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生物質(zhì)在厭氧或者絕氧的條件下進(jìn)行熱解，除生成CO2、可燃性氣體、揮發(fā)性油類和焦油類物質(zhì)，還產(chǎn)生含碳豐富的固體物質(zhì)，一般稱為生物炭（Biochar/Black Carbon）。生物炭主要由芳香結(jié)構(gòu)、烷基和單質(zhì)碳組成，其表面含有羧基、羥基和芳香環(huán)等官能團(tuán)。生物炭通常含有40%～90%的C元素及H、O、N、S和少量微量元素，其次是灰分（含K、Ca、Mg、Si等）。生物炭因其碳組分高度芳香化而在土壤或沉積物中具有熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)抗分解性。
制備生物炭的原料包括農(nóng)業(yè)廢物秸稈、穗芯、種皮、種殼、果皮、木工木屑、林木采伐廢枝、果樹修剪及換代枝條、動物骨骼等；農(nóng)業(yè)廢物畜禽糞便、水生植物、藻類和菌菇栽培廢基質(zhì)等；農(nóng)業(yè)加工次級剩余物，如甘蔗渣、果渣、甜菜渣、大豆粕和菜籽粕等；生物利用及轉(zhuǎn)化廢物如沼液發(fā)酵渣、堆肥產(chǎn)物等；城市固體垃圾如污水廠脫水污泥等。農(nóng)業(yè)是生物炭應(yīng)用最廣泛和較成熟的領(lǐng)域。合理利用各種農(nóng)業(yè)廢物制備生物炭有利于解決廢棄生物質(zhì)棄置、焚燒和隨意排放的環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢物資源化利用。
對生物炭的研究興趣源于對南美洲亞馬遜盆地黑土（Terra Preta）的認(rèn)識，當(dāng)?shù)厝藗儼阉Q為“印第安人的黑土壤”。2007年，第一屆國際生物炭會議在澳大利亞舉辦后，生物炭獲得統(tǒng)一命名為biocharcoal，文獻(xiàn)中常縮寫成biochar。生物炭具有比表面積大、多孔、自身容重小、穩(wěn)定性高、帶負(fù)電荷多、吸附能力強(qiáng)等特性，已成為全球科技工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。國內(nèi)外科研工作者對生物炭在土壤改良，堆肥改良、作物生長、溫室氣體減排、受污染環(huán)境的治理與修復(fù)及其生物炭自身性質(zhì)等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一些重要研究成果。本文基于文獻(xiàn)檢索，敘述了生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，分析了生物炭的研究趨勢，闡明了我國在生物炭農(nóng)用研究方面所處的位置，并提出了當(dāng)前關(guān)于生物炭研究應(yīng)用所面臨的主要問題。
1 研究數(shù)據(jù)來源
本文以Web of Knowledge 數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，以“Biochar/Black carbon”為關(guān)鍵詞搜索相關(guān)文獻(xiàn)，再將文獻(xiàn)下載到Endnote 文獻(xiàn)管理軟件后進(jìn)行分析，手工剔除數(shù)據(jù)庫中的重復(fù)收錄的文獻(xiàn)。檢索的時間截至2015年8月，共得到相關(guān)文獻(xiàn)2839篇。國內(nèi)文獻(xiàn)研究以中國知網(wǎng)和維普中文數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，以“生物炭和黑炭”為關(guān)鍵詞搜索后進(jìn)行手工剔除，共得到文獻(xiàn)529篇。
2 文獻(xiàn)檢索結(jié)果與分析
2.1 基于Web of Knowledge 數(shù)據(jù)庫的英文文獻(xiàn)數(shù)量變化
Web of Knowledge 數(shù)據(jù)庫中最早收錄的生物炭文獻(xiàn)是1998 年發(fā)表的“Chemchar gasification of hazardous wastes and mixed wastes on a biochar matrix”。隨后，出現(xiàn)少量研究生物炭的文獻(xiàn)。如圖1 所示，自2006 年的3 篇文獻(xiàn)開始，有關(guān)生物炭的文獻(xiàn)數(shù)量呈明顯地增加趨勢。2014 年發(fā)表的有關(guān)生物炭的文獻(xiàn)數(shù)量為881篇，為2010年、2011年、2012年和2013年文獻(xiàn)數(shù)量的6.2倍、3.7倍、2.4倍和1.5倍。截止獲得數(shù)據(jù)的2015年8月，有關(guān)生物炭的文獻(xiàn)數(shù)量為537篇。
2.2 英文文獻(xiàn)數(shù)量排名前十的國家以及每篇文獻(xiàn)的引用數(shù)
全球關(guān)于生物炭研究的英文文獻(xiàn)共來自90個國家和地區(qū)，發(fā)表文獻(xiàn)總數(shù)前10名的國家如圖2所示，其文獻(xiàn)總貢獻(xiàn)量為2266篇，占總文獻(xiàn)數(shù)量的79.8%。排名前10的國家依次為美國、中國、澳大利亞、德國、西班牙、加拿大、英國、意大利、韓國和巴西，其文獻(xiàn)總和分別占2 266 篇的25.0%、23.3%、8.1%、6.3%、4.4%、3.6%、3.4%、2.8%、2.8%和2.4%。
圖2 也列出了排名前10 的國家中每篇文獻(xiàn)平均引用次數(shù)。其中，英國的每篇文獻(xiàn)平均引用數(shù)最多24.3。其次為澳大利亞（23.9）和美國（20.5）。引用次數(shù)最少的國家為巴西（7.5），韓國（9.0）和中國（10.7）。
2.3 基于中國知網(wǎng)和維普的中文文獻(xiàn)數(shù)量變化
圖3 為近5 年從中國知網(wǎng)及維普數(shù)據(jù)庫檢索得到的中文文獻(xiàn)數(shù)量變化，可以看出國內(nèi)生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中研究的文獻(xiàn)數(shù)自2009年以來逐漸增加，依次為2009年（15篇）、2010 年（20篇）、2011 年（47篇）、2012 年（7篇）、2013 年（139篇）和2014 年（231篇）。2014年的文獻(xiàn)總量為2009年的15.4倍。截至2015年8月，國內(nèi)研究生物炭農(nóng)用的文獻(xiàn)總量為199篇，預(yù)計(jì)2015年全年的文獻(xiàn)總量超過2014年，有望突破300篇。
2.4 英文文獻(xiàn)數(shù)量排名前5 的國家近5 年發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量
圖2已經(jīng)列出文獻(xiàn)總數(shù)排名前5 的國家依次為美國、中國、澳大利亞、德國和西班牙。圖3 對這5個國家近5 年的文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明中國和美國的文獻(xiàn)數(shù)量隨著時間呈更加顯著的增加；而澳大利亞、德國和西班牙的文獻(xiàn)數(shù)量增長緩慢。中國的文獻(xiàn)數(shù)量在2013年與美國的文獻(xiàn)數(shù)持平，而在2014年增加到238 篇，為美國同期文獻(xiàn)數(shù)的1.3倍。截至到2015年8月，中國文獻(xiàn)的數(shù)量為136篇，其次為美國（120篇）、澳大利亞（36篇）、德國（42篇）和西班牙（27篇）。
2010 年至今，國內(nèi)外關(guān)于生物炭的研究越來越多，關(guān)于生物炭的英文科技論文累計(jì)3 000 余篇；中文科技論文累計(jì)500 余篇；我國人員在生物炭研究方面的中英文論文共計(jì)1100 余篇。比較我國人員在國內(nèi)外發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)說明我國研究人員已將更多的研究成果展示到國外，引起了國際上科學(xué)家或者學(xué)者的關(guān)注，提升了影響力。然而我國研究學(xué)者的英文文章引用數(shù)較低，我國學(xué)者應(yīng)在論文的數(shù)量和質(zhì)量方面齊頭并進(jìn)。
2.5 英文文獻(xiàn)種類的組成
3 研究展望
我國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，年產(chǎn)量
利用生物質(zhì)廢物原料制備生物炭不僅避免了環(huán)境污染，也是一種廢物資源化的良好途徑。基于文獻(xiàn)檢索的結(jié)果，國內(nèi)外對生物炭的研究還處于起步階段，為了促進(jìn)今后的研究和實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)前生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究前景及有待解決的問題主要存在以下幾個方面。
3.1 制定生物炭生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
生物炭的產(chǎn)量和性質(zhì)隨著原材料、地域來源、制備工藝條件和生產(chǎn)設(shè)備而有所不同。例如，木本植物熱解制備的生物炭通常碳元素含量高，而礦質(zhì)養(yǎng)分含量低；廄肥生物炭及秸稈生物炭則與之相反。在農(nóng)村，有多種多樣的制炭方法，最為簡便和常見的制炭方法就是以“窯”（土窯、磚窯或鋼制窯）的形式將生物質(zhì)加溫，在缺氧環(huán)境條件下熱解而形成生物炭，俗稱“悶炭”。其熱解過程比較慢，目的是取得最大產(chǎn)量的生物炭。而在生物炭自身性質(zhì)的研究論文里，很多不同來源的生物炭都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有嚴(yán)格控氧技術(shù)條件下制備的，比如稻殼生物炭在嚴(yán)格控氧條件下，其灰分含量為6%～19%，而在窯里制備的稻殼炭灰分含量為28%。此外，生物炭的產(chǎn)量、性質(zhì)及特征在不同的升溫速率及反應(yīng)時間條件下而有所不同。中速熱解、快速熱解和閃速熱解條件下制備的生物炭產(chǎn)率在30%以下，主要獲得生物油或混合氣等生物能源；慢速熱解、濕法熱解和微波熱解炭的產(chǎn)率均在30%以上，而且微波熱解需要生物質(zhì)含有較多含水量，才可獲得較好的加熱效率。生物炭的生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)加熱方式還分為內(nèi)燃式和外熱式2種。由于使用的生物炭具有多樣性、研究手段的差異性而影響了研究結(jié)果的可比性，所以生物炭的制備工藝應(yīng)該統(tǒng)一化，這就需要生物炭的生產(chǎn)制備應(yīng)該有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。而生物炭的標(biāo)準(zhǔn)體系有利于判定生物炭產(chǎn)品的品質(zhì)，根據(jù)要求選用合適的生物炭產(chǎn)品，也有利于生物炭產(chǎn)品作為改良劑或修復(fù)劑的大規(guī)模推廣，為生物炭在我國大規(guī)模推廣做好基礎(chǔ)工作。
3.2 開展生物炭基肥的研究
生物炭基肥的原理是利用化學(xué)氮素或者氮磷鉀元素與生物炭的基團(tuán)反應(yīng)，部分轉(zhuǎn)化為有機(jī)結(jié)合態(tài)，進(jìn)一步提高了生物炭對氮磷鉀元素的保持和吸持作用及反硝化抑制作用，滿足植物吸收的同時，減少了氮磷鉀元素的淋失和排放。
生物炭可以促進(jìn)堆肥過程中有機(jī)物料的降解和腐熟，所以添加生物炭既可以有利于廢物的堆肥利用；而且生物炭本身可以作為肥料緩釋載體，延緩肥料養(yǎng)分的釋放，則最終含有生物炭的堆肥產(chǎn)品對恢復(fù)土壤肥力、提高土壤生產(chǎn)力具有積極作用。
生物炭與土壤肥料的融合可以為農(nóng)業(yè)肥料的施用提供更多選擇。Yao 等利用含Mg 的番茄秸稈生物炭回收廢水中的磷，然后將含磷秸稈炭用于室內(nèi)草籽萌發(fā)試驗(yàn)。研究表明，此生物炭添加組相比對照組的草籽健壯，發(fā)芽率提高53%～85%。李正東分別利用棉花秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、稻殼、花生殼和生活廢物6 種生物炭按照生物炭∶尿素∶磷酸一銨∶氯化鉀∶膨潤土為12∶17∶10∶8∶3 的比例施用進(jìn)行田間試驗(yàn)。以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)化肥施用為對照，利用炭基肥的小麥產(chǎn)量提高了20%～35%，氮肥利用率提高18%～34%。所以，相比較傳統(tǒng)肥料的單獨(dú)使用和多種類別共同施用的模式，生物炭不但可以提升肥料的市場競爭力，而且對于各項(xiàng)肥料在種類、質(zhì)量等方面的調(diào)整也具有一定的推動作用。Oh等將橘皮炭、木炭和污泥炭浸泡在厭氧消化殘?jiān)?/font>24 h，所得的生物炭基緩釋肥用于萵苣栽培試驗(yàn)。結(jié)果表明，土壤持水能力增加，但是萵苣產(chǎn)量較常規(guī)緩釋肥相比下降，水溶性K、Ca 和Mg的釋放特性與常規(guī)緩釋肥沒有差別。原因在于生物炭緩釋肥提高了土壤pH值，對萵苣的生長產(chǎn)生了抑制。所以，為了促進(jìn)生物炭基肥的推廣，目前對生物炭和肥料的復(fù)合肥料的施用方式應(yīng)再進(jìn)一步研究。
3.3 明確生物炭對不同區(qū)域和不同類型農(nóng)業(yè)土壤的適用性和長期影響效應(yīng)
目前在國內(nèi)外，有關(guān)生物炭的研究還處于研究階段，還沒有實(shí)現(xiàn)生物炭的大面積推廣應(yīng)用。而生物炭作為土壤改良劑、堆肥改良劑及炭基肥應(yīng)用研究雖然也有少量數(shù)月至數(shù)年的田間試驗(yàn)，大多數(shù)也是短期，溫室、室內(nèi)盆栽、土柱淋洗試驗(yàn)的研究結(jié)果。
生物炭在土壤中的長期施用可能會引起土壤微生物數(shù)量和活性的下降。章明奎將小麥秸稈和麥稈基生物炭分別以1%～2%的添加比例施入水稻土中，在溫室培育2a，在2、6、12 和24 個月時分別取樣，在培育前2個月，添加生物炭的土壤微生物量碳含量與對照相比有所升高，且基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度高于對照土壤。但是在試驗(yàn)后期，添加生物炭的土壤微生物量碳含量較對照低48～80mg/kg，且各生物炭處理土壤的基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度均顯著低于對照土壤。土壤中易氧化態(tài)有機(jī)碳下降15%～25%，水溶性有機(jī)碳減少4～20mg/kg。這不僅與土壤類型有關(guān)，也與生物炭自身的化學(xué)物質(zhì)組分及其性質(zhì)或特征相關(guān)。生物質(zhì)原料熱解制備生物炭的過程中可使有毒有害物質(zhì)，如多環(huán)芳烴（PAHs）、As、Cd、Pb 等發(fā)生富集。
我國的土壤類型復(fù)雜多樣，生物炭在不同區(qū)域環(huán)境和不同土壤類型條件下，其自身氧化反應(yīng)及其環(huán)境行為差異較大，應(yīng)根據(jù)不同類型土壤篩選和制備適宜的生物炭。只有明確生物炭對不同區(qū)域和不同類型農(nóng)業(yè)土壤的施用特點(diǎn)，生物炭才會成為良好的改良劑或修復(fù)劑，確保農(nóng)業(yè)安全和生態(tài)安全。此外，生物炭施入農(nóng)田后會長期留存于土壤并參與土壤各項(xiàng)生物地球化學(xué)循環(huán)。英國洛桑試驗(yàn)站于2009 年在Woburn農(nóng)場啟動了生物炭的長期定位試驗(yàn)計(jì)劃。在我國，有必要建立生物炭應(yīng)用于不同類型農(nóng)業(yè)土壤的長期定位試驗(yàn)站點(diǎn)，以揭示生物炭對農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的長遠(yuǎn)影響。
3.4 有效利用生物炭制作過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物
生物炭在生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生木醋液和可燃?xì)狻Ｃ繃嵣镔|(zhì)能夠產(chǎn)生200～250 t木醋液，數(shù)量巨大，如果不充分有效利用，會造成二次污染。木醋液成分包括酚類、酮類、醛類、酸類和醇類等多種類型的有機(jī)物，還有胺類等少量堿類物質(zhì)及Na、Mg、Ca 和Fe 等無機(jī)物。Chen等發(fā)現(xiàn)在豬糞堆肥過程中，添加竹炭和竹醋液有效地減少了氮素?fù)]發(fā)并鈍化Cu、Zn 等重金屬。胡春花等通過田間小區(qū)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施用木醋液可使設(shè)施土壤鹽分含量分別降低4%～18%，供試青梗菜和菜心的產(chǎn)量增加33%～35%。灌施稀釋倍數(shù)小于5倍的木醋液能夠顯著提高種植辣椒土壤的有機(jī)碳含量，可增加≥2mm和0.25～2mm級別土壤團(tuán)聚體的數(shù)量。毛巧芝等利用干餾熱解的方法，將杏樹枝熱解并分別在90～170℃、170～370℃和370～450℃3個溫度段收集木醋液，以黃瓜炭疽病菌、葡萄霜霉病菌、棉花黃萎病菌、辣椒疫霉病菌和小麥赤霉病菌等5種農(nóng)林業(yè)常見致病病菌為靶標(biāo)菌，對所得到的木醋液進(jìn)行抑菌活性研究。結(jié)果表明最強(qiáng)的收集溫度為170～370℃，其主要化學(xué)成分為苯酚及其他酚類化合物，抑菌能力較強(qiáng)。所以，木醋液作為生物炭生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品之一，應(yīng)推廣其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用和研究。此外，對于重金屬含量較高的生物炭是否對土壤造成不良影響，即目前有關(guān)生物炭對環(huán)境負(fù)面影響的研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)對其負(fù)面影響的研究，使生物炭的應(yīng)用科學(xué)、環(huán)保和高效。
4 結(jié)語
有關(guān)生物炭的研究逐年增多，說明越來越多的研究人員認(rèn)識到生物炭在土壤改良、堆肥改良、溫室氣體減排和污染土壤修復(fù)方面的優(yōu)勢。其中我國關(guān)于生物炭的文獻(xiàn)數(shù)量的增多表明我國在此方面投入大，但是每篇文獻(xiàn)的引用數(shù)較低也反映出研究水平有待于提高的問題。近年來關(guān)于生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究趨勢和研究方向已經(jīng)出現(xiàn)，研究人員應(yīng)該把握方向，為生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的有效應(yīng)用與推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
