CREST | 富营养生物炭在农业可持续发展中的应用

导 读

印度科学与工业研究理事会（CSIR）矿物与材料技术研究所Manish Kumar团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“富营养生物炭在农业可持续发展中的应用（Enrichment of primary macronutrients in biochar for sustainable agriculture: A review; 2022, 52(9): 1449-1490）”的综述。

富营养生物炭具有从废物中回收养分、提高土壤肥力、减少肥料投入，从而促进农业可持续发展的潜力。大量关于探索生产富营养生物炭肥料方法的研究已被报道。本文综述了关于富营养生物炭的生产、农业应用中的机制及其营养特性、现存挑战和未来前景。在大量营养元素中，富营养生物炭主要集中在氮（N）、磷（P）和钾（K）上，通过控制热解温度和特定原料，生物炭中总N、P和K含量高达10%、15.3%和25.8%。总体上，富营养生物炭在可持续农业发展中应用前景较大，并在促进生物炭工程适应特定土壤-植物-环境系统方面具有巨大潜力。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

生物炭是在缺氧环境下，通过有机物质的热化学转化产生的含碳固体材料，生物炭的特性主要受原料化学成分和生产条件的影响。生产富营养生物炭常用三种方法：1）直接热解，将营养丰富的原料直接热化学转化为生物炭肥料，热解温度是生物炭中营养物质富集的主导因素，300-400℃适用于N富集，700℃左右高温则适用于P和K。2）预热解，生物质在热化学处理（约600℃高温热解）前用富含养分的原料（例如矿物、化肥和工业废弃物、动物残体）进行处理后生产的生物炭肥料。该方法适用于生产特定生物炭肥料，例如富含多种宏观/微观营养元素的生物炭，用于特定的土壤-植物系统。3）后热解，生物炭在环境条件或温度调节下用富营养源（例如废水、废气）进行处理，以制备营养丰富的生物炭肥料，该方法的研究重点是利用生物炭作为低成本吸附剂从废水中回收养分，饱和后，负载养分的生物炭可作为土壤肥料，有助于减少营养元素污染和富营养化，促进养分循环。

图2 生物炭肥料不同生产方法示意图

从生物质转化为生物炭过程中N形态受生物质成分、热解环境和温度的影响。150℃热解温度下生物质原料中半纤维素和纤维素组分的降解引起N损失，随温度从250℃升至500℃，降解加剧，导致营养物质因挥发而大量损失。因此，环境中CO₂和较低的热解温度（300℃左右）有利于制备富N生物炭。

图3 生物炭肥料中热解引起N形态转化及其占比

在生物质热解过程中，P挥发一般在250℃以上，随热解温度升高，有机、无机和挥发性P化合物的比例发生变化。由于有机磷（磷酸单酯，主要为植酸）化合物转化为无机磷氧化物和金属（钙、镁、铁）磷酸盐，生物炭中P主要由无机磷组成。>700℃时，无机磷大部分转化为挥发性物质，导致其从生物炭中流失。

图4 生物炭肥料中热解引起P形态转化及其占比

>250℃时，K化合物发生炭化反应。500℃时，K的水溶性化合物转化为有机化合物，而500~700℃时，硅酸盐和挥发性化合物占主导。此外，温度升高到>700℃可导致K矿物分解和挥发，从而导致生物炭中K流失。

图5 生物炭肥料中热解引起K形态转化及其占比

目前关于富营养生物炭补充土壤养分和改善植物生长潜力的研究结果喜忧参半，关于热解温度和原料对生物炭提高土壤养分有效性和植物生长影响的规律尚不明确。施用生物炭可提高土壤水分的有效性、持水能力、土壤透气性、有机碳含量、微生物生物量和活性、酶活性及养分有效性，减少肥料投入。然而，有研究发现施用生物炭后可降低养分可利用性和作物生产力，这可能与植物养分吸收或土壤矿化减少有关。

总结与展望

通过选择特定的原料和采用适当的生产方法，可以生产出具有理想特性的富营养生物炭肥料。生物炭中营养元素的富集主要与原料特性有关，直接热解、预热解和后热解均可用于生物炭肥料的生产。对于生物炭中N富集，适宜于300-400℃低温热解；富P和K生物炭热解温度相对较高（约700℃）。富营养生物炭肥料可提高不同土壤（沙质、粉壤、粘壤、酸性土壤）肥力，并促进植物生长（如玉米、生菜、黑麦草等），主要取决于养分总量和有效态含量、土壤性质和植物种类等因素。此外，还需要进行长期研究，以评估施用生物炭对土壤健康（包括土壤生物群）以及相应植物生产力的需求。由于用于富营养生物炭的原料如污泥等含有重金属等有毒成分，因此应探索其其他用途，如矿山复垦、植被恢复。鉴于各种废物的持续可用性和特定的农业生态需求，分散生产富含营养元素的生物炭有更大的空间为农业可持续和社会经济发展做出贡献。

作者简介

第一兼通讯作者简介:

Adnan Asad Karima：印度科学与工业研究理事会（CSIR）矿物与材料技术研究所副研究员（Research Associate）。研究方向是生物资源利用、热化学过程、热解、生物炭、生物燃料和环境修复。已发表学术论文十余篇。

通讯作者简介:

Manish Kumar：印度科学与工业研究理事会（CSIR）矿物与材料技术研究所首席科学家（Principal Scientist）。主要从事废物处理的创新性应用方面的研究工作，研究兴趣包括生物炭、废物管理、重金属等污染监测、环境影响评价和气候变化。

|供稿：刘雪

|编排：曾镜羽

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