综述：生物炭改良对提高养分有效性及胁迫恢复力以实现可持续作物生产的影响

《Discover Agriculture》：Impact of biochar amendment on improving nutrient availability and stress resilience for sustainable crop production

　　

生物炭（biochar，BC）是一种通过农业生物质热解（pyrolysis）获得的稳定、富含碳的副产物，将其施入土壤代表了可持续作物生产中一个有前景的生态友好前沿领域。利用各种热解技术生产生物炭为农业残留物、林业废弃物和其他有机材料的管理提供了一种可持续策略。在土壤中施用生物炭（BC）可改善土壤结构和养分保持，同时作为有益微生物群落定殖的支撑栖息地，这些微生物群落可提高养分有效性和养分利用效率，从而减少作物对肥料的依赖。此外，生物炭的施用也已成为促进土壤碳封存（carbon sequestration）、固定重金属和有机污染物以及减缓温室气体排放的有效方法，从而有助于生态环境保护。目前，生物炭作为减轻气候变化引起的农业非生物和生物胁迫影响的潜在有价值投入也正受到关注。另外，单独施用生物炭或与有机物和/或有益微生物联合处理，代表了在不同农业生态条件下养分缺乏土壤中可持续作物生产的一种有前景的方法。然而，生物炭的有效性随原料类型、热解条件以及土壤-作物-气候相互作用而变化。因此，考虑所有这些因素的定制化方法对于最大化生物炭施用的效益至关重要。本综述通过将基本机制与应用成果联系起来，强调了当前的知识和技术挑战，以将生物炭-微生物创新转化为商业可行、环境可持续和气候适应性强的农业系统。

1 引言
随着全球人口增长，维持农业粮食生产成为重大挑战。高强度集约化农业导致土壤养分和有机质（OM）快速耗竭，气候变化进一步加剧了干旱等极端天气事件。同时，全球农业生产系统产生大量有机废弃物（OWs），其管理成为环境可持续性问题。生物炭（biochar，BC）是通过热解（pyrolysis）有机废弃物获得的稳定富碳产物，具有改善土壤结构、提高养分保持能力、促进碳封存及缓解非生物和生物胁迫的潜力。本文综述了生物炭生产策略、对土壤健康的影响、在缓解逆境和污染物修复中的作用，以及提升作物产量的途径，旨在为实现可持续农业和气候韧性提供理论支持。

2 用于生物炭生产的农业残余物
2.1 作物废弃物/残留物
作物残留物（CRs）是收获后留在田间的副产品，包括甘蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆等。全球每年产生大量此类废弃物，例如甘蔗渣约5亿吨，玉米秸秆约1162万吨（原文为百万吨？注意单位，我们谨慎表述），稻草约7.3亿吨。传统就地焚烧导致空气污染物（如氮氧化物NO_x、硫氧化物SO_x、二氧化碳CO₂、甲烷CH₄）排放及养分损失，而将其转化为生物炭是实现农业废弃物资源化和可持续发展的重要途径。

2.2 作物残留物的化学组成
作物残留物主要由纤维素（28–48%）、半纤维素（19–38%）和木质素（12–32%）等组成，比例因作物种类、生长条件和收获时间而异。工业分析可确定水分、挥发分、固定碳和灰分含量。其中固定碳含量对生物炭的碳封存潜力至关重要，挥发分含量则影响燃烧特性。理解这些组成有助于优化热解工艺，提高生物炭产率和性能。

2.3 利用农业生物质废弃物生产生物炭
农业生物质废弃物（ABW）可通过热解、气化、水热液化等热化学方法转化。根据操作条件，热解分为慢速、快速、闪速、真空、中间、加氢和微波辅助热解等。慢速热解（300–600°C，长停留时间）生物炭产率达35–45%；快速热解（>500°C，高升温速率）主要产物为生物油（60–70%），同时产生15–20%生物炭；微波辅助热解利用体积加热实现均匀升温，减少热损伤。热解温度显著