生物炭（或生物质炭Biochar-biocharcoal）是近 年来在农林、环境、能源等研究领域较为受关注的 新名词^[1,2,3]，是生物质（或生物有机材料）在无氧或低 氧环境中高温热裂解后的产物。对生物质炭研究的重 视源于对巴西亚马逊河流域中部黑土（Terra Preta de Indio）的认识^[4,5]，研究发现富含木炭的土壤比临近无 木炭土壤具有更高的肥力，且其在土壤中保存已有数 百数千年的历史，这一发现激起了科学家研究生物炭 在提高土壤肥力和减缓大气温室气体浓度升高领域 的极大兴趣。将废弃生物质材料热裂解生产生物炭， 还可获得生物油和混合气体等副产品^[6,7]，可进一步升 级加工成化学品和氢气^[8,9]，增加废弃生物质资源的附加值，实现废弃生物质资源的有效管理和合理利用^[10]。 为加强和推进生物炭技术研发和在农业及全球气候 变化中的作用研究，国际科学家发起了“国际生物炭 行动”计划（International Biochar Initiative），英国成立 了生物黑炭研究中心（UKbiochar research centre）^[11]，中 国对生物炭的研究则刚刚起步^[12,13,14]。研究表明，生物炭 富含有机碳，且结构稳定^[15]，施入土壤可提高土壤稳 定性碳库，改善土壤质量，可作为农业应对气候变化 的增汇途径^[16] 。生物炭具有较强的离子吸附交换性 能^[17]，且本身具有一定的矿质养分^[18]，施入土壤可改 善土壤阴、阳离子交换量，提高土壤保肥性能，改善 土壤养分状况，提高作物产量^[15,20,21]。但也有研究报道 称，由于生物炭60%以上为碳素^[21]，矿质养分含量较低， 施入土壤往往会提高土壤C/N，降低土壤养分尤其是 氮素养分的有效性^[22]，单独施用生物炭在多数土壤上 会导致当季或几季作物无增产效应，甚至减产^[23,24]。 因此，将生物炭与肥料复合制备成生物炭基肥料成 为生物炭农用的一个新的发展方向。Khan^[25]用木炭在 NPK 肥料溶液中通过吸附法制备生物炭基复合肥， NPK养分均呈缓慢而恒稳释放，卢广远等^[16]采用粘合 剂将炭粉与化学肥料复合制备成炭基肥料，对玉米具 有较好的增产效应。由于氮肥是作物生产中用量最 大、增产作用明显且环境风险较大的肥料^{[26,27,28,29]}，本研究 在实验室采用一定工艺小试制备两种生物炭基硝酸 铵肥料，并采用盆栽试验研究生物炭基氮肥、生物炭 材料对土壤pH值、CEC、土壤速效养分以及小麦、糜 子作物产量的影响，以期为生物炭农用及炭基肥料在 作物上合理应用提供科学依据。

供试材料共4 种：竹炭材料（Bamboo charcoal，简 称BC）、木炭材料（Wood charcoal，简称WC）、竹炭基 氮肥（Bamboo charcoal-based nitrogenous fertilizer，简 称BAN）、木炭基氮肥（Wood charcoal-based nitrogenous fertilizer，简称CAN）。其中BAN、CAN 分别由通过1 mm 筛孔的竹炭材料（BC）、木炭材料（WC）置于一定 浓度硝酸铵水溶液中吸附平衡24 h后，60 益恒温鼓 风干燥箱烘干用塑封袋保存备用。BC、WC 材料均系 市场采购。供试材料部分理化性质如表 1。

表 1 生物炭及炭基氮肥基本理化性质 Table 1 Elementary chemical and physical properties of biochars and biochar-based nitrogenous fertilizers in the pot trial experiment

表选项

供试土壤分别采自陕西省杨凌示范区二道塬塿土（记作S1）、陕西省杨凌示范区渭河河滩新积土 （S2）。根据国际制土壤质地分级标准土壤S1、S2的质 地分别为砂质壤土和壤质砂土，其基本性质如表 2。

表 2 供试土壤理化性质 Table 2 Elementary chemical and physical properties of soil used in the pot trial experiment

表选项

盆栽试验作物品种为西北农林科技大学选育的 小麦（小偃-22 号）和宁夏固原市农业科学研究所选 育的糜子（宁糜-14号）。

室外盆栽培养试验，两种土壤分别各设6 个处 理，即：对照（施磷、钾肥，记作CK）、对照硝酸铵肥料 （施用氮、磷、钾肥，记作AN）、竹炭材料（施用磷、钾肥 及竹炭材料，记作BC）、木炭材料（施用磷、钾肥及木 炭材料，记作WC）、竹炭基氮肥（施用磷、钾肥及竹炭 基氮肥，记作BAN）、木炭基氮肥（施用磷、钾肥及木 炭基氮肥，记作CAN）。每处理4 次重复，每盆装土量 5 kg。氮、磷、钾肥分别为分析纯硝酸铵、磷酸二氢钙、 硫酸钾，按225 kg·hm^-2 纯氮，180 kg·hm^-2 P₂O₅，150 kg·hm^-2 K₂O 的标准施用，竹炭、木炭、竹炭基氮肥、木 炭基氮肥则均按等炭量施用。

盆栽试验进行了两季，第一季为小麦，第二季为 糜子。小麦于2010 年10 月17 日种植，2011 年5 月 20 日收获；糜子各施肥处理同小麦，于2011 年6 月 15 日种植，2011 年7 月23 日收获。在小麦苗期和糜 子生长前期各处理统一间苗，以保持各盆中植株数相 等，作物生长期间统一标准管理。作物收获后立即采集土样，每盆布四点采用打土钻法采样。

土壤pH值电位计测定，水颐土为2.5颐1；土壤阳离子 交换量（CEC）乙酸铵交换法；土壤有机碳重铬酸钾- 外加热法；土壤速效磷（Olsen P）0.5 mol·L^-1 NaHCO₃ 浸提-分光光度法；土壤速效钾NH₄OAc 浸提，火焰光 度法；土壤矿质态氮（硝态氮与铵态氮之和）1 mol·L^-1 KCl 浸提-流动分析仪测定法；作物干物质重量法测 定。

上述测定方法均参考鲍士旦主编的土壤农化分 析^[30]。

数据统计分析采用Excel 2003 函数功能及DPS7.05 软件统计分析作图。

由表 3看出，连续种植小麦和糜子两季作物后， 施用生物炭及生物炭基氮肥处理的两种土壤pH值均 高于对照土壤，说明施用生物炭及生物炭基氮肥可在 一定程度上降低土壤酸度，提高土壤pH。

表 3 不同施肥处理对土壤pH 值和CEC的影响（小麦季+糜子季） Table 3 Effects of experimental treatments on soil pH and soil CEC（wheat and pearl millet）

表选项

在小麦季，对于土壤S1，单施BC、WC 的土壤pH 显著高于CK 和BAN、CAN处理的土壤pH，与AN 处 理土壤pH差异不显著。硝酸铵为强酸弱碱盐，其水溶 液为酸性，但本盆栽试验中施用硝酸铵（AN）处理的 土壤pH却高于不施用硝酸铵处理（CK）的（小麦季土壤S2 和糜子季土壤S1、S2 均有此现象），这可能和作 物生长和施肥措施有关。施用BAN 和CAN 的土壤 pH 也显著高于对照土壤，但其增幅低于单施BC 和 WC 的土壤，这说明生物炭与氮肥复合有缓和单施生 物炭急剧提高土壤pH 的问题。对于土壤S2，单施 BC、WC的土壤pH显著高于对照土壤、施AN土壤及 施BAN 和CAN 的土壤，施用BAN、CAN 的土壤pH 也显著高于CK 土壤，但与AN处理的土壤pH相当。

在糜子季，对于S1 和S2 两种土壤，单施生物炭 均能在一定程度上降低土壤酸度，提高土壤pH，施用 生物炭基氮肥也可在一定程度上提高土壤pH，但增幅 低于单施生物炭的增幅。试验所用BC、WC的pH值分 别为9.18 和8.73，有较强碱性，负载上硝酸铵化学肥 料后，其pH值显著降低，分别降低至7.0 和6.78，接近 中性，这也是生物炭基氮肥对土壤pH改变比单施生 物炭要缓和的原因。

由表 3还可看出，对于同一土壤下的同一处理， 种植糜子后的土壤pH 均小于种植小麦之后的土壤 pH，这可能是因种植作物不同所导致。我们知道土壤 具有一定抵抗土壤溶液中H⁺、OH^-浓度改变的能力（即 土壤缓冲性），由于土壤具有缓冲性，使得土壤酸碱度 变化可稳定保持在一定范围内，不致因环境条件改变 而产生剧烈变化。而本试验中，施用生物炭处理土壤 S1和S2的pH与对照土壤相比变化较大，究其主要原 因可能是本研究为盆栽试验，盆内装土量有限，使得土 壤缓冲性能减弱。因此，生物炭及生物炭基氮肥对土壤 酸碱性的调整是个长期过程，需要长期盆栽和大田试验数据支持。

土壤CEC 是衡量土壤肥力的重要指标，可直接 反映土壤吸持和供给可交换养分的能力。

由表 3 可看出，在小麦季，对于土壤S1，单施生 物炭处理的土壤CEC 高于对照土壤，但差异不显著， 略低于AN 处理的土壤CEC，差异亦不显著，施用生 物炭基氮肥处理的土壤CEC 显著高于对照土壤，但 与AN 处理土壤CEC相当。对于土壤S2，单施生物炭 处理的土壤CEC 同对照土壤CEC 含量相当，却显著 低于AN 处理的土壤CEC 含量，这与土壤S2 本身肥 力低，CEC含量较低有关。而施用生物炭基氮肥处理 的土壤CEC 显著高于对照土壤、AN 处理土壤及单施 生物炭处理的土壤CEC。在糜子季，对于土壤S1，施 用生物炭基氮肥及生物炭处理的土壤CEC 均在一定 程度上提高了土壤CEC量，但差异不显著。对于土壤 S2，木炭基氮肥处理的土壤CEC 显著高于对照土壤， 但同竹炭基氮肥和AN 处理差异不显著，单施生物炭 处理的土壤CEC略高于对照土壤但差异不显著。

由表 3还看出，对于同一土壤下的同一处理，糜 子种植后的CEC 量均高于小麦种植之后的土壤CEC 量，但增幅不大，这主要因为生物炭对土壤CEC 的改 善作用与其和土壤相互作用的时间长短有关，随其 在土壤中作用时间延长，生物炭经生物和非生物氧 化会在生物炭芳香碳族结构的边缘产生羧基及羟基 等离子交换官能团，从而导致土壤CEC 增大^[31]，进而 改善土壤保水保肥能力。然而，本研究盆栽试验仅持 续两季，生物炭与土壤作用时间有限，目前尚未观察 到土壤CEC 明显增大的趋势，这需要进一步长期试验研究来观察。

土壤有机质是评价土壤肥力高低的重要指标之 一，是陆地生态系统中重要的碳汇，同时也是植物 生长所需营养主要来源之一，可改善土壤团聚体结 构、土壤通气性、透水性，促进土壤微生物活动等，从 而提高土壤保肥性和缓冲性，促进植物生长发育。研 究表明，生物炭为稳定芳香环结构的碳^[32]，虽然其 分子化学结构不同于有机质或腐殖质，但施入土壤 同样可提高土壤有机碳含量^[33,34]，起到改良培肥土壤 的作用。

由图 1 看出，在小麦季，对于土壤S1，各处理土 壤有机碳含量为CAN>BAN，WC>BC，各处理均高于 CK，但差异不显著。对于土壤S2，单施BC、WC 和 BAN、CAN 的土壤有机碳含量均显著高于CK，且施 BAN 和CAN 的土壤有机碳含量均显著高于相应 BC、WC 处理的有机碳含量。在糜子季，对于土壤S1， 单施BC、WC 的土壤有机碳含量均高于相应施用 BAN、CAN 的土壤，且高于AN处理的土壤有机碳含 量，但差异均不显著，施用BC、WC 及BAN、CAN 的 土壤有机碳含量显著高于CK。对于土壤S2，施用 BAN 和CAN 的土壤有机碳均高于相应单施BC、WC 的土壤有机碳含量，但差异不显著。施用WC 及CAN 的土壤有机碳含量显著高于CK，但同AN 处理差异 不显著，施用BC 及BAN 的土壤有机碳略高于CK 但 差异不显著，却显著低于AN处理。

同一土壤的柱状图上不同小写字母表示P<0.05水平差异显著。下同 图 1 生物炭及生物炭基氮肥处理的土壤有机碳含量 Figure 1 Soil organic carbon of soils received with biochars and biochar-based nitrogenous fertilizers

图选项

由图 1 还看到，连续种植两季作物，同一土壤上 糜子季各处理土壤有机碳含量均高于小麦季相应各处理，且两季作物中各处理土壤有机碳含量均高于原 始土壤有机碳含量（S1 土壤有机碳含量为5.59 g·kg^-1、 S2 土壤有机碳含量为2.42 g·kg^-1），这除了土壤处理 中未能分离出去的极细小的植物残体所致外（S2 土 壤中的CK、AN 处理），随着生物炭及生物炭基氮肥 的逐季施入，土壤中累积的生物炭增多，附着于土壤 表面上的极细小的生物炭颗粒可能是土壤中有机碳 含量增大的又一原因。由于生物炭结构稳定，在土壤 中很难被氧化，短暂的盆栽作物试验，尚不能确定有 多少外引生物炭转化为土壤结构中的碳。但是，这种 将生物炭引入土壤的行为，至少可将生物质俘获固定 的二氧化碳以稳定的生物炭形式封存于土壤中，有助 于降低大气中的二氧化碳水平，这对减缓温室效应具 有重要意义。

由表 4可看到，施用生物炭和生物炭基氮肥可在 一定程度上改善土壤速效养分状况。在小麦季，对于 土壤S1，单施BC 和WC 的土壤同对照土壤和AN 处 理的土壤比较可显著提高土壤速效磷、速效钾含量， 却略降低了土壤矿质态氮含量，说明单施BC、WC 不 能有效补充土壤氮素养分，也不能有效促进小麦对土 壤磷、钾素的利用，反而有吸附保持土壤有效磷、钾的 作用。由于补充了氮素，施用BAN 和CAN 的土壤同 单施BC 和WC 的土壤相比，矿质态氮含量显著增 大，速效磷含量显著降低，速效钾含量略有增大，但差 异不显著。施用BAN 和CAN的土壤同AN处理土壤 相比，土壤矿质态氮含量显著增大，土壤速效磷略有 降低但差异不显著，土壤速效钾含量显著提高，这均说明在小麦种植季节中生物炭对土壤钾素有较强的 吸附作用，而对磷的吸附作用较弱。对于土壤S2，单 施BC 和WC 的土壤同施用BAN、CAN、AN 土壤及 CK 土壤相比，土壤矿质态氮含量显著降低，土壤速效 磷、钾含量显著增大。这说明氮素是砂土的制约性养 分，单施BC、WC 并不能有效补充氮素养分，也不能 促进作物对土壤磷、钾素的利用，反而有吸附保持土 壤有效磷、钾的作用。单施BC、WC 后土壤有效磷、钾 水平反而高于施用BAN 和CAN的土壤，另一方面也 说明施生物炭基氮肥有助于作物在砂土土壤上对土 壤磷、钾素的吸收利用。

表 4 生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤速效养分的影响（小麦季+糜子季）/mg·kg^-1 Table 4 Effect of biochars and biochar-based ammonium nitrate fertilizer on soil available nutrients（wheat and pearl millet）/mg·kg^-1

表选项

在糜子季，对于土壤S1，单施BC、WC 的土壤同 CK 土壤和AN 处理土壤相比，土壤矿质态氮含量 显著降低，而土壤速效磷、钾含量显著增高，同样说明 单施生物炭并不能有效补充土壤氮素养分，不能有 效促进小麦对土壤磷、钾素的利用，反而有吸附保 持土壤有效磷、钾的作用。施用BAN、CAN 的土壤同 单施BC、WC 的土壤相比，土壤矿质态氮和速效钾含 量均略有提高但差异不显著，而土壤速效磷含量显 著降低，说明生物炭基氮肥可促进糜子磷素养分吸 收，同时也说明补充氮素后土壤养分得到平衡更有利 于糜子生长和养分元素的吸收利用。对于S2，单施 BC、WC 的土壤同AN 处理土壤和BAN、CAN 处理土 壤相比，土壤矿质态氮含量降低，土壤速效磷、钾含量 却显著增加，且单施生物炭后的土壤其土壤速效磷、 钾含量显著高于施用生物炭基氮肥的土壤。这充分说 明在糜子种植季，生物炭对土壤磷、钾具有较强的吸 附作用。

由图 2可知，对于小麦季作物，在土壤S1 各处理 中，施用WC 的小麦产量最高，较CK 处理增产了 46.6%，较AN 处理增产了27.83%。施用BAN、CAN 的小麦较CK 处理分别增产了22.16%和10.70%，差 异不显著。WC 处理中氮素为限制因素，而其小麦产 量却高于氮、磷、钾养分更齐全的BAN 和CAN 处理 的小麦产量，究其原因可能为木炭结构或木炭中某一 或某些养分可促进小麦分蘖（分蘖前各处理小麦株数 一致），进而促进小麦生长和产量增加。而BC处理的 小麦较空白处理减产了11.08%，较AN 处理减产了 22.46%。在土壤S2 各处理中，BAN 处理的小麦产量 最高，较CK 处理增产了224.91%，差异极显著，较 AN处理增产了6.41%，差异不显著。AN、CAN 处理分 别较空白增产了205.34%和127.67%，差异极显著。 单施BC、WC 也在一定程度上增加了小麦产量，较空 白处理分别增加了24.73%和18.51%，但差异不显 著。说明不同土壤上单施生物炭增产效应不稳定， 而施用生物炭基氮肥的增产效应较显著。

图 2 生物质炭及炭基硝酸铵肥料施用对小麦、糜子产量的影响 Figure 2 Effect of biochars and biochar-based ammonium nitrate fertilizer on yield of wheat and pearl millet

图选项

糜子季作物，对于土壤S1 各处理，AN 处理糜子 产量最高，较空白处理增产了197.70%，差异达极显著 水平，其后依次为BAN、CAN 处理，分别较CK土壤增 产了185.47%和108.49%，差异极显著。单施BC、WC 较CK处理增产了44.90%和4.03%，差异不显著，而较 AN处理减少了51.33%和65.06%。在土壤S2各处理 中，CAN处理糜子产量最高，较CK 增产了514.69%， 差异达极显著水平，较AN 处理增加了18.64%，差异 不显著。BAN 处理次之，较CK 土壤增产了464.69%， 差异显著，较AN处理增加了8.99%，差异不显著。而 单施BC、WC 糜子产量较低，分别较CK 处理减产了 28.75%和20.94%，原因主要是试验所用的BC、WC 含矿质养分较低，对作物生长的直接养分作用有限，而且 两者的含碳量很高，施入土壤可增大土壤C/N，降低土 壤养分有效性，尤其是土壤氮素有效性，从而影响作物 对氮素吸收，进而影响作物产量。

小麦、糜子两季作物盆栽试验结果表明：在不同 土壤或不同作物上施用生物炭基氮肥的生物肥效较 好，增产效应显著，而单施生物炭，作物增产不显著甚 至减产，这主要同生物炭矿质养分含量低、碳量高，降 低土壤养分有效性，尤其氮素养分有效性有关。

本研究以两种不同质地土壤为供试土壤，以小麦 （小偃-22）、糜子（宁糜-14）为供试作物，以硝酸铵试剂 为对照肥料，研究了两种生物炭、两种生物炭基氮肥在 这两种作物上的应用效果。结果表明，施用生物炭、生 物炭基氮肥均可在一定程度上改善土壤部分性质和养 分状况，但基于作物经济产量、土壤质量及环境等综合 因素考虑，施用生物炭基氮肥的应用效果更好。

本试验所用竹炭、木炭、竹炭基氮肥、木炭基氮肥 均可调节土壤pH值，但竹炭基氮肥和木炭基氮肥对 土壤pH值调节更缓和，这是由于氮肥负载，降低了生 物炭的碱性，使其pH值趋向中性，这使得生物炭基氮 肥适应的土壤和作物更广泛。生物炭表面含有丰富 的-COOH、-COH和-OH等含氧官能团，这些含氧官 能团所产生的表面负电荷使得生物炭具有较高的 CEC，因此施入生物炭可提高土壤CEC。试验所用竹 炭基氮肥、木炭基氮肥为吸附工艺制备，氮肥硝酸铵 与竹炭、木炭间未发生化学变化，竹炭、木炭表面的化 学官能团也并未发生改变，即负载氮肥后的竹炭、木 炭并不会影响其对土壤CEC 的改善。但生物炭对土 壤CEC 的改善还与生物炭在土壤中的老化时间或氧化程度有关，随其在土壤中作用时间延长，生物炭经 生物和非生物氧化会在生物炭芳香碳族结构的边缘 产生-COOH及-OH等离子交换官能团，从而导致土 壤CEC增大。然而，本研究盆栽试验仅持续两季，生 物炭与土壤作用时间有限，目前尚未观察到土壤CEC 明显增大的趋势，这需要进一步长期试验研究。生物 炭属高碳聚合物，施入可提高土壤有机碳含量，Terra Preta土壤充分表明生物炭是能稳定提高土壤有机碳 水平的有机材料。试验所用的竹炭、木炭、竹炭基氮肥 及木炭基氮肥，无论在肥力稍高的砂质壤土上还是肥 力较低的壤质砂土上，均能在一定程度上提高土壤中 有机碳含量，且随着生物炭及生物炭基氮肥逐季施 入，两土壤各处理中有机碳含量逐渐增大。由于生物 炭结构十分稳定，在土壤中很难被氧化，短暂的盆栽 作物试验，尚不能确定有多少外引生物炭能转化为土 壤结构中的碳，而各处理土壤中有机碳随逐季施入其 含量逐渐增大主要是由夹杂或吸附于土壤颗粒上极 细小的生物炭颗粒所致。但是，从环境角度看，这种将 生物炭引入土壤的行为，至少可将生物质俘获固定的 二氧化碳以稳定的生物炭形式封存于土壤中，有助于 降低大气中二氧化碳水平，对减缓温室效应具有重要 意义。生物炭的保肥性能主要来自于生物炭对各离子 的吸附能力^[12]。本试验研究中施用竹炭、木炭、竹炭基 氮肥、木炭基氮肥均在一定程度上提高了土壤速效 磷、速效钾含量，说明生物炭对土壤中磷、钾具有一定 的吸附作用。而单施生物炭在不同土壤或不同作物上 矿质态氮含量均有不同程度地降低，这同生物炭高碳 量，施入土壤增大土壤C/N，降低土壤氮素有效性有 关。补充氮素后，即施用生物炭基氮肥的土壤矿质态 氮含量无论是小麦季还是糜子季均较对照土壤有不 同程度地提高。在本试验研究中，施用生物炭基氮肥 在肥力不等的土壤或不同作物上生物肥效较好，增产 效应明显，而单施生物炭，作物增产不显著甚至减产， 这主要同生物炭矿质养分含量低、碳量高，降低土壤 养分有效性，尤其氮素养分有效性有关。

基于生物炭对土壤化学性质、养分状况的改善， 作物生长对养分的需求，将生物炭与化学肥料复合制 备成生物炭基肥料，将是生物炭农用的新方向，也有 利于生物炭农用效益的发挥。生物炭基肥料农用不仅 解决了长期施用化肥对土壤结构、质量的破坏，且能 充分利用废弃生物质资源，减少对生态环境的污染和 破坏，更为重要的是作为二氧化碳俘获和碳封存剂的 生物炭农用可将碳封存于土壤中，这对于减缓大气温室气体浓度升高速度或降低大气温室气体浓度具有 重大的意义。

（1）竹炭、木炭与竹炭基氮肥、木炭基氮肥均可调 节土壤pH值，使土壤pH 值升高，生物炭基氮肥对土 壤pH值改变更温和。

（2）竹炭、木炭与竹炭基氮肥、木炭基氮肥均能显 著提高土壤有机碳含量，其中竹炭基氮肥、木炭基氮 肥还能显著提高土壤CEC、速效磷、速效钾、矿质态氮 含量，而施用竹炭、木炭却降低了土壤有效氮水平。

（3）施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥在壤土和砂土 上可显著促进小麦、糜子增产；而单独施用生物炭在 不同土壤上其增产效应不稳定甚至减产。

致谢：感谢农业部黄土高原农业资源与环境修复重点开放 实验室和农业部西北植物营养与农业环境重点实验室在试验 期间给予的帮助。