果表明:连续灌胃4周水稻秸秆生物炭对小鼠的临床中毒症状,体重、采食量、血常规指标、内脏器官系数以及组织病理学变化均无显著影响(p>0.05)。本试验提示,生产上合理使用生物炭不会对靶动物产生毒性作用。

生物质炭产业化应用及农业可持续管理

第2届生物质炭与绿色农业国际研讨会于2015年4月14-18日在南京农业大学举行。此次会议由国家自然科学基金资助，南京农业大学农业资源与生态环境研究所联合沈阳农业大学、江苏省固体废弃物协同创新中心共同举办。本次会议还得到了江苏省溧阳市金秸能科技有限公司的资助。

生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响

为明确生物炭对水稻根系与产量的效应,探明生物炭在水稻生产上应用的潜力与价值。采用盆栽试验研究了生物炭对超级粳稻不同生育期根系生长、形态特征及生理特性的影响。结果表明,土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重,提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期,生物炭在一定程度上延缓了根系衰老。根系伤流速率与根系活力在整个生育期内均高于对照,同时维持了较为适宜的根冠比,根系生理功能增强;生物炭处理的水稻产量增加,表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高,比对照平均增产25.28%。以每千克干土加20 g生物炭处理的产量最高,比对照提高了33.21%。生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。

农林废弃物炭化还田技术的发展与前景

炭化还田是农林废弃物资源化循环利用的有效技术手段之一,也是土壤改良的新途径,对促进农业低碳、循环、可持续发展具有重要意义。以生物炭为核心,从其改良土壤的理论基础分析入手,综合评述了炭化还田技术的由来、发展与技术内涵,着重介绍了炭化还田技术的产业化发展现状和前景,明确了炭基肥料和炭基土壤改良剂是炭化还田的有效技术载体,国家应在炭基多元化产品开发方面给予高度重视。

生物炭对玉米根系生长和氮素吸收及产量的影响

为了评估生物炭在玉米生产上的应用潜力与价值,探究生物炭对玉米根系生长、氮素吸收及产量的影响。采用田间试验,设置单施氮肥处理(N)和生物炭与氮肥配施处理(NS),以不施氮肥不施生物炭处理为对照(CK),分析施炭条件下,土壤理化性质,玉米根系生长、氮素吸收及产量的变化规律。结果表明:生物炭与氮肥配施显著降低土壤的容重,增加土壤的全氮和有机碳含量,促进灌浆期根系对氮素的吸收和籽粒氮素的积累;增加玉米灌浆期的总根长、根表面积及根系活跃吸收面积;与单施氮肥相比,生物炭与氮肥配施显著增加玉米的百粒重6.03%,提高玉米产量9.06%。相关分析表明,施用生物炭对玉米根系特征有显著正效应,从而促进根系对氮素的吸收和籽粒氮素的积累。可见,与单施氮肥相比,生物炭与氮肥配施可促进玉米根系生长和对氮素的吸收利用,提高玉米的产量。

生物炭对棕壤NH_3挥发、N_2O排放及氮肥利用效率的影响

通过田间试验,采用封闭式酸吸收法和静态箱法,研究秸秆生物炭对棕壤玉米旱田NH_3挥发和N_2O排放以及氮肥利用效率的影响。试验设不施氮肥(对照CK)、单施氮肥(NB0)、施氮基础增施20 t·hm^(-2)生物炭(NB20)、施氮基础增施40 t·hm^(-2)生物炭(NB40)4个处理。结果表明,各施肥处理的NH3挥发量差异显著,表现为NB0>NB20>NB40,NB20和NB40分别比NB0降低24.07%和37.62%。NB20和NB40可显著降低N_2O排放量,分别比NB0降低21.76%和19.57%,而NB20和NB40之间差异不显著。NB20和NB40显著增加了土壤的p H、全氮和有机碳含量,降低了土壤的容重。相关分析表明,NH_3挥发量与土壤容重和铵态氮含量均呈极显著正相关,与土壤有机碳含量呈显著负相关;N_2O排放量与土壤容重呈显著正相关,与土壤硝态氮含量和有机碳含量呈显著负相关。与NB0相比,NB20提高了氮肥利用效率,玉米产量显著提高6.07%,而NB40降低了氮肥利用效率,玉米产量显著降低了13.88%。

生物炭对大白菜幼苗生长的影响

以2个大白菜品种为试材,在常规育苗基质中添加不同比例的花生壳生物炭或玉米秸秆生物炭,研究生物炭对大白菜幼苗生长的影响。试验结果表明,生物炭添加有助于提升基质的通气性,与常规育苗基质相比增幅为2.1%~42.1%,显著提升了C/N和速效钾含量,增幅分别为23.9%~131.2%和48.8%~297.2%,同时,生物炭添加降低了基质碱解氮与有效磷含量,降幅分别为10.4%~44.8%和7.1%~20.8%,基质毛管孔隙度降幅为14.0%~19.6%。在花生壳生物炭与常规育苗基质等体积比混合处理中,大白菜幼苗株高、茎粗、叶绿素含量、植株鲜干重及壮苗指数等最高,长势最佳,但出苗率最低。

生物炭和木醋混合物对断奶仔猪生长及养分消化率及粪便有害气体排放的影响

为研究饲粮添加生物炭和木醋混合物(biochar including vinegar liquid,BIOV)对断奶仔猪生长、养分消化率和粪便有害气体排放的影响,将60头28d断奶、平均体重为(8.07±0.29)kg的"杜×长×大"仔猪随机分为5组,第1组为对照组,饲喂基础饲粮;第2组为抗生素组,在基础饲粮中添加0.05%土霉素;第3,4,5组分别在基础饲粮中添加1%、2%和3%的BIOV,试验期为21d。结果表明:抗生素组和2%BIOV组仔猪的ADG分别较对照组提高10.20%(p<0.05)和7.64%(p<0.05),且2%BIOV组与抗生素组仔猪ADG无显著差异(p>0.05)。但3%BIOV组ADG较对照组仔猪降低1.24%(p>0.05)。饲粮添加2%BIOV使仔猪N表观消化率较对照组提高了6.62%(p<0.05),较抗生素组提高1.33%(p>0.05)。2%和3%BIOV组均显著提高了仔猪粪便p H值(p<0.05),并降低粪便中NH3,H2S,胺类和甲硫醇有害气体的排放量(p<0.05)。由此可见,饲粮添加2%BIOV在降低粪便有害气体排放的同时不妨碍仔猪的生长。

玉米秸秆炭和木屑炭催化裂解焦油的试验研究

针对生物质热化学转化过程中产生焦油的诸多不利影响,利用催化裂解法将焦其化为小分子燃气,可达到双效降低焦油含量并提高燃气热值的目的。本研究利用500℃条件下慢速热解获得的玉米秸秆炭和木屑炭作为催化剂,在自制的焦油催化裂解装置中,研究裂解温度为700、750、800、850、900、950和1000℃时,两种催化剂对焦油的催化裂解效果。结果表明:两种催化剂对焦油裂解具有良好的催化性能;随着裂解温度升高,裂解气中H_2含量逐渐增加,CO、CH_4、C_2H_4、C_2H_6等含量均逐渐减少,裂解气热值和密度逐渐降低;比较来看,木屑炭对焦油的催化性能优于玉米秸秆炭;焦油裂解产气率随裂解温度升高而增加,在反应温度为1000℃时,玉米秸秆炭和木屑炭催化裂解焦油的产气率分别为91.98%和94.11%。总体来看,玉米秸秆炭和木屑炭既对生物质焦油具有良好的催化性能,又为催化裂解反应提供炭源。

生物质炭在畜禽生产中的应用

生物质炭是农林业废弃的生物质在缺氧条件下热解形成的富碳产物。近年来,随着全球对生物质炭科学研究的加强,生物质炭在畜禽生产中改善动物肠道健康、促进生长性能、提高饲粮利用效率、减少粪尿污染环境等作用正在引起有关方面的广泛关注。本文综述了国内外学者在畜禽生产中应用生物质炭的最新研究成果。

生物炭和木醋混合物对断奶仔猪生长性能和血液生化指标的影响

本试验探讨饲粮添加生物炭和木醋混合物(BIOV)对断奶仔猪生长性能和血液生化指标的影响。将60头仔猪随机分为5组,第1组为对照组,饲喂基础饲粮,第2、3、4、5组在基础饲粮中分别添加0.05%土霉素、1%、2%和3%的BIOV,试验期14 d。结果表明,BIOV添加组中1%BIOV组仔猪ADG最高,比对照组提高8.55%(P<0.05),但显著低于抗生素组(P<0.05)。3%BIOV组ADG较对照组降低1.68%(P>0.05)。1%BIOV能显著提高仔猪外周血淋巴细胞比率和Ig G水平(P<0.05),显著降低血液皮质醇和尿素氮浓度(P<0.05)。由此可见,本试验14 d条件下,1%BIOV能促进仔猪生长,对仔猪免疫功能和抗应激能力有一定的促进作用,且3%BIOV添加量可能对仔猪生长有副作用。

减肥条件下生物炭施用方式对土壤肥力及酶活性的影响

为研究生物炭逐年施加和一次性施入4年后对土壤肥力和酶活性的影响,采用定位试验设置100%(F1)、80%(F2)和60%(F3)推荐施肥量的三种施肥水平×四种施炭量(CK:0 t·hm^-2,B1:2.6 t·hm^-2·a-1,B2:13 t·hm^-2,B3:26 t·hm^-2)共12个处理,分析土壤氮磷钾养分含量和酶活性指标的变化,其中B1处理逐年施加,B2和B3处理一次性施加。结果表明生物炭对土壤氮素提高效果显著,其中全氮含量较对照处理提高23.08%~52.25%,硝态氮含量是对照的1.80~2.46倍,并随施炭量提高而增加,提升效果优于铵态氮。60%推荐施肥条件下,施加13 t·hm^-2和26 t·hm^-2生物炭土壤速效磷含量分别高于不施炭对照84.99%和159.23%。土壤全钾含量未因生物炭加入发生显著变化,但是速效钾含量较对照提高了18.99%~61.24%。土壤酶活性主要受生物炭施加方式的影响:逐年施加生物炭(B1)显著提高了酸性磷酸酶活性,但降低了土壤脲酶和过氧化氢酶活性,而一次性施炭可提高土壤脲酶活性。研究表明,生物炭对土壤氮磷肥力和速效钾肥力均有一定的提升效果,其中对氮素的提高效果最理想,可弥补减肥40%引起的土壤氮素降低。逐年施炭对土壤酶活性影响显著,新鲜生物炭中所含物质是影响酶活性的主要因素。

生物炭浸提液对盐胁迫水稻幼苗生长的调节作用机制

生物炭是一种可以改良土壤、提高作物产量和品质的新型农林废弃物再利用材料,在其加工时可以产生某些具有生物活性的水溶性分子,通过水溶液振荡方式可制备成含有水溶活性分子的生物炭浸提液。利用生物炭浸提液水培系统培养水稻幼苗,探讨生物炭浸提液中活性分子对水稻幼苗耐盐性的影响。结果表明,生物炭浸提液可以缓解由盐胁迫造成的水稻种子萌发抑制、幼苗生长缓慢,以及地上部鲜重、存活率和叶绿素含量的下降,MDA含量升高。实时定量RT-PCR结果显示,生物炭浸提液可以使盐胁迫下水稻钾离子转运蛋白编码基因Os HAK7和Os HAK10的表达量分别提高2.5倍和3.4倍。综上可见,生物炭浸提液可以提高盐胁迫下水稻幼苗的抗氧化能力和对盐胁迫的耐受性。

生物炭和腐熟秸秆组配基质对水稻幼苗生长的影响

为应对我国北方粳稻育苗"取土难、难取土"等问题,配制以水稻秸秆及稻壳等稻田废弃物为材料的新型水稻育苗基质,通过对基质的理化性质分析和育苗质量检测,考察新型育苗基质替代传统育苗基质草炭土的可能性。以0%、10%、20%和30%的比例(v/v)将稻壳生物炭加入由腐熟水稻秸秆(33%、40%、50%)、珍珠岩和蛭石配制成的腐熟基质中,配制成生物炭育苗基质,分析其基础性质和对水稻幼苗生长的影响,并对水稻幼苗生长指标与基质的基础理化性质及养分特性进行相关性分析。研究结果表明:生物炭与腐熟秸秆配制的育苗基质物理性状与养分特性表现良好。随着生物炭施用量的增加,基质容重降低17.9%~29.6%,总孔隙度增加36.3%~69.9%,持水孔隙度增加110.1%~143.4%,pH增加0.40~0.57。生物炭的添加显著增加了基质的全碳含量,与不施炭处理相比增加240.1%~457.3%,全氮含量增加50.0%~96.6%,有效磷含量增加19.6%~61.4%,速效钾含量增加186.3%~383.2%。但过高生物炭和腐熟秸秆用量会使育苗基质中碱解氮含量降低,导致秧苗生长受到抑制,因此,水稻秧苗综合性状表现最好的为40%秸秆+20%生物炭处理,其除氮素养分外,其他理化性质可达到商品育苗基质(CK)水平,并且育苗效果显示秧苗茎粗、根长、植株干重分别高于CK8.6%、7.8%和5.5%,可达到市售基质的育苗效果,是良好的传统育苗基质替代产品。

生物炭与秸秆还田对水稻土碳氮转化及相关酶活性的影响

通过秸秆炭化还田和秸秆直接还田对比试验研究生物炭与秸秆还田对土壤碳氮转化相关酶、微生物量碳及矿质态氮的影响,为秸秆炭化还田生产实践提供科学依据。采用田间微区试验,基于等氮磷钾养分设计,设置6个施肥处理:不施肥(CK)、单施生物炭(C)、单施秸秆(S)、氮磷钾化肥配施(NPK)、生物炭配施氮磷钾(CNPK)和秸秆配施氮磷钾(SNPK)。分别在水稻插秧前(BF)、分蘖盛期(TS)、抽穗期(HS)和成熟期(MS)研究土壤中β-葡萄糖苷酶活性、蔗糖酶、脲酶活性和蛋白酶活性及微生物量碳、矿质态氮含量的动态变化。结果表明:在等氮磷钾养分条件下,秸秆炭化还田和秸秆直接还田均能提高土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性、并能增加微生物量碳和矿质态氮含量;且生物炭配施氮磷钾化肥和秸秆配施氮磷钾化肥分别优于单施生物炭和单施秸秆;土壤中的微生物量碳、β-葡萄糖苷酶和蔗糖酶三者之间呈两两显著及极显著相关关系,相关系数分别为:0.894*,0.872*和0.956**;矿质态氮分别与蛋白酶活性、脲酶间呈极显著相关(0.966**)和显著相关(0.834*)。在等氮磷钾养分条件下,秸秆直接还田对土壤β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、蛋白酶和矿质态的促进作用优于秸秆炭化还田。秸秆炭化还田对土壤脲酶、微生物量碳提升作用优于秸秆直接还田。水稻秸秆炭化还田对土壤碳氮转化有促进作用。