生物炭對土壤養(yǎng)分及水分的影響

孫愛華，華 信，朱士江

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002)

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生物炭對土壤養(yǎng)分及水分的影響

孫愛華，華 信，朱士江

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002)

生物炭是在完全或部分缺氧條件下經(jīng)生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的一種難溶的固態(tài)物質(zhì)，是含碳量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙大，吸附能力強，呈堿性的多用途材料。生物炭單獨作為添加劑應(yīng)用于土壤可以改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤持水能力，保持土壤養(yǎng)分，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。與肥料混施，具有緩釋功效，能延緩肥料在土壤中釋放，降低養(yǎng)分的流失，提高肥料利用率。本文主要從生物炭特性以及生物炭對土壤理化性質(zhì)、土壤持水能力、土壤養(yǎng)分等方面的影響展開綜述，指出了目前研究中需要加強的方面，為生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供了一些想法。

生物炭；理化性質(zhì)；持水；養(yǎng)分

生物炭(Biochar)是在一種完全或部分缺氧的條件下，由農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、禽畜糞便等有機材料經(jīng)熱解(通常<700 ℃)碳化所產(chǎn)生的一類高度芳香化的難溶性固態(tài)物質(zhì)[1]。生物炭作為土壤改良劑是源于南美亞馬遜盆地黑土(Perra Preta)的發(fā)現(xiàn)和研究[2]。這種發(fā)現(xiàn)讓人們對生物炭的研究產(chǎn)生濃厚的興趣，進而揭開研究者對生物炭研究的序幕。生物炭本身含碳量高，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大等特性[3]。這些特性跟生物炭在改善土壤理化性質(zhì)上有一定的聯(lián)系。目前，許多專家在挖掘生物炭對農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的一些良性作用，但在不同的變量因子下各專家得出的結(jié)論仍有爭議。生物炭目前還處于試驗研究階段，想在農(nóng)業(yè)方面推廣仍需大量的研究工作。筆者結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)生物炭的最新研究進展，重點闡述了生物炭的特性以及生物炭對土壤理化性質(zhì)、持水能力、養(yǎng)分固持等方面的影響，以供研究者參考借鑒。

1 生物炭的特性

1.1 組成元素及結(jié)構(gòu)生物炭主要由C(一般含量在60%)、H、O、N、S等元素組成。生物炭的組成元素與制炭過程中的溫度有關(guān)，具體表現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，伴隨著炭化溫度的升高，C含量有所增加，H和O含量降低，灰分含量也大大增加[4]。生物炭熔沸點極高，可溶性極低，具有高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)[5-6]和脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)[7]。羧基(-COOH)、羥基(-OH)、酚羥基(C6H6-OH)、脂族雙鍵以及芳香化等典型結(jié)構(gòu)特征[8]，使得生物炭具備極強的抗氧化能力和吸附能力[7]。1.2 pH生物炭呈堿性，pH一般在7～11，且隨著裂解溫度的增加，pH隨之增加[9]。生物炭之所以呈堿性，與生物質(zhì)原料中所含礦質(zhì)元素(如Na、K、Mg、Ca等)有關(guān)。在生物炭熱解的過程中，這些礦質(zhì)元素的濃度升高，而且用不同生物質(zhì)原料在相同條件下制成的生物炭pH不相同，所含礦質(zhì)元素濃度高的生物質(zhì)原料制得的生物炭的pH越高[10-11]。張千豐等[12]用Ca、Mg元素含量大小順序為大豆秸稈>玉米棒芯>水稻穎殼的生物質(zhì)材料在相同條件下制作生物炭，得到大豆秸稈生物炭pH>玉米棒芯生物炭pH>水稻穎殼生物炭pH。1.3 比表面積生物炭巨大的比表面積使其具有極強的吸附能力，將其施用于土壤能有效吸附土壤中的養(yǎng)分供植物吸收。程海濤等[13]研究了竹炭比表面積主要受碳化溫度和碳化時間的影響，發(fā)現(xiàn)在碳化溫度為800 ℃、碳化時間2～3 h下，制得的竹炭的比表面積最大為554.79 m2/g，且溫度在500～800 ℃竹炭比表面積隨溫度升高而增大，800～1 500 ℃竹炭比表面積隨溫度的升高而減小。生物炭經(jīng)過活化后其表面積顯著增加。Shinogi等[14]研究表明，用稻殼、污泥、牛糞燒紙的生物炭在未活化時比表面積小于100 m2/g，活化后大于200 m2/g。劉洪波等[1]研究表明，在碳化溫度為700 ℃、堿/炭質(zhì)量比為4、活化溫度為900 ℃、活化時間為1 h的條件下制得比表面積為2 610 m2/g的高比表面積活性炭。

2 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響生物炭的容重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤的容重。將生物炭加入土壤后可以降低土壤的容重[15-16]，降低土壤的抗壓強度[17]，使得土壤硬度下降，阻力減小[18]，有助于種子的萌芽和植物根系在土壤中的生長，提高土壤的耕性。張崢嶸等[17]向紅壤中加入一定比例的生物炭，紅壤的抗壓強度減少了約50%，土壤的板結(jié)度大大降低。向土壤中加入生物炭后，土壤的孔隙度增大，水分在土壤中的停留時間、滲透模型等得到改變[19]，增加了土壤的持水能力，作物根系可利用的水分和礦物離子得到增加，有利于植物的吸收。與此同時，土壤中的有機質(zhì)也會隨著土壤水分的增加而加快分解[20]。

2.2 生物炭對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1生物炭對土壤pH的影響。不科學(xué)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成土壤酸堿化、鹽基離子流失，導(dǎo)致土壤貧瘠，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長。生物炭作為土壤的改良劑在降低土壤酸度、增加土壤有機質(zhì)含量、增加土壤陽離子交換量(CEC)、降低養(yǎng)分流失方面具有一定的功效。生物炭本身含有一些鹽基離子(如K+、Ca2+、Mg2+等)。這些離子進入土壤后會有一定程度的釋放，交換土壤中的Al3+和H+，降低Al3+和H+的濃度[21]，提高酸性土壤的鹽基飽和度，從而提高土壤的pH[22]。很多試驗表明，生物炭加入土壤后會提高土壤pH[23]，提高土壤團聚性[24]。徐振華[25]研究表明，在控制溫度為300、400 ℃的條件下制得的花生殼生物炭施入土壤后分別使土壤的pH提高了0.58和0.80個單位。趙牧秋等[26]在酸性磚紅壤中添加5 g/kg椰糠生物炭時pH的變化范圍為4.49～4.90，當(dāng)添加20 g/kg時pH變化范圍在4.98～5.67，添加50 g/kg時pH變化范圍為5.03～5.94，得出pH對酸性土壤的改良效果隨生物炭添加量的增加而增強。 Novak等[27]把pH為7.3的核桃殼生物炭加入到酸性土壤后，土壤的pH從原來的4.8增加到6.3。通過以上研究，發(fā)現(xiàn)生物炭對酸性土壤改良和喜堿作物的生長具有重大意義，但對堿性土壤的影響還需要進一步去探究。

2.2.2生物炭對CEC的影響。CEC是反映土壤吸收和供給可交換養(yǎng)分的能力，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。已有研究表明，生物炭施入土壤能增加土壤的CEC。這是由于生物炭比表面積大，本身具有很強的吸附能力，能吸收土壤中的礦質(zhì)元素。陳紅霞等[28]向土壤中混合施入2 250、4 500 kg/hm2生物炭，使得土壤的CEC分別增加了14.7%和24.5%。Glaser等[29]在高度風(fēng)化的熱帶土壤中大量施用生物炭后，土壤CEC提高了50%。生物炭并不是對所有的土壤都能增加CEC。有研究表明，對于CEC本底值高的土壤，施入生物炭會引起土壤CEC在一定程度地降低[30]。因此，生物炭對土壤CEC的影響也是有限的。它與土壤的類型、制炭原料、生物炭在土壤中的留存時間有關(guān)[31]。

3 生物炭對土壤持水能力的影響

土壤中的水分在物理形態(tài)上以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種形式存在，其中液態(tài)水按運動特性分為吸著水、毛管水和重力水。土壤的保水能力(Soil’s water holding capacity)取決于土壤孔隙的分布和連通性，而且在很大程度受土壤紋理、結(jié)構(gòu)特征和土壤有機質(zhì)的影響[32]。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面積，使得土壤水分的滲濾模式、停留時間和流動路徑發(fā)生改變[19]。已有大量的試驗表明，施用生物炭可提高土壤水分含量，減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤持水能力。Glaser等[33]通過田間試驗表明，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭處理的至少增加了18%。Karhu等[34]研究表明，施用9 t/hm2生物炭使得土壤保水性能提高了11%。也有試驗表明，生物炭提高土壤的田間持水量對砂性土壤意義更大，效果更好。Oguntunde等[35]研究表明，添加生物炭的砂質(zhì)土壤飽和導(dǎo)水率增加，土壤容重減少，土壤孔隙度增加，土壤滲透率增加。Tryon[36]研究了生物炭對不同質(zhì)地土壤水分的影響，指出在沙質(zhì)土中加入生物炭會增加18%土壤有效水，然而在肥沃的土壤中沒有觀察到這種現(xiàn)象；在沙質(zhì)土壤中，存在生物炭里面的水會隨著土壤變干和土壤基質(zhì)增加而出現(xiàn)，在土壤干旱前期加入生物炭會增加土壤水的有效性，減少土壤水分的流失。另一方面，生物炭加入土壤也會增加土壤的斥水性(Soil water repellency)。這是由于生物質(zhì)炭中有機物多含疏水性基團，故其保水作用有限[37]。生物炭的斥水性主要表現(xiàn)在，當(dāng)水灑在含生物炭的土壤表面時，水會以液珠的形式滯留在土壤表面，在很長時間內(nèi)不能下滲，導(dǎo)致水在土壤表面蒸發(fā)。高海英等[38]采用土柱入滲法開展研究，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)土壤和壤質(zhì)土中混入生物炭后土壤持水量均有所增加，但這種增加效應(yīng)是有限度的，超過一定量(80 t/hm2)后土壤的持水量反而會降低。

4 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

俗話說“莊稼一枝花全靠肥當(dāng)家”。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。肥料能夠補充土壤養(yǎng)分，供農(nóng)作物吸收，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。但是，傳統(tǒng)的施肥觀念是以巨量的化肥投入來換取農(nóng)作物的增產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的有效利用率只有30%～35%，比發(fā)達(dá)國家低15～20個百分點[39]?；实牧魇б苍斐纱罅康沫h(huán)境污染。一些未被利用的化肥隨著地表徑流和農(nóng)田滲漏嚴(yán)重污染湖泊和地下水源。這一問題嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，隨著生物炭在土壤改良方面研究的不斷加深，生物炭不僅可以降低土壤中肥料養(yǎng)分的淋洗損失，而且延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放、吸附和負(fù)載肥料養(yǎng)分[40]。這是由于生物炭表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，吸附能力強；它的化學(xué)官能團較活躍，能夠電離產(chǎn)生電荷，通過靜電吸附負(fù)載肥料的養(yǎng)分離子，羧基和羰基可以進行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)負(fù)載肥料養(yǎng)分。生物炭通過減少水溶性營養(yǎng)離子的遷移避免營養(yǎng)元素的損失，并且在土壤中緩慢而持久的釋放，生物炭充當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)的緩釋載體[41]，從而達(dá)到保持土壤養(yǎng)分的效果。

現(xiàn)階段，人們研究生物炭對土壤養(yǎng)分的影響主要是針對貧瘠的土壤。生物炭本身就含有植物生長所需的氮、磷、鉀等各種元素，施入土壤可以在一定程度上補充土壤養(yǎng)分,又由于生物炭擁有巨大的CEC，可以吸收大量的養(yǎng)分離子。有研究表明，生物炭對NH4+、NO3-有較強的吸附能力，能夠增加土壤中有效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[42]。此外，生物炭還能夠通過激活硝化細(xì)菌的活性來促進硝化反應(yīng)的進程[43]。與氮元素不同，磷元素在生物質(zhì)熱解過程中通常以可溶性的形式被保存下來。生物炭施入土壤中能夠提高土壤中有效磷(P)含量。生物炭除了本身可以向土壤中釋放P外，還可以通過改變P的吸附和解吸來改變P的循環(huán)和有效性。

張忠河等[40]應(yīng)用多次田間試驗表明，當(dāng)農(nóng)田施入生物炭的量達(dá)到20 t/hm2時，可以減少約10%的化肥施用量。在化肥殘留較多的田中，當(dāng)季甚至可以不用化肥只加入生物炭就可以達(dá)到增產(chǎn)的效果。劉瑋晶等[39]在溫室中采用土培方法模擬作物生長環(huán)境種植青菜，按照炭土比0、1∶100、3∶100的生物炭量分別與0.50、1.50、2.50、3.50 g/kg尿素混合施入土壤；3%的炭與2.50 g/kg尿素混合青菜生物量最高；當(dāng)化肥施入量相對過高時，生物炭還能夠緩解青菜燒苗現(xiàn)象；施入3%的炭后,土壤硝態(tài)氮含量最高，說明生物炭能有效地固定土壤中硝態(tài)氮養(yǎng)分。

5 研究展望

(1) 目前，生物炭的研究正處于起步階段。文獻(xiàn)報告上關(guān)于生物炭應(yīng)用農(nóng)業(yè)領(lǐng)域改良土壤都是針對不同土壤和不同生物質(zhì)制得的生物炭，比較片面，也缺乏可比性，所以需要統(tǒng)一生物炭的制備和使用規(guī)范。

(2) 生物炭對土壤的理化性質(zhì)、土壤生物質(zhì)的有關(guān)研究報告大多都在理論研究的基礎(chǔ)上，進行的都是小規(guī)模盆栽和局域性田間試驗，對大田試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的較少，存在一些不穩(wěn)定因素，所以需要進行全面的分析。

(3) 炭與肥料混合施入幾乎都是正效應(yīng)，但是從不同的試驗可以看出，生物炭和肥料混施的比例各不相同，需要研究出在什么比例下它們的協(xié)調(diào)正效應(yīng)最大，制定出一個比例標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 目前，在對生物炭改良土壤方面，人們只對其進行了短期的研究，得出的是土壤短期內(nèi)性質(zhì)的改變，而更長時間后期形態(tài)、特性以及與土壤環(huán)境的作用仍有待研究。

(5) 今后，需要對生物炭施用的成本、效益、生命周期進行綜合評價，評估生物炭可能對環(huán)境產(chǎn)生的不利因素。

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Effect of Biochar on Soil Nutrient and Moistrue

SUN Ai-hua, HUA Xin, ZHU Shi-jiang

(Institute of Water Conservancy and Environment, Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

Biochar is an insoluble solid matter, being pyrolyzed by biomass in the condition of fully or partly hypoxic and is alkaline multi-purpose material of high carbon content, stable structure, porosity, strong adsorption capacity.Biochar can improve the physical and chemical properties of soil, increase soil water holding capacity, keep the soil nutrient, and improve crop yield as an additive to soil.The mixture of biochar and fertilizer applied into the soil has the function of slowly release effect including delaying the release fertilizer in soil, reducing nutrient loss and improving the utilization rate of fertilizer.This article deployment overview mainly from the biochar properties, effects of biochar on soil physical and chemical properties, soil water holding capacity and soil nutrient.It is pointed out that what needs to strength of the current research and provides some ideas for the application and popularization of biochar in agricultural field.

Biochar; Physical and chemical properties; Water holding; Nutrient

三峽大學(xué)人才啟動基金(KJ2011B025)。

孫愛華(1981-)，黑龍江黑河人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)方面的研究。

2015-01-27

S 216

A

0517-6611(2015)08-064-03