生物炭制备及其农业环境应用研究进展
研究背景
随着国家“两减一控”政策的颁布及我国农田土壤质量提升的迫切，如何利用海量的生物质固废开发土壤改良及修复技术成为热点。天津大学钟磊团队利用传统的生物质废物如畜禽粪便、农业工程相关副产物等作为原料，进行了基于农田土壤改良和修复为目的的生物炭制备技术体系开发。相关生物炭材料经前期实验和大田实验验证均取得了良好的效应并获得了一些自主的知识产权及成果。
图1 生物炭制备以及农业应用技术研究框架
主要研究结果
1. 利用N2和CO2气氛制备了以肥效及控释为目的的生物炭材料，并通过改性技术开发了养分释放速率可控的生物炭肥
图2 高肥效生物炭控释肥制备技术
本研究以高养分含量的牦牛粪为原料，采用水热炭化的方法，通过控制反应气体氛围和酸洗固化，对生物炭肥养分缓释性能及机理进行了研究。研究结果表明，生物炭缓释肥在N2气氛下的养分含量最高，在CO2气氛下有着更优良的孔隙结构和更丰富的官能团，显示出更好的土壤改良及养分控释潜力 (栗高源等, 2022a)。采用盐酸对生物炭肥进行改性处理，极大提高其比表面积、孔容积和表面酸基含量（如酚羟基等），从而提高其N控释性能 (56.01%~70.30%)，在可持续绿色农业中展现出巨大的应用潜力；构建了基于该生物炭制备技术的养分控释模型，为后续开发匹配作物养分需求规律的生物炭肥提供了基础 (孙于茹等, 2021)。项目成果在河北省新苑阳光农业有限公司进行了示范并取得了良好的经济效应，前期已经在该企业建立了1300亩的示范基地。
2. 利用沼渣为原料，并通过生物质热解副产物底灰作为催化剂，制备富钾生物炭并显著提升了肥料中缓效钾的含量
图3 富K生物炭肥制备技术
本研究在沼渣（玉米秸秆与猪舍水厌氧发酵产物）热解过程中添加生物质焚烧底灰（玉米秸秆）进行催化热解，生物炭肥产率提高12.4%，总K含量增加到 37.29 mg/g。生物质底灰的加入有助于可持续释放物质（结晶矿物或层间组分）的形成，可将炭肥中可溶性K(例如KCl)转化为稳定的钾物质(例如钾长石)等过程，使生物炭肥缓效K含量从0.86 mg/g增加至 6.88 mg/g，28天总有效K释放不到80%，具备高K含量、高效K形态、低K释放的优点，为沼渣和燃烧灰的协同利用及富钾生物炭肥的生产提供了一种极具前景的制备方法 (武文竹等, 2021)。
3. 生物炭肥在提升作物产量和养分利用效率的同时，可通过抑制根际的细菌反硝化过程减少N2O的排放
图4 生物炭配施N肥对土壤N利用和减排的影响
本研究采用酸化的设施菜地土壤进行生物炭-肥料配施的管理方式，探究其对土壤N循环过程中N2O排放损害及作物利用的影响。结果发现高N肥用量会提高土壤细菌硝化（89±2.3%）及反硝化潜势（71±4.1%），而生物炭的施用虽然使土壤中真菌活性增加了21±1.8%，但可通过降低高N肥土壤，尤其是根际土壤中细菌硝化（9-41%）、反硝化活性（6-19%）来减少土壤N2O排放的潜势 (栗高源等,2022b)；该研究表明，本团队开发的生物炭肥不仅可以有效提升作物产量及氮利用效率，还能通过抑制根际区域的细菌反硝化过程从而减少温室气体N2O的排放
4. 自主筛选了石油高效降解菌TDYN1T，并利用CO2气氛下热解生物炭作为载体进行土壤修复，土壤石油污染去除率达65.7-78.2%
图5 生物炭固定石油降解菌土壤应用实例及成果
本研究采用团队前期发现的高效石油降解菌TDYN1T为接种菌剂，以生物炭为载体材料，对菌株进行固定化处理。室内实验结果表明，该生物炭固定化石油降解菌降解效率超过90%；土壤原位修复实验中，播种0.5kg/m2固定化石油降解菌，30天石油污染物去除率达65.7-78.2%，显著提升了提升石油修复效率，为微生物修复石油污染土壤提供了技术支撑 (钟磊等, 2021)。该技术目前授权国内专利1项，澳大利亚技术发明专利1项；并同时申请了韩国、美国和欧盟的技术发明专利。
总结和展望
经过一系列的生物炭缓释肥的制备及应用研究表明，利用高养分含量的生物质原料，辅以酸、碱改性、催化热解、气体氛围等手段进行热解炭化可有效提高生物炭肥的养分含量及控释性能，而针对缺锌、盐渍化、石油污染土壤施用改性生物炭缓释肥也具有显著的改良和修复效果。但由于原料特性和热解工艺的限制，生物炭肥中的有害成分，如多环芳烃（PAH）、多氯联苯（PCB）和重金属，其潜在的毒性尚不明晰，有必要进行毒性分析和现场试验；而有关过量施肥土壤N利用机理的初步结果也表明生物炭可直接或通过土壤理化性质间接改善土壤细菌的丰度和结构，进而降低土壤N2O排放潜势，增加作物产量，但不同土壤特殊环境中复杂的土壤N利用过程的限制、生物炭对微生物作用的长期效应及对促进N2O减排和作物增产的特殊菌属的分离利用等问题也有待我们进一步的探索。
特别欢迎各位专家学者们对本团队的研究进行批评指正，也特别希望有生物炭在农业环境应用领域的专家学者进行合作研究交流！
来源： iSoil土壤阅读