南京农业大学农业资源与生态环境研究所的最新研究进展——安全低碳绿色农业中的炭基肥

转载自厚土学社公号（2022年4月19日）

南京农业大学农业资源与生态环境研究所

最新研究进展

安全低碳绿色农业中的炭基肥

       化肥是现代农业生产的重要支撑，但是化肥也是农业产业最重要的温室气体源。提高化肥利用率、降低（单位产量）化肥施用量是低碳绿色农业的核心，更是当前农业碳中和的重要途径。中国大面积施用化肥的历史还不到百年，中国自己生产化肥的历史也就80余年，但中国已经是世界上化肥施用量最大的国家。2020年，中国化肥施用量（折纯量）为5250万吨，连续几年化肥总施用量已实现零增长。从全球农业可持续发展的挑战出发，农业上化肥施用的技术前沿是走向“减量减排”与“增碳增效”的协同耦合，特别是顺应农业碳中和的国家战略，化肥绿色转型势在必然，结合秸秆炭化循环的炭基肥产业正在迎来前所未有的“风口期”。

      南京农业大学农业资源与生态环境研究所于2011年的田间试验中首次观察到炭肥协同作用，2012年与企业合作首次研制秸秆炭基肥，在国家发改委中小企业振兴计划支持下首次实现产业化生产，2017年与三聚环保合作完成了秸秆生物质炭土壤改良-炭基肥生态农业技术的大规模工业化生产，同年“秸-炭-肥还田改土模式”由原农业部列为秸秆资源利用的十大典型模式之一，通过全国农业技术推广服务中心予以全国示范推广。多年来的试验示范证明了炭基肥在化肥减量10-15%下农作物平均增产8-10%，并且品质提升平均达20%。

       近年来，团队不断通过土壤有机质与团聚体理论、生物质炭结构与组分协同理论的创新，发展和提升秸秆炭基肥料的生产技术，深化炭基肥固碳减排增产优质的基础认识，进一步阐明了炭基肥在安全低碳绿色农业（或者说多功能健康农业）上的巨大潜力，尤其符合当前国家农业碳中和的技术需求。这里，我们整理了最近的几个相关研究成果予以推介，期望能对社会和农业界在应用和推广炭基肥有所参考。

研究进展一：

 明确了炭基肥氮素的缓释持效作用

       化肥氮肥以尿素为主。我们以尿素与玉米秸秆生物质为主要原料，配以炭基活性有机质和吸附性矿质材料，根据孔隙保蓄与表面吸附配合和稳定有机质与活性有机质配合的原理，创新“稳定结构、有机转化、延缓释放、促进吸收”的炭基尿素，成为含有机碳20%，总氮16%的新型高效炭基氮肥。在扫描电子显微镜下，炭基氮肥中尿素晶体封存于抽屉般的生物质炭孔隙中，其中氮素已经与炭表面化学官能团的反应成为新的有机态氮素。在土柱淋溶试验中，市售化学尿素颗粒在24小时内溶解释放了70%的氮素，12天基本全部释放；炭基尿素在24小时内仅释放了39%，连续30天的溶解释放为65%，也就是说炭基尿素中三分之一氮素延缓释放在30天以上。进一步的盆栽试验也表明，施用炭基尿素较常规尿素增加玉米地上部生物量（13.8%）和地下生物量（25.1%），提高了氮素利用率达24%。所以，炭基肥减少化肥的淋溶损失是减量仍能增产的主要原因。其作用机理如图1所示。

图 1 生物质炭-矿物基尿素缓释增效示意图

     这一研究以“Biochar bound urea boosts plant growth and reduces nitrogen leaching”(炭基尿素减少氮素淋溶损失而促进作物生长)为题，2020年发表于Science of the Total Environment，后来被列入全球ESI高被引论文。

该文的链接如下：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719344158

研究成果二：

同位素示踪研究揭示

炭基肥可大幅提高植物的氮素利用

       在研究进展一的基础上，依据天然有机质与无机矿物质在材料结构和生物功能上的交互提升作用，改善了生物质炭-结构矿物质-功能有机质的筛选和配合方案，研制了最新一代炭基复合尿素肥料。实现了物理保蓄和表面包被作用双向提升，炭基复合结构更为稳定、释放更为持续、根系亲和力更为增强，从而更促进氮素的植物吸收和代谢利用。采用与常规尿素对比的田间小区和微区试验，通过¹⁵N同位素示踪，研究了全量（100%施氮量）和减氮（70%施氮量）下小麦产量与品质的变化，以及肥料氮素在小麦植株和不同土壤层次中的分配，并处理对比。结果表明，施用新型炭基尿素与常规化学尿素对比，全量施氮量下小麦增产11%，而减氮30%下小麦增产29%，同时小麦籽粒总氨基酸含量提高了18%。新型炭基尿素比化学尿素N2O排放总量降低23%-28%。因此，试验证实了新型炭基尿素替代化学尿素达到了增产优质减排的良好效果。

       通过¹⁵N同位素示踪分析，施用炭基尿素极显著低提高了小麦植株的氮吸收和籽粒的氮素分配比例。在减氮30%施用量下，施用常规化学尿素的小麦籽粒氮素分配量33%，而施用炭基尿素达到37%。常规尿素的氮素利用率34%，施用炭基尿素在全量施氮量下达到了45.2%而减氮条件下高达55.4%。同时，小麦收获后氮肥的土壤残留氮，施用炭基尿素下主要集中在0-20 cm耕作层，而施用常规尿素增加了向20-60cm深层土壤的淋失。这个研究在进展一的基础上，明确了炭基复合氮肥在提升化肥氮素利用率上的显著效果，揭示了应用炭基肥料在提高氮肥利用率而减少化肥污染上的巨大潜力（图2）。

图2 新型炭基复合尿素的

小麦增产、减排、优质和提效的协同效果

     该研究以“Assessing the impacts of biochar- blended urea on nitrogen use efficiency and soil retention in wheat production（评价小麦生产中新型炭基复合尿素提升氮素植物利用率和土壤持留的效应）”为题，2022年发表于GCB-Bioenergy。

该文的链接如下：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcbb.12904

研究进展三：

炭基肥的表面及电化学性质揭示了

氮素稳定的机理

       基于上述两个研究进展的发现，澳大利亚同行与我们合作，应用现代复合材料科学的结构、表面及微域分布的分析技术，通过与常规化学复合肥对比，进一步对我们创新的炭基肥的微观性质与功能关系进行了深入探讨。首先，超显微结构结合能谱分析发现，除了炭基肥中含有较高的有机质外，炭基肥比化学复合肥明显含有Si、Mg、K、Ca 和 Fe等中微量矿质元素，与化学复合肥只要含有大量元素不同，炭基复合肥含有植物养分元素较多，且较为均衡（Na比化学复合肥低）；其次，采用¹³C 固体核磁共振分析表明，炭基复合肥的有机碳组分除了尿素碳的特征信号外，主要含来自生物质炭的芳香族有机质。显微结构及电化学性质研究表明，炭基复合肥相对于常规复合肥，肥料颗粒的比表面积是4倍多，而总孔隙率和比电容分别是1.6倍和2.9倍。较大比表面积和孔隙度是前述的炭基肥缓释性能的重要基础，而更大的比电容表明炭基肥较常规复合肥具有更高的储存和提供电子的能力，可能是影响土壤中微生物的活性和养分的转化重要因素，特别是与氮素的硝化和反硝化有关。表面官能团分析也表明，炭基肥在制备过程中尿素和铵与炭表面发生了化学反应。值得注意的是，炭基复合肥中含有较高的可溶性有机碳，为常规复合肥的6倍多，证实了炭基肥制备过程炭基活性有机质的配合。这类可溶性有机物主要是小分子中性物质和有机酸，已被证明具有促生和抑菌等作用。最后，电子扫描电镜与能谱分析表明了，炭基肥中生物质炭孔隙内部与表面存在着有机-矿物团簇结构，因而具有较好的保蓄矿质养分而降低淋出损失能力。这些主要的比较指标简明地示于图3。因此，炭基肥保肥能力及植物吸收促进能力得到了微观研究的有力支撑。

图3 创新的炭基复合肥与常规复合肥的材料学性质差异

       这个研究主要是在澳大利亚新南威尔士大学完成，以“A comparison between the characteristics of a biochar-NPK granule and a commercial NPK granule for application in the soil（针对土壤施用的炭基肥和商品复合肥特征比较）为题，2022年发表于Science of the Total Environment。

该文的链接如下：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722021143

研究进展四：

炭基肥的增产增效效应

源于生物质炭的结构和促生作用

       2020年，团队受邀加入中国与挪威绿色农业合作研究，与挪威生物经济研究院(NEBIO)合作进行中挪炭基肥农业试验研究。团队与挪方Rasse D.领导的团队，在联合开展炭基肥农业试验的同时，共同分析讨论炭基肥的农业应用效果及机理。收集和分析了迄今为止国际上发表的炭基肥应用研究，比较了所用的生物质炭的性质和制备的工艺，比较和厘分影响炭基肥农业效果的主要因素。已有的大量研究表明，生物质炭基肥料在作物增产效果上受到生物质炭种类、氮素添加形态和有机、无机粘结剂类型的影响。通过总结19项包括40对炭基肥试验结果发现，与常规施肥对照相比，炭基肥的平均作物增产幅度为17±23%，平均养分利用效率提高了34±27%，存在极大的不确定性。这些不同的炭基肥试验报道的作物增产和提高氮素利用率方面的作用机制，可能归结于如下1个或多个方面：1）改变土壤微生物群落，2）增加作物根系生长和氮吸收，3）增加菌根定植，4）增加溶解养分的物理保留与减少释放，5）增加土壤硝化作用，6）改善氧化还原条件，7）增加磷和钾的有效性，8）NH₄⁺和NO₃^-向土壤溶液中的缓慢扩散。整合分析发现，显著的炭基肥增产增效（提高氮素利用率）最重要地与生物质炭的结构和其中含有的促生物质有关（图4）。从机理上说，生物质炭与无机矿物的孔隙协同是炭基肥的共同特征，而表面吸附和缓释是提高氮素利用率的主要途径。这些与我们团队的炭基肥创制经历相吻合。我们的合作研究提出，未来炭基肥技术创新，应该从生物质炭表面强化、生物质炭与粘土矿物的孔隙结构优化和促进高孔度结构对化学养分的物理保护等方面拓展。

图4 炭基肥施用对土壤中氮素养分转化的影响

       研究主要在挪威国家生物经济研究院生物地球化学与土壤系完成，以“Enhancing plant N uptake with biochar-based fertilizers: limitation of sorption and prospects (炭基肥促进植物氮吸收：从吸附出发的展望)”为题，2022年发表于Plant Soil。

该文的链接如下：

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-022-05365-w.

      中国政府高度重视农业绿色发展，2015年以来，农业农村部一直在推行以秸秆-粪污资源化利用，减肥减药和有机肥替代等为主要内容的绿色能源战略行动。农业中大量施用的化肥，既是农业温室气体排放的主要来源，又是各大水系农业面源污染的主要来源。结合秸秆、粪污资源化利用，将减肥与有机肥替代结合，将秸秆炭化与炭基肥结合，既是农业碳中和战略的可能抓手，又提供了化肥转型和农业优质健康生产结合的新机遇。目前，以秸秆生物质炭为基础，全面发展炭基有机肥、炭基复合肥和炭基液体肥而替代基于煤化工的各类肥料的产业技术日渐成熟，“炭化肥料”可能在中国率先实现，并以中国式农业碳中和战略和技术体系引领世界潮流。期望本团队的研究和技术发展能为这一潮流的到来作出力所能及的贡献。

       我们热忱欢迎科学界、产业界和农业主管部门的批评指正和垂询交流。

IREEA

撰   稿：卞荣军

编   辑：尚明月

校   审：潘根兴

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