盐生植物生物炭改良盐碱地前景探讨

李俊哲 徐泽 刘昱彤 迟旭 穆婉莹 王佳楠

摘要：我国具有丰富的盐生植物资源，盐生植物对盐碱地具有改良和修复作用。大部分盐生植物由于盐分过高不宜直接还田，因此将其制成生物炭并进行一定的改性、脱盐处理可实现盐生植物的回收再利用。本文对盐生植物制取生物炭的原理、过程、意义及其前景进行了综述，为后续盐生植物制取生物炭改良盐碱地的研究与利用提供依据。

关键词：生物炭;盐碱土;盐生植物

中图分类号：X171.4    文献标识码：A    文章编号：2095-672X（2021）01-0093-04

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.015

Prospects of improving saline alkali land with halophyte biochar

Li Junzhe， Xu Ze， Liu Yutong，Chi Xu，Mu Wanying，Wang Jia'nan

（Nankai University Binhai College，Tianjin 300270，China）

Abstract：China is rich in halophyte resources.Halophytes can improve and repair saline alkali soil.Most halophytes are not suitable to be returned to the field directly because of the high salinity.After modification and desalination of halophytes， the halophyte biochar can be recycled.In this paper， the principle， process， significance and Prospect of halophyte biochar are discussed.This study provided the basis for the further research and utilization of halophyte biochar.

Key words：Biochar;Saline-alkali soil; Halophytes

背景

盐碱地是我国广泛分布的土壤类型之一，其所占土地总面积达3.6×105km2，占全国可利用土地面积的4.88%，并且每年约有10×104km2土地因盐碱化而废弃[1]。合理利用盐碱地资源并对盐碱地进行充分的改良和维护可以充分促进盐碱地区的经济和农业发展。据研究，在盐碱地上种植盐生植物可以改良盐碱地并提高土壤肥力。根据赵可夫的调查研究，我国约有600种盐生植物的存在[2]。盐生植物在改良盐碱地后植物体内盐分含量将会升高，如果直接还田会导致土壤盐分的增加。为了实现废弃物循环利用，将此类盐生植物经脱盐处理后制取生物炭，可实现盐生植物的还田再利用。生物炭对土壤的物理、化学、生物学和土壤作物生长都有着一定的改良效果，研究表明生物炭对盐碱地也有着一定的改良效果[3]。因此将盐生植物脱盐处理并制取生物炭对盐碱地改良和盐生植物充分利用及固体废弃物处理上均具有重要意义。

1    盐生植物制取生物炭的原理

全球的盐生植物共有约1500余种，其中在中国已发现共有超过500种[4]。此类植物可以定义为在高含盐量的生境中能生长并完成其生活史的植物[5]，通过吸收盐碱土壤中的盐分使得盐碱土被改良，并且此类植物体内的盐分含量随着植物生长年限的不断增长而增多。利用此类盐生植物制取生物炭一方面是对此类植物的良好利用，另一方面“取之于盐碱、用之于盐碱”的模式对循环生态的发展有着重要的利用价值。

生物炭是由有机物在缺氧的条件下燃烧制备而成的，具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构和官能团的物质。不同原料制备的生物炭其原料自身元素的含量、种类不同，受温度、pH 值等的影响，生物炭中的元素含量也会有所变化。生物炭的pH通常呈碱性，但由于裂解温度对pH的影响也可有酸性生物炭。本技术所用到的生物炭pH需要为酸性。其可利用于农田，在增加土壤养分、减少温室气体的排放和减少化学肥料的使用方面有重要的作用。在改良土壤的理化性质方面，它有调节土壤的pH值、缓解土壤的盐碱化、增加土壤的持水能力、改善土壤的重金属污染等作用[6]。生物炭具有丰富的孔隙结构和官能团，而盐生植物制取的生物炭的酸碱性，与制取生物炭的热裂解温度和盐生植物的种类有关。生物炭pH值范围在5～12（平均为9.15）[7]，通过生物炭酸化处理的研究实例，猪毛菜在300℃的条件下制取生物炭时，酸性基团含量比原材料提升了39%[3]。当然，除了热裂解使酸性基团产生变化外，还可以在生物炭制取过程中添加硝酸等多种酸性物质使生物炭进行酸化[8]。目前已有团队通过对动物粪便或生长自盐碱地的花生壳进行炭化和酸化处理得到酸性生物炭[8，9]。

大多数种类的生物炭表面带有负电荷，它的阳离子交换容量要高于阴离子交换容量，因此这样的生物炭吸附能力较弱。为了提高其吸附能力，通常会对生物炭进行改性。陈友媛将盐生植物浒苔[10]经过简单地粉碎处理后加热至400℃，冷却后得到原始的生物炭，对其使用H3PO4溶液进行改性，制成改性生物炭，可有效降低土壤碱性并吸附土壤中Na+，从而降低土壤盐碱度。李三姗将芦苇洗净晾干后粉碎加热至700℃使其热解，用浓盐酸改性[11]，也制成了同样的改性生物炭。生物炭一方面可以增加土壤的肥力，減少空气中碳含量;另一方面，生物炭对于不同种类的土壤效用不同。此外，生物炭作为隔盐层在盐碱土淋洗改良中的作用效果要优于传统的砾石隔盐层，因此，盐生植物制取生物炭还可以应用在作为土壤隔盐层对盐碱地进行改良[12]。同时盐碱植物制成的生物炭施用对盐碱土的速效养分和酶活性都具有积极地影响效果，因此这方面的研究对盐碱地的改良也具有十分重要的意义[13]。

2    盐生植物制取生物炭的原料和操作

生物炭的制备原料很多，秸秆、果壳、果皮等都可以制成生物炭，但目前利用盐生植物制取生物炭的研究相对较少。本着循环经济的原则，采用盐生植物进行生物炭制备并直接还田，具有节能、高效、降低经济成本的优点。由于盐生植物耐盐、稀盐、泌盐等特性，导致盐生植物体内含盐量较高，因此在生物炭制备过程中的脱盐和改性处理技术至关重要。

目前盐生植物制取生物炭主要依靠的技术是热裂解技术，通过不同的裂解温度，使其中所含有的酸碱基团的含量有所变化，使盐生植物在制取生物炭的过程中保证其pH达到可起到改良盐碱地效果的酸性。郑浩的研究表明，采用慢速热解法可保证在产量较大的条件下制备出适用于盐碱地的生物炭。以盐碱地生长的花生壳为例，可使用350℃热解2h，这样既可以确保其热解时间充分，也可以保证其产量较大，并保留了其中的大部分养分。之后可使用酸性物质（如硝酸等）对制备生物炭进行转型，并通过纯净水对pH进行调节，最终确保制备出的生物炭符合改良盐碱地的基本特征[14]。

3    盐生植物制取生物炭的效果和影响

3.1    对土壤成分的影响

生物炭对盐碱土理化性质的改良主要体现在对土壤容重、水分、孔隙、土壤团聚体有机质和养分等方面的影响，同时具有固碳、保肥、储存养分、促进种子的萌发和帮助植物生长发育、提高植物出苗率和促进幼苗生长等作用[15]。生物炭的多孔特性和低密性可增加土壤孔隙度，在一定程度上可改善土壤通气性能[16]。其还可以降低土壤容重，提高土壤的持水能力和水稳性大团聚体的数量[17]，降低土壤板结程度，提高土壤养分含量，降低土壤盐碱度[18]。生物炭还含有大量植物所需的营养元素及中、微量元素，為植物生长发育提供了养分，因此在提高土壤保肥性能方面具有很大优势。另外生物炭的结构便于与重金属离子结合，可有效去除土壤中所含有的重金属元素[19]。

生物炭改善植物矿物营养的同时，还可改善盐碱土地的微环境。其多孔结构可以为微生物提供良好的栖息地和繁殖条件，提高土壤中的生物酶活性，同时生物炭中所含的多种元素也为微生物提供了营养物质，提高了土壤微生物的数量、丰富度和群落结构[20]。

3.2    对环境的影响

将耐盐植物和废弃物进行炭化制备生物炭不仅产出率高、效果明显，还可有效提高农业废弃物资源化利用。有研究表明，生物炭还田可减少温室气体的排放，添加量较低时抑制土壤水分蒸发，降低土壤表面反盐度，提高洗盐效果，缩短盐分洗脱时间[3]。生物炭与腐菌剂配合施用可降低盐碱土的水溶性盐含量，与环保酵素配合施用可大幅度提高土壤脱盐脱碱能力，降低土壤盐碱化，提高土壤肥力[21]。生物炭与黄腐酸混合施用可加速土壤自然板结退化，抑制盐分积累，对盐碱土的耕地化改良很有利。在农业生产方面，生物炭与化肥按一定比例制成生物炭基肥，能较好地控制化肥施用量，提高作物产量，改善生长环境，对土壤起到保护作用，达到改良土壤的效果。

3.3    对循环经济的影响

盐生植物制取生物炭提高了盐碱植物和为改良盐碱地而栽种的最终被废弃的植物资源的利用率，减少了由于盐生植物在改良盐碱地后浪费、处理不当所带来次生环境问题或回收方面的困难，是一种对环境友好的盐碱地改良技术，同时也符合循环农业取之于地，用之于地的标准。

参考文献

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收稿日期：2020-10-06

基金项目：2020年大学生创业训练项目，项目编号：202013663052。

作者简介：李俊哲（2000-），男，汉族，本科在读;徐泽（1979-），男，汉族，副教授。

通讯作者：王佳楠（1981-），女，汉族，高级实验师。