【研究】基于文献统计的农业领域生物炭研究现状

2016-08-24 张继宁等 农业环境科学

焦点关注
higher~
基于Web of Knowledge、中国知网和维普数据库，对文献数量、类别、国家、研究趋势及高被引论文国别进行了文献计量学分析。基于文献分析结果，从生物炭生产行业标准、生物炭基肥的研究、生物炭土壤改良长期效应和生物炭副产物的利用几个方面对生物炭在农业领域研究中存在的问题进行了剖析，明确了农业领域生物炭的研究趋势，展望了其研究前景，为科研与决策者提供参考。

小鱼

寄语：洗尽铅华呈素姿 <。)#)))≦

导语系小编个人看法，不代表本平台观点。

封面图片来源于网络，侵删。如有版权问题，请联系我们，24小时内删除。

生物质在厌氧或者绝氧的条件下进行热解，除生成CO₂、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质，还产生含碳丰富的固体物质，一般称为生物炭（Biochar/Black Carbon）。生物炭主要由芳香结构、烷基和单质碳组成，其表面含有羧基、羟基和芳香环等官能团。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）。生物炭因其碳组分高度芳香化而在土壤或沉积物中具有热稳定性和生物化学抗分解性。

制备生物炭的原料包括农业废物秸秆、穗芯、种皮、种壳、果皮、木工木屑、林木采伐废枝、果树修剪及换代枝条、动物骨骼等；农业废物畜禽粪便、水生植物、藻类和菌菇栽培废基质等；农业加工次级剩余物，如甘蔗渣、果渣、甜菜渣、大豆粕和菜籽粕等；生物利用及转化废物如沼液发酵渣、堆肥产物等；城市固体垃圾如污水厂脱水污泥等。农业是生物炭应用最广泛和较成熟的领域。合理利用各种农业废物制备生物炭有利于解决废弃生物质弃置、焚烧和随意排放的环境问题，实现农业废物资源化利用。

对生物炭的研究兴趣源于对南美洲亚马逊盆地黑土（Terra Preta）的认识，当地人们把它称为“印第安人的黑土壤”。2007年，第一届国际生物炭会议在澳大利亚举办后，生物炭获得统一命名为biocharcoal，文献中常缩写成biochar。生物炭具有比表面积大、多孔、自身容重小、稳定性高、带负电荷多、吸附能力强等特性，已成为全球科技工作者关注的热点。国内外科研工作者对生物炭在土壤改良，堆肥改良、作物生长、温室气体减排、受污染环境的治理与修复及其生物炭自身性质等方面进行了大量研究，并取得了一些重要研究成果。本文基于文献检索，叙述了生物炭在农业领域中的应用，分析了生物炭的研究趋势，阐明了我国在生物炭农用研究方面所处的位置，并提出了当前关于生物炭研究应用所面临的主要问题。

1 研究数据来源

本文以Web of Knowledge 数据库为数据来源，以“Biochar/Black carbon”为关键词搜索相关文献，再将文献下载到Endnote 文献管理软件后进行分析，手工剔除数据库中的重复收录的文献。检索的时间截至2015年8月，共得到相关文献2839篇。国内文献研究以中国知网和维普中文数据库为数据来源，以“生物炭和黑炭”为关键词搜索后进行手工剔除，共得到文献529篇。

2 文献检索结果与分析

2.1 基于Web of Knowledge 数据库的英文文献数量变化
Web of Knowledge 数据库中最早收录的生物炭文献是1998 年发表的“Chemchar gasification of hazardous wastes and mixed wastes on a biochar matrix”。随后，出现少量研究生物炭的文献。如图1 所示，自2006 年的3 篇文献开始，有关生物炭的文献数量呈明显地增加趋势。2014 年发表的有关生物炭的文献数量为881篇，为2010年、2011年、2012年和2013年文献数量的6.2倍、3.7倍、2.4倍和1.5倍。截止获得数据的2015年8月，有关生物炭的文献数量为537篇。

2.2 英文文献数量排名前十的国家以及每篇文献的引用数
全球关于生物炭研究的英文文献共来自90个国家和地区，发表文献总数前10名的国家如图2所示，其文献总贡献量为2266篇，占总文献数量的79.8%。排名前10的国家依次为美国、中国、澳大利亚、德国、西班牙、加拿大、英国、意大利、韩国和巴西，其文献总和分别占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%。

图2 也列出了排名前10 的国家中每篇文献平均引用次数。其中，英国的每篇文献平均引用数最多24.3。其次为澳大利亚（23.9）和美国（20.5）。引用次数最少的国家为巴西（7.5），韩国（9.0）和中国（10.7）。

2.3 基于中国知网和维普的中文文献数量变化
图3 为近5 年从中国知网及维普数据库检索得到的中文文献数量变化，可以看出国内生物炭在农业领域中研究的文献数自2009年以来逐渐增加，依次为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年的文献总量为2009年的15.4倍。截至2015年8月，国内研究生物炭农用的文献总量为199篇，预计2015年全年的文献总量超过2014年，有望突破300篇。

2.4 英文文献数量排名前5 的国家近5 年发表的文献数量
图2已经列出文献总数排名前5 的国家依次为美国、中国、澳大利亚、德国和西班牙。图3 对这5个国家近5 年的文献数量进行了统计分析，结果表明中国和美国的文献数量随着时间呈更加显著的增加；而澳大利亚、德国和西班牙的文献数量增长缓慢。中国的文献数量在2013年与美国的文献数持平，而在2014年增加到238 篇，为美国同期文献数的1.3倍。截至到2015年8月，中国文献的数量为136篇，其次为美国（120篇）、澳大利亚（36篇）、德国（42篇）和西班牙（27篇）。

2010 年至今，国内外关于生物炭的研究越来越多，关于生物炭的英文科技论文累计3 000 余篇；中文科技论文累计500 余篇；我国人员在生物炭研究方面的中英文论文共计1100 余篇。比较我国人员在国内外发表的文献数说明我国研究人员已将更多的研究成果展示到国外，引起了国际上科学家或者学者的关注，提升了影响力。然而我国研究学者的英文文章引用数较低，我国学者应在论文的数量和质量方面齐头并进。

2.5 英文文献种类的组成
图5 列出了基于Web of Knowledge 数据库中的关于生物炭研究的文献主要类型，其中数量最多的为研究型论文，占58.7%，然后依次是专利8.4%，会议论文3.3%，综述论文1.9%，其它文献占27.7%。其它的文献含书籍、学位论文和报告等。专利的份额继研究型论文后排名其次，表明研究工作者认为生物炭的研究技术具有很大的应用潜力。

3 研究展望

我国拥有丰富的农作物秸秆资源，年产量7.0 亿t，其中以水稻、玉米和小麦秸秆为主，占秸秆总量的75.6%。大量秸秆的燃烧、随意堆放造成环境污染和资源浪费。我国农林废物的高效处理处置及资源化利用是农业可持续发展的必由之路。2006 年，陈温福等提出了“农林废物炭化还田技术”理念，即将秸秆加工成生物炭，再施入农田，既可以改善土壤功能和促进土壤生态系统，也可以提高循环利用的安全性。通常，1t干秸秆热解炭化可以得到700 m³ 以上的可燃气、300 kg 生物炭和200～250 kg 木醋液。相对于秸秆还田，秸秆以生物炭的形式存在使土壤能够保存稳定态的碳，避免秸秆分解产生的CO₂排放于大气。

利用生物质废物原料制备生物炭不仅避免了环境污染，也是一种废物资源化的良好途径。基于文献检索的结果，国内外对生物炭的研究还处于起步阶段，为了促进今后的研究和实际应用，当前生物炭在农业领域的研究前景及有待解决的问题主要存在以下几个方面。

3.1 制定生物炭生产行业标准
生物炭的产量和性质随着原材料、地域来源、制备工艺条件和生产设备而有所不同。例如，木本植物热解制备的生物炭通常碳元素含量高，而矿质养分含量低；厩肥生物炭及秸秆生物炭则与之相反。在农村，有多种多样的制炭方法，最为简便和常见的制炭方法就是以“窑”（土窑、砖窑或钢制窑）的形式将生物质加温，在缺氧环境条件下热解而形成生物炭，俗称“闷炭”。其热解过程比较慢，目的是取得最大产量的生物炭。而在生物炭自身性质的研究论文里，很多不同来源的生物炭都是在实验室内有严格控氧技术条件下制备的，比如稻壳生物炭在严格控氧条件下，其灰分含量为6%～19%，而在窑里制备的稻壳炭灰分含量为28%。此外，生物炭的产量、性质及特征在不同的升温速率及反应时间条件下而有所不同。中速热解、快速热解和闪速热解条件下制备的生物炭产率在30%以下，主要获得生物油或混合气等生物能源；慢速热解、湿法热解和微波热解炭的产率均在30%以上，而且微波热解需要生物质含有较多含水量，才可获得较好的加热效率。生物炭的生产设备根据加热方式还分为内燃式和外热式2种。由于使用的生物炭具有多样性、研究手段的差异性而影响了研究结果的可比性，所以生物炭的制备工艺应该统一化，这就需要生物炭的生产制备应该有完善的标准体系。而生物炭的标准体系有利于判定生物炭产品的品质，根据要求选用合适的生物炭产品，也有利于生物炭产品作为改良剂或修复剂的大规模推广，为生物炭在我国大规模推广做好基础工作。

3.2 开展生物炭基肥的研究
生物炭基肥的原理是利用化学氮素或者氮磷钾元素与生物炭的基团反应，部分转化为有机结合态，进一步提高了生物炭对氮磷钾元素的保持和吸持作用及反硝化抑制作用，满足植物吸收的同时，减少了氮磷钾元素的淋失和排放。

生物炭可以促进堆肥过程中有机物料的降解和腐熟，所以添加生物炭既可以有利于废物的堆肥利用；而且生物炭本身可以作为肥料缓释载体，延缓肥料养分的释放，则最终含有生物炭的堆肥产品对恢复土壤肥力、提高土壤生产力具有积极作用。

生物炭与土壤肥料的融合可以为农业肥料的施用提供更多选择。Yao 等利用含Mg 的番茄秸秆生物炭回收废水中的磷，然后将含磷秸秆炭用于室内草籽萌发试验。研究表明，此生物炭添加组相比对照组的草籽健壮，发芽率提高53%～85%。李正东分别利用棉花秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳、花生壳和生活废物6 种生物炭按照生物炭∶尿素∶磷酸一铵∶氯化钾∶膨润土为12∶17∶10∶8∶3 的比例施用进行田间试验。以当地常规化肥施用为对照，利用炭基肥的小麦产量提高了20%～35%，氮肥利用率提高18%～34%。所以，相比较传统肥料的单独使用和多种类别共同施用的模式，生物炭不但可以提升肥料的市场竞争力，而且对于各项肥料在种类、质量等方面的调整也具有一定的推动作用。Oh等将橘皮炭、木炭和污泥炭浸泡在厌氧消化残渣中24 h，所得的生物炭基缓释肥用于莴苣栽培试验。结果表明，土壤持水能力增加，但是莴苣产量较常规缓释肥相比下降，水溶性K、Ca 和Mg的释放特性与常规缓释肥没有差别。原因在于生物炭缓释肥提高了土壤pH值，对莴苣的生长产生了抑制。所以，为了促进生物炭基肥的推广，目前对生物炭和肥料的复合肥料的施用方式应再进一步研究。

3.3 明确生物炭对不同区域和不同类型农业土壤的适用性和长期影响效应
目前在国内外，有关生物炭的研究还处于研究阶段，还没有实现生物炭的大面积推广应用。而生物炭作为土壤改良剂、堆肥改良剂及炭基肥应用研究虽然也有少量数月至数年的田间试验，大多数也是短期，温室、室内盆栽、土柱淋洗试验的研究结果。

生物炭在土壤中的长期施用可能会引起土壤微生物数量和活性的下降。章明奎将小麦秸秆和麦秆基生物炭分别以1%～2%的添加比例施入水稻土中，在温室培育2a，在2、6、12 和24 个月时分别取样，在培育前2个月，添加生物炭的土壤微生物量碳含量与对照相比有所升高，且基础呼吸强度高于对照土壤。但是在试验后期，添加生物炭的土壤微生物量碳含量较对照低48～80mg/kg，且各生物炭处理土壤的基础呼吸强度均显著低于对照土壤。土壤中易氧化态有机碳下降15%～25%，水溶性有机碳减少4～20mg/kg。这不仅与土壤类型有关，也与生物炭自身的化学物质组分及其性质或特征相关。生物质原料热解制备生物炭的过程中可使有毒有害物质，如多环芳烃（PAHs）、As、Cd、Pb 等发生富集。

我国的土壤类型复杂多样，生物炭在不同区域环境和不同土壤类型条件下，其自身氧化反应及其环境行为差异较大，应根据不同类型土壤筛选和制备适宜的生物炭。只有明确生物炭对不同区域和不同类型农业土壤的施用特点，生物炭才会成为良好的改良剂或修复剂，确保农业安全和生态安全。此外，生物炭施入农田后会长期留存于土壤并参与土壤各项生物地球化学循环。英国洛桑试验站于2009 年在Woburn农场启动了生物炭的长期定位试验计划。在我国，有必要建立生物炭应用于不同类型农业土壤的长期定位试验站点，以揭示生物炭对农田土壤生态系统可能产生的长远影响。

3.4 有效利用生物炭制作过程中所产生的副产物
生物炭在生产过程中也会产生木醋液和可燃气。每吨生物质能够产生200～250 t木醋液，数量巨大，如果不充分有效利用，会造成二次污染。木醋液成分包括酚类、酮类、醛类、酸类和醇类等多种类型的有机物，还有胺类等少量碱类物质及Na、Mg、Ca 和Fe 等无机物。Chen等发现在猪粪堆肥过程中，添加竹炭和竹醋液有效地减少了氮素挥发并钝化Cu、Zn 等重金属。胡春花等通过田间小区试验，发现施用木醋液可使设施土壤盐分含量分别降低4%～18%，供试青梗菜和菜心的产量增加33%～35%。灌施稀释倍数小于5倍的木醋液能够显著提高种植辣椒土壤的有机碳含量，可增加≥2mm和0.25～2mm级别土壤团聚体的数量。毛巧芝等利用干馏热解的方法，将杏树枝热解并分别在90～170℃、170～370℃和370～450℃3个温度段收集木醋液，以黄瓜炭疽病菌、葡萄霜霉病菌、棉花黄萎病菌、辣椒疫霉病菌和小麦赤霉病菌等5种农林业常见致病病菌为靶标菌，对所得到的木醋液进行抑菌活性研究。结果表明最强的收集温度为170～370℃，其主要化学成分为苯酚及其他酚类化合物，抑菌能力较强。所以，木醋液作为生物炭生产过程中的主要副产品之一，应推广其在农业生产上的应用和研究。此外，对于重金属含量较高的生物炭是否对土壤造成不良影响，即目前有关生物炭对环境负面影响的研究尚处于薄弱环节，应加强对其负面影响的研究，使生物炭的应用科学、环保和高效。

4 结语

有关生物炭的研究逐年增多，说明越来越多的研究人员认识到生物炭在土壤改良、堆肥改良、温室气体减排和污染土壤修复方面的优势。其中我国关于生物炭的文献数量的增多表明我国在此方面投入大，但是每篇文献的引用数较低也反映出研究水平有待于提高的问题。近年来关于生物炭在农业领域的研究趋势和研究方向已经出现，研究人员应该把握方向，为生物炭在农业领域的有效应用与推动现代农业可持续发展提供科学依据。