生物炭肥及其在苹果园中的应用前景分析

孙燕霞宋来庆李慧峰唐岩赵玲玲张瑞清姜中武，*）山东省烟台市农业科学研究院·65500 ）山东省果树研究所

生物炭肥及其在苹果园中的应用前景分析

孙燕霞1宋来庆1李慧峰2唐岩1赵玲玲1张瑞清1姜中武1，*
1）山东省烟台市农业科学研究院·265500 2）山东省果树研究所

生物炭肥是在无氧环境条件下经高温裂解形成的一种有机物质，具有高度的稳定性和较强的吸附性能，能增加土壤碳库容量、保持土壤养分、构筑土壤肥力，在农业领域的应用日益广泛，成为国内外学者研究的焦点。本文论述了生物炭肥的结构、特点，以及在农业领域的应用现状，分析了生物炭肥在苹果园中的应用前景。

1　生物炭的主要性质与特点

1.1生物炭pH值呈碱性物质

测定结果表明，生物炭含有一定量的碱性物质，pH值一般在8以上。生物炭的碱性主要受3个方面的影响:①有机官能团（如-COOH 和-OH）；②碳酸盐（如CaCO3和MgCO3）③无机碱金属离子（如Na＋和K＋）。生物炭表面极性官能团，主要包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，构成了生物炭良好的吸附特性。其中，有机官能团的影响作用在热解过程中随着温度的升高而降低，而碳酸盐和碱金属离子的影响作用则提高。因此，随热解温度的升高，所制备的生物炭pH值也较高。

1.2生物炭具有较高的孔隙度

生物炭肥是一种极轻的固态物质。从微观结构上看，生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成，X射线表明其具有乱层结构。生物炭表面多孔性特征明显，因此具有较大的比表面积和较高的表面能。生物炭的孔隙度决定了生物炭表面积的大小。按生物炭孔径的大小可将其孔隙分为大孔隙、小孔隙和微孔隙。大孔隙可以影响土壤的通气性和保水能力，同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所；小孔隙可以影响生物炭对分子的吸附和转移。生物炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速度，增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力。

1.3生物炭所含营养元素丰富

生物炭是一种含碳的聚合物，表面含有丰富的含氧官能团，使得生物炭具有较高的阳离子交换量，表面呈现出亲水、疏水和对酸碱的缓冲能力。研究表明，生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧等，而且以高度富含碳（约70%~80%）为主要标志，可以视为纤维素、羧酸及其衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂各异的含碳物质构成的连续统一体，其中烷基和芳香结构是最主要的成分。同时，还含有较高的N、P、K、Ca和Mg含量。但不同材料来源的生物炭的理化性质存在较大差异，不同材料在炭化以后基本保留了原有生物质的孔隙结构，比表面积平均提高了3.7倍；孔容积发生了明显变化，总孔体积平均提高了4倍，微孔体积平均提高了3倍；固定碳量提高了6~12.6倍，灰分含量提高1.3~4.1倍；不同材料生物炭的平均孔径在10~30 nm，pH 值7.9~9.8，阳离子交换量9.1~19 cmol/kg，含有作物生长所需的氮、磷、钾、硫等营养元素和矿质元素。

2　生物炭肥在农业中的应用效果

生物炭在改善土壤生理生化性状、提高作物产量、改善品质等方面，具有良好效果。

2.1改良土壤理化性质生物炭改善土壤理化性质，主要体现在四个方面。

2.1.1增加土壤孔隙度，改善土壤通气程度生物炭的多孔结构能够增加土壤孔隙度，降低土壤容重，增强土壤吸附性能，提高土壤保水、保肥能力。土壤增施生物炭后，土壤的容重降低，最高降幅为12.94%，总孔隙度提高了9%~13%，通气孔隙度提高了0.2~2.7倍。土壤耕层含水量与温度、阳离子交换量、碱解氮、速效磷均有所提高，能显著优化土壤的水、肥、气、热条件。

2.1.2调节土壤pH值，改善土壤营养状况生物炭能提高土壤有机质电荷密度，从而提高土壤阳离子交换量，生物炭表面可被部分氧化形成羰基、酚基和醌基，还能增大土壤阳离子吸附表面积，这两者其一或共同作用使生物炭提高土壤阳离子交换量，且随着生物炭在土壤中存在时间的增加，其阳离子交换量也增加。生物炭含有K、Na、Ca、Mg等可溶性元素，施入土壤后，能增加土壤盐基饱和度，有效改善土壤pH值，尤其是高温热解生成的生物炭比低温生物炭具有更好的改良土壤pH值的效果。

2.1.3增加土壤微生物种群数量和种类生物炭在制备时并不含微生物，但施入土壤后，随着土壤中微生物活动、植物生长等过程，生物炭缓慢矿化，出现各种微生物，改变果园土壤土著微生物群落结构，增强土壤中微生物的活性。生物炭的多孔性和巨大表面积能为有益微生物提供生存和繁殖场所，有效吸附微生物，为其提供附着载体；生物炭能够为微生物提供碳源，还包括P、C、Na等多种营养元素和微量元素，微生物的基础呼吸作用、微生物生物量、微生物数量和微生物的功能均随生物炭施入水平的增加呈线性增加。

2.1.4吸附沉淀土壤中的有毒物质生物炭的多孔结构和表面丰富的含氧官能团，使得生物炭具有较强的吸附有毒物质的能力，并且可以用来修复污染土壤。添加生物炭后，土壤污染物能够有效降低，其中有机物污染物如杀虫剂、多环芳烃、多氯联苯等被吸附后生物有效性降低，降低了其短期风险；无机污染物如重金属，本身难以生物降解，被生物炭吸附后固定在土壤基质中，降低了其环境风险。有研究还表明，生物炭可以与重金属离子发生键合，使重金属形成沉淀物，从而使重金属从有效态向残渣态转变。且不同来源的生物炭具有不同的功能，例如竹炭对土壤中的重金属具有较好的吸附固定作用，但秸秆炭在一定程度上促进重金属的迁移。

2.2提高作物产量和品质

生物炭能明显提高作物叶片净光合速率，促进干物质积累，提高产量和品质。在水稻上的研究结果表明，水稻田增施生物炭肥，产量比对照平均提高21.89%，以1 kg干土加10 g生物炭处理最高，糙米率、精米率、整精米率均显著提高，垩白粒率、垩白度下降。大豆田生物炭能明显提高大豆单株荚数、单株粒数、单株粒重和产量，产量比对照平均提高10.98%；炭、肥互作可提高大豆叶片净光合速率，增强地上部植株对氮、磷的吸收量，促进干物质积累，肥料表观利用率与产量明显提高，其中在常规施肥施用量降低15%、30%、60%基础上施用生物炭，肥料表观利用率与产量分别比单施等量未加炭的肥料提高327.87%和15.99%，比常规施肥的肥料利用率提高95.09%，产量提高10.51%，施炭效果明显。无论单施生物炭或炭、肥互作，均对作物生长起到了一定促进效应，产量和品质明显提高。

3　生物炭肥在烟台苹果园中的应用前景分析

苹果是烟台农业的优势产业，种植面积18余万hm2，每年果园内都会产量大量的修剪枝条、枯枝落叶，生物炭肥的研发，可为果园废弃物提供一种高效无污染的利用方式，实现了农林废弃物的炭化综合利用，可为解决农林废弃物资源化利用开辟一条新路。同时，烟台苹果生产一直实行“产量效益型”，只注重地上部管理，忽视了对根系生长环境、营养状况等的管理。果园长期采用清耕法、大水漫灌和大量施用化学肥料，已导致全市范围的果园土壤发生不同程度的酸化，部分果园土壤pH值低于5.5，土壤有机质含量也处于偏低状态，土壤板结严重。生物炭肥作为一种微碱性肥料，有利于提高酸性土壤的pH值，增加土壤透气度和微生物种群数量，吸附和沉淀有毒金属元素，提高土壤的保水和保肥能力，从根本上改良土壤的理化性质和生态条件。

烟台市农业科学研究院苹果课题组的炭肥试验结果表明，果树在盛果期施用复合肥的基础上，增施一定量的稻壳炭肥，可有效提高富士果实中的可溶性固形物含量，降低可滴定酸含量，提高果实糖酸比，从而提高果实品质。增施稻壳炭还能缓和复合肥的释放，降低养分消耗，增加枝条的粗度，抑制当年生枝条的旺长，提高花芽分化质量，实现果树的丰产、稳产。生物炭的生成理论基础浅易，制备技术简单，可以实现枝条在田间地头的炭化。生物炭肥的开发，可实现果园废弃物综合利用，有效改善土壤理化性质、增加产量和提升果实品质，具有良好的应用开发前景。

*通信作者，E-mail：jiangzhongwu@163.com

基金项目：山东省农业科学院院地合作引导计划（2015YDHZ51），山东省2013年度农业重大技术创新课题