生物炭对土壤生态系统影响的研究进展

刘 骞，谢修鸿

(长春大学 园林学院，长春 130022)



生物炭对土壤生态系统影响的研究进展

刘 骞，谢修鸿

(长春大学 园林学院，长春 130022)

狭义地说，生物炭特指生物有机材料在无氧(缺氧)环境下经过高温分解而形成的固体产物。相比一般的“碳产品”而言，其碳含量极高，可以作为能源、还原剂和土壤改良材料，是有效解决土壤退化、环境污染和气候变暖的策略。生物炭在改良土壤生态环境中发挥了显著效果，具有较高的研究价值，本文结合这一课题展开研究，提出合理的观点和建议。

生物炭；土壤生态系统；土质改良；研究进展

农业生产中产生了大量生物炭的原料，包括植物茎秆、牲畜粪便、残枝败叶等，直接燃烧不仅造成资源浪费，同时也会污染环境。事实证明，大量农业废物自然发酵或直接焚烧会造成大量温室气体(如二氧化碳、甲烷)，给生态造成沉重的负担。相对应地，利用农业废弃物转化为生物炭，是一种“变废为宝”的举措。一方面，可以从有机原材料中获得合成气体、焦油等，用来发电或取暖；另一方面，生物炭通过掩埋可以实现土壤生态系统的改良。结合实际作用分析，生物炭掺入土壤之中可以直接提高土壤的碳库容量，改善土壤的酸碱度。而碳体结构本身具有很大的表面积，内部结构特征具有很好的吸水保墒性。生物炭经过特殊的研磨处理之后，有效地促进了土壤中的阴阳离子交换，避免土壤中养分的流失，为有益生物群提供落脚点，减轻重金属元素的土壤污染程度。

1 生物炭功能及特征概述

1.1 生物炭功能

生物炭的形成需要一定的人工条件，在常态下是无法实现的。传统的生物炭加工和现代化技术下的生物炭加工具有相同之处，都需要保持一种缺氧或无氧的状态，将生物质原材料(动物或植物)进行高温处理，最后可获得固体的产物。从成分上说，生物炭可以看作是“纯碳”，在高温低氧的环境下，有机物的有效成分以碳的形式被保留下来，并相对稳定，在较长的时期内不会进入生态循环系统，有效地阻止了温室效应的加剧。

事实上，生物炭也是土壤的有机组成部分。生物炭可以很好地保存土壤的养分和水分，使其变得更加肥沃，这也是很多优良土地呈现黑色的原因——生物炭成分的含量高，意味着地质变化中动植物转化形成的生物炭成分高，有利于农作物的生长，提高生产效益。

很显然，在现代社会背景下依靠传统人工的生物炭制造方法，很难满足废物处理和生态保护的要求。结合高新技术条件，利用高温高压的设备进行分解，可以大规模地进行生产。同时，生物炭的工业生产系统中，不仅仅以获得生物炭为目标，整个流程中得到的合成气是很好的能源，可以用来发电、取暖、制气等。实验证明，利用高压高温快速分解技术，可以得到大量生物炭、合成气和生物油，这也就相当于原本的有机废物通过转变，统一实现了低碳、环保和高效的目的。

结合农业产业方面分析，生物炭的制造可以消耗大量的麦秸、玉米秆、杂草、树枝等废物，而消除这些的传统方式是焚烧，是构成我国雾霾天气的重要因素。近年来我国各地严禁焚烧农业秸秆，而要消除这些有机废物，生物碳化是一种很好的形式。

出于生态保护和资源利用的考虑，国外已经开展了实质性的研究和应用。相对而言，作为一个传统的农业大国，在这一方面还存在很多缺陷。积极开展生物炭的研究，对我国水土流失、土壤退化、环境保护等有重要的意义。

1.2 生物炭特征

我国对生物炭技术的应用很早，传统的制造方法是将木质材料在密封的环境下进行高温处理，实现高温干馏反应，将生物质材料中的可燃气体消耗殆尽，剩余的固体物质几乎全部由碳构成。理论上说，生物炭是一种黑炭形式，其有效成分并不是内部的纤维结构，而是在高温缺氧环境下形成的高度芳香化难熔性固体，在常温常压下具有很强的吸附力和稳定性。

生物炭的原料取材非常丰富，包括麦秸、玉米秆、稻草、树枝等废弃物，不属于农业生产中的有效因素。但用于生物炭的制造中却有很好的表现，生物炭转化成分可高达60%-70%，剩余部分则保留为无机盐成分，包括钾、钙、钠等；实验证明，温度、压力和氧含量是控制生物炭成分的主要原因，同时控制反应速度的快慢，也可以获得不同的产品。

原料是构成生物炭的决定性因素，一般来说，树木(即木本植物)由于质地坚硬密实，因此碳含量较高，而麦秸、稻秆(草本植物)等则含碳量较低。相对应地，矿物质的含量在两种类型的原料中恰好相反，草本植物较高，木本植物较低。如果有目的性地生产生物炭，可以从原料方面进行筛选。

2 生物炭对土壤生态系统的影响分析

2.1 生物炭对土壤性质的影响

改良土壤物理性质是生物炭技术的重要研究方向，就目前而言，在世界范围内都存在大量的土壤退化现象。由于人类过度耕种以及水土流失等问题，土壤中的生物质成分大量流失，导致土地贫瘠、沙化，而加强农作物耕种的需求又导致恶性循环，水分、养分等无法在土壤中积累停留。

生物炭的表面积很大，内部的结构呈现出孔隙或蜂窝状态，在风化土方、沙土地质和热带贫瘠土地范围内可以发挥很好的水分保持作用。影响生物炭对土壤水分保持的作用，主要来源于生物炭的亲水性，而并非生物炭结构的水分保持能力，由此必须强调生物炭和土壤的适应性。我国经常用“黑土地”来形容土壤的肥沃，这是由于生物炭固定了土壤中的大部分有机物，实现了养分的有效囤积，可以更好地对于氮磷钾等无机盐肥料进行应用。

实践证明，有机物在泥土中的作用有缓解土地板结、降低硬度和粘质土壤容重，使土地松软度提高，可用于耕种的深度增加，能够更好地维护水分的保持。同时，科学研究证明，黑色或深色土壤可以更好地吸收太阳光的热辐射，实现土壤保温的效果。

2.2 生物炭对阳离子交换影响

土壤本身是一种复杂的混合物，也是影响农作物生长的因素之一。生物炭的应用不仅可以有效改善土壤的物理性质，也可以实现土壤化学性质的优化。例如，生物炭的内部孔隙可以提供微生物的有效容纳、活动空间，植物根茎在生物炭的包围下，便于提升阳离子的交换效率。

土壤中阳离子的交换效率反映了养分供应和吸收的交换能力。养分大多以阳离子状态呈现，如果土壤的吸收(或吸附)能力过强，植物的根须无法快速地吸收并转化成生长需要的能量，农业生产的效果就大打折扣。而利用生物炭技术之后，碳成分表面结构可以优化正电荷和负电荷的比例、关系和强度，并在微生物的作用下，生物炭表面所携带的阴离子会随着时间的延长而失去交换性；理论的研究是可行的，但在实践中也存在一些问题，生物炭对土壤阳离子交换的影响受到时间影响较大，即生物炭在土壤中延慢的时间越长，效果就越弱。同时，结合化学原理，阳离子转换需要中性或酸性环境，因此在碱性土壤中几乎没有效果。

2.3 生物炭对土壤养分的影响

生物炭技术的应用，其基础是针对土壤性质进行改良，从结合农业生产的角度来说，改善土壤中养分的情况更加重要。生物炭可以看作是土壤中腐殖质高度芳香化结构组分的重要源头，而根据这一特性，保持水分和养分不流失具有明显的效果。

土壤中的养分构成很复杂，除了常识中的无机盐成分(氮磷钾)之外，更重要的是有机养分，包括土壤中的微生物群落。简单地说，土壤的吸附能力如何，直接决定了这些养分的去留，也是维持土壤生态系统平衡的重要动力。例如，在农田氨挥发的有效阻止上，生物炭由于其良好的吸附力，可以减少肥料的损失。在自然界中，土壤中的有机物来源主要是生物转化的重复利用，我国传统农业中的农家肥利用，就是基于这一目的展开的。生物炭技术的应用效率要远高于单纯地有机物融入，换句话说，生物炭可以直接提升土壤中有机碳的含量，避免土壤中过量的氮元素导致的板结和肥力下降。

2.4 生物炭对土壤微生物及病虫害的影响

微生物在自然界具有巨大的调节作用，土壤是微生物生存的基础，并在不断的作用中形成良性循环。科学研究证明，对植物根系发挥良性作用的微生物菌种包括丛枝菌根和外生菌根，有效地提高这两种微生物菌类的含量，是促进农作物生长的重要策略。

微生物对土壤的改良作用很明显，如自然界的大量动植物腐殖质分解，主要依赖微生物完成。人工施加的绿肥，本身并不具备直接为植物贡献养分的作用，也需要微生物的转化作用，将蛋白质、氨基酸等转化为可吸收的成分，同时副产品可以改良土壤结构；鉴于微生物种群的有益性，如何提高微生物含量至关重要，换句话说，要为微生物提供生存和繁殖的空间。生物炭技术的应用，对外生菌根的影响提升作用明显，从20%到200%不等。科学家研究表明，生物炭之所以能够提高土壤中微生物的繁育度，与内部的孔隙结构有直接关系。对于微生物而言，生物炭的内部孔隙提供了安全的庇护场所，同时也具有吸附氧气、养分等辅助功能。

同时，生物炭也是土壤中微生物良好的选择催化剂，结合我国大豆方面的研究，病虫害增多、真菌比例升高等原因，在生物炭技术的干预下有明显的改善，尤其在酸性土壤大豆田中，能够发挥土壤添加剂的抗病性效果，主动繁育病害防御体，减少微生物降解引起的植物病原体生存空间。

2.5 生物炭对土壤环境的影响

近年来我国不断地尝试生物炭的应用技术，在针对这一产品的研究中，总结出其具有较高稳定性的化学特点，同时与其他有机结构体相比，在热稳定性、生物稳定性、物理稳定性方面都更加优秀；基于此，生物炭可以长期在土壤中发挥作用，其土壤环境的适应性极佳，但针对不同的土壤环境所发挥的功效不同。例如，生物炭可以用来治理污染土壤，在一些工业废水排放、废渣污染的土地范围中，利用生物炭表面积和孔隙的优势，实现对重金属和有毒物质的吸收，从而实现改良土质的目的。

同时，生物炭技术的应用对改善农作物品质也有很大作用，且对环境本身没有任何干扰。以无公害蔬菜生产为例，必须将农药含量控制到国家规定范围内，但农作物的病虫害治理中主要依赖化学农药喷洒。充分利用生物炭技术，可以有效减少农作物根系对农药成分的吸收，实现绿色性干预；基于这一原理，生物炭对大量农作物都有促产和提质的作用。目前我国农业领域的实验中包括玉米、水稻、小麦和大豆等粮食作物，都具有一定的增产效果，但差异性很大。玉米和水稻的增产幅度较高，小麦和大豆幅度较低，说明生物炭技术的应用的条件性必须重视。

3 结语

综上所述，生物炭技术在改良土壤、资源利用和生态保护等方面具有重要作用，是现代农业发展中的重要改良方向。在当前全球范围内提倡节能减排、低碳发展的背景下，生物炭技术可以大规模减少二氧化碳、甲烷等温室气体的排放，将碳成分牢牢锁定在土壤成分中。但是，尽管生物炭技术具有很好的应用前景，同样也存在适应性和适量性的问题。并非所有的土壤环境都适合生物炭的应用，如原本就较为肥沃的土壤环境中，过量使用会导致严重的负面效应。同时，在生物炭的制造生产过程中会出现一些有毒物质，如果不能够有效地解决，很可能会造成土壤毒害危机，发挥反效果。总之，在利用生物炭进行土壤生态环境改良的过程中，既要考虑生物炭的适应性，也要考虑土壤的适应性，将改良效果发挥到最优。

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责任编辑：程艳艳

Research Progress of Impacts of Biological Carbon on Soil Ecosystem

LIU Qian, XIE Xiuhong

(College of Landscape Architecture, Changchun University, Changchun 130022, China)

In the narrow sense, biological carbon refers to the solid product formed from biological organic material through pyrolysis in anaerobic (lack of oxygen) environment, which with its high carbon content can be used as the energy, reducing agent and soil improvement material compared to common carbon products, being an effective solution to soil degradation, environment pollution and climate change. Biological carbon plays a significant role in improving soil ecological environment and has a high research value. This article makes a discussion by focusing on the topic and puts forward reasonable opinions and suggestions.

biological carbon; soil ecosystem; soil improvement; research progress

2016-08-12

吉林省教育厅“十二五”科技计划[吉教科合字2012(259)]

刘骞(1982-)，女，吉林四平人，讲师，博士研究生，主要从事生态环境技术方面研究。

Q938.1+3

A

1009-3907(2016)10-0049-04