综述：增强土壤肥力、养分回收和碳固存：生物炭、堆肥生物炭和生物炭-堆肥混合物在可持续农业中的作用

《Journal of Trace Elements and Minerals》：Enhancing soil fertility, nutrient recovery and carbon sequestration: the role of biochar, composted biochar, and biochar-compost mixtures in sustainable agriculture

本综述系统探讨了生物炭及其复合改良剂在土壤修复中的前沿应用。文章指出，生物炭（Biochar）通过其多孔结构和表面特性显著提升土壤持水能力（WHC）、阳离子交换容量（CEC）和碳固存（CO2sequestration），而生物炭-堆肥混合物可协同缓解盐胁迫（Na+吸附）和重金属污染（如Cd、Pb固定），并促进土壤微生物群落活性。作者强调，优化热解温度（200–700°C）和原料（秸秆、木材等）是提升改良剂效能的关键，未来需加强长期田间试验以推动农业可持续发展。

　　

生物炭：特性及其在植物生长和土壤改良中的作用

生物炭是一种富含碳和矿物质的多孔材料，其物理化学性质受原料（如木材、作物残渣）和热解条件（温度、时间）显著影响。它具有高比表面积、丰富的孔结构和表面官能团，能提升土壤阳离子交换容量（CEC）、持水能力和养分保留能力，进而促进植物生长。然而，单一生物炭可能因高剂量释放酚类物质而引发植物毒性，或通过强吸附作用降低氮、磷等养分有效性。

生物炭生产与特性

生物炭通过限氧热解生物质（如农业废弃物）制得。高温热解（>400°C）生成稳定性高、芳香化程度高的生物炭，利于碳固存和污染物固定；低温热解（200–400°C）则保留更多含氧官能团，更易被微生物降解并参与养分循环。原料类型直接影响生物炭的pH、电导率和元素组成，例如木质生物炭碳稳定性高，而粪基生物炭磷、钾含量更丰富。

生物炭在CO₂固存中的作用

生物炭通过其稳定的碳结构长期封存大气中的CO₂，减少温室气体排放。研究表明，小麦秸秆生物炭使土壤有机碳（SOC）提升36.3%，木质生物炭可降低CO₂排放达52%。其固碳效率与比表面积（>100 m²/g）、粒径（<0.045 mm）和孔隙度密切相关。

生物炭在养分回收中的作用

生物炭通过吸附和缓释机制减少养分淋失，提高氮、磷等元素利用率。其孔隙结构为微生物提供栖息地，增强土壤酶活性和养分循环。例如，硬木生物炭在盐胁迫土壤中提高玉米根系对钾的吸收，降低钠离子（Na⁺）毒性。

生物炭在盐渍土修复中的应用

盐渍土导致土壤结构恶化、微生物活性降低。生物炭通过吸附Na⁺和Cl^-离子、改善土壤团聚体和孔隙度，缓解盐胁迫。例如，松木生物炭使生菜在500 mM NaCl胁迫下干重增加，并促进钾吸收。此外，生物炭还能调节土壤微生物群落，增强耐盐菌群功能。

生物炭在堆肥中的协同增效

生物炭与堆肥混合使用（建议比例30:70）可克服单一应用的局限性。堆肥提供速效养分，而生物炭延缓养分释放、减少氨（NH₃）和温室气体（CH₄、N₂O）排放。复合改良剂还能加速有机质腐殖化，提高堆肥品质。

堆肥性能提升的机制

生物炭添加改善堆肥通气条件，促进微生物降解有机污染物（如多环芳烃PAHs）和固定重金属（如Cu、Zn）。其表面官能团与堆肥中养分结合，形成缓释载体，延长肥效。

堆肥微生物学调控

生物炭的孔隙结构为堆肥微生物（如解磷细菌）提供保护性栖息地，增强酶活性，加速有机质矿化。不同原料生物炭对微生物群落影响各异：木质生物炭促进真菌生长，粪基生物炭则提高细菌生物量。

重金属与有机污染物的钝化

生物炭通过静电吸附、配体络合等机制固定土壤中的镉（Cd）、铅（Pb）等重金属，降低其生物有效性。例如，鸡粪生物炭对Cd的固定率可达89%。对有机污染物（如农药、多氯联苯PCBs），生物炭作为“电子穿梭体”促进微生物降解，减少环境风险。

中长期土壤改良效果

生物炭-堆肥复合施用能持续改善土壤结构，提升水分和养分保持能力。长期田间试验表明，复合改良剂使玉米、小麦产量提高10–30%，并增强土壤抗侵蚀能力。但效果受土壤类型（如砂土、黏土）和施用剂量调控，需因地制宜优化方案。

未来展望

当前研究多集中于短期盆栽试验，未来需开展多气候区长期田间验证，并探索纳米生物炭等新材料在逆境农业中的应用。标准化生物炭生产工艺、明确微生物-植物互作机制，将是推动该技术规模化应用的关键。