生物炭調控農業廢棄物堆肥過程的研究進展

張建國，高 雅，張繼寧，張鮮鮮，孫會峰，王 從，周 勝*

生物炭調控農業廢棄物堆肥過程的研究進展

張建國1，高 雅1，張繼寧2,3,4，張鮮鮮2,3,4，孫會峰2,3,4，王 從2,3,4，周 勝2,3,4*

(1. 上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093；2. 上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海 201403； 3. 上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201415；4. 農業農村部東南沿海農業綠色低碳重點實驗室，上海 201403)

生物炭以其富碳多孔的功能性結構而被應用于農業生態環境?？偨Y生物炭的酸堿性、比表面積和孔隙體積、灰分含量和陽離子交換量等主要性質，為其在農業領域的應用提供研究基礎?；诖?，從生物炭調控堆肥過程、促進物料中有機質的降解及腐熟、減少堆肥過程中的碳損失和氮損失、降低堆肥中重金屬的生物有效性以及提高堆肥肥效等6個方面綜述了生物炭改善農業廢棄物堆肥過程的研究進展，為生物炭在農業廢棄物堆肥中的應用提供思路和參考，并對其在堆肥系統中的應用進行了展望。

堆肥；生物炭；農業固體廢棄物；固碳；腐殖質

生物炭為生物質在限氧環境中，經高溫熱化學轉化產生的固體物質。根據生物質原料的來源不同，生物炭可以劃分為木炭、竹炭、秸稈炭和畜禽糞污炭等。根據不同的制備方法，生物炭可以劃分為熱解炭和水熱炭等。根據生物炭的不同結構形狀，可以劃分為成型炭（如球形炭、柱狀炭、片狀炭等）、碎料炭、粉末炭、微米炭和納米炭等[1]。制備原料及方法的多樣化產生了多種性質的生物炭，農業廢棄物來源的生物炭應用于農業廢棄物堆肥，將更加有利于農業廢棄物資源化，拓寬生物炭的應用方向。本綜述總結了生物炭的主要性質及其促進農業廢棄物堆肥資源化的研究進展，以期為生物炭在農業領域方面的應用提供指導作用。

1 生物炭的性質

生物炭的理化特性是開展其研究與應用的重要基礎。生物炭的主要性質包括pH、比表面積和孔隙體積、灰分含量和陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）等。

1.1 pH

生物質原料顯著影響生物炭的pH范圍[2-4]。常見的生物炭種類主要包括木本類、秸稈類和畜禽糞污類。其中，秸稈類生物炭的pH范圍在7.1～10.9之間[2]；畜禽糞污類生物炭的pH范圍在6.3～13.0之間[3]；而木本類生物炭pH范圍可以拓寬到4.6～11.6之間[4]。有文獻表明，500 ℃條件下豬糞制成的生物炭pH為10.6，而同樣溫度下的秸稈炭pH為9.8、谷殼炭pH為9.3、木炭pH為8.9[5-6]，這是由于這些生物質的結構不同。秸稈類生物質和木本類生物質由纖維素、半纖維素、木質素和灰分等組成。相對于木本類生物質而言，秸稈類生物質中纖維素和半纖維素的占比較高，而纖維素和半纖維素屬于多糖，經過高溫熱解易發生炭化。因此，在同一溫度下，秸稈類生物質制備的生物炭中灰分較多，pH較高；而木本類生物質制備的生物炭中灰分較低，pH較低。畜禽糞污類生物質屬于非纖維素生物質，灰分含量更高。由此可見，不同原料類型制備的生物炭的pH值表現為畜禽糞污類生物炭>秸稈類生物炭>木本類生物炭[7]。

生物炭pH也與熱解溫度密切相關。隨著熱解溫度升高，生物炭pH呈升高的趨勢。這主要是由于隨著熱解溫度的升高，生物炭的C-O鍵、C-H鍵和O-H鍵等減少，致使羥基和羧基等含氧官能團數量下降。因此，酸性官能團數量降低，而堿性官能團數量增加，造成生物炭的pH值升高[8]。例如，Zhou等[9]以廢藥渣為原料，在200～600 ℃熱解溫度條件下制備的生物炭隨著熱解溫度順序200、300、400、500和600 ℃，其對應的pH值分別為3.8、5.7、6.8、7.8和8.9。桉木在熱解溫度由450 ℃增至950 ℃時，其生物炭pH由5.3升至9.2[8]。此外，生物炭原料中的礦物質也對生物炭的堿性有貢獻。例如，生物炭原料中的CaCO3在高溫熱解時分解為CaO，造成了生物炭pH值較高[10]。

1.2 比表面積和孔隙體積

生物炭比表面積和孔隙體積的大小隨熱解溫度增加呈現規律性變化。熱解溫度升高，生物質原料的外表面經歷脫水過程。隨著脫水過程的不斷加劇，原料外表面呈凹坑狀，比表面積得以增加。由于生物質原料中的纖維素、半纖維素和木質素經歷了脫水和熱解過程，生物質內部結構被破壞而致孔壁變薄，大量微孔結構得以產生[11]。干豬糞經300～750 ℃熱解制備生物炭的比表面積、微孔比表面積、總孔體積和微孔體積均隨熱解溫度升高呈增加趨勢。例如，熱解溫度為300 ℃時的生物炭比表面積、微孔比表面積、總孔體積和微孔體積分別為0.8 m2·g-1、0.1 m2·g-1、0.005 m3·g-1和0.002m3·g-1；當熱解溫度提高為750 ℃時，生物炭比表面積、微孔比表面積、總孔體積和微孔體積分別升高到37.6 m2·g-1、26.0 m2·g-1、0.04 m3·g-1和0.01 m3·g-1。生物炭的比表面積、微孔比表面積、總孔體積和微孔體積分別增加了47、260、8和5倍[12]。

生物炭的比表面積也與生物質原料類別及其原料顆粒大小有關。不同原料制備的生物炭的比表面積表現為木本類生物炭>秸稈類生物炭>畜禽糞污類生物炭。這是由于畜禽糞污類生物質為非纖維素生物質，而木本類生物質中的纖維素、半纖維素和木質素占比較高，在經歷熱解過程后，生物質中的纖維素和半纖維素易發生炭化，形成了大量微孔，所以這類生物質會產生較高的比表面積。比如，Ahmad等[13]在700 ℃條件下制備的花生殼生物炭比表面積為448.2 m2·g-1，大豆秸稈生物炭的比表面積為420.3 m2·g-1；而同樣溫度下制備的雞糞生物炭的比表面積僅為50.9 m2·g-1[14]。生物炭的比表面積也與原料顆粒大小有關。Cybulak等[15]以小于0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm、2.0～5.0 mm和大于5.0 mm 5種不同顆粒的木材廢料為原料制備生物炭。生物炭的比表面積隨木材顆粒的增大也增加。當顆粒尺寸從小于0.5 mm增加至大于5.0 mm（增加10倍）時，生物炭的比表面積由89.9 m2·g-1增至109.9 m2·g-1（增加1.2倍）。

1.3 灰分含量

灰分含量表征生物炭中的可溶性鹽總量。一般通過馬弗爐灼燒的方法測定灰分?；曳趾康亩嗌倥c生物質原料有關。一般來說，不同原料來源生物炭的灰分含量表現為：畜禽糞污類>秸稈類>木本類。例如，同樣在700 ℃條件下，雞糞生物炭中的灰分含量為46.2%[16]；大豆秸稈生物炭中的灰分含量為17.2%[13]；而桉木類生物炭中的灰分含量僅為3.3%[17]。這是由于在這3類生物質中，畜禽糞污類生物質中的無機礦物質含量較高，制備所得的生物炭中的灰分含量也隨之增加。

電導率（Electrical conductivity，EC）在一定程度上可以反映灰分含量的多少。生物炭的EC與熱解溫度和生物質原料有關。就熱解溫度而言，在中低溫300～600 ℃條件下，生物炭的EC隨溫度的升高而增加。如以小麥秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和水稻秸稈為原料，分別在300、400、500和600 ℃下熱解制備生物炭[18]。這4種秸稈炭的EC值分別從4.11、5.0、7.4和3.9 mS·cm-1增至6.9、7.7、10.7和6.7 mS·cm-1，增加幅度分別為68.3%、54.0%、44.6%和71.8%。這主要是由于熱解溫度升高，生物質中的纖維素、半纖維素和木質素發生熱裂解，生成的無機礦物質溶于水后致使生物炭EC增加[19]。而在600 ℃以上的熱解條件下，生物炭的EC隨熱解溫度的升高而下降。這是由于生物質經歷了高溫熱解，P、Ca和Mg等會發生揮發損失，導致生物炭的EC下降。

生物炭的EC與生物質原料有關，不同原料來源生物炭的EC表現為：畜禽糞污類>秸稈類>木本類。例如，同樣在450～550℃條件下，雞糞生物炭的EC為7.6 mS·cm-1[20]；水稻秸稈生物炭的EC為3.9 mS·cm-1[21]；而竹炭的EC為0.25 mS·cm-1[22]。這是由于生物炭中的EC與灰分含量有關。Azargohar等[23]用小麥秸稈、鋸末、亞麻秸稈和雞糞等熱解制備生物炭，結果表明EC和灰分之間呈較好的相關性，且2＞0.85。

1.4 陽離子交換量（CEC）

CEC是衡量離子交換和吸附性能的主要指標，可以反映出生物炭表面的負電荷參數，其大小也決定了生物炭在堆肥過程或者土壤中對陽離子的持留能力。生物炭的CEC與生物質原料有關。丁思惠 等[24]以楊樹的不同組分（樹葉、樹枝和樹皮）為原料制備生物炭，300 ℃和700 ℃條件下，樹葉含有較高的CEC，這是因為相對于樹皮和樹枝而言，樹葉的碳含量較低而灰分含量較高。生物炭的CEC也與熱解溫度相關，隨著熱解溫度升高，秸稈生物炭的CEC呈增加趨勢。300、500和700 ℃條件下，秸稈炭的CEC分別為20.7、23.0和24.2 cmol·kg-1[24]。但也有研究表明，隨著熱解溫度升高，生物炭的CEC呈降低趨勢。Subedi等[25]以豬糞為原料，在400 ℃條件下制備生物炭的CEC為52.5 cmol·kg-1，而在600 ℃條件下制備生物炭的CEC降至18.6 cmol·kg-1。隨著熱解溫度的增加，秸稈炭CEC呈增加趨勢，而豬糞生物炭的CEC呈降低趨勢，這主要由于豬糞含有較多的灰分，在較高的熱解溫度下，生物炭表面的含氧官能團急劇減少，表面負電荷呈減少趨勢，致使CEC降低。

2 生物炭應用于農業廢棄物堆肥

堆肥指生物可降解廢棄物在好氧條件下經微生物降解發生礦（質）化和腐殖化作用，形成穩定腐殖質的過程[26]。堆肥不僅可以有效殺滅廢棄物中的病菌和蟲卵，而且能把廢棄物中含有的營養元素轉化為有機肥，直接用于農田。腐殖質具有改善土壤通氣透水以及加強土壤保水保肥的功能，而且腐殖質中含有穩定的碳素，長期施用可增加土壤中有機碳的含量[27]。因此，堆肥是將廢棄物轉化為土壤肥料和調節劑的有效手段。農作物秸稈和畜禽糞便是我國主要的農業固體廢棄物。據統計，2021年我國農作物秸稈年產量7.0億t，其中以水稻、玉米和小麥秸稈為主，占秸稈總量的76.0%。規?；B殖場畜禽糞污約24.0億t[28]。大量農作物秸稈的燃燒及未處置的畜禽糞污隨意堆放會造成環境污染和資源浪費。因此，秸稈和畜禽糞污需要被有效地資源化利用。而堆肥是一種易于操作、價廉、容易推廣、適合我國農業廢棄物資源化的方式。傳統堆肥技術存在的不足在于堆肥過程中氮素損失較多，占總氮的25.6%～42.6%，其中以NH3形式揮發是堆肥中氮素損失的主要形式，平均損失量占氮素損失總量的54.8%[29]。此外，傳統堆肥工藝主要考慮礦化和減量化，堆肥中約60.0%～70.0%的碳素被降解成CO2而釋放到大氣中[30]。氮素和碳素損失不僅增加碳排放，而且降低堆肥產品的營養品質[30]。

在農業廢棄物資源化利用及碳中和雙重背景下，廢棄生物質炭化后具有增加土壤肥力、提高作物產量和調控土壤中營養元素循環的作用，而且生物炭在堆肥中的應用，既可以在堆肥過程中發揮促進腐殖化而固碳的功效，最終隨堆肥產物還田后又可以改良土壤，為作物提供營養。生物炭在堆肥過程中的應用可以調控堆肥過程[31]、減少氮素損失[29]、增加堆肥產品碳素含量[31]，降低重金屬的生物有效性[32]，最終提高堆肥產品質量。但由于生物炭呈顆粒狀、粉狀或者塊狀，其在堆肥過程中的填充作用并不及秸稈或木屑。然而相對于秸稈或木屑而言，生物炭作為外源調理劑在堆肥中的作用主要表現在其多孔、疏水性和低密度特性能改善堆肥通氣狀況；其表面含有的羧基和羥基等官能團可以與腐殖質單體上羧基和羥基等官能團發生化學結合，或者生物炭含有的酚基官能團通過電子傳遞生成醌基，從而促進腐殖質的生成；其影響和調控堆肥微環境內微生物的菌群結構，最終會減少堆肥過程中的碳氮排放，吸附和降低重金屬的生物有效性。

2.1 調控堆肥過程

溫度是監測堆肥過程的主要參數。堆肥過程中物料在微生物的作用下發生降解，產生的能量以熱形式釋放，使堆體溫度升高，一般會達到50 °C以上[33]。畜禽糞污堆肥的堆體溫度高于50 °C，持續時間5～10 d，才能滿足糞便無害化衛生要求[34]。Zhou等[35]以豬糞和水稻秸稈為原料進行堆肥，堆體在5 d內達到50.0 ℃以上，嗜熱期持續2 d；而在該處理中添加秸稈生物炭，堆體溫度在第3 天可達50.7 ℃，且第1次的嗜熱期持續了5～6 d。Sanchez-monedero等[36]以雞糞和大麥秸稈為堆肥原料，當添加了木炭（木炭比例為原料混合物干重的3.0%）后，嗜熱期、中溫期和成熟期的堆體溫度平均值分別達64.0、42.7和19.7 ℃，相對于未添加生物炭的對照處理而言，堆體溫度分別提高了4.9、4.7和0.7 ℃。這是由于生物炭的高比表面積及多孔特性，促進了堆肥通氣而增加產熱量，最終提高堆體溫度。此外，由于生物炭填充了堆肥顆粒物質之間的空隙，降低了堆肥密度，減少了堆肥過程中的熱量損失并延長了高溫持續時間。

pH值是衡量堆肥產物酸堿度的指標。我國行業標準要求堆肥產品pH值應在5.5～8.5范圍（NY/T 525—2021）[37]。堆肥初期，微生物大量繁殖加速有機物料分解，有機氮被轉化為銨態氮在堆體中積聚，致使堆體pH升高；隨著堆體溫度升高，積累的銨態氮以NH3形式大量釋放，有機物分解過程中產生了小分子有機酸、無機酸等酸性物質致使堆體pH值下降；隨著堆肥過程的持續，小分子有機酸被分解以及局部缺氧造成硝態氮的反硝化作用，致使堆體pH值稍稍升高；堆肥末期堆體達到腐熟狀態，堆體的pH逐漸趨于穩定[38-39]。堆肥產物的pH值影響堆體內微生物的生長繁殖，在一定程度上反應了堆肥進程。Li等[39]在以豬糞和玉米秸稈的堆肥原料中添加5.0%的竹炭，研究表明相對于未添加生物炭的對照處理，整個堆肥過程中堆體pH值提高了0.3個單位。Ravindran等[40]研究了不同比例（3.0%、5.0%和10.0%）的竹炭添加量對豬糞堆肥的影響。結果表明與未添加生物炭的對照組pH相比，竹炭處理組的堆肥pH提高了0.9～1.0個單位。供試生物炭的堿性，致使堆肥產物的pH升高。

表1 生物炭提高堆體溫度和調控堆肥過程pH

表2 生物炭促進堆肥物料中有機質的降解及腐熟

2.2 促進腐殖化

堆肥的最終產物為腐殖質，主要由類胡敏酸和類富里酸組成[38]。腐殖質的組成和數量可以評價堆肥產品質量。一般來說，新鮮的堆肥混合物中類胡敏酸含量較低而類富里酸含量較高。隨著堆肥進行，混合物中的類胡敏酸含量逐漸增加而類富里酸含量逐漸減少[38]。由此可見，堆肥過程中類富里酸向類胡敏酸的轉化可以促進堆肥腐熟，提高腐殖化程度[42]。生物炭在堆肥過程中一方面可以通過增殖微生物和酶活性而促進有機物降解[43]；另一方面，生物炭本身含有類胡敏酸物質，可以促進堆肥產物中類胡敏酸物質數量的增加，進而提高堆肥腐殖化程度[44-45]。

Zhang等[46]在豬糞堆肥中添加木炭，基于三維熒光光譜的連續監測結果，堆肥的腐殖化程度增加。這可能是由于木炭含有羧基、酚羥基等含氧基團和類富里酸物質，這些基團會與腐殖質表面的化學基團發生反應，提高豬糞堆肥的腐殖化程度。而Wei等[47]在牛糞和玉米秸稈混合物中添加木炭后，基于胡/富比的檢測結果，并未發現木炭對牛糞堆肥過程的腐殖化程度產生促進作用。這可能是相對于胡/富比方法，三維熒光光譜檢測方法更加靈敏。此外，堆肥過程是一個復雜的反應過程，生物炭對堆肥腐殖化程度的影響取決于多種因素，如：生物炭類型和添加量、堆肥原料的類型和組成、調理劑的類型和添加量以及堆肥過程中的反應條件等。為了提高堆肥腐殖化程度，可以將生物炭與其他調理劑聯用。Wang等[48]將生物炭和沸石添加在豬糞和小麥秸稈的堆肥原料中促進了類胡敏酸含量的增加。這主要是因為沸石促進了礦化作用，而生物炭促進了腐殖化作用，二者的協同作用提高了腐殖質的質量。

表3 生物炭減少堆肥過程中的氮素損失

表4 生物炭減少堆肥過程中CO2和CH4排放

2.3 減少氮排放

堆肥中的氮素損失主要發生在堆肥高溫期，該期間微生物增殖以及有機氮礦化產生了大量的銨態氮。銨態氮在高pH和高溫條件下，以NH3形式釋放到大氣中[38]，造成了堆肥過程中的氮素損失。隨著堆體溫度下降堆體內氧氣含量不足，硝化作用和反硝化作用加強導致N2O產生[49]。而生物炭表面的官能團（-COO-、-OH-等）可以吸附堆肥過程中的NH4+、NO3-和氣體NH3以及抑制反硝化作用而減少NH3和N2O的排放[38]。Janczak等[50]在雞糞和小麥秸稈混合物中添加木炭的結果表明，5.0%和10.0%的木炭添加量減少了NH3排放，降低程度分別為30.0%和44.0%。He等[51]以豬糞和小麥秸稈為堆肥原料，添加10.0%的竹炭后，NH3和N2O排放量分別減少了10.4%～11.8%和1.3%～8.7%。

2.4 減少碳排放

堆肥物料中的有機碳降解后主要以CO2和CH4的形式而損失。其中，前者是主要的損失形式，占初始總有機碳的14.0%～59.0%；而以CH4形式損失的碳占比不足碳損失總量的6.0%[55]。研究表明，生物炭的添加可以減少CO2和CH4的排放，主要是由于生物炭增加了堆肥通氣量，減少厭氧氣囊的形成，從而減少了CH4排放[56]；生物炭降低了水溶性有機物的移動性，從而減少了CO2排放。Yang等[57]將秸稈炭投入到豬糞堆肥過程中，結果表明10.0%的秸稈炭添加量產生的CH4累積排放量為97.4 g，比未添加秸稈炭處理的CH4累積排放量（120.2 g）減少了23.4%。Awasthi等[58]研究了竹炭（2.0%～10.0%）對雞糞和秸稈堆肥過程中CO2排放的影響。結果表明相比未添加竹炭的對照組，10%的竹炭添加量減少了CO2排放，減少幅度達393.5%。

2.5 鈍化重金屬

農業廢棄物主要包括作物秸稈和畜禽糞污。一般而言，秸稈中較少存在重金屬風險。畜禽生長過程中Cu和Zn等的添加具有促進機體代謝、加速生長和抑制動物腸道有害微生物的重要作用，然而由于飼料中添加的重金屬和飼料原料中所含有的重金屬被畜禽吸收的比例只有5.0%～30.0%，絕大部分的重金屬隨著糞便排出。因此，重金屬在畜禽糞污中積累，而這種積累與畜禽種類、畜禽年齡以及畜禽糞污的收集方式和處理方式等有關。有調查表明，華東地區的規?；B殖場豬糞中的Cu和Zn含量分別為508.0和857.0 mg·kg-1；牛糞中的Cu和Zn含量分別為34.3和206.0 mg·kg-1[60]。

Zhou等[61]在豬糞堆肥中添加生物炭后，堆肥中的Cu、Pb和Cd的最大鈍化率可分別達95.0%、66.0%和69.0%。生物炭主要通過影響堆肥產物的理化性質以及與堆肥中的重金屬發生物理吸附、靜電作用、離子交換、沉淀或絡合等作用[62]，降低了重金屬在堆肥中的生物有效性和可遷移性。Beesley等[63]的研究表明，As、Cd和Zn等重金屬離子依靠物理吸附固定在生物炭表面或擴散到其孔隙內部而被包裹[64]。Jiang等[65]研究表明生物炭表面的大量負電荷通過靜電吸附增加了對Pb（II）的吸附。Mohan等[66]用木材或樹皮快速熱解制得的生物炭對Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和As（Ⅲ）的吸附機制主要是離子交換。Wang等[48]在堆肥過程中添加生物炭后，發現其結合位點易與Cu和Zn離子發生很強的絡合或配位作用，促進Cu和Zn與類富里酸絡合，并逐漸轉化為Cu和Zn與類胡敏酸絡合，增強了重金屬的被鈍化程度。Cao等[67]研究表明牛糞制備的生物炭含有大量的磷酸鹽，可以形成難溶的氫氧磷氯鉛礦，通過共沉淀作用從而有效地固定Pb。

表5 生物炭降低堆肥中重金屬的生物有效性

表6 生物炭增加堆肥產品養分

2.6 提高可利用性氮磷鉀

堆肥可以將廢棄物中含有的營養元素轉化為有機肥。肥效的衡量標準主要包括氮素、磷素和鉀素。堆肥產品中的氮素以蛋白質、氨基酸等有機態氮以及銨硝態氮等無機氮形式存在。磷素主要由核酸類、植素類和磷脂類為主的有機磷以及正磷酸鹽為主的無機磷構成。盡管不同形態的磷會相互轉化，但不會揮發損失。鉀素以無機態形式存在且較為穩定。生物炭的吸附性能對物料中的銨硝態氮及氣態NH3等有較強的吸附作用，因此堆肥產品中的氮素得以提高[10]。生物炭的增施促進了堆肥產品總磷中可被NaHCO3溶解的無機態磷逐漸解吸[47,69]，無機態磷在總磷中的占比得以提高。秸稈生物炭富含鉀素[10]，有利于提高堆肥產品中的鉀素含量。不同生物炭類型對堆肥產品中氮磷鉀養分含量的增效不一致，主要與生物炭原料和熱解溫度不同有關。相對于木本類生物炭而言，秸稈類生物炭灰分含量較高[10]，易于提高堆肥產品中的全量和速效養分。比如，檸條類生物炭對堆肥產品中全磷和全鉀含量增加幅度較低，僅為2.0%～2.2%和1.9%～4.1%[70]；而秸稈類生物炭投入后堆肥產品中全氮、全磷和全鉀含量可分別增加91.7%、52.4%和23.0%[71]。

3 研究展望

圖1凝練了生物炭的性質及其在堆肥應用中的研究展望。為推進生物炭在堆肥中的應用，首先應制定統一的生物炭制備標準；其次，堆肥中NH3和N2O及溫室氣體的產生和排放相互關聯，目前堆肥過程碳氮轉化機制尚不清晰，阻礙協同減排策略的優化。因此，需要穩定的示蹤技術解析微生物驅動機制，剖析碳氮轉化機制。再有，隨著農業農村部《生物炭基肥料》（NY/T 3041—2016）[72]和《生物炭基有機肥料》（NY/T 3618—2020）[73]行業標準的實施，積極創制針對特定類型的作物和土壤的專用肥料，并研究其對農田土壤的減排固碳效果。此外，研發復合添加劑與功能菌劑有利于實現堆肥過程中的精準協同減排。

圖1 生物炭的性質及其在堆肥研究中的展望

Figure 1 The properties of biochar and its prospects in composting research

2021年全國兩會的政府工作報告明確提出扎實做好碳達峰和碳中和的各項工作。農業農村部也積極倡導以生物炭基肥料和土壤改良劑為主要發展方向。實現“碳中和”的手段主要在于低碳技術的開發與應用，才能抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，通過正負抵消達到相對的“零排放”。如果農業固體廢棄物經過高溫熱解，可產生25%的生物炭歸還土壤，由于生物炭的化學和微生物惰性以及對土壤團聚體的物理保護使其成為土壤的惰性碳庫，而堆肥最終形成的穩定腐殖質施用于土壤也成為碳的凈匯。因此，生物炭在堆肥中的合理應用，以及生物炭基堆肥的產業化和規?；?、生物炭和堆肥協同輸入土壤，具有減少碳排放和固碳兩種功效，在“碳中和”進程中發揮重要作用。

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Research progress on biochar improving agricultural waste composting

ZHANG Jianguo1, GAO Ya1, ZHANG Jining2,3,4, ZHANG Xianxian2,3,4, SUN Huifeng2,3,4, WANG Cong2,3,4, ZHOU Sheng2,3,4

(1. School of Health Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093; 2. Institute of Eco-Environmental Protection Research, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403; 3. Shanghai Engineering Research Center of Low-carbon Agricultural, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201415; 4.Key Laboratory of Low-carbon Green Agriculture in Southeastern China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai 201403)

Biochar is widely investigated because of its functional, carbon-rich, porous structure, and used in agricultural environment field. This review summarized the characteristics of biochar samples for pH, surface area and pore volume, ash content and cation exchange capacity, providing basis for biochar application in the agricultural field. The study was reviewed from six aspects of biochar’s roles on composted with agricultural solid waste. Biochar could regulate the composting process, hasten the degradation and maturity of organic matter, reduce carbon loss and nitrogen loss, weaken the bioavailability of heavy metals, and enhance the nutrients in composting. This study aimed to provide references for the application of biochar in agricultural waste composting. Biochar application in composting systems was also prospected.

compost; biochar; agricultural solid waste; carbon sequestration; humus

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230625.016

2023-06-26 15:35:18

X71; S141.4

A

1672-352X (2023)03-0511-09

2022-05-30

上海市農委重點攻關項目 (2020-02-08-00-12-F01457)和國家自然科學基金(41601315)共同資助。

張建國，博士，教授，博士生導師。E-mail：jgzhang@usst.edu.cn

通信作者:周 勝，博士，研究員。E-mail：zhous@263.net

[URL] https://kns.cnki.net/kcms2/detail/34.1162.S.20230625.1520.032.html