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生物炭因其含有丰富且稳定的碳，比表面积大，表面官能团丰富，还含有植物生长所需的养分，因此，生物炭有稳定的理化性质和较强的抗生物分解能力，是生物炭实现碳封存的基础，施入土壤可吸附养分，改善土壤状况，减少化肥的使用。由于生物炭结构和性质的特殊性，决定了其在许多行业都具有广泛的用途，如工业、农业、环境治理、建筑业等。近年来，生物炭作为一种土壤改良剂或肥料缓释增效剂应用的方式受到了越来越多的关注，另外生物炭在农业环境方面的应用也是它的一个重要利用途径。本书主要介绍生物炭及其相关产品在农业上的应用。
生物炭作为一种新型的土壤改良剂和肥料缓释增效剂，有必要明确其与传统的土壤培肥方式相比对土壤的培肥效果。本书作者基于定位试验，比较了生物炭、秸秆及猪厩肥与化肥连续4年配施以及施用炭基肥对土壤理化性质及花生产量的影响。总体上，与试验前相比，连续施用4年后，各处理后土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和CEC均有显著提高，提高幅度分别为24.4%~75.6%、17.3%~27.4%、3.0~11.0倍、10.3%~18.3%和41.9%~50.1%，有机碳含量也较试验前提高了1.42%~27.61%，但各处理增加量相差2.03 g/kg；除秸秆还田处理后土壤pH与试验前差异不显著外，其他各处理均显著提高了土壤pH，使其达到6.17~6.67，趋近中性；各处理对作物产量的影响也非常明显，总体上随着施用年限的增加产量提高，4年中产量提高了41.7%~58.3%。这说明生物炭施入土壤后，与秸秆和有机肥一样，均可增加土壤养分含量，提高土壤保肥能力和有机碳储量，提高或维持土壤pH，改善土壤理化性质，使得产量不断提高，从而实现土壤的可持续利用 [9，10] 。
耕地生产力的基础是土壤肥力，土壤肥力高低最重要的判断指标是土壤养分状况。有学者在研究秸秆和稻草制生物炭室内改良土培养试验时发现，不同生物炭均能够改良土壤酸度，提高速效磷钾含量，但对碱解氮和无机氮影响不显著；通过不同用量生物炭室外盆栽试验，发现添加生物炭可以改善土壤化学性质，但和土壤自身性质以及种植作物种类等有关。刘小虎等 [11] 在研究生物炭和炭基肥田间施用对花生产量和土壤养分影响时发现，在养分施入情况下，炭基肥在对土壤速效养分含量和花生产量的影响方面优于单施化肥，单施生物炭处理花生产量高于空白对照。生物炭不仅富含有机碳等有机质，还含有N、P、K、S等矿质元素，其巨大的比表面积还具有一定的离子交换以及吸附能力，可以提高养分利用率。
生物炭在制备过程中形成了多孔隙、大比表面积的结构和高含碳量、多芳香烃、多极性官能团的组成并且理化性质稳定，使其成为优良的土壤改良剂。相关研究报道表明，生物炭施入土壤后提高土壤含水量、pH、孔隙度、CEC以及养分水平，并且降低土壤容重，这些均基于其本身的结构和性质 [9，12] 。同样是生物炭本身的结构特征，也为微生物提供了适宜生存的微环境，对土壤微生物群落的改变产生影响。有学者研究发现，细菌能够吸附到生物炭的表面而不易被土壤淋洗，且进一步的研究指出吸附作用强弱取决于生物炭孔隙的大小，研究还发现，生物炭的微孔结构能为真菌提供“避难”场所，可以避免物种内的竞争。生物炭具有的疏松性和多孔性的结构特征，可以类似海绵一样保持与空气和水分的共通性，经生物炭处理的已经退化的土壤中氮细菌相比于对照能有效吸收来自大气的氮素，原理为通过提高土壤通气性 [9] ，增大氧分压来刺激氮细菌的活性。生物炭本身也含有一定量的养分，研究发现，生物炭表面含有易被微生物利用的碳源和氮源，有利于微生物尤其是细菌的活动。利用同位素示踪法标记氨基酸和核苷酸，检测到土壤添加生物炭后细菌活性增强，土壤呼吸速率增强，原因可能是施用生物炭能够提高细菌对土壤C的利用率，研究还指出，微生物的群落结构和受胁迫程度随着生物炭的添加会发生相应的改变。本课题组基于田间微区定位试验的研究也表明，施用生物炭有利于细菌群落的繁殖，施用炭基肥有利于土壤真菌/细菌比和土壤微生物群落结构多样性的提高，且土壤pH、全氮、有机质、含水量和全钾依次是影响土壤微生物群落的重要因子 [13] 。
生物炭基肥是以生物质炭为基质，根据不同区域土地的特点、不同作物生长的特点以及科学施肥原理，添加有机质或无机质，采用化学方法和（或）物理方法配制而成的生态环保型肥料。生物炭基肥的种类丰富，根据复配肥料养分性质，可以分为炭基无机肥、炭基有机肥、炭基有机无机复混肥。炭基无机肥是指生物炭复配无机肥料养分，包括硝酸铵、尿素、硫酸钾、磷酸一铵和氯化钾等。炭基有机肥是指生物炭复配有机肥料养分，包括畜禽粪便、食用菌渣等动植物有机质原料。炭基有机无机复混肥是指生物炭复配有机和无机肥料。根据复配肥料养分的种类，生物炭基肥又可以分为炭基氮肥、炭基磷肥、炭基钾肥和炭基复合肥等。其中，炭基复合肥是指生物炭复配氮、磷、钾等两种或两种以上养分。此外，为了增强生物炭基肥的缓释和其他功能性效果，在生物炭基肥制备过程中对生物炭改性或添加改性剂制备改性生物炭基肥。如利用镁离子对生物炭改性、添加硝化抑制剂和微生物菌剂等添加剂制备的生物炭基肥在缓释性能或作物的耐逆性方面均优于未改性的生物炭基肥。
在生物炭基肥研制及应用方面，在国内应以沈阳农业大学的陈温福院士团队、商丘三利新能源有限公司和南京农业大学的潘根兴教授团队成果最多。目前已有小麦、棉花、水稻、玉米、大豆、红薯、马铃薯、甘蓝、甜菜、叶菜类蔬菜、苹果、猕猴桃、樱桃、茶树和竹林相关农林作物专用炭基肥的研究专利。此外，还有学者依据作物的需肥特点制备针对特定作物且具有控释效果的炭基肥。关于生物炭基肥在作物上增产效果的报道也较多，商丘三利新能源有限公司验证了亩用量100 kg炭基肥料，可提高粮食产量10%以上，节肥20%以上 [14] 。等量施用生物炭基肥和常规化肥，生物炭基肥相比常规化肥使玉米增产8.48%；减施15%化肥氮配施生物炭基肥使豫中烤烟增产4.91%。与稻田常规施氮相比，减施20%化肥氮配施生物炭基肥使水稻增产2.61%。与番茄和辣椒常规施肥相比，减施50%复合肥配施稻壳炭基肥使番茄和辣椒分别增产23.19%和26.26%；减施50%复合肥配施竹炭基肥使番茄增产8.54%，但对辣椒的产量无显著影响 [36] 。生物炭基肥的替代量研究表明，生物炭基肥能够完全或部分替代化肥，具体替代量与作物类型和炭基肥类型有关。
相关研究除了报道了生物炭基肥具有提高作物产量的作用 [9] ，还报道了生物炭基肥对土壤理化性质和生物学性质的改善和调节作用。如，生物炭基肥能够增加土壤孔隙度和调节土壤酸碱度，能够提高土壤的保水能力，能够提高养分在土壤中的滞留时间，能够对土壤微生物系统产生积极的影响，从而提高作物的产量和品质。但生物炭基肥对土壤理化性质和微生物群落结构的影响机理还需深入研究，从而为生物炭基肥制备工艺改性研究提供理论支撑，促进生物炭基肥农田应用效果的提高和进一步推广。总体上，生物炭基肥对土壤理化和生物学性质的改善和调节作用，主要来源于生物炭自身的性质，与炭基肥制备工艺间的关系尚未见报道。
2017年，生物炭基肥原农业部行业标准出台。尽管科学试验已经证实生物炭基肥有较好的培肥改土、增产增效减肥减排效果，但作为一种新型肥料，还需经过较长时间的田间验证才能明确其长期效果和应用技术。
木醋液又被称为植物酸或生物质热解液，由生物质热解制炭过程中析出的烟气经冷凝、过滤等多步制成。木醋液具有强烈烟熏气味，一般为黄褐色或深棕色。木醋液作为一种绿色天然材料，主要含有酸、醇、酚、醛、酯、醚等多种有机化合物以及少量金属元素（Fe、Ca、K、Na、Mg等），具有非常高的商业应用价值。木醋液最早作为木材热解制炭过程中的副产物被收集，经过学者们的广泛研究，木醋液的原料逐渐扩大到各种木料、竹子、果树修剪枝、农作物秸秆等生物质。目前，对木醋液和竹醋液的研究和应用已较为深入和广泛。如美、日、韩等国在农业生产上早已应用木醋液，并建立了较为完备的商业标准。制作秸秆木醋液的原料木质素含量较低、品质略差，因而秸秆木醋液的发展与应用较为缓慢。我国是一个秸秆产量大国，开发秸秆木醋液一方面可以解决农业废弃物高效利用问题；另一方面所制得的秸秆木醋液成分多样，可作为植物生长调节剂、杂草抑制剂等替代化肥和农药用于农业，对环境友好，又可促进农民增收。
木醋液在农业领域主要应用于改善土壤质量、调控作物生长、提高农产品品质、控制病虫害及除臭与堆肥。木醋液有效成分中含有的酸类、酚类等化合物可与土壤结合形成络合物。其中，酸类化合物可调节土壤pH，酚类化合物具有强抗氧化性，能够改善土壤中微生物的种类结构。因此，施用秸秆木醋液可改善土壤盐碱化问题，有效改良土壤品质。相关的研究发现，在生物炭基肥中添加20%、40%玉米秸秆木醋液能够进一步提升氮素的利用率，在玉米生长过程中，土壤铵态氮和硝态氮含量均高于施用化肥。国外学者将小麦秸秆生物炭、家禽粪便堆肥和稀释后的小麦秸秆木醋液联合施用于土壤，经过2年田间试验后发现，土壤盐分显著下降。将木醋液喷洒在作物叶片上或施用于土壤等可对作物生长及种子萌发进行调控。用玉米和小麦秸秆木醋液喷施茄子，发现可提高茄子品质，促进茄子对全氮与全钾的吸收。随后对玉米、小麦秸秆和杂木制备的木醋液进行深入研究发现，稀释50倍以上的木醋液可以增强茄子叶片净光合作用，增加叶绿素含量，促进茄子植株和根系生长。还有人研究了叶面喷施木醋液及其复合配剂对油菜生长发育及产量的影响，结果表明，在油菜三叶期施用适宜浓度的木醋液可以显著增加油菜幼苗的株高、根茎粗和叶面积，并且有显著的增产效果；胡世龙的研究也表明，喷施木醋液，尤其是低氮条件下喷施木醋液可显著提高水稻产量并改善稻米食味品质。木醋液用量为0.4 mL/kg时，春小麦植株对氮素、磷素、钾素和总养分的吸收积累量最多，小麦籽粒中蛋白质和淀粉含量也显著提高。木醋液作为一种新型的绿色天然材料，不仅易降解，且所含的酸类、酚类活性物质具有杀虫抑菌等作用，其单独施用或与农药配施均具有良好的病虫害控制效果，受到了研究者的广泛关注。相关研究发现，玉米秸秆木醋液和水稻秸秆木醋液稀释50倍对尖孢镰刀菌和立枯丝核菌的生长完全抑制，随着浓度降低，抑制效果下降。木醋液的控制植物病虫害的作用也是相对的，有研究表明，木醋液被稀释处于低浓度状态时，部分芽孢杆菌会以木醋液中的营养物质为食，因此，在施用木醋液时应当选取适宜的浓度。木醋液中的多种有机化合物（酸类、酚类等）能够中和氨的生成，提高合成纤维素酶的微生物的浓度；木醋液还可以促进粪便中有机物的发酵进程，一般情况下可以将发酵周期缩短50%，因此，在家禽粪便上喷洒木醋液不仅可有效去除家禽圈舍的臭味，还可以提高堆肥效果。
在气候变化的大背景下，农田固碳（增加土壤有机质）减排（来自有机质分解产生的甲烷和化肥施用产生的氧化亚氮）是农业实现碳中和的核心目标和技术途径。科学家比较了多种减排技术，发现生物炭施用于土壤，其固碳减排潜力极为显著。和碳固定与碳封存、生物能源利用、土壤固碳等当前较为流行的技术相比，生物炭化还田环境代价小、成本低，且经济可行。农田应用生物炭已被广泛接受为增强土壤碳汇的碳固存手段，且其针对气候变化也表现出积极影响。农田施用生物炭可以很好地起到固碳减排的作用，一方面是由于生物炭稳定固持在土壤中形成碳汇，影响土壤碳氮转化过程，且对作物生长起到一定促进作用；另一方面是由于生物炭的施用，降低了温室气体排放。
将秸秆等废弃生物质制成生物炭，可减少因燃烧、废弃等不当途径导致碳的损失及温室气体的排放。废弃生物质经炭化后，保留了大部分碳，生物炭中碳元素含量一般都比较高，有的含碳量超过60%，且其主要以高度稳定的芳香环不规则叠层堆积存在，即生物质炭化利用过程将一大部分绿色植物光合产物碳以生物炭的形式固定下来。与直接燃烧或直接还田相比，有机碳的周转时间大幅度延长，将大气二氧化碳更长时间地封存于土壤。相关报道表明，生物炭可在土壤中保存上百年，这方面即已表现出来其固碳减排作用。另外，生物炭丰富的孔隙结构与较大的比表面积可以改善土壤持水性，降低土壤容重，施加生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持。有学者通过田间试验研究了生物炭对黏土碳储存的短期影响，结果显示，0~45cm土层中碳含量显著增加；还有人在稻玉轮作系统中，每年添加3000 kg/hm 2 生物炭（以C计），结果显示，添加生物炭处理显著提高了土壤有机碳含量。分析其中原因，可能是由于稳定性较强的生物炭限制了C的矿化作用且生物炭可以增加小团聚体中芳香族碳化合物的比例，使其对分解更为稳定。还有研究认为，生物炭引起的微生物群落结构变化可能会降低碳水化合物（葡萄糖、纤维二糖和D-木糖）的微生物利用，从而抑制植物生长阶段的土壤SOC矿化。持抑制观点的研究者认为，首先，生物炭可以将土壤有机碳吸附到其孔隙内包裹起来，将有机碳与微生物及其产生的胞外酶隔离开，从而通过这种“包封作用”降低微生物对土壤有机碳的矿化速率；也可以将土壤有机碳吸附到其外表面上，降低土壤有机碳的可利用性，通过这种“吸附保护作用”抑制有机碳的降解。生物炭对土壤有机碳的以上两种作用均可以减少土壤微生物生命活动所需的碳源，最终导致土壤微生物的呼吸作用减弱、土壤有机碳矿化速率的降低以及有机碳的转化变缓，从而发挥其土壤固碳潜力。其次，生物炭促进土壤有机碳和无机矿物复合体及团聚体的形成，加强了土壤对有机碳化学保护和物理保护，从而抑制了土壤有机碳的矿化。有研究表明，生物炭还可以通过对土壤有机碳和矿物质的吸附作用，促进蒙脱石含量丰富的土壤中易分解有机碳与有机无机复合体的结合，形成新的有机无机复合体和土壤团聚体，进而促进土壤有机碳的稳定化。有的研究也表明，玉米秸秆生物炭在土壤中培养180 d，促进了土壤团聚体对有机碳的物理保护作用，说明生物炭主要通过增加团聚体中碳含量的方式来增加土壤有机碳的稳定性。再次，生物炭中可能含有某些有毒有害物质（呋喃和酚类化合物等），或通过其他某种途径抑制土壤微生物及其酶活性 [15] ，进而抑制其对土壤有机碳的矿化作用。另外，在外源有机碳存在的条件下，添加生物炭可增强土壤氮素的固定，从而引起土壤微生物优先利用外源有机碳，降低其对土壤本底有机碳的矿化。总之，生物炭自身的稳定性以及土壤团聚体的物理保护作用、土壤矿物的化学保护作用是决定生物炭在土壤中存留时间长短的关键因素。除此之外，生物炭还表现出了促进作物生长的作用，施用生物炭可提高植物光合速率，促进光合碳同化，将大气中CO 2 更多地固定在作物中。
除了制备过程中能够减少二氧化碳的排放，施用后能够促进土壤对碳的固持和作物对二氧化碳的吸收之外，农田施用生物炭还可控制N
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O和CH
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排放。相关研究对多个田间试验的数据整合分析发现，生物炭施用后农田N
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O和稻田CH
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排放分别降低13.6%和15.2%，每生产1 kg谷物温室气体排放量减少3.5 kg二氧化碳当量。一些学者认为，生物炭中的碳元素含量极高，一般≥60%，施用生物炭可减少化肥尤其是氮肥的施用，因而降低N
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O排放；pH变化影响反硝化过程中N
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O向N
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的转化；对
的吸附性增强，减少了无机氮的转化。国内外学者就生物炭施用对农田土壤N
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O排放的影响存在争议，有学者认为生物炭并不影响N
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O排放，有人则认为生物炭促进N
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O排放。生物炭原料来源对N
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O排放有一定影响，由粪便制备的生物炭会增加N
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O排放量。有国外学者认为，土壤N
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O排放对生物炭改良的不同反应可能取决于土壤微生物功能基因的丰度和非生物特性，添加生物炭土壤中驱动硝化作用的AOB基因丰度增加，硝化速率受刺激使得添加生物炭的水稻土壤N
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O排放增加。也有研究表明，施用生物炭可减少农田CH
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排放，这可能是因为生物炭制备过程中在一定的温度范围内其比表面积随热解温度升高而增大，孔隙缩小，开孔增多，抑制了产甲烷菌活性；另外，生物炭一般呈碱性，施用后可使得土壤pH提高，引起土壤性质改变，从而降低CH
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排放；生物炭中存在氧自由基及有毒物质，也可能会导致CH
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排放降低。
生物炭具有比表面积较大、孔隙结构和官能团丰富、吸附性较强等性质，不仅能够吸附固定土壤中的重金属，对土壤酸化起到缓冲作用，而且能够为微生物的生长提供载体环境，已有研究报道证明了利用微生物和生物炭共同作用对重金属污染土壤的联合修复效果优于单一修复。大量研究表明，生物炭在保持良好的修复能力下兼具环境友好性，不同类别的生物炭都可以在一定程度上降低土壤中重金属的迁移率从而影响植物的吸收，降低其生物有效性。生物炭的施入不仅可以吸附土壤中的重金属元素，还可吸附农药中的有机污染物，降低其生物有效性，可以抑制氮、磷的流失，改善农业污染状况。
相关研究表明，用水稻、玉米、小麦等农作物秸秆生产的不同类型的生物炭可以有效降低土壤中重金属的生物有效性。因此，选用秸秆作为原材料制备生物炭在我国受到了广泛的关注，因为这不仅可以作为有效控制重金属污染的手段，也是一种农业废弃物资源化利用的方式。
生物炭主要是通过影响重金属离子在土壤中的有效浓度及植物对重金属离子的吸收来发挥污染治理功能的。生物炭被用来修复土壤重金属污染，且往往针对的是阳离子形态的重金属，例如Pb 2+ 、Cd 2+ 、Cu 2+ 、Co 2+ 、Ni 2+ 、Zn 2+ 等。这些重金属离子具有难降解的特点，对土壤系统的负面影响具有持久性，且容易通过降雨、径流以及粉尘形式在环境中迁移，或是被动植物以及人体摄入，进一步扩大污染。研究表明，小麦秸秆生物炭对Zn和Cd的固定行为随土壤条件不同有明显差异。在酸性环境中，低温生物炭对Zn和Cd的固定效果强于高温条件下生产的生物炭；相反，在碱性环境中，高温生物炭的固定效果优于低温生物炭。通过长达3年的田间试验证明，施用小麦秸秆生物炭的土壤pH升高，有机碳的含量增加，Cd和Pb的可提取态浓度降低，大米中的Cd浓度也有不同程度的降低。生物炭还通过自身提供的可溶性离子来影响植物吸收土壤中的重金属。已有研究证明，Cd和Fe在水稻植株中的转运途径是相同的，因此对于一些富Fe生物炭而言，Fe与Cd对根际金属转运的竞争可能有助于减少Cd在植物植株中的积累，少数一些情况下，生物炭降低土壤中的Cd有效性，但却会增加Cd在植物体内的积累。
生物炭对土壤中重金属污染的修复作用包括直接和间接两种。其中直接作用机理有4种，包括：静电吸引、离子交换、络合作用和沉淀。生物炭的高负电性可以促进对正电阳离子的静电吸引，而起到去除重金属的作用。静电吸引力的大小主要受生物炭表面的负电基团的电荷量影响，在较高的pH时负电荷增加。研究表明，在高pH时，生物炭对Cu 2+ 的吸附增加。离子交换是通过生物炭释放的Ca 2+ 和Mg 2+ 来置换重金属阳离子，将其固定在生物炭内，因此具有较高离子交换量的生物炭能固定更多的重金属阳离子，Ca 2+ 含量高的生物炭，其固定Cd 2+ 、Cu 2+ 等阳离子过程中，离子交换为主要机制。另外，含氧官能团（尤其是-COOH）也以离子交换形式吸附重金属。生物炭表面的官能团通过对重金属产生络合作用而达到固定重金属目的在低矿物成分的生物炭中较为普遍。生物炭中富含的官能团（如羟基、羧基、羰基等）提供了结合位点，用于与重金属络合。部分生物炭中含有的矿物元素能与重金属结合产生沉淀，即改变矿物结晶相，从可溶相向不溶相转变。研究表明 [62] ，生物炭释放的磷酸根与Pb 2+ 形成Pb 5 （PO 4 ） 3 OH沉淀。根据不同来源生物炭中包含特定的矿物质，还可能形成铅氧化物以及硫酸盐等不溶相沉淀。生物炭对重金属污染土壤的间接修复作用主要是由于生物炭对土壤理化性质，尤其是对土壤pH、CEC以及土壤有机碳含量的影响。生物炭一般具有较高的pH，施用后可以提高土壤的pH，促进土壤胶体表面的电负性，从而增加对金属阳离子的吸附。生物炭常含有较高的CEC，当在土壤中投加生物炭后，土壤的CEC增加。研究表明，生物炭施用能降低土壤重金属的淋出浓度、迁移力和生物有效性，很大程度上取决于生物炭上大量阳离子交换位点。生物炭中含有可溶性小分子有机质，可以进入土壤溶液与重金属相互作用，从而降低土壤重金属的迁移能力和生物有效性。但是土壤有机碳增加对重金属的作用并不一致，有研究表明，添加生物炭致使溶解性有机碳含量增加后，孔隙水中Zn 2+ 和Cd 2+ 的浓度显著降低，但是Cu 2+ 和总As的浓度上升了30倍。