生物炭基肥料的制备方法及其在农业中的应用研究进展

作者:未知

  摘  要:因农业活动产生的温室气体,已成为加速全球气候变暖的重要环境因子。利用生物炭作为肥料载体制备生物碳基肥料,是同步实现农作物增产增收和土壤理化性质改良的新型工艺。该文在国内外前沿研究成果和文献综述的基础上,阐述了生物炭基肥在加工、制备和改性工艺方面的最新研究进展以及在生产物炭基肥农田应用研究进展,包括生物炭基肥对土壤微生物群落结构、对肥料养分、对作物生长和产量的影响和农田应用的发展趋势。并针对存在的问题和技术需求,就施用生物炭的生态影响研究,系统评估生物碳基肥料施用带来的生物多样性减少和生态系统失衡等潜在生态风险方面进行了展望。
  关键词:生物炭基肥;农业;土壤;作物;进展
  中图分类号 X53   文献标识码 A   文章编号 1007-7731(2019)09-0116-3
  Abstract:Greenhouse gases produced by agricultural activities have become one of the major factors contributing to global warming.Biomass carbon-based fertilizer prepared by using biochar as a fertilizer carrier can not only promote crop growth and yield increase,but also contribute to the improvement of soil physical and chemical properties.Based on years of research results and comprehensive literature analysis,this paper expounds the latest research progress of biochar based fertilizer in processing technology,preparation process and modification preparation process,and expounds the research progress of biochar based fertilizer application,including biochar based fertilizer on soil microbial community.Structure,effects on fertilizer nutrients,crop growth and yield,and trends in the application of biochar-based fertilizers.Based on existing problems and technical needs,it is pointed out that the ecological impact of large-scale application of biochar should be further studied,and long-term,systematic and comprehensive assessment of ecological risks such as whether it threatens biodiversity and ecosystem balance.
  Key words:Biochar based fertilizer; Agriculture; Soil; Crops; Progress
  在许多国家,农田及食品加工厂等场所产生的厨余粪便垃圾、农作物秸秆等农业废弃物被焚烧已成为常态,不仅带来了严重的空气污染问题,也造成了农田土壤养分的大量流失。据统计,近年来我国化肥的施用量持续上升[1]。
  利用农作物秸秆等废弃物制备成生物质炭并应用于农业生产是减少化肥施用、促进农业废弃物资源化利用的新举措。目前,常用的生物质炭基肥的方法是将20%生物质炭、5%膨润土和75%NPK肥料混合制造而成,稻田试验结果表明,在施肥量均为500kg/hm2的情况下,施用生物质炭基肥处理比复合肥处理产量增加15%~30%,并且可以减少温室气体的排放量[2]。生物炭基肥[3]是利用生物炭与其他化肥混合制成的,能够超强吸附土壤中农作物所必需的营养元素,防止肥料流失,从而起到一定的缓释作用。目前,有关我国生物炭基肥料的研究及应用仍较少,且主要集中在利用生物炭改良土壤方面。生物炭相较于传统的培肥土壤方式——秸秆还田及施用厩肥,其在培肥土壤、改良土壤质地、促进农作物生长方面,受到了学术界的高度关注。其中,沈阳农业大学植物营养研究室于2009年便开始专注生物炭基肥制备研究,并取得了一定的研究成果。
  1 生物炭基肥料的制备方法
  1.1 加工工艺 目前,包膜造粒工艺和柱状成型工艺[4]是2种广泛应用于生物炭基肥制备试验及实地应用的工艺技术。其中,具有低耗、高产及简易操作性能的包膜造粒工艺是生物炭基肥量产的首选工艺[5]。在生物炭基肥制备工艺中,粘结剂的优化和选择是决定肥料成型和施用效果的关键因素。粘接剂能够大幅提升生物炭基肥料的成型率,从而获得更好的肥料缓释性能和农用效果。各类粘结剂因其性质不同有着不同的配施效果,其中以小麦淀粉、玉米淀粉等作物淀粉为原料经煮浆和冲浆得到的淀粉粘结剂具有易制备、成本低廉、施用效果良好等特点,但同时也伴随粘接力不足、易变脆难保存等问题。通過添加无机填料、无机酸或加热的方式可辅助增强其粘结性[7]。植物油粘结剂单独施用同样存在成型差的问题,配施一定剂量的溶剂、酸或碱进行改性处理,可提升其粘结性。在木质素粘接剂配施工艺中,通常利用化学制剂破坏木质素内部羟基间的分子结构,使其具有更好的粘接性,常见的化学制剂包括木醋液和乙醇。研究发现,木醋液作为延展剂制备的炭包膜尿素相比乙醇能更好地扩展木质素团状分子结构,从而获得可直接适用于炭包膜肥料制备的良好缓释性及包膜成型率。   1.2 制肥工艺 近年来针对生物炭基肥制肥工艺的试验研究逐渐兴起。研究发现,当施用15%的木质素作为粘结剂,在5.1MPa、70℃的条件下制得的柱状生物炭基肥拥有较好的缓释性能[8]。通过1∶1配施尿素与生物炭、1∶19/1∶9配施水和羧甲基纤维素钠,在6MPa的条件下制得的柱状生物炭基肥拥有较好的缓释性能[9]。粘接剂作为生物炭基肥制备工艺的必备材料,与水分以15%~25%的比例混合配施,再加入20%~60%的生物炭,可获得缓释和成型性能良好的炭基肥料[10]。
  1.3 制作工艺改性研究 膨润土和高岭土均含有微孔矿物结构,能够增强土壤养分吸附,是当今主流的生物炭基肥制肥工艺改性制剂。研究表明,利用膨润土改性造粒生物炭基肥,在提高小白菜产量、促进维生素C等养分吸持、抑制硝酸盐的叶面积累等方面具有良好的效果。此外,在促进果实增产、提高作物可溶性蛋白含量方面,以磷酸作为改性剂活化生物炭基肥,可辅助增加其表面官能团数量及比表面积,相比普通秸秆炭基肥,具有更好的施肥效果[11]。以氮、磷、钾为肥芯外裹秸秆生物炭及膨润土改性剂,再通过腐殖酸粘接成型的复合生物炭基肥,在提升作物产量、增强肥料缓释性能及利用率方面具有良好的功效[12]。菜籽油作为制肥基料,在生物炭、膨润土及腐殖酸复合制成的生物炭基肥制肥工艺中可额外提供营养供给,保证作物养分输入,提高茶叶产收[13]。
  2 生物炭基肥农田应用研究进展
  2017年4月28日,国家农业部发布《关于推介发布秸秆农用十大模式的通知》(农办科[2017]24号文件)中,提倡将“秸秆炭化还田、土壤改良技术”作为重点秸秆农用模式加以推广。日前,国家能源局、国家环境保护部联合下发《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》,对生物炭产肥发展作出进一步指示:“要鼓励试点项目联产生物炭,并开展炭基肥料还田、活性炭治理修复土壤水体等下游产业利用研究。”目前被广泛研究的生物炭基肥类型主要包括炭基氮肥、复合肥、有机肥等,并在小麦、玉米、花生、水稻等作物的试验研究中取得了较好的施肥效果。
  2.1 对土壤微生物的影响 土壤微生物是构成土壤生态系统的重要一环,对土壤肥力支撑、物质循环、能量流动具有重要作用。研究显示,长期施用生物炭和炭基肥可明显改善土壤的理化性质;施用生物炭相较猪厩肥,不利于真菌和革兰氏阴性细菌的积累。生物炭和炭基肥的施用,对土壤微生物群落有着不同的影响,施用生物炭有助于促进土壤细菌繁殖,而施用炭基肥则有助于丰富土壤氮磷钾、有机质、水分等微生物生长因子,并同步提升真菌和细菌在土壤环境中的生长,提高土壤微生物群落的多样性[14]。
  2.2 对肥料养分的影响 生物炭基肥可提高肥料利用率,是因为其相对于单独施用生物炭,能够赋予肥料养分缓释性。掺混法是制备生物炭基肥最简单的方法。Steiner等[15]通过掺混法制备的生物炭基复合肥,显著延长了氮素供应时间,增加了土壤总氮、有效磷的含量。王剑等[16]以聚乙烯醇作为粘结剂,通过转鼓式糖衣包膜机将稻壳炭包裹到尿素颗粒表面制得了包膜型炭基肥料,具有包裹层越厚,养分释放速度越小的特点。Khan等[17]通过向木炭中浇注含氮、磷、钾的肥料溶液,制备出木炭基缓释肥。该肥在蒸馏水和模拟的土壤溶液中养分淋失缓慢,这是由于生物炭的多孔结构可以吸附肥料养分。
  2.3 对作物生长和产量的影响 生物炭除了含有丰富的有机碳组分外,还富含大量的氮、磷、钾、钙、镁、硅、硫、铁等无机矿物组分,同时其较大的比表面积为微生物群落的生存化及养分的吸附提供了空间,吸附的营养元素可直接作为作物养分被其根系吸收利用,从而促进了作物生长,提高了作物产量,这在水稻、小麦等作物上均有报道。此外,其表面含有的羟基苯甲酸丁酯及水杨醇可有效防止昆虫入侵,防范虫害。Schulz等[18]指出,单独施用生物炭可以略微促进作物生长,而配施生物炭于矿物质肥料可协同增强作物的生长水平。生物炭基肥对作物生长的促进、产量的增加作用也优于常规肥料[19]。
  2.4 应用发展趋势 农业农村部化肥零增长行动方案将减少化肥用量和提升化肥利用率列为化肥综合整治的重点举措,因此今后新型肥料的研发及减肥增效工艺应为生物炭基肥料的前沿发展方向[20]。此外,由于肥料不合理施用带来的肥料径流、渗透、土壤残留、土壤养分流失等环境问题,也是制约农业生产和作物产量的关键因素。因此,研发高效、适应性广且不存在二次污染的生物碳基肥料是该领域的重点研究方向。
  3 展望
  基于生物炭基肥的诸多优点,其受到了越来越多的关注和研究。生物炭基肥及其应用的相关研究虽已取得了一些成果,但是其基础研究仍然较弱,有关其结构和性质的研究时间仍较很短。生物炭基肥作为土壤改良剂的应用研究也基本都是短期性的。同时,生物炭基肥的种类、制备工艺及其所投入使用的土壤因环境不同产生一定的施用效果差异,今后需要进一步的深入研究。从目前的研究结果来看,生物炭对土壤环境主要产生积极影响,但其对土壤和农业环境影响的作用机制还未完全研究清楚。故今后应进一步加强对生物炭施用生态影响的研究,系统评估生物碳基肥料施用带来的生物多样性减少和生态系统失衡等潜在生态风险。未来生物炭和生物炭基肥有望得到科学合理的广泛应用,为生物肥料的资源化利用和农业生产提供新途径,为生态农业发展做出新的贡献。
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  (责编:张宏民)
  基金項目:四川省科技重点研发项目(19ZDZX011,2017GZ0383,2017SZ0181)。
  作者简介:冉宗信(1995—),男,甘肃定西人,研究生,研究方向:环境土壤学。  收稿日期:2019-03-20
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