生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

劉 騫，謝修鴻

(長(zhǎng)春大學(xué) 園林學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

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生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

劉 騫，謝修鴻

(長(zhǎng)春大學(xué) 園林學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

狹義地說(shuō)，生物炭特指生物有機(jī)材料在無(wú)氧(缺氧)環(huán)境下經(jīng)過(guò)高溫分解而形成的固體產(chǎn)物。相比一般的“碳產(chǎn)品”而言，其碳含量極高，可以作為能源、還原劑和土壤改良材料，是有效解決土壤退化、環(huán)境污染和氣候變暖的策略。生物炭在改良土壤生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了顯著效果，具有較高的研究?jī)r(jià)值，本文結(jié)合這一課題展開(kāi)研究，提出合理的觀點(diǎn)和建議。

生物炭；土壤生態(tài)系統(tǒng)；土質(zhì)改良；研究進(jìn)展

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生了大量生物炭的原料，包括植物莖稈、牲畜糞便、殘枝敗葉等，直接燃燒不僅造成資源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境。事實(shí)證明，大量農(nóng)業(yè)廢物自然發(fā)酵或直接焚燒會(huì)造成大量溫室氣體(如二氧化碳、甲烷)，給生態(tài)造成沉重的負(fù)擔(dān)。相對(duì)應(yīng)地，利用農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭，是一種“變廢為寶”的舉措。一方面，可以從有機(jī)原材料中獲得合成氣體、焦油等，用來(lái)發(fā)電或取暖；另一方面，生物炭通過(guò)掩埋可以實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的改良。結(jié)合實(shí)際作用分析，生物炭摻入土壤之中可以直接提高土壤的碳庫(kù)容量，改善土壤的酸堿度。而碳體結(jié)構(gòu)本身具有很大的表面積，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征具有很好的吸水保墑性。生物炭經(jīng)過(guò)特殊的研磨處理之后，有效地促進(jìn)了土壤中的陰陽(yáng)離子交換，避免土壤中養(yǎng)分的流失，為有益生物群提供落腳點(diǎn)，減輕重金屬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條件，在常態(tài)下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的生物炭加工和現(xiàn)代化技術(shù)下的生物炭加工具有相同之處，都需要保持一種缺氧或無(wú)氧的狀態(tài)，將生物質(zhì)原材料(動(dòng)物或植物)進(jìn)行高溫處理，最后可獲得固體的產(chǎn)物。從成分上說(shuō)，生物炭可以看作是“純碳”，在高溫低氧的環(huán)境下，有機(jī)物的有效成分以碳的形式被保留下來(lái)，并相對(duì)穩(wěn)定，在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，有效地阻止了溫室效應(yīng)的加劇。

事實(shí)上，生物炭也是土壤的有機(jī)組成部分。生物炭可以很好地保存土壤的養(yǎng)分和水分，使其變得更加肥沃，這也是很多優(yōu)良土地呈現(xiàn)黑色的原因——生物炭成分的含量高，意味著地質(zhì)變化中動(dòng)植物轉(zhuǎn)化形成的生物炭成分高，有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高生產(chǎn)效益。

很顯然，在現(xiàn)代社會(huì)背景下依靠傳統(tǒng)人工的生物炭制造方法，很難滿足廢物處理和生態(tài)保護(hù)的要求。結(jié)合高新技術(shù)條件，利用高溫高壓的設(shè)備進(jìn)行分解，可以大規(guī)模地進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)，生物炭的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，不僅僅以獲得生物炭為目標(biāo)，整個(gè)流程中得到的合成氣是很好的能源，可以用來(lái)發(fā)電、取暖、制氣等。實(shí)驗(yàn)證明，利用高壓高溫快速分解技術(shù)，可以得到大量生物炭、合成氣和生物油，這也就相當(dāng)于原本的有機(jī)廢物通過(guò)轉(zhuǎn)變，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)了低碳、環(huán)保和高效的目的。

結(jié)合農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)方面分析，生物炭的制造可以消耗大量的麥秸、玉米稈、雜草、樹(shù)枝等廢物，而消除這些的傳統(tǒng)方式是焚燒，是構(gòu)成我國(guó)霧霾天氣的重要因素。近年來(lái)我國(guó)各地嚴(yán)禁焚燒農(nóng)業(yè)秸稈，而要消除這些有機(jī)廢物，生物碳化是一種很好的形式。

出于生態(tài)保護(hù)和資源利用的考慮，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了實(shí)質(zhì)性的研究和應(yīng)用。相對(duì)而言，作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在這一方面還存在很多缺陷。積極開(kāi)展生物炭的研究，對(duì)我國(guó)水土流失、土壤退化、環(huán)境保護(hù)等有重要的意義。

1.2 生物炭特征

我國(guó)對(duì)生物炭技術(shù)的應(yīng)用很早，傳統(tǒng)的制造方法是將木質(zhì)材料在密封的環(huán)境下進(jìn)行高溫處理，實(shí)現(xiàn)高溫干餾反應(yīng)，將生物質(zhì)材料中的可燃?xì)怏w消耗殆盡，剩余的固體物質(zhì)幾乎全部由碳構(gòu)成。理論上說(shuō)，生物炭是一種黑炭形式，其有效成分并不是內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)，而是在高溫缺氧環(huán)境下形成的高度芳香化難熔性固體，在常溫常壓下具有很強(qiáng)的吸附力和穩(wěn)定性。

生物炭的原料取材非常豐富，包括麥秸、玉米稈、稻草、樹(shù)枝等廢棄物，不屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有效因素。但用于生物炭的制造中卻有很好的表現(xiàn)，生物炭轉(zhuǎn)化成分可高達(dá)60%-70%，剩余部分則保留為無(wú)機(jī)鹽成分，包括鉀、鈣、鈉等；實(shí)驗(yàn)證明，溫度、壓力和氧含量是控制生物炭成分的主要原因，同時(shí)控制反應(yīng)速度的快慢，也可以獲得不同的產(chǎn)品。

原料是構(gòu)成生物炭的決定性因素，一般來(lái)說(shuō)，樹(shù)木(即木本植物)由于質(zhì)地堅(jiān)硬密實(shí)，因此碳含量較高，而麥秸、稻稈(草本植物)等則含碳量較低。相對(duì)應(yīng)地，礦物質(zhì)的含量在兩種類型的原料中恰好相反，草本植物較高，木本植物較低。如果有目的性地生產(chǎn)生物炭，可以從原料方面進(jìn)行篩選。

2 生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響分析

2.1 生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響

改良土壤物理性質(zhì)是生物炭技術(shù)的重要研究方向，就目前而言，在世界范圍內(nèi)都存在大量的土壤退化現(xiàn)象。由于人類過(guò)度耕種以及水土流失等問(wèn)題，土壤中的生物質(zhì)成分大量流失，導(dǎo)致土地貧瘠、沙化，而加強(qiáng)農(nóng)作物耕種的需求又導(dǎo)致惡性循環(huán)，水分、養(yǎng)分等無(wú)法在土壤中積累停留。

生物炭的表面積很大，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出孔隙或蜂窩狀態(tài)，在風(fēng)化土方、沙土地質(zhì)和熱帶貧瘠土地范圍內(nèi)可以發(fā)揮很好的水分保持作用。影響生物炭對(duì)土壤水分保持的作用，主要來(lái)源于生物炭的親水性，而并非生物炭結(jié)構(gòu)的水分保持能力，由此必須強(qiáng)調(diào)生物炭和土壤的適應(yīng)性。我國(guó)經(jīng)常用“黑土地”來(lái)形容土壤的肥沃，這是由于生物炭固定了土壤中的大部分有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分的有效囤積，可以更好地對(duì)于氮磷鉀等無(wú)機(jī)鹽肥料進(jìn)行應(yīng)用。

實(shí)踐證明，有機(jī)物在泥土中的作用有緩解土地板結(jié)、降低硬度和粘質(zhì)土壤容重，使土地松軟度提高，可用于耕種的深度增加，能夠更好地維護(hù)水分的保持。同時(shí)，科學(xué)研究證明，黑色或深色土壤可以更好地吸收太陽(yáng)光的熱輻射，實(shí)現(xiàn)土壤保溫的效果。

2.2 生物炭對(duì)陽(yáng)離子交換影響

土壤本身是一種復(fù)雜的混合物，也是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的因素之一。生物炭的應(yīng)用不僅可以有效改善土壤的物理性質(zhì)，也可以實(shí)現(xiàn)土壤化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化。例如，生物炭的內(nèi)部孔隙可以提供微生物的有效容納、活動(dòng)空間，植物根莖在生物炭的包圍下，便于提升陽(yáng)離子的交換效率。

土壤中陽(yáng)離子的交換效率反映了養(yǎng)分供應(yīng)和吸收的交換能力。養(yǎng)分大多以陽(yáng)離子狀態(tài)呈現(xiàn)，如果土壤的吸收(或吸附)能力過(guò)強(qiáng)，植物的根須無(wú)法快速地吸收并轉(zhuǎn)化成生長(zhǎng)需要的能量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果就大打折扣。而利用生物炭技術(shù)之后，碳成分表面結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化正電荷和負(fù)電荷的比例、關(guān)系和強(qiáng)度，并在微生物的作用下，生物炭表面所攜帶的陰離子會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而失去交換性；理論的研究是可行的，但在實(shí)踐中也存在一些問(wèn)題，生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換的影響受到時(shí)間影響較大，即生物炭在土壤中延慢的時(shí)間越長(zhǎng)，效果就越弱。同時(shí)，結(jié)合化學(xué)原理，陽(yáng)離子轉(zhuǎn)換需要中性或酸性環(huán)境，因此在堿性土壤中幾乎沒(méi)有效果。

2.3 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

生物炭技術(shù)的應(yīng)用，其基礎(chǔ)是針對(duì)土壤性質(zhì)進(jìn)行改良，從結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度來(lái)說(shuō)，改善土壤中養(yǎng)分的情況更加重要。生物炭可以看作是土壤中腐殖質(zhì)高度芳香化結(jié)構(gòu)組分的重要源頭，而根據(jù)這一特性，保持水分和養(yǎng)分不流失具有明顯的效果。

土壤中的養(yǎng)分構(gòu)成很復(fù)雜，除了常識(shí)中的無(wú)機(jī)鹽成分(氮磷鉀)之外，更重要的是有機(jī)養(yǎng)分，包括土壤中的微生物群落。簡(jiǎn)單地說(shuō)，土壤的吸附能力如何，直接決定了這些養(yǎng)分的去留，也是維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要?jiǎng)恿Α＠?，在農(nóng)田氨揮發(fā)的有效阻止上，生物炭由于其良好的吸附力，可以減少肥料的損失。在自然界中，土壤中的有機(jī)物來(lái)源主要是生物轉(zhuǎn)化的重復(fù)利用，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的農(nóng)家肥利用，就是基于這一目的展開(kāi)的。生物炭技術(shù)的應(yīng)用效率要遠(yuǎn)高于單純地有機(jī)物融入，換句話說(shuō)，生物炭可以直接提升土壤中有機(jī)碳的含量，避免土壤中過(guò)量的氮元素導(dǎo)致的板結(jié)和肥力下降。

2.4 生物炭對(duì)土壤微生物及病蟲(chóng)害的影響

微生物在自然界具有巨大的調(diào)節(jié)作用，土壤是微生物生存的基礎(chǔ)，并在不斷的作用中形成良性循環(huán)?？茖W(xué)研究證明，對(duì)植物根系發(fā)揮良性作用的微生物菌種包括叢枝菌根和外生菌根，有效地提高這兩種微生物菌類的含量，是促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要策略。

微生物對(duì)土壤的改良作用很明顯，如自然界的大量動(dòng)植物腐殖質(zhì)分解，主要依賴微生物完成。人工施加的綠肥，本身并不具備直接為植物貢獻(xiàn)養(yǎng)分的作用，也需要微生物的轉(zhuǎn)化作用，將蛋白質(zhì)、氨基酸等轉(zhuǎn)化為可吸收的成分，同時(shí)副產(chǎn)品可以改良土壤結(jié)構(gòu)；鑒于微生物種群的有益性，如何提高微生物含量至關(guān)重要，換句話說(shuō)，要為微生物提供生存和繁殖的空間。生物炭技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)外生菌根的影響提升作用明顯，從20%到200%不等?？茖W(xué)家研究表明，生物炭之所以能夠提高土壤中微生物的繁育度，與內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。對(duì)于微生物而言，生物炭的內(nèi)部孔隙提供了安全的庇護(hù)場(chǎng)所，同時(shí)也具有吸附氧氣、養(yǎng)分等輔助功能。

同時(shí)，生物炭也是土壤中微生物良好的選擇催化劑，結(jié)合我國(guó)大豆方面的研究，病蟲(chóng)害增多、真菌比例升高等原因，在生物炭技術(shù)的干預(yù)下有明顯的改善，尤其在酸性土壤大豆田中，能夠發(fā)揮土壤添加劑的抗病性效果，主動(dòng)繁育病害防御體，減少微生物降解引起的植物病原體生存空間。

2.5 生物炭對(duì)土壤環(huán)境的影響

近年來(lái)我國(guó)不斷地嘗試生物炭的應(yīng)用技術(shù)，在針對(duì)這一產(chǎn)品的研究中，總結(jié)出其具有較高穩(wěn)定性的化學(xué)特點(diǎn)，同時(shí)與其他有機(jī)結(jié)構(gòu)體相比，在熱穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性、物理穩(wěn)定性方面都更加優(yōu)秀；基于此，生物炭可以長(zhǎng)期在土壤中發(fā)揮作用，其土壤環(huán)境的適應(yīng)性極佳，但針對(duì)不同的土壤環(huán)境所發(fā)揮的功效不同。例如，生物炭可以用來(lái)治理污染土壤，在一些工業(yè)廢水排放、廢渣污染的土地范圍中，利用生物炭表面積和孔隙的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬和有毒物質(zhì)的吸收，從而實(shí)現(xiàn)改良土質(zhì)的目的。

同時(shí)，生物炭技術(shù)的應(yīng)用對(duì)改善農(nóng)作物品質(zhì)也有很大作用，且對(duì)環(huán)境本身沒(méi)有任何干擾。以無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)為例，必須將農(nóng)藥含量控制到國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)，但農(nóng)作物的病蟲(chóng)害治理中主要依賴化學(xué)農(nóng)藥噴灑。充分利用生物炭技術(shù)，可以有效減少農(nóng)作物根系對(duì)農(nóng)藥成分的吸收，實(shí)現(xiàn)綠色性干預(yù)；基于這一原理，生物炭對(duì)大量農(nóng)作物都有促產(chǎn)和提質(zhì)的作用。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)中包括玉米、水稻、小麥和大豆等糧食作物，都具有一定的增產(chǎn)效果，但差異性很大。玉米和水稻的增產(chǎn)幅度較高，小麥和大豆幅度較低，說(shuō)明生物炭技術(shù)的應(yīng)用的條件性必須重視。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，生物炭技術(shù)在改良土壤、資源利用和生態(tài)保護(hù)等方面具有重要作用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要改良方向。在當(dāng)前全球范圍內(nèi)提倡節(jié)能減排、低碳發(fā)展的背景下，生物炭技術(shù)可以大規(guī)模減少二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放，將碳成分牢牢鎖定在土壤成分中。但是，盡管生物炭技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景，同樣也存在適應(yīng)性和適量性的問(wèn)題。并非所有的土壤環(huán)境都適合生物炭的應(yīng)用，如原本就較為肥沃的土壤環(huán)境中，過(guò)量使用會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。同時(shí)，在生物炭的制造生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些有毒物質(zhì)，如果不能夠有效地解決，很可能會(huì)造成土壤毒害危機(jī)，發(fā)揮反效果。總之，在利用生物炭進(jìn)行土壤生態(tài)環(huán)境改良的過(guò)程中，既要考慮生物炭的適應(yīng)性，也要考慮土壤的適應(yīng)性，將改良效果發(fā)揮到最優(yōu)。

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責(zé)任編輯：程艷艷

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

吉林省教育廳“十二五”科技計(jì)劃[吉教科合字2012(259)]

劉騫(1982-)，女，吉林四平人，講師，博士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境技術(shù)方面研究。

Q938.1+3

A

1009-3907(2016)10-0049-04