生物质炭化还田改良土壤的研究综述
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农田土壤有机碳矿化释放 CO2是温室气体排放的重要途径，随着温室气体减排任务实施的日益艰难，如何减少土地利用中温室气体排放、增加陆地生态系统碳汇成为当前研究的热点问题。生物质炭有可能为这一问题的解决提供新途径。土壤增施生物质炭被认为可以提高土壤碳库容量，有效降低农田温室气体排放，明显改善土壤结构，持留土壤养分，修复土壤污染。尽管目前已有众多研究者就此展开研究工作，并取得了一些进展，但一些研究结果与结论尚存在争议，很多基本问题尚未得到解决。 本文围绕生物质炭化还田改良土壤的基本问题，综述了生物质炭用于改良土壤的研究现状，评价了生物质炭化还田技术所具有的突出优势，指出了目前生物质炭化还田研究中存在的诸多问题，认为我国亟待加强生物质炭与土壤相互作用机理的研究，并明确了未来研究中应该关注的问题。 1、 生物质炭简介 生物质炭是生物质在无氧或者限氧状态高温( 240 ～700℃) 裂解下分离可燃气后剩余的炭化的含碳丰富的固态产品，原料来源相当广泛。生物质炭的元素组成主要有碳、氢、氧。据 Demirbas报道，主要元素的比例为 C ( 66.6% ～ 87.9%) 、H ( 1.2% ～2. 9% ) 、O ( 10. 6% ～ 26. 6% ) 。其次是灰分元素，主要包括钾、钙、钠、镁、硅等。生物质炭的元素组成与炭化温度有关。在限制供氧量条件下，随着炭化温度的升高，其含碳量增加，氢和氧含量降低，灰分含量有所增加。而灰分的元素组成还与植物生长地的土壤类型、植物种类有关。生物质炭颗粒内的碳形态以多环芳烃为主，还有少量脂肪族、氧化态碳等有机碳。其高度芳香化结构决定了其稳定性。各种碳形态所占比例可能取决于植物细胞结构中碳的特征和炭化条件。 生物质炭具有发达的孔隙结构，巨大的比表面积。生物质炭含有大量羧基、羟基、醛基等含氧官能团，丰富的含氧官能团产生表面负电荷，从而使生物质炭具有较高的阳离子交换量 ( CEC) 。 另外，高度发达的孔隙结构和表面负电荷赋予生物质炭很强的吸附性能，能吸附水、土壤中的无机离子及极性或非极性有机化合物。 2、 生物质炭化还田对土壤生态的影响 2. 1 对土壤物理性质的影响 生物质炭的多孔结构和巨大表面积可使土壤空隙度增加，容重减小，田间持水量增加。据研究报道，生物质炭可吸附更多的水分和养分离子，提高土壤养分吸持量和持水量，尤其是氧化后的生物质炭可提高砂质土壤的持水量，改善土壤持水能力。巴西亚马逊盆地富含炭的黑土，其表面积是周围无炭土壤的 3 倍，田间持水量增加 18% 。另外，有试验表明，生物炭用量为 88t / hm2时才可在水分特征曲线上表现出土壤持水量的显著改善。 生物质炭呈弱碱性，且具有较高的阳离子交换量，施入土壤后可以提高酸性土壤 pH 值，增加土壤阳离子交换量。有学者指出，增施生物质炭还可以增加土壤团聚体数量，改良土壤结构。Hoshi等在 pH 值为 4. 3 的茶园土壤中施 0. 5 kg/m2竹炭，在施用后连续 2 年土壤 pH 值提高了0. 5 ～1 个单位。曲晶晶等研究发现，施用小麦秸秆炭可降低土壤容重，提高土壤 pH 值，增加土壤团聚体数量。Glaser 等研究显示，施入竹炭后可引起土壤可交换性盐基离子数量明显增加; 他们进一步推断，生物质炭进入土壤后，其芳香结构边缘在生物或非生物的氧化作用下能形成羧基官能团，进一步增加对阳离子的吸附。在红壤中添加小麦秸秆炭培养 1 年后，发现红壤水稳定性团聚体数量增加，土壤容重降低，土壤田间持水量增加，红壤性质得到明显改善。 2. 2 对土壤有机质及养分的影响 2. 2. 1 对有机质含量及组成的影响 土壤有机质 ( SOM) 是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，其含量是有机质积累和矿化分解平衡的结果。生物质炭具有较高的稳定性，矿化速度慢，施入土壤可提高土壤有机碳含量。有报道指出，将不同量的秸秆生物质炭添加到草甸黑土中，在施入土壤45 d 后，土壤有机质的含量与生物质炭施用量呈正相关，从对照处理的 16. 2 g/kg 增加到2% 生物质炭处理的 29. 2 g / kg。这与 Middeburg等通过研究证实炭化的植物残体有助于土壤有机质积累的结论一致。还有研究表明，施用生物质炭显著地改变了红壤有机质的组成，即随着生物质炭用量的增加，腐植酸等活性较高组分 ( 包括胡敏酸和富里酸) 的比例逐渐下降，而其他相对比较稳定组分 ( 主要为残留的黑碳和胡敏素等) 的有机物质显著增加。但也有试验得出相反结论，认为添加不同量玉米秸秆炭的实验组活性有机质质量分数均大于对照处理。 增施生物质炭可以提高土壤有机质，在学术界已经达成共识。但是，目前土壤有机质的测定方法都采用重铬酸钾容量法，重铬酸钾也可以氧化部分秸秆生物质炭，因此，用该方法测定的有机质含量能否作为传统意义上的土壤有机质，所测定有机质中有多少是易于矿化、对植物养分供应有直接作用的活性有机质，尚需要进一步研究。 2. 2. 2 对土壤矿质营养元素的影响 物质炭有很强的吸附性能，被认为可以吸附和保持土壤矿质营养元素，有效减少雨水冲刷造成的氮、磷流失，相应提高留存于土壤中的养分。花莉等研究显示，向褐土中添加玉米秸秆炭一段时间后，各添加处理的土壤渗滤液中总氮和总磷质量浓度均小于对照处理。Lehmann 等指出，当生物黑炭和肥料配施后，生物质炭可以通过吸附NO－3、NH+4，减少土壤的氨挥发与土壤氮素流失，提高氮肥利用率。曲晶晶等得出相似结论，认为施用生物质炭提高水稻的氮素吸收利用率达 20. 33%。 添加生物质炭可以提高土壤中有效养分的含量。周桂玉等认为，生物质炭对有效磷、钙、镁的提高效果较明显，但对氮和钾的作用不显著。 Topoliantz 等也曾报道施用生物质炭能增加有效磷、钾、镁和钙含量。Novak 等室内培养实验结果表明，土壤中添加 2% ( w/w) 的生物质炭，67 d后发现土壤钙、钾、锰、磷的含量明显升高，但硫、锌的含量降低。 2. 3 生物质炭的固碳减排功效农田土壤有机碳矿化释放 CO2是农业温室气体排放的重要途径，促进土壤碳截获对于减缓全球温室效应具有重要意义。ICPC AＲ4 报告中提出，农业是当前具有很大缓解能力和潜力的一个重要的陆地生态系统，全球农业减排的自然总潜力高达 CO2－ eq7 300 ( 负 1 100 ～ 16 900) M t / a，其中 93% 来自减少土壤 CO2释放 ( 即固定土壤碳) 。东南亚被认为是全球最大的农业 ( 土壤) 固碳与温室气体减排的潜力所在。 2. 3. 1 增汇在陆地生态系统中，植物通过光合作用所固定的大气 CO2，50% 用于自身呼吸作用，而另外的50% 通过凋落物等植物残体的形式进入土壤，经过土壤微生物的作用释放到大气中，这个平衡称之为“碳中性”。如果凋落物经过高温热解，可产生25% 的生物质炭归还土壤，由于生物质炭的化学和微生物惰性以及土壤团聚体的物理保护使得其成为土壤的惰性碳库，只有 5% 的碳经过土壤微生物的作用重新释放到大气，而土壤多固定了 20% 的碳，这样就形成净的碳吸收，这个平衡称之为 “碳负性”。生物质炭的土壤施用通过施入稳定性碳来改变土壤碳库的自然平衡，从而达到大幅度提高土壤碳库容量的目的。与秸秆直接还田条件下新鲜有机质迅速转化相比，秸秆炭化还田减缓了有机碳的更新，并通过减少其他温室气体排放而表现为碳汇过程。因此，植物通过光合作用固定 CO2，收获的秸秆热裂解后，一半左右的碳以生物质炭的形式被固定，埋于土壤的生物质炭就变成碳的净汇。 2. 3. 2 减排生物质炭的土壤使用可以降低土壤呼吸强度、减少土壤温室气体排放。有研究表明，增施生物质炭使得盆栽大豆和牧草全生育期 N2O 排放量减少50% ～ 80% ，并几乎不排放甲烷。N2O 排放量的减少可能是由于生物质炭施入后土壤容重降低，通气性改善，土壤碳氮比升高，限制了氮素的微生物转化和反硝化。花莉等研究显示，除了在秸秆炭添加初期，添加秸秆炭各处理土壤呼吸强度均弱于对照组。到黑麦草收割时，添加 2% 和 4% 秸秆炭的处理分别比对照处理的呼吸强度降低了 26%和 50%。 2. 4 对土壤重金属污染的修复作用 污染土壤的生物质炭修复是一种绿色、经济的土壤修复技术，属于原位修复。生物质炭对重金属有很高的吸附容量，施入土壤可降低重金属元素的生物有效性。 用取自污染场地的土壤进行为期60 d 的培养实验，结果表明，加入生物质炭使土壤孔隙水中镉的浓度降低到原来的 1/10，从而减少了镉的生物利用度。周建斌等研究了棉秆炭对镉污染土壤的修复效果以及镉污染土壤上小白菜 ( Brassiea chinen-sis) 对镉的吸收，其结果表明棉秆炭能够降低小白菜对土壤中镉的利用。另外，用牛粪制成的生物质炭对水溶液中铅的吸收率可达到 100%。张伟明等研究了重金属污染土壤中添加秸秆炭对水稻生长的影响，结果表明，不同秸秆炭处理均提高了水稻光合速率，显著增加了水稻产量。生物质炭可以增强土壤保持重金属元素 Ni2 +、Cu2 +、Pb2 +和Cd2 +的能力。这可能与生物质炭巨大的表面积，及其官能团对重金属元素的保持能力有关。另外，生物质炭还可以通过提高土壤 pH 值降低重金属 ( Cu和 Zn) 在土壤中的移动性。 2. 5 降低因施用农药、化肥等带来的农业面源污染 农田土壤中增施生物质炭可通过以下途径降低面源污染: 吸附固定农药残留或其他土壤有机污染物，降低由此带来的地表水、地下水次生污染; 通过固持土壤氮、磷等养分，降低土壤养分向地下水或地表水的淋溶与冲刷流失; 提高肥料利用率，减少肥料使用量，缓解因过量施肥而带来的水体富营养化。 添加生物质炭后的土壤表现出对农药残留的吸收和固持，从而减少污染物下渗或随地表径流污染水体，同时降低残留农药的生物利用度。Spokas等将木屑制成生物炭加入土壤，发现当土壤中这种生物炭含量达到 5% 时，对莠去津、乙草胺两种除草剂的吸收量会明显增加。生物质炭对土壤中的苯脲除草剂、敌草隆等除草剂也有很好的固定效果; 对杀虫剂的吸附能力是土壤的2 000倍。 增施生物质炭可使土壤空隙水中多环芳烃的浓度降低了 50%。另外，值得一提的是，有研究发现，在施用生物质炭的土壤里，两种农药 ( 毒死蜱、氟虫腈) 的残留率虽然较高，但所栽种的韭菜对农药吸收却明显降低。 本文 2. 2. 2 已经阐述了生物质炭对氮、磷等养分的固持作用。同时，生物质炭施入可以提高氮肥利用率，减少肥料使用量。这对缓解由于施肥造成的农业面源污染具有重要的意义。 3、 对作物生物量、作物产量的影响 Kimetu 等发现，两年中 3 次连续施用生物质炭 ( 7 t/hm2) 使得玉米的产量增加一倍。花莉等研究表明，加秸秆炭处理的黑麦草植株健壮，叶片色泽鲜亮。而且随着秸秆炭使用量的增加，植株的生长更为茂盛。与不添加生物质炭的处理相比，第 90 d 黑麦草的生物量，1% 秸秆炭处理的黑麦草生物量增加了 20%，4% 秸秆炭处理增加了68% 。Major 等指出，在富含生物质炭的土壤中，野草植株对地表的覆盖率比单独施用无机肥料时提高了 46%。Steiner 等则发现，与只施无机肥料相比，增施生物质炭的土壤谷物产量提高了 2倍。当以 500 kg/hm2的添加量向火山灰壤土中施入生物炭时，大豆产量增加了 5l%。以相同添加量向土壤中施入生物质炭，豌豆的生物量增加了60% ，大豆的产量增加了 50% ，绿豆的产量增加了22%。然而，施用生物质炭对作物产量影响与土壤本底肥力和肥料管理密切相关，将在本文 4. 1中详细论述。 4、 影响生物质炭土壤改良效果的因素 生物质炭的来源和热裂解温度直接影响着生物质炭结构、性质，进而影响其对土壤的改良效果。 另外，生物质炭的土壤改良效果还与其他因素有关: 首先，土壤类型和矿质肥管理，生物质炭更好发挥作用是否需要与化肥配施尚存在争议; 其次，生物质炭施用量及其改良土壤的时间限制尚不明确。 4. 1 矿物肥管理、土壤本底肥力对生物质炭增产效应的影响 施氮水平与生物质炭的增产效应之间有什么关系? 与土壤本底肥力有什么关系? 生物质炭是在氮素水平较低情况下更易发挥增产效应，还是在高氮水平下? 这些问题尚且存有争议。 黄超等在不施用化肥的情况下，对肥力水平差异较大的两个土壤样品与不同量 ( 0、10、50和 200 g/kg) 生物质炭进行培养，培养一年后种植黑麦草。结果显示，肥力水平较低的土壤施用生物质炭，可以显著提高黑麦草的产量; 而随着肥力水平提高，生物质炭对黑麦草的增产效应有所下降，甚至会降低产量。张万杰等以壤土为供试土壤，通过盆栽试验研究生物质炭与氮肥互作对菠菜生长的影响，碳氮处理如下: 生物质炭 3 个水平为 C0( 0 g/kg) 、C5 ( 5 g/kg) 和 C10 ( 10 g/kg) ，氮素3个水平分别为 N0 ( 0 mg/kg) 、Nl ( 90 mg/kg) 和N2 ( 120 mg / kg) 试验结果显示，在 N0 和 N1 水平下，施用生物质炭显著提高了菠菜产量，增幅为16. 6% ～ 57. 3% ，而在 N2 水平下，生物质炭对菠菜产量无显著影响 ( P ＞ 0. 05) 。即低氮处理条件下，生物质炭更易发挥增产效应，该观点认为生物质炭可以肥沃土壤，在一定程度上可以提高土壤生产力。 有研究得出相反的结论: Asai 等发现，在不施氮肥情况下施用生物质炭，水稻叶片叶绿素含量会降低，水稻产量随之降低; 生物质炭与一定量的氮肥配合施用，水稻产量随生物质炭用量的增多而增加，但当生物质炭施用量达 16 t/hm2时，水稻因氮素缺乏而致产量不再增加。Glaser 等指出在氮贫瘠的土壤加入生物质炭后，短期内作物的生长率会降低，其原因是施加生物质炭后，土壤中 C/N提高，从而限制了土壤氮素的利用。该结论主要基于土壤碳氮比需协调，过量的生物质炭会影响氮肥的吸收利用。 4. 2 生物质炭对土壤 － 作物系统发挥积极作用的时间限制 Major 等在哥伦比亚热带草原施用 20 t/hm2生物质炭后发现，除第1 年，后3 年玉米产量与对照相比增产显著，增幅分别达 28%、30% 和 140%。 Steiner 等报道，在巴西亚马逊氧化土上施用生物质炭1 年后 ( 11 t/hm2) ，第二、三年4 个生长季中大米和高粱的产量提高了75%。黄超等发现增施生物质炭可以提高黑麦草产量，是在对生物质炭与土壤进行一年培养再种植黑麦草的前提下。笔者推测生物质炭施入土壤初期尚未真正融入土壤，其对土壤 － 作物系统发挥积极作用是在施入土壤一段时间之后; 然而其发挥积极效应的具体期限尚不清楚。 5、 问题与展望 越来越多的研究表明: 生物质炭对于增加土壤碳库贮量、提高土壤肥力以及维系土壤生态系统平衡意义重大。目前，我国对生物质炭化还田的研究才刚刚起步，尚处于试验现象描述阶段。系统解释生物质炭与土壤相互作用机理的理论体系尚未建立。对于生物质炭是怎样与土壤中各组分相互作用; 如何对土壤理化性状、养分有效性及利用率等产生影响; 是与土壤各组分简单的物理结合，还是对土壤原有团聚体结构产生了影响等一些基本的问题尚没有得到解决。另外，生物质炭的土壤改良效果与诸多因素有关，具有较大的不确定性。因此，生物质炭转化还田研究仍然任重道远。
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