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摘 要：生物炭作为一种新型技术产品，近年来，随着农业、环境、能源等问题的日益凸显，已逐渐引起了众多学者的重视，对生物炭的研究也成为焦点。生物炭凭借其特有性质，在玉米生产中得到日益广泛应用。当前，国内外学者对生物炭及其在农用方面的应用已开展了许多研究工作，该文综述了生物炭在玉米生产中上应用的研究进展，以为生物炭的推广应用提供参考。
关键词：生物炭;农业;玉米;应用
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）14-0098-03
Abstract：Biochar as a new technology product，especially with the increasingly prominent problems of agriculture，environment，energy，etc.，has gradually attracted the attention of many scholars，and the research on biochar has become the focus.Biochar，with its unique properties，promotes agricultural production，especially in the process of corn planting.A lot of research work has been done on biochar and its application in agriculture at home and abroad.Many research results have promoted the progress of agriculture. This paper focuses on the application of biochar in corn production， provided theoretical basis for farmers to use biochar flexibly.
Key words： Biochar; Agriculture; Corn; Application
随着我国农业生产集约化進程的加速，在农业生产中大量施用化肥导致土壤板结酸化、土壤内营养元素含量降低等问题日益严重，在一定程度上阻碍了农业可持续发展和新型农业进程。中国是农业大国，玉米是我国主要的经济作物之一，不仅可以供食用，也是饲料、燃料、医药等的主要原料。玉米不仅含有丰富的脂肪、维生素和蛋白质，还含有植物纤维素、玉米黄质及胡萝卜素，在人类食品营养健康方面有着重要作用，具有很高的营养和保健价值。
1 生物炭概述
目前，生物炭作为一种新型秸秆资源开发利用的产物，受到了越来越多的学者的关注。生物炭与一般木炭不同，其含有的碳含量极高。生物炭，又称生物焦、生物黑炭，是指低氧高温的密闭环境中，通过将木材、农作物秸秆或禽畜粪便等有机物碳化而生成的具有稳定的性质及含有较丰富的官能团的固态物质[1]。在能源化工、环境、工业和农业等领域，生物炭均有所应用，如：生物炭在处理工业和生活中的污水方面具有较好的作用，可将污水中的重金属离子有效吸附，起到净化水质的作用。在植树造林时，每株穴内放置适量生物炭可以使树木扎根深，促进愈伤组织生长，从而有效地提高了树木的成活率。生物炭几乎是纯碳，在土壤中可以保存几百甚至上千年不会消失，具有结构多孔、比表面积大、官能团多样、不易在短时间内分解、较高的阳离子交换能力、理化性质稳定和具有较强的吸附和抗氧化能力等良好的结构特性与基础理化特性。生物炭内除含有丰富的碳，其中的钙、镁等矿质元素及碳酸盐物质含量也相当高，属于碱性物质。生物炭为多孔结构，富含微孔，可以有效地保存土壤中的水分，协调土壤中的水气关系，还可以提高土壤中的有机物和养分含量，避免土壤中营养元素的缺失并降低土壤的抗张力度和密度、提高土壤酶活性。由于生物炭独特的理化性质为作物的增产提供了保障，在新型农业的发展进程中越来越多的学者倾向于对生物炭的研究[2]。
2 生物炭在玉米生产上的作用
2.1 对玉米形态指标的影响 玉米茎秆和叶作为其营养器官，主要作用是吸收并贮存水分、矿质养料等，同时茎秆还具有固定玉米植株的作用，在玉米营养生长期和生殖生长期起着重要的作用。茎秆生长状况对玉米产量具有重要的影响。株高和茎粗是玉米形态指标中相对稳定的因素，主要由自身的性状表现来决定的，但受外界环境条件的影响也较为明显。将生物炭施入盐渍土中，可以利用其吸附功能和阳离子交换能力来降低土壤中的盐含量，减缓盐胁迫。因此，在盐胁迫阻碍玉米生长的条件下，玉米茎秆的生长可以依靠生物炭来协调[3]。生物炭作为一种新型的土壤重金属改良剂已被广泛研究，生物炭表面有大量的负电荷，含氧功能基团可以吸附和钝化重金属离子。故在重金属铅胁迫下，玉米茎秆的生长仍可以依靠生物炭来协调[4]。玉米在生长时期施用生物炭可以提高玉米茎秆中的钾含量和干物质含量，其茎粗和茎秆弹力等都有增强，提高玉米的抗倒伏能力[5]。若将生物炭的施用量控制在一定范围内，随着生物炭施用量的增加，玉米的茎粗、株高、叶长和叶宽等形态指标呈现上升的趋势。说明生物炭施用能够促进玉米植株的生长，对玉米的形态指标具有明显的影响。
2.2 对玉米叶片生理指标的影响 叶片不仅是玉米植株的营养器官也是同化器官，其主要作用是进行光合作用和蒸腾作用及养分运输。玉米光合能力的高低主要取决于叶片中的叶绿素含量，因而提高叶片中叶绿素含量有助于有效捕获光能，提高光能利用率[6]。叶绿素的多少取决于叶面积的大小，故玉米叶面积不仅决定着玉米籽粒源库关系中库的建成，还直接影响玉米的光合能力和产量。生物炭所具有的多孔结构和高矿质营养，不仅能够为玉米保水保肥，提供良好的土壤环境，还能为土壤中的微生物进行活动创造良好的场所，使土壤微生物的多样性和群落结构有利于玉米植株的生长，维持土壤结构的平衡，有利于土壤微生物改善土壤环境，吸收土壤中可利用的矿质营养转移到植物体内，缓解叶绿素的分解，促进玉米叶片光和色素的合成，继而提高玉米的光合作用能力[7]。在植物体生长过程中，膜脂过氧化会对细胞膜造成伤害，在植物体内由过氧化氢酶（CAT）超氧化物歧化酶（SOD）过氧化物酶（POD）等组成细胞酶防御系统，对活性氧动态平衡的维持和细胞内活性氧的消除起着重要作用，而施用生物炭可以有效增加玉米叶片中（CAT）、（SOD）、（POD）等的活性，降低玉米叶片中丙二醛（MDA）含量，防止细胞膜损伤[8]。通过施用生物炭可以提高叶片中叶绿素含量和相关酶的活性，促进玉米在生育后期的光合作用面积及时间的增加，使玉米植株的干物质积累增多，从而为提高玉米的后期产量奠定基础。 2.3 对玉米产量性状和产量的影响 随着新型农业的发展，国内外学者对生物炭的研究越来越倾向于农业方面。大量研究表明，生物炭在一定程度上能够提高玉米产量，但有关生物炭如何提高玉米产量性状和产量出现了不一样的见解。玉米植株对氮磷钾的利用率可以依靠施用生物炭来提高 [9]。氮磷钾是玉米生长发育过程中不可替代的元素，可有效可以提高玉米的产量。然而，氮磷钾等元素主要来源于传统化肥，在施肥过程中容易发生淋失现象，玉米并没有很好地利用。生物炭是一种良好的土壤改良剂和吸附剂，本身具有一定量的氮磷钾，而且土壤还可以利用其具有较大表面积和多孔结构的特点来增强对氮、磷、钾等离子的吸附能力，使其在土壤中稳定存在[10]，继而提高玉米植株对氮磷钾的利用率，使作物达到增产的效果。生物炭与传统化肥混合配施，不仅可以将其本身的理化性质充分利用，还能够提高玉米对传统化肥的利用率。生物炭对土壤中NO3-和NH4+具有一定的吸附作用，提高土壤中的pH，减少土壤交换性铝离子和交换性氢离子[11]。生物炭这一作用恰好弥补了传统化肥一次性施入土壤中，大量氮素淋失的缺点。生物炭与传统化肥配施能够调控氮素的释放，减少氮素的损失，提高氮素利用率，提高玉米的穗长、穗行数、行粒数、百粒重、千粒重等产量性状，从而提高玉米产量。生物炭本身的理化性质结构特点，决定了其对作物生长发育和产量都有一定的影响。但有研究表明，在作物生长过程中，生物炭施用量须适量才能对作物生长起到正效应[12]。在作物生长过程中，生物炭施用量过高不仅会造成浪费，还会玉米植株的形态指标、产量性状降低，继而对玉米产量有一定的影响。
3 展望
目前，农业是生物炭应用最为广泛和成熟的领域。中国作为一个农业大国，每年农业废弃物年排放量多达40多亿t，是全世界农业废弃物产出量最大的国家[13]。生物炭的原材料之一就是农业废弃物，施用生物炭不仅会解决农业废弃物的排放问题，还可以对因长期使用化肥而受到损伤和贫瘠的土壤进行修复。玉米是中国第3大粮食作物，对于调节我国粮食总产量具有重要作用。生物炭凭借其特有的理化性质和结构特性，对玉米的形态指标、叶片生理指标、产量性状和产量及根系等都有重要作用。因此，将生物炭应用于玉米种植中，可以达到多重目的。目前，对生物炭应用于玉米种植中已取得了良好的效果，今后仍有待进一步研究，以期为农户灵活施用生物炭提供依据。
参考文献
[1]夏璐，赵蕊，金海燕，等.生物炭对土壤理化性质及玉米生长影响的研究进展[J].天津农学院学报，2018，25（02）：64-69.
[2]郝千萍，李丹洋，杨雄杰，等.菌糠与生物炭配施对玉米生理特性及Cu累积的影响[J].山西农业大学学报（自然科学版），2019，39（03）：73-80.
[3]王友华，许波，许海涛.生物炭对夏玉米形态指标、生理特性和产量性状的影响[J].河南科技学院学报（自然科学版），2017，45（05）：1-7.
[4]刘易，孟阿静，黄建，等.生物质炭输入对盐胁迫下玉米植株生物学性状的影响[J].干旱地区农业研究，2018，36（02）：16-22，249.
[5]程功，刘廷玺，李东方，等.生物炭和秸秆还田对干旱区玉米农田土壤温室气体通量的影响[J].中国生态农业学报（中英文），2019，27（07）：1004-1014.
[6]赵铁民，李渊博，陈为峰，等.生物炭对滨海盐渍土理化性质及玉米幼苗抗氧化系统的影響[J].水土保持学报，2019，33（02）：196-200.
[7]程扬，刘子丹，沈启斌，等.秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响[J].生态环境学报，2018，27（10）：1870-1877.
[8]张云舒，唐光木，葛春辉，等.生物炭对灌耕风沙土土壤性质及玉米产量的影响[J].干旱地区农业研究，2018，36（06）：180-183.
[9]陈静，张建国，赵英，等.秸秆和生物炭添加对关中地区玉米-小麦轮作农田温室气体排放的影响[J].水土保持研究，2018，25（05）：170-178.
[10]黄黎粤，丁竹红，胡忻，等.生物炭施用对小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中Pb、As和Cd生物有效性的影响研究[J].农业环境科学学报，2019，38（02）：348-355.
[11]杨晓智，郭建华，于凯川，等.Pb2+胁迫下生物炭对玉米种子萌发和幼苗早期生长的影响[J].种子技术与工程，2018，18（33）：237-243.
[12]苏斌贵，刘婧，陈志国，等.生物炭炭基缓释肥对玉米农艺性状及产量的影响[J].现代化农业，2018（08）：26-27.
[13]韩翠莲，霍轶珍，朱冬梅.生物炭对土壤肥力及玉米产量的影响[J].江苏农业科学，2017，45（16）：54-57.
（责编：张宏民）
关键词：生物炭;农业;玉米;应用
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）14-0098-03
Abstract：Biochar as a new technology product，especially with the increasingly prominent problems of agriculture，environment，energy，etc.，has gradually attracted the attention of many scholars，and the research on biochar has become the focus.Biochar，with its unique properties，promotes agricultural production，especially in the process of corn planting.A lot of research work has been done on biochar and its application in agriculture at home and abroad.Many research results have promoted the progress of agriculture. This paper focuses on the application of biochar in corn production， provided theoretical basis for farmers to use biochar flexibly.
Key words： Biochar; Agriculture; Corn; Application
随着我国农业生产集约化進程的加速，在农业生产中大量施用化肥导致土壤板结酸化、土壤内营养元素含量降低等问题日益严重，在一定程度上阻碍了农业可持续发展和新型农业进程。中国是农业大国，玉米是我国主要的经济作物之一，不仅可以供食用，也是饲料、燃料、医药等的主要原料。玉米不仅含有丰富的脂肪、维生素和蛋白质，还含有植物纤维素、玉米黄质及胡萝卜素，在人类食品营养健康方面有着重要作用，具有很高的营养和保健价值。
1 生物炭概述
目前，生物炭作为一种新型秸秆资源开发利用的产物，受到了越来越多的学者的关注。生物炭与一般木炭不同，其含有的碳含量极高。生物炭，又称生物焦、生物黑炭，是指低氧高温的密闭环境中，通过将木材、农作物秸秆或禽畜粪便等有机物碳化而生成的具有稳定的性质及含有较丰富的官能团的固态物质[1]。在能源化工、环境、工业和农业等领域，生物炭均有所应用，如：生物炭在处理工业和生活中的污水方面具有较好的作用，可将污水中的重金属离子有效吸附，起到净化水质的作用。在植树造林时，每株穴内放置适量生物炭可以使树木扎根深，促进愈伤组织生长，从而有效地提高了树木的成活率。生物炭几乎是纯碳，在土壤中可以保存几百甚至上千年不会消失，具有结构多孔、比表面积大、官能团多样、不易在短时间内分解、较高的阳离子交换能力、理化性质稳定和具有较强的吸附和抗氧化能力等良好的结构特性与基础理化特性。生物炭内除含有丰富的碳，其中的钙、镁等矿质元素及碳酸盐物质含量也相当高，属于碱性物质。生物炭为多孔结构，富含微孔，可以有效地保存土壤中的水分，协调土壤中的水气关系，还可以提高土壤中的有机物和养分含量，避免土壤中营养元素的缺失并降低土壤的抗张力度和密度、提高土壤酶活性。由于生物炭独特的理化性质为作物的增产提供了保障，在新型农业的发展进程中越来越多的学者倾向于对生物炭的研究[2]。
2 生物炭在玉米生产上的作用
2.1 对玉米形态指标的影响 玉米茎秆和叶作为其营养器官，主要作用是吸收并贮存水分、矿质养料等，同时茎秆还具有固定玉米植株的作用，在玉米营养生长期和生殖生长期起着重要的作用。茎秆生长状况对玉米产量具有重要的影响。株高和茎粗是玉米形态指标中相对稳定的因素，主要由自身的性状表现来决定的，但受外界环境条件的影响也较为明显。将生物炭施入盐渍土中，可以利用其吸附功能和阳离子交换能力来降低土壤中的盐含量，减缓盐胁迫。因此，在盐胁迫阻碍玉米生长的条件下，玉米茎秆的生长可以依靠生物炭来协调[3]。生物炭作为一种新型的土壤重金属改良剂已被广泛研究，生物炭表面有大量的负电荷，含氧功能基团可以吸附和钝化重金属离子。故在重金属铅胁迫下，玉米茎秆的生长仍可以依靠生物炭来协调[4]。玉米在生长时期施用生物炭可以提高玉米茎秆中的钾含量和干物质含量，其茎粗和茎秆弹力等都有增强，提高玉米的抗倒伏能力[5]。若将生物炭的施用量控制在一定范围内，随着生物炭施用量的增加，玉米的茎粗、株高、叶长和叶宽等形态指标呈现上升的趋势。说明生物炭施用能够促进玉米植株的生长，对玉米的形态指标具有明显的影响。
2.2 对玉米叶片生理指标的影响 叶片不仅是玉米植株的营养器官也是同化器官，其主要作用是进行光合作用和蒸腾作用及养分运输。玉米光合能力的高低主要取决于叶片中的叶绿素含量，因而提高叶片中叶绿素含量有助于有效捕获光能，提高光能利用率[6]。叶绿素的多少取决于叶面积的大小，故玉米叶面积不仅决定着玉米籽粒源库关系中库的建成，还直接影响玉米的光合能力和产量。生物炭所具有的多孔结构和高矿质营养，不仅能够为玉米保水保肥，提供良好的土壤环境，还能为土壤中的微生物进行活动创造良好的场所，使土壤微生物的多样性和群落结构有利于玉米植株的生长，维持土壤结构的平衡，有利于土壤微生物改善土壤环境，吸收土壤中可利用的矿质营养转移到植物体内，缓解叶绿素的分解，促进玉米叶片光和色素的合成，继而提高玉米的光合作用能力[7]。在植物体生长过程中，膜脂过氧化会对细胞膜造成伤害，在植物体内由过氧化氢酶（CAT）超氧化物歧化酶（SOD）过氧化物酶（POD）等组成细胞酶防御系统，对活性氧动态平衡的维持和细胞内活性氧的消除起着重要作用，而施用生物炭可以有效增加玉米叶片中（CAT）、（SOD）、（POD）等的活性，降低玉米叶片中丙二醛（MDA）含量，防止细胞膜损伤[8]。通过施用生物炭可以提高叶片中叶绿素含量和相关酶的活性，促进玉米在生育后期的光合作用面积及时间的增加，使玉米植株的干物质积累增多，从而为提高玉米的后期产量奠定基础。 2.3 对玉米产量性状和产量的影响 随着新型农业的发展，国内外学者对生物炭的研究越来越倾向于农业方面。大量研究表明，生物炭在一定程度上能够提高玉米产量，但有关生物炭如何提高玉米产量性状和产量出现了不一样的见解。玉米植株对氮磷钾的利用率可以依靠施用生物炭来提高 [9]。氮磷钾是玉米生长发育过程中不可替代的元素，可有效可以提高玉米的产量。然而，氮磷钾等元素主要来源于传统化肥，在施肥过程中容易发生淋失现象，玉米并没有很好地利用。生物炭是一种良好的土壤改良剂和吸附剂，本身具有一定量的氮磷钾，而且土壤还可以利用其具有较大表面积和多孔结构的特点来增强对氮、磷、钾等离子的吸附能力，使其在土壤中稳定存在[10]，继而提高玉米植株对氮磷钾的利用率，使作物达到增产的效果。生物炭与传统化肥混合配施，不仅可以将其本身的理化性质充分利用，还能够提高玉米对传统化肥的利用率。生物炭对土壤中NO3-和NH4+具有一定的吸附作用，提高土壤中的pH，减少土壤交换性铝离子和交换性氢离子[11]。生物炭这一作用恰好弥补了传统化肥一次性施入土壤中，大量氮素淋失的缺点。生物炭与传统化肥配施能够调控氮素的释放，减少氮素的损失，提高氮素利用率，提高玉米的穗长、穗行数、行粒数、百粒重、千粒重等产量性状，从而提高玉米产量。生物炭本身的理化性质结构特点，决定了其对作物生长发育和产量都有一定的影响。但有研究表明，在作物生长过程中，生物炭施用量须适量才能对作物生长起到正效应[12]。在作物生长过程中，生物炭施用量过高不仅会造成浪费，还会玉米植株的形态指标、产量性状降低，继而对玉米产量有一定的影响。
3 展望
目前，农业是生物炭应用最为广泛和成熟的领域。中国作为一个农业大国，每年农业废弃物年排放量多达40多亿t，是全世界农业废弃物产出量最大的国家[13]。生物炭的原材料之一就是农业废弃物，施用生物炭不仅会解决农业废弃物的排放问题，还可以对因长期使用化肥而受到损伤和贫瘠的土壤进行修复。玉米是中国第3大粮食作物，对于调节我国粮食总产量具有重要作用。生物炭凭借其特有的理化性质和结构特性，对玉米的形态指标、叶片生理指标、产量性状和产量及根系等都有重要作用。因此，将生物炭应用于玉米种植中，可以达到多重目的。目前，对生物炭应用于玉米种植中已取得了良好的效果，今后仍有待进一步研究，以期为农户灵活施用生物炭提供依据。
参考文献
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[7]程扬，刘子丹，沈启斌，等.秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响[J].生态环境学报，2018，27（10）：1870-1877.
[8]张云舒，唐光木，葛春辉，等.生物炭对灌耕风沙土土壤性质及玉米产量的影响[J].干旱地区农业研究，2018，36（06）：180-183.
[9]陈静，张建国，赵英，等.秸秆和生物炭添加对关中地区玉米-小麦轮作农田温室气体排放的影响[J].水土保持研究，2018，25（05）：170-178.
[10]黄黎粤，丁竹红，胡忻，等.生物炭施用对小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中Pb、As和Cd生物有效性的影响研究[J].农业环境科学学报，2019，38（02）：348-355.
[11]杨晓智，郭建华，于凯川，等.Pb2+胁迫下生物炭对玉米种子萌发和幼苗早期生长的影响[J].种子技术与工程，2018，18（33）：237-243.
[12]苏斌贵，刘婧，陈志国，等.生物炭炭基缓释肥对玉米农艺性状及产量的影响[J].现代化农业，2018（08）：26-27.
[13]韩翠莲，霍轶珍，朱冬梅.生物炭对土壤肥力及玉米产量的影响[J].江苏农业科学，2017，45（16）：54-57.
（责编：张宏民）