生物炭及其對酸性土壤改良的研究進展

張祥，王典，姜存?zhèn)}，彭抒昂

摘要：近年來，生物炭以其特殊的性質(zhì)及環(huán)境生態(tài)效應(yīng)日益成為眾多學科研究的前沿熱點，特別是其在酸性土壤改良方面有較大的應(yīng)用前景。隨著中國農(nóng)業(yè)種植方式和結(jié)構(gòu)的不斷變化，一些區(qū)域的土壤酸化現(xiàn)象逐漸加重。主要從生物炭的性質(zhì)及其對酸性土壤改良方面的最新研究成果進行了闡述，并對今后生物炭的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：生物炭；性質(zhì)；酸性土壤；改良機制

中圖分類號：X71；S156.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）05-0997-04

Biochar and Research Advances of Biochar in Acidic Soil Improvement

ZHANG Xianga，WANG Diana，JIANG Cun-canga，PENG Shu-angb

（a.College of Resources and Environment；b.College of Horticulture and Forestry Science，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： In recent years， increasing attention has been paid in many disciplines to biochar which has special properties and potential beneficial effects to environment and ecosystem， especially in the improvement of acidic soil. With the changing of agriculture cropping patterns and structure in China，the phenomenon of the soil acidification in some regions has gradually increased. The biochars properties and the latest research results on the improvement of acidic soil by biochar are reviewed， and the outlook of the future research on biochar is put forward.

Key words： biochar； property； acidic soil； improvement mechanism

酸性或弱酸性土壤主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，土壤酸化會直接導致耕地土壤理化性質(zhì)變差，并打破原有的適宜作物生長的土壤生態(tài)環(huán)境條件，使土壤pH下降，導致土壤中有效硼、鉬等含量下降，而土壤中有效鐵、鋁、錳等含量增加，使作物產(chǎn)生錳、鋁中毒等，進而導致土壤中鈣、鎂等元素的缺乏，使作物生長發(fā)育不良，產(chǎn)量和品質(zhì)下降[1]。鋁毒和土壤肥力低是酸性土壤限制作物生長的兩個重要因素[2]。為改善土壤酸性和提高作物產(chǎn)量，石灰曾被廣泛運用，但是石灰應(yīng)用有很多限制條件，作用不長久并易產(chǎn)生負面效應(yīng)[3]。

近年來人們對生物炭的研究愈來愈多，其作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備受重視。生物炭添加到土壤中能改善土壤理化性質(zhì)，影響土壤肥力。筆者主要對生物炭的性質(zhì)及其對酸性土壤的改良進行了闡述，并對其今后的研究方向進行了展望。

1 生物炭及其性質(zhì)

生物炭最早起源于巴西亞馬遜流域，它是古代人們在發(fā)展熱帶酸性土壤農(nóng)業(yè)管理實踐中創(chuàng)造出的人工土壤[4]。早期的歐洲殖民者將這種土稱為黑土，其上部的富碳層厚達35 cm，含有大量生物來源的黑炭，這與周邊棕紅色的氧化土有明顯區(qū)別?，F(xiàn)代科學家從這種土壤性質(zhì)出發(fā)，希望能夠通過類似古人的管理理念在貧瘠土壤上培育出高碳庫的土壤[5]。黑土中的關(guān)鍵成分是炭，也稱為生物炭，它是作物秸稈等有機物質(zhì)及其衍生物在限制供氧的條件下加熱而成的。

1.1 生物炭的制備

生物質(zhì)原料在裂解爐限氧的環(huán)境條件下燃燒發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣在真空泵的抽引下經(jīng)過冷卻分離設(shè)備除了可以得到生物油、木醋液和可燃氣體3種產(chǎn)品外，其裂解反應(yīng)的剩余物質(zhì)就是生物炭[6]。制得生物炭的性質(zhì)取決于制備生物炭的材料和制備條件如溫度、氧氣含量和時間等[7，8]。而生物炭的產(chǎn)量則取決于高溫分解過程的快慢?？焖俑邷胤纸饽軌虻玫?0%的生物炭、20%的合成氣和60%的生物油，而慢速高溫分解可以產(chǎn)生50%的生物炭和少量的油[9]。

1.2 生物炭的性質(zhì)及其應(yīng)用

生物炭的功能主要決定于其理化性質(zhì)。而生物炭的理化性質(zhì)又決定于制備生物炭的材料和制備條件如溫度、氧氣含量和時間等[7，8]。因此，制備生物炭的原料不同，制備條件的差異導致獲得的生物炭的性質(zhì)也存在很大差異。

生物炭含有一定量的堿性物質(zhì)，一般呈堿性。研究發(fā)現(xiàn)生物炭表面的有機官能團和生物炭中的碳酸鹽是堿的主要存在形態(tài)，碳酸鹽對生物炭堿的貢獻隨制備溫度的升高而增加，有機官能團的貢獻呈相反的趨勢[10]。X射線衍射圖譜和生物炭中碳酸鹽的量表明在較高溫度條件下制備生物炭時，碳酸鹽是生物炭中堿性物質(zhì)的主要存在形式。紅外光聲光譜和Zeta電位則表明生物炭有豐富的含氧官能團[11]。

生物炭主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，含有60%以上的碳元素[12]，具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)[13]，使其與其他任何形式的有機碳相比都具有更高的生物化學和熱穩(wěn)定性[14]，可用于碳的封存固定。此外，生物炭可溶性極低，擁有較大的孔隙度和比表面積[15]。這些基本性質(zhì)使其具備了吸附能力、抗氧化能力和抗生物分解能力強的特性，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域[12]。

2 生物炭與酸性土壤的改良

2.1 土壤酸化及其改良方法

土壤酸化是指土壤中氫離子增加的過程或者說是土壤酸度由低變高的過程，它是一個持續(xù)不斷的自然過程。土壤中存在一些天然酸的形成過程，但這一過程的速度非常緩慢，而人為的影響使得這一過程大大加速。影響土壤酸化的人為因素主要有兩方面，一是酸性氣體的大量排放，導致酸沉降的增加；二是不當?shù)霓r(nóng)業(yè)措施[16]?？刂扑岢两凳强刂仆寥浪峄母就緩?。但對于已經(jīng)發(fā)生酸化的土壤，必須采取一些措施來改良，目前主要有兩種改良方法，一是運用化學改良劑進行改良，另一種是采取一定的生物措施來達到改良的效果[16]。

目前，適當加入石灰石或白云石被認為是防止土壤酸化同時提高土壤養(yǎng)分的有效方法，此法在歐美等國家得到一定程度的應(yīng)用，其優(yōu)點是可以較為快速地緩解或消除土壤酸化及其影響[17]，但其副作用也不容忽視，特別是會導致土壤有機質(zhì)含量的下降[3]。因而，尋找和施用合適的改良劑以中和土壤酸度、提高土壤肥力、恢復酸性土壤的生產(chǎn)力對農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護具有雙重意義[18]。

2.2 生物炭改良酸性土壤的機制

生物炭中含有堿性物質(zhì)，加入土壤后這些堿性物質(zhì)可以很快釋放出來，中和部分土壤酸度，使土壤pH升高[19]。生物炭能夠顯著提高土壤pH、改變土壤質(zhì)地、增大鹽基交換量，從而引起土壤陽離子交換量增加。袁金華等[19]研究表明，稻殼炭含有一定量的堿性物質(zhì)和鹽基陽離子，能夠顯著降低土壤酸度，增加土壤交換性鹽基數(shù)量和鹽基飽和度，它可使土壤交換性鋁、可溶性鋁和有毒形態(tài)鋁含量降低，從而有效緩解酸性土壤地區(qū)鋁對植物的毒害。

生物炭作為石灰替代物，可通過提高土壤堿基飽和度降低可交換鋁水平、消耗土壤質(zhì)子來提高酸性土壤pH，同時可改良酸性土壤一些養(yǎng)分的有效性[20]。生物炭中含有大量植物所需的必需營養(yǎng)元素，除C含量較高外，N、P、K、Ca和Mg的含量也較高，且在制備過程中C和N的含量由于燃燒和揮發(fā)的原因隨溫度的升高而降低，而K、Ca、Mg和P的含量隨溫度的升高而增加[21]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭中營養(yǎng)元素的含量和其來源物料中元素的含量呈直線相關(guān)[22]。Yuan等[23]比較了由油菜秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、稻草、稻糠、大豆秸稈、花生秸稈、蠶豆秸稈和綠豆秸稈制備的生物炭的元素含量，發(fā)現(xiàn)由于4 種豆科植物秸稈中的Ca、Mg和K含量高于5種非豆科植物殘體中的含量，4種豆科秸稈制備的生物炭中這些養(yǎng)分的含量也明顯高于5種非豆科植物殘體制備的生物炭中的含量。生物炭含有的礦質(zhì)養(yǎng)分可增加土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分含量，如P、K、Ca、Mg及N素，生物炭通常對養(yǎng)分貧瘠土壤及沙質(zhì)土壤的一些養(yǎng)分補充作用較明顯[24]。花莉[25]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的生物炭有利于提高土壤陽離子交換量、pH、總P和總N含量，陽離子交換量的增幅可達到40%，而pH可以提高一個單位左右。黃超等[26]的研究表明，紅壤施用生物炭不僅可提高土壤碳庫，還可降低土壤酸度，增加土壤pH和鹽基飽和度，增加土壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量，增加土壤的速效磷、速效鉀和有效氮，增強土壤保肥能力，改善生長環(huán)境，從而促進黑麥草生長。

生物炭富含有機碳，可以增加土壤有機碳含量以及土壤有機質(zhì)或腐殖質(zhì)含量，從而可提高土壤的養(yǎng)分吸持容量及持水容量[24]。施用生物炭能夠促進土壤有機質(zhì)水平的提高[27]，一方面是由于生物炭能吸附土壤有機分子，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成土壤有機質(zhì)，另一方面生物炭本身極為緩慢的分解過程有助于腐殖質(zhì)的形成，能夠通過長期作用促進土壤肥力的提高。

生物炭能夠有效調(diào)控土壤中營養(yǎng)元素的循環(huán)。首先，生物炭獨特的表面特性使其對土壤水溶液中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、K、P及氣態(tài)氨等不同形態(tài)存在的營養(yǎng)元素有很強的吸附作用。同時施加生物炭后土壤持水能力和供水能力得到顯著提高[28，29]。其次，生物炭能通過調(diào)節(jié)硝化和反硝化作用來避免N素損失。最后，生物炭與其他有機或無機肥料配合使用會使作物增產(chǎn)效果更佳[30]。

生物炭的孔隙度對保持養(yǎng)分離子的能力有很重要的作用，生物炭對養(yǎng)分的保持能力是通過對水分的保持實現(xiàn)的。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)能降低水分的滲濾速度，增強土壤對溶液中移動性很強和容易淋失養(yǎng)分元素的吸附能力，如高pH條件下的NO3-和低pH條件下的鹽基陽離子等[30]。生物炭具有強大的吸附能力，其可吸附NH4+、NO3-等多種水溶性鹽離子，具有良好的保肥和去污能力[31]。生物炭具有較強的吸濕能力，從而影響土壤的持水能力。生物炭所具有的強吸附性可以吸附大氣中的一部分水分和減少降雨時雨水的流失，最大程度地將雨水吸附到它所在的可耕層，供作物的生長需要，使干旱缺水地區(qū)的土壤能夠長出植被，防止沙漠化[7]。土壤水分含量和有效性是世界范圍內(nèi)衡量土壤生產(chǎn)力的重要指標。生物炭可以吸附和保持水分，并且可以增強土壤水分的滲透性[32，33]。而且土壤的田間持水量隨施入生物炭數(shù)量的增加而增加[33]。在亞馬遜河流域的某些地區(qū)，施入生物炭可使土壤的保水能力提高18%[30]。

此外，生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及水肥吸附作用也使其成為土壤微生物的良好棲息環(huán)境，其多孔性和表面特性能夠為微生物生存提供附著位點和較大空間，為土壤有益微生物提供保護，特別是菌根真菌，可提高有益微生物的繁殖能力及活性，增強泡囊叢枝菌根菌（VAM）對植物的侵染，同時調(diào)控土壤微環(huán)境的理化性質(zhì)，影響和調(diào)控土壤微生物的生長發(fā)育和代謝，進而增強土壤肥力。因此生物炭可作為微生物肥料接種菌的載體，增加接種菌在土壤中的存活率及對植物的侵染[24]。

生物炭也能改變有毒元素的形態(tài)，降低有毒元素對作物及環(huán)境的危害，有助于植株正常發(fā)育。許多學者認為，施用生物炭能顯著增大土壤pH，由此降低Al、Cu、Fe等重金屬可交換態(tài)的含量，與此同時增加Ca和Mg等植物必需元素的可利用性，一方面可減輕有害元素對作物生長過程中的傷害，另一方面可增加植物對營養(yǎng)元素的攝取，從而促進植株的生長[34]。Jin等[35]的研究表明，生物炭可以有效去除土壤中的Cd和Pb等重金屬元素。

3 生物炭研究存在的問題與展望

目前，生物炭已成為最新研究熱點，其在全球碳的生物地球化學循環(huán)和緩解全球氣候變化研究領(lǐng)域、在農(nóng)業(yè)土壤改良和作物栽培領(lǐng)域以及在土壤污染物質(zhì)的生態(tài)修復領(lǐng)域等都有重要意義，在環(huán)境科學和土壤學方面有更廣闊的應(yīng)用前景[34]。然而，也有人認為生物炭固碳只是某些人的“美好愿望”而無法實現(xiàn)[10]。生物炭應(yīng)用仍需解決的問題主要有以下幾個方面：國外農(nóng)場規(guī)模大，作物秸稈等生物炭制備原材料的收集和運輸?shù)募s化經(jīng)營成本較低，處理率較高，而中國農(nóng)田規(guī)模小、經(jīng)營分散、收集和運輸成本高，嚴重限制了生物炭的獲得與應(yīng)用。另外，生物炭對酸性土壤改良有效果，但其最佳用量及機理尚不清晰，其對中性或堿性土壤是否有效也有待探討。生物炭研究還停留在實驗室和田間的理論階段，對于在生產(chǎn)上的推廣以及具體應(yīng)用過程中所需要的技術(shù)支持還處于起步階段。同時要考慮大量施用生物炭可能存在一些不利的方面，如生物質(zhì)在熱解過程中可能產(chǎn)生少量有毒物質(zhì)，且生產(chǎn)的高溫分解過程也會增加溫室氣體的排放等[9]。

參考文獻：

[1] 鄭福麗，譚德水，林海濤.酸化土壤化學改良劑的篩選[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學，2011，43（4）：56-58.

[2] YUAN J H， XU R K. Amendment of acid soils with crop residues and biochars[J]. Pedosphere，2001，21（3）：302-308.

[3] HTITT R F， SCHNEIDER B U. Forest ecosystem degradation and rehabilitation[J]. Ecological Engineering，1998，10：19-31.

[4] RENNER R. Rethinking biochar[J]. Environmental Science & Tcehnology，2007，41（17）：5932-5933.

[5] SOHI S，LOEZ-CAPEL E， KRULL E， et al. Biochars roles in soil and climate change： A review to guide future research[R]. Australia：CSIR，2009.

[6] 張忠河，林振衡，付婭琦，等.生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（22）：11880-11882.

[7] LUA A C， YANG T. Effects of vacuum pyrolysis conditions on the characteristics of activated carbons derived from pistachio-nut shells[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2004， 276（2）：364-372.

[8] GUNDALE M J， DELUCA T H. Temperature and source material influence ecological attributes of ponderosa pine and Douglas-fir charcoal[J]. Forest Ecology and Management，2006， 231（1）：86-93.

[9] 劉 霞.生物炭能否給地球降降溫[N]. 科技日報，2009-07-12（2：1-5）.

[10] 袁金華，徐仁扣.生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（4）：779-785.

[11] YUAN J H， XU R K，ZHANG H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

[12] 陳溫福，張偉明，孟 軍，等. 生物炭應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 中國工程科學，2011，13（2）：83-89.

[13] WASHINGTON J B， JOSEPH J P. Sorption hystersis of benzene in charcoal particles[J]. Environ Sci Technol，2003，37（2）：409-417.

[14] 安增莉，方青松，侯艷偉. 生物炭輸入對土壤污染物遷移行為的影響[J].環(huán)境科學導刊，2011，30（3）：7-10.

[15] GERARD C， ZOFIA K， STAVROS K. Relations between environmental black carbon sorption and geochemical sorbent characteristics[J]. Environ Sci Technol，2004，38（13）：3632-3640.

[16] 易杰祥，呂亮雪，劉國道.土壤酸化和酸性土壤改良研究[J]. 華南熱帶農(nóng)業(yè)大學學報，2006，12（1）：23-28.

[17] LUNDSTROM U S， BAIN D C， TAYLOR A F S， et al. Effects of acidification and its mitigation with lime and wood ash on forest soil processes areview[J]. Water Air and Soil Pollution Focus，2003，3（4）：5-28.

[18] 王 寧，徐仁扣，李九玉.添加植物物料對2種酸性土壤可溶性鋁的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2009，25（3）：59-62，68.

[19] 袁金華，徐仁扣. 稻殼制備的生物質(zhì)炭對紅壤和黃棕壤酸度的改良效果[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2010，26（5）：472-476.

[20] NOVAK J M， BUSSCHER W J， LAIRD D L， et al. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science，2009，174（2）：105-112.

[21] CAO X D， HARRIS W. Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation[J]. Bioresource Technology，2010，101（14）：5222-5228.

[22] ALEXIS M A， RASSE D P， RUMPEL C， et al. Fire impact on C and N losses and charcoal production in a scrub oak ecosystem[J]. Biogeochemistry，2007，82（2）：201-216.

[23] YUAN J H， XU R K. The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic Ultisol[J]. Soil Use and Management，2011，27（1）：110-115.

[24] 何緒生，耿增超，佘 雕，等.生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國內(nèi)外動態(tài)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）：1-7.

[25] 花 莉.城市污泥堆肥資源化過程與污染物控制機理研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[26] 黃 超，劉麗君，章明奎.生物質(zhì)炭對紅壤性質(zhì)和黑麥草生長的影響[J].浙江大學學報（農(nóng)業(yè)與生命科學版），2011，37（4）：439-445.

[27] KIMETU J M， LEHMANN J. Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organiccarbon contents[J]. Aust J Soil Res，2010，48（7）：577-585.

[28] LAIRD D A. The charcoal vision： A win-win-win cenario for simultaneously producing bioenergy， permanently sequestering carbon， while improving soil and water quality[J]. Agron J， 2008，100（1）：178-181.

[29] CHEN Y， SHINOGI Y， TAIRA M. Influence of biochar use onsugarcane growth， soil parameters， and groundwaterquality[J]. Aust J Soil Res，2010，48（7）：526-530.

[30] GLASER B， LEHMANN J， ZECH W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with char-coal-a review[J]. Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219-230.

[31] 張文玲，李桂花，高衛(wèi)東. 生物質(zhì)炭對土壤性狀和作物產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)學通報，2009，25（17）：153-157.

[32] CHENG C H， LEHMANN J， THIES J E， et al. Oxidation of black carbon by biotic and abiotic processes[J]. Organic Geochemistry，2006，37（11）：1477-1488.

[33] ASAI H， SAMSON B K， STEPHAN H M， et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos： Soil physical properties， leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crop Research，2009，111（1）：81-84.

[34] 李 力，劉 婭，陸宇超，等.生物炭的環(huán)境效應(yīng)及其應(yīng)用的研究進展[J].環(huán)境化學，2011，30（8）：1411-1421.

[35] JIN H P， GIRISH K C. Biochar reduces the bioavailability and phytotoxicity of heavy metals[J]. Plant Soil，2011，348（1）：439-451.