生物质炭对农田土壤的影响

刘远+陈光旭

摘 要：生物质炭具有丰富的孔隙结构和表面性能、巨大的比表面积、植物生长所需营养元素、较高的化学稳定性和较强的阳离子交换能力等特点，因而其在土壤改良、污染物吸附、固碳减排、土壤修复等领域具有特别大的应用前景。该文概述了生物质炭的作用及其研究进展，同时指出，目前生物质炭应用技术的研究还处于起步阶段，生物质炭的研究工作还有待于深入和加强。

关键词：生物质炭；土壤改良；温室气体；农田生态系统

中图分类号 S141 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）02-03-0009-02

Abstract：Biochar has abundant pore structure and surface properties，large specific surface area，high plant growth nutrient contents，high chemical stability，and strong cation exchange capacity. Thus，biochar has a special wide application prospect on soil improvement，pollution absorption，carbon sequestration and mitigation and soil remediation fields. Although some progress has been made in biochar research，but the application technology research is still in its infancy and has yet to be further and strengthened.

Key words：Biochar；Soil improvement；Green-house gases；Agricultural ecosystem

生物質炭（biochar）是指生物质在限氧或无氧条件下经高温热解炭化而形成的固态物质[1]。可用于生产生物质炭的原料包括作物秸秆、树木枝干、畜禽粪便、城镇生物质废弃物等。生物质炭是具有多种功能的生物材料，包含许多促进植物生长的营养成分，在优化土壤品质方面有很好的效果，能够改善土壤肥力，提高农作物的产量。生物质炭有较高的比表面积且表面存在大量含氧基团，这些基团还有较高的活性，它能固持土壤和污水中的金属如镉、银离子等，净化农田环境，降低农田毒性，保证农作物的健康成长[2]。此外，施加于土壤中，可以固碳减排，改善人类的生存环境，在未来的农业和环境中具有极大的应用前景。

1 土壤改良剂

早在公元前500a，就有人将黑炭加入土壤中以期改善土壤肥力，加了黑炭的土壤呈现黑色，经检测碳含量达9%，比周边土壤高出19倍，与此同时，检测出N、P的含量比周边土壤高出2倍，农作物的产量却提高一倍。通过分析发现，该黑色土壤就是因为添加生物质炭后形成的比较肥沃的土壤，因此根据土壤颜色判断土壤肥力的方法就衍生出来了[3]。目前已有研究证实生物炭完全可作为一种特殊的肥料加入到土壤中来增加土壤肥力，增加了植物对营养物质的可利用效率，从而一定程度上提高了农产品的产量。生物炭具有多种特殊性质，是种多功能的生物材料，许多专家都在探究其在各个领域中的应用价值。从研究结果可以看出，生物炭在农业及环境保护方面有极大的应用潜力。目前，全球土壤出现了比较严重的情况，如酸碱失去了平衡、水土过分流失、土地肥力不断下降等，因此急需解决以上土壤问题。

生物质炭一般呈碱性，且碳化温度越高，碱性越强。而生物质炭施入土壤后能够调节土壤的pH值并提高土壤的盐基饱和度[4]。生物质炭具有多孔性的结构及较大的表面积，并且其表面富含较多的含氧官能团（-OH，-COOH，C=O等），施入土壤后可显著提高土壤交换活性，增加离子交换位点，从而提高土壤阳离子交换量（CEC）[5]。而土壤CEC大小影响着土壤中养分离子的迁移、淋溶及土壤无机污染物的生物有效性，从而影响土壤肥力及安全性。同时，生物质炭的施用对土壤水分含量有重要的作用。Novak等利用室内盆栽实验研究了不同植物源生物质炭对土壤持水量的影响。结果表明，不同生物质炭都显著增加了土壤持水量，且土壤水分含量与土壤容重显著相关[6]。因此，生物质炭可用于土壤环境改良的原因可概括为：表面电荷效应、平衡酸碱度、增大比表面积、提高孔隙率、阳性离子（金属离子）交换能力以及提供养分等。此外，生物炭的作用效果不仅受其本身的影响，土壤自身条件的差异也影响着作用效果，如生物炭的阳性树脂特性能够吸附阳离子从而提高土壤的碱性，并且呈现正相关的关系。所以在施用它作为肥料时要考虑到很多的因素，这样才能保证土壤肥力提升。

2 污染物吸附剂

生物质炭特殊的微孔结构使得它拥有表面积大、性质稳定、和表面活性基团含量多的特点，是一种很好的保护环境的吸附剂。很多调查表明，生物质炭的制作成本低，吸附效率高，能够吸附多种污染物。和活性炭相比，生物质炭的吸附量小，但是其生产成本要比活性炭小很多，而且除了当吸附剂用外，还能够利用静电作用以及化学沉淀去除多种污染物[3]。例如，可以利用生物质炭表面的含氧基团把Pb用Pb5（PO4）3（OH）的方式结合去除，而活性炭因为自身容量问题，对Pb的吸附效果不好。而在现实中，土壤中一般都是多种污染物共存的，所以使用生物质炭作为吸附剂有很大的优势。

生物炭去除有害有机物的原理为：（1）污染物被生物质炭的空隙结构吸收掉；（2）生物炭拥有较大的比表面积，能够很好的把有机污染物固定在其表面；（3）在高温裂解情况下生产的生物炭有很强的极性，对有机物具有更高的亲和性；（4）生物炭可以通过增强土壤中微生物的活性，进而提高微生物分解有机污染的能力。因此，我们可以在污染土壤中施用生物质炭，通过其去除有害物质来修复污染土壤。

3 温室气体减排固炭

生物质产生并施用于农田土壤的过程是将植物光合作用固定的二氧化碳转化为稳定的碳并固定于土壤的过程。生物质炭具有较强固碳能力是因为其具有很强的化学和生物学稳定性。生物质炭具有明显的芳构化结构，施用于土壤中后其较强的疏水性和高的碳氮比使得微生物难以对其利用。除此之外，生物质炭施用于土壤中还能够显著降低温室气体的排放，特别是降低氧化亚氮的排放。Yanai et al（2007）较早报道了生物质炭施用对氧化亚氮的影响。生物质施用对甲烷排放的影响，不同研究认识并不一致。但生物质炭对限制温室气体的存在有着很大的作用。

4 展望

目前研究表明：生物质炭具有丰富的孔隙结构以及较强的化学稳定性和交换阳性离子能力。生物质炭能够吸附多数污染物，并且还能够使污染物的有效性以及迁转力下降；生物质炭的pH值较高，能够提高酸性土壤的pH值；微生物可在生物质炭中发育、繁衍，从而有利于降低污染物的含量，但同时又可以保护有机物免受生活在其中的微生物分解，使田地系统更加稳定[8-9]。近年来，生物质炭受到国内外专家学者的高度关注，并在土壤改良、缓解气候变化、土壤肥力增强、重金属土壤净化以及土壤修复等领域的研究方面都取得了一定的进展，但对它的研究还停留在表面，更深层次的作用机理有待于更多研究工作者去探究。

参考文献

[1]Lehmann J，Joseph S.Biochar for Environmental Management：Science and Technology[M].London：Earthscan，2009：1-448.

[2]王萌萌，周启星.生物炭的土壤环境效应及其机制研究[J].环境化学，2013，32（5）：765-780.

[3]張小凯，何丽芝.生物质炭修复重金属及有机物污染土壤的研究进展[J].土壤，2013，45（6）：970–977.

[4]Liu X，Zhang A，Ji C，et al. Biochars effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—a meta-analysis of literature data[J].Plant and soil，2013b，373（1-2）：583-594.

[5]Laird D A. The charcoal vision：A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy，permanently sequestering carbon，while improving soil and water quality[J].Agronomy Journal，2008，100：178-181.

[6]Novak J，Busscher W，Watts D，et al. Biochars impact on soil-moisture storage in an ultisol and two aridisols[J].Soil Science，2012，177（5）：310-320.

[7]Yanai Y，Toyota K，Okazaki M. Effect of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments[J].Soil Science and Plant Nutrition，2007，53：181-188.

[8]陈心想，耿增超.生物质炭在农业上的应用[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（2）：167-174.

[9]黄剑，张庆忠.施用生物炭对农田生态系统影响的研究进展[J].中国农业气象，2012，33（2）：232-239.

（责编：张长青）