李健华 杨钧尧 李锌林 吴奇润 张思琦 方铮
摘 要：随着国内对生物炭研究和应用的不断深入，生物炭在农业、环境等方面的优势逐渐凸显。该文对近几年来生物炭在农业和环境保护等方面的应用现状以及对生物炭的产业发展进行了回顾和总结，同时对目前的生物炭应用过程中可能存在的一些问题进行了进一步的探讨与总结，以期为生物炭在农业和环境领域的应用和进一步发展提供参考。
关键词：生物炭 产业 农业影响 环境影响
中图分类号：X71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）05（c）-0062-03
1 生物炭来源综述
制备生物炭的原料来源广泛，主要可分为两大类：农林业的废弃物以及城市生活的废弃物。利用废弃植物生物质可制备木炭、稻壳炭、秸秆炭及竹炭等碳量较高的植物生物炭[1]。当然，说到农林业，畜牧业中诸如鸡、牛、羊等牲畜产生的粪便也是作为生物炭制备的原料[2]。工业和城市生活中产生的垃圾、污泥等有机污染物也可作为其来源之一。以下是变废为宝进行利用，还能对资源进行充分利用的生物炭各来源以及制备的简介[3]。
1.1 动物来源
制备生物炭的动物原料，诸如畜禽类的粪便、猪粪、羊粪球等都可作为其来源之一。磁性猪粪生物炭与碱改性猪粪生物炭是目前关于猪粪在水处理领域具有广泛应用前景的制备方法。该制剂的初步工作有相似之处，两者均为氮气高温热解预处理过的猪粪，经冷却、碾碎、过筛一系列的前期处理。前者需要与铁盐溶液和亚铁盐溶液混合搅拌，后者具有将猪粪生物炭与氢氧化钾溶液混合的过程，pH和温度是必不可少的;畜禽粪便经沼渣收集、热解炭化、微生物发酵、混合造粒、包装贮存。有研究表明，采用沙蒿和羊糞球作为原料，使羊粪球与沙蒿相辅相成而制取的沙蒿生物炭也有可能成为一种新兴的生物炭的制取与应用领域。
1.2 植物来源
植物生物炭的制备大多应用于吸附技术领域，特别是水体处理。未来有发展前景的植物来源生物炭包括园林废弃物生物质炭、硅掺杂生物炭、硫氮掺杂多孔生物炭、蔗渣生物质炭和蚕砂生物炭。植物来源的生物碳制取离不开制粒、酸处理与温度处理等过程。制备硅掺杂生物炭是以硫酸钙为模板，草酸钾为活化剂，豆类纤维为碳源，采用煅烧进行硫氮掺杂多孔生物炭;蔗渣生物质炭具有较高的比表面积，吸附性能较好;竹笋壳是硅掺杂生物炭制备的原料，竹笋壳制备还原性多孔生物炭，具有原料丰富、成本低廉和制备工艺简单等优点，可作为中、低放废液水泥固化处理的外加剂。
2 生物炭产业发展现状
2010年10月，为了强化生物炭产业研发，沈阳农业大学陈温福院士牵头成立了生物炭工程技术研究中心[4]。随着对生物炭的研究有了丰硕的成果，2017年，陈温福院士在沈阳农业大学成立了中国生物炭产业技术创新战略联盟，目的是能够将生物炭的科研成果转化为商品[5]。同时，生物炭相关的公司数量每年注册数量也不断增加，关于生物炭、生物质炭的公司，在2010年注册的公司只有75家，2018年就达到了846家（数据来源于天眼查），呈指数型上涨。
随着近几年生物炭的相关产品推出市场，生物炭收到各方面的认可。在农业领域的生物炭基肥料的情况下，基于生物炭的肥料在上市后不久就已投放市场。生物炭基肥对改善农田土壤质量的现象显著，提高了农产品质量，解决了农民最关心的农产品质量问题。因此，生物炭基肥上市不久就得到了广大农民的认可[6]。由于我国化肥用量大，农业用地利用率低，土壤质量急剧下降，甚至造成水污染等问题。在第十三届全国人民代表大会第二次会议上，国务院总理李克强在稳定农业方面提出全国新增高标准农田8000万亩以上[7]。耕地土壤改良的需求给生物炭带来更大的市场发展。
然而生物炭市场没有得到规范，市场出现混乱，并且出现产品成本偏高的问题。就言在农业中应用最多最广泛的炭基肥，虽然生物炭的来源广泛且原材料廉价，但制炭成本较高导致了产品价格偏高。2014年，随着相关企业的参与，开展了生物炭的推广试点工作，并取得了良好的经济和生态效益。然而，炭基肥尚未列入国家新型肥料名录，生物炭的综合评价标准尚不统一，缺乏经济有效的生物炭含量检测方法。有企业在市场上不以生物炭为原料生产化肥，但却用着生物炭的称号，且市场不规范，导致生物炭基肥市场产品混乱，产品质量也参差不齐，造成中国生物炭产业混乱[6]。2018年12月9日，生物碳基有机肥标准草案发布，这是规范当前碳基肥料市场发展的一项政策，真正有利于推动炭基肥产业有序化。
3 环境领域
3.1 生物炭在土壤修复方面的作用
生物炭多孔、大比表面的特点使重金属离子吸附于其表面，或使金属离子通过扩散进入其微孔内部，这个过程一般为简单、无选择的线性吸附，主要是分子之间的范德华力在起作用[8]。同时，生物炭表面分布着丰富的含氧官能团，这些特定配位体官能团能与重金属离子形成金属络合物，从而降低重金属的迁移性及其毒害作用[9]。朱文英、唐景春在关于“小麦秸秆生物炭对石油烃污染土壤的修复作用”的研究表明，小麦秸秆生物炭经过28天的培养，对土壤中的总石油烃降解率达到46.88%[10]。
3.2 生物炭对废水中的污染物的吸附作用
生物炭的物化性质稳定，成本低廉，比表面积较大，在废水吸附处理方面具有很好的应用前景。生物炭本身是一种较好的吸附材料，具有较大的比表面积，对水体中的重金属、有机物氨态氮均有一定的吸附作用[11]。同时，生物炭的多孔特点可以为系统中的好氧微生物提供生存条件，增强微生物的多样性与活性，有利于污水中污染物的微生物降解。
目前，有很多关于不同种生物炭对水中污染物的吸附作用的研究。乔洪涛等人研究表明鲤鱼肉骨生物炭对水中的Cd2+的去除率可达98%以上[12]。刘淼等人研究表明，在溶液pH<3时，改性玉米秸秆生物炭对水中的Cr6+的吸附去除率可达到80%以上[13]。陈修栋等人考察了经KOH改性后的生物炭对印染废水中的考马斯亮蓝（CBG）的吸附效果，研究表明改性后的生物炭对其的吸附性能明显提升[14]。此外，生物炭还是微生物的良好载体。将芦苇生物炭固定硝化污泥后所制成固定化颗粒对水中氨氮的降解率可达到96.3%[15]。这些研究表明，改性后的或新型的生物炭对废水中的污染物都有很好的去除效果。对生物炭的吸附性能进行研究，对生物炭的创新研究在生态环保领域有着广阔的前景。
4 农业领域
4.1 关于土壤的理化性质
生物炭具有低容重的特性，施加一定量的生物炭可以改变土壤孔隙度，生物炭的亲水官能团提高了土壤的持水能力[16]。其中，在土壤中添加水稻秸秆炭，其持水量的增幅最大，可达21.38%[17]。在酸性土壤中添加生物炭可以提高土壤的酸碱度，但对碱性土壤酸碱度的影响却不明显[18]。不同温度下制备的生物炭对改良土壤酸性的效果不同，热解温度升高，对改良土壤酸性的影响越显著[19]。
4.2 生物炭对作物产量的影响
经研究表明，施加生物炭能够促使作物生长，增加作物产量。Jeffery等人[20]的研究发现，土壤中生物炭的输入可使作物增产10%。邵光成等关于“生物炭对不同地下水位番茄需水规律与产量的影响”的研究中得出，在地下水位-80cm，施加5%的生物炭，能显著提高番茄产量38.7%[21]。张云舒发现，施用小麦秸秆炭处理能够明显增加玉米产量，其产量增加了28.7%～49.2%[22]。姜佰文等通过实验得出，在减量施肥20%，且通过深翻和旋耕两种耕作方式的条件下，施用高量（5000kg/hm2）生物炭对提高玉米氮素吸收和产量具有显著作用[23]。但是有一些农作物在施入生物炭后，产量反而降低。有研究发现，在玉米苗期，生物炭的加入对玉米的生长及养分吸收没有促进作用[24]。
5 存在问题
5.1 生物炭原料收集体系尚未完善
虽然制备生物炭的原材料广泛来源于农业，但是我国的农业是小农经营，土地分散在个人手中，对农业未能实现规模化的经营，于是对原料的收集体系也未能完善。
5.2 生物炭产业尚未有序化
随着生物炭的产业的兴起，市场没有得到规范，市场上的产品质量、价格等未得到保障，对产业的发展影响极大。
5.3 生物炭的研究创新力度需增强
对生物炭进行改性或者生物炭与其他物质相结合等方式进行对污染物的吸附、降解的研究仍需要加强探索。
6 建议
生物炭是一种环境友好型材料，是变废为宝的重要途径之一，对农林废弃物等的回收进行规范，形成一个完整的体系，不仅改善了生物炭的产业，也对环境进行了改善。政府环境资源部可提出相关政策，完善生物炭原料收集体系。并尽快发布且落实好规范生物炭市场的政策，使生物炭产业朝有序性发展。此外，应深入生物炭相关的科研创新，让生物炭在农业以及环境领域中发挥更加有效的作用。
参考文献
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