生物質(zhì)炭改良土壤研究進(jìn)展

江秋菊　劉京　張躍強(qiáng)

摘要：綜述了生物質(zhì)炭的生產(chǎn)原料和基本性質(zhì)，分析了生物質(zhì)炭對(duì)改善土壤理化性質(zhì)的作用、改善土壤微生物環(huán)境的作用、土壤重金屬和有機(jī)污染的修復(fù)作用等原理及應(yīng)用，并對(duì)其在土壤改良中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；土壤性質(zhì)；改良效果

中圖分類(lèi)號(hào)：X142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）06-0068-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.023

Research Progress on Improvement Soil by Biochar

JIANG Qiuju 1， LIU Jing 2， ZHANG Yueqiang 3

（1. Zunyi Vocational and Technical College， Zunyi Guizhou 563000， China； 2. Zunyi Tobacco Corportion of Guizhou province， Zunyi Guizhou 563000， China； 3. College of Resources and Environment， Southwest University， Beibei Chongqing 400716， China）

Abstract：This review summarized the research progress on the raw materials of production and basic properties of biomass carbon， analyzed to improve soil physical and chemical properties， improve soil environment effect， soil heavy metals and organic pollution remediation action principle and application of biomass carbon. It has great potential for soil improvement， while large-scale applications for soil improvement need further research.

Key words：Biochar；Soil properties；Improvement effect

生物質(zhì)炭是指木材、秸稈和果殼等生物有機(jī)材料（生物質(zhì)）在低氧甚至低氧環(huán)境下經(jīng)過(guò)高溫裂解碳化后的固體產(chǎn)物。生物質(zhì)炭有較高pH，較高吸附能力和一定養(yǎng)分等性質(zhì)[1 ]。近年來(lái)，生物質(zhì)炭改良土壤，在提高土壤肥力的方面的研究越來(lái)越受到青睞，且在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有所應(yīng)用[2 ]。土壤的改良一直是土壤學(xué)科研究的重點(diǎn)，生物質(zhì)炭作為新型土壤改良劑，國(guó)內(nèi)外在生物質(zhì)炭對(duì)土壤改良方面做了大量的研究，也取得一定的進(jìn)展[3 - 5 ]。生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，可通過(guò)顯著改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，增加土壤營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分含量，從而提高作物的產(chǎn)量。生物質(zhì)炭由于具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、極強(qiáng)的吸附性能、呈堿性等特性，施入土壤不僅可以改善土壤微生物多樣性、修復(fù)污染土壤，提高土壤肥力，還可改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境，修復(fù)土壤重金屬和有機(jī)污染，顯著降低重金屬和農(nóng)藥、除草劑等在植物體內(nèi)的聚集，消除農(nóng)業(yè)污染，提高作物的品質(zhì)，改善食品安全等問(wèn)題。因此，生物質(zhì)炭作為土壤改良劑的應(yīng)用已成為近年來(lái)在土壤改良方面研究的熱點(diǎn)。盡管如此，目前生物質(zhì)炭的應(yīng)用仍有爭(zhēng)議。我們回顧生物質(zhì)炭在改良土壤方面的研究，并期待以后的應(yīng)用發(fā)展。

1 生物質(zhì)炭的生產(chǎn)原料和基本性質(zhì)

制備生物質(zhì)炭的原料很多，諸如秸稈、糞便、草、木材等[6 ]。不同種類(lèi)原料生產(chǎn)出的生物質(zhì)炭性質(zhì)不同，所有富含碳的有機(jī)質(zhì)物均可被利用制備成生物質(zhì)炭，但鑒于成本問(wèn)題，利用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物質(zhì)炭成為研究者近年的集中研究方向，是廢物資源化的良好途徑。這不僅可形成一種新的能源，變廢為寶，還避免了環(huán)境污染。廢棄生物質(zhì)是指在農(nóng)林生產(chǎn)過(guò)程的廢棄剩余物，如農(nóng)作物秸稈、木屑、果皮、廢枝、種殼等初級(jí)農(nóng)林生產(chǎn)剩余物，以及甘蔗渣、果渣、菜籽等次級(jí)農(nóng)林剩余物。生物質(zhì)炭的原料如發(fā)酵渣、畜禽糞便、菌菇栽培廢基質(zhì)等廢棄物資源豐富，用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物質(zhì)炭不僅有利于獲得生物質(zhì)炭資源，還有助于解決廢棄生物質(zhì)的利用和管理，有利于解決廢棄生物質(zhì)隨意排放、棄置、焚燒等不合理處理方式所引起的環(huán)境污染問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年生產(chǎn)農(nóng)田秸稈8億t[7 ]，利用這些有機(jī)廢棄物制作的生物質(zhì)炭含有一定的營(yíng)養(yǎng)成分，包括鉀、鈉、磷、鈣、鎂等，經(jīng)過(guò)高溫制備后呈現(xiàn)的基本性質(zhì)包括具有堿性、巨大的比表面積、強(qiáng)大的孔隙結(jié)構(gòu)，有極強(qiáng)的吸附能力。

2 生物質(zhì)炭改良土壤的原理及應(yīng)用

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)改善土壤理化性質(zhì)的作用

生物質(zhì)炭巨大的比表面積、強(qiáng)大的孔隙結(jié)構(gòu)可以改善土壤的物理性質(zhì)。一般情況下，良好的土壤必須要有良好的通氣功能和持水能力，而生物質(zhì)炭巨大的比表面積恰好可吸附更多的水分，發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)可使得土壤的孔隙度增加，容重減小，提高土壤的田間持水量[8 ]，所以生物質(zhì)炭的施入能夠顯著增強(qiáng)土壤的持水通氣能力。生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)改善土壤的疏松狀況，因此農(nóng)田施用生物質(zhì)炭有助于解決土壤由于長(zhǎng)期施用化肥所帶來(lái)的板結(jié)的問(wèn)題，可降低土壤容重，增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤的生產(chǎn)能力。

生物質(zhì)炭呈堿性，施入土壤可以提高土壤的pH。相關(guān)研究表明，施用生物質(zhì)炭堿量與土壤的pH呈直線(xiàn)相關(guān)[9 ]，即生物質(zhì)炭的總堿量決定了土壤的酸度程度。生物質(zhì)炭還含有豐富的碳酸鹽和有機(jī)官能團(tuán)，它能與酸性土壤中的H+發(fā)生締合反應(yīng)，降低H+濃度，提高土壤pH[10 ]。研究表明，生物質(zhì)炭有機(jī)官能團(tuán)的數(shù)量隨著制備溫度的升高而降低，而碳酸鹽則相反，碳酸鹽對(duì)生物質(zhì)炭的貢獻(xiàn)率隨著制備溫度的升高而升高[11 ]。所以生物質(zhì)炭可以作為土壤改良劑顯著改良南方的中低產(chǎn)田，特別是肥力低下、pH偏低的土壤。酸性土壤限制作物生長(zhǎng)的一個(gè)主要因素是交換性鋁過(guò)高對(duì)作物產(chǎn)生毒害，生物質(zhì)炭通過(guò)提高土壤酸度可以使得土壤交換性鋁顯著降低，從而減輕鋁的毒害作用。

生物質(zhì)炭的主要元素組成有C、H、O，其中C含量可達(dá)65%以上，它具有較高的穩(wěn)定性，施入土壤可以提高土壤的有機(jī)碳含量。研究表明，在草甸黑土上施入不同量的生物質(zhì)炭后，土壤的有機(jī)質(zhì)含量隨生物質(zhì)炭的施用量增加而明顯提高。生物質(zhì)炭不僅改變土壤有機(jī)碳含量，還能改變土壤的有機(jī)質(zhì)組成。研究表明[12 ]，在紅壤上殘留的黑炭和胡敏素等相對(duì)比較穩(wěn)定組分會(huì)隨著施入生物質(zhì)炭含量增加而顯著增加，胡敏酸和富里酸等活性較高組分比例在下降。所以學(xué)術(shù)界認(rèn)為施用生物質(zhì)炭提高土壤肥力很重要的原因是土壤的有機(jī)質(zhì)含量得到提高。

生物質(zhì)炭的原料有機(jī)物料中含有養(yǎng)分元素，這些有機(jī)物料在制備過(guò)程中原有營(yíng)養(yǎng)元素得到濃縮和富集，所以它本身就含有一定的養(yǎng)分，施入土壤在一定程度上提高了土壤的礦物養(yǎng)分含量。生物質(zhì)炭經(jīng)過(guò)高溫制備后，其養(yǎng)分含量往往比較低，施入貧瘠土壤上或缺素土壤上可以提高養(yǎng)分有效含量，但是對(duì)養(yǎng)分含量豐富土壤或高肥力土壤則效果不佳[13 ]。生物質(zhì)炭還含有巨大表面積和多孔結(jié)構(gòu)，可以吸附和保持土壤的營(yíng)養(yǎng)元素，有效增強(qiáng)土壤對(duì)氮素的吸附保持能力，從減少氮素隨水的流失，提高土壤中有效氮的含量，減緩氮素對(duì)水環(huán)境的污染。生物質(zhì)炭可提高土壤pH，減輕磷的固定量，從而提高土壤的有效磷含量，如周桂玉等發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭能明顯提高土壤的有效磷、鈣、鎂等[12 ]，生物質(zhì)炭對(duì)土壤微量元素也有影響，施用生物質(zhì)炭可有效提高土壤硼、鉬等微量元素的含量。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)改善土壤微生物環(huán)境的作用

土壤中施用生物質(zhì)炭，可以為微生物的繁殖和生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，改變土壤的微生物活性，同時(shí)保存了微生物的多樣性，保護(hù)有益微生物[14 ]。據(jù)報(bào)道[15 ]，細(xì)菌能夠被生物質(zhì)炭吸附，可以減少土壤淋洗對(duì)它的影響，從而使得土壤中的細(xì)菌數(shù)量增加。但是一般微生物附著生物質(zhì)炭有一定的孔徑要求，孔徑大小大約在2～5倍效果最佳，較大或較小的孔徑對(duì)其附著力都會(huì)減少，而孔徑的大小又與其制備密切相關(guān)，所以生物質(zhì)炭對(duì)細(xì)菌的附持能力與生物質(zhì)炭灰分、孔徑等密切相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭，能夠有效增加叢枝菌根真菌含量。所以，無(wú)論是細(xì)菌還是真菌，生物質(zhì)炭在一定程度上能夠改善其生存環(huán)境，保護(hù)其免受競(jìng)爭(zhēng)影響。

土壤微生物的生態(tài)環(huán)境受土壤的理化性質(zhì)影響，土壤環(huán)境的不同都可能導(dǎo)致某些微生物群體迅速繁殖增加，例如土壤水分、pH，營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分等，都易引起微生物群落的組成變化，如用生物質(zhì)炭改良亞馬遜黑色土壤，可減少真菌的多樣性，增加土壤細(xì)菌多樣性，也改變了其他菌落的組成結(jié)構(gòu)和多樣性。Anderson[16 ]指出，土壤中供植物和微生物利用的碳源有植被中的纖維素，富馬酸、丙酸酯等，而生物質(zhì)炭的施入可以帶來(lái)其它的不穩(wěn)定炭，包括部分酸類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)和碳?xì)浠衔锏?，所以這些新產(chǎn)生的碳源可供部分微生物利用，從而影響其生長(zhǎng)速度和繁殖數(shù)量。

Khodadad 等[17 ]研究了不同生物質(zhì)炭對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響，指出在低溫和高溫狀態(tài)下制備的生物質(zhì)炭都會(huì)降低土壤整體的微生物多樣性，原因可能是低溫下生物質(zhì)炭含有豐富的碳，可為微生物提供易利用的碳源；高溫下生物質(zhì)炭具有豐富的比表面積，為微生物的生存生長(zhǎng)提供有利的環(huán)境。

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤重金屬和有機(jī)污染的修復(fù)作用

生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，能夠修復(fù)受污染的土壤。生物質(zhì)炭表面豐富的含氧官能團(tuán)和它的多孔結(jié)構(gòu)能使其對(duì)重金屬及其它有機(jī)有毒物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附力，并通過(guò)吸附固定作用減少這些有毒物質(zhì)在土壤中的含量，從而降低它的毒性，修復(fù)受到污染的土壤。研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤中的銅、汞、鎳、鉻等重金屬都有一定的吸附能力[18 - 20 ]。生物質(zhì)炭除了能吸附這些有毒物質(zhì)，還可以通過(guò)升高土壤pH來(lái)降低重金屬的有效含量，從而降低其污染能力，減輕對(duì)植物的傷害[21 ]。也有相關(guān)研究表明，針對(duì)不同類(lèi)型的重金屬污染，生物質(zhì)炭的效果也不盡相同，除了重金屬，生物質(zhì)炭能夠吸附土壤中的微量元素，對(duì)調(diào)節(jié)土壤的微量元素含量也有一定影響。

生物質(zhì)炭的巨大比表面積和多孔性質(zhì)影響土壤中的微生物多樣性，微生物活性被激活，加快了微生物對(duì)有機(jī)污染物的代謝速度，另外，生物質(zhì)炭還能夠吸附一定的有機(jī)污染物，減少它在土壤中的濃度，減輕它的毒性。生物質(zhì)炭對(duì)有機(jī)物質(zhì)的親和力強(qiáng)，能夠有效去除這些污染物質(zhì)[22 ]?；谶@些原理，生物質(zhì)炭修復(fù)有機(jī)污染物的研究已經(jīng)取得了不少成果。研究表明，施用一定的生物質(zhì)炭，降低了土壤對(duì)農(nóng)藥的解吸能力，提高了農(nóng)藥的吸附能力，因此生物質(zhì)炭施入土壤可以影響農(nóng)藥在土壤中的持續(xù)時(shí)間和其降解的速度。生物質(zhì)炭對(duì)有機(jī)污染的吸附，可以在很大程度上減少其隨水徑流或滲漏對(duì)地表水和地下水的影響，在土壤中加入生物質(zhì)炭后，降低了土壤水分多環(huán)芳烴一半以上的濃度[23 ]，所以在過(guò)量農(nóng)藥污染的土壤上施用生物質(zhì)炭，可吸附大部分農(nóng)藥有機(jī)物，從而阻止了其遷移對(duì)水的污染，有效修復(fù)農(nóng)藥污染土壤。另有研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)殺蟲(chóng)劑的修復(fù)能力極強(qiáng)，甚至是土壤修復(fù)的2 000倍[24 ]。

生物質(zhì)炭修復(fù)土壤有機(jī)物污染的效果與其添加量密切相關(guān)。研究表明，在有農(nóng)藥污染的土壤中添加的生物質(zhì)炭，土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附量與生物質(zhì)炭添加量、添加時(shí)間呈呈正相關(guān)，這種對(duì)農(nóng)藥的吸附作用有效降低了農(nóng)藥的生物利用性和移動(dòng)性。生物質(zhì)炭修復(fù)土壤的效果直接受有機(jī)物老化時(shí)間影響，添加生物質(zhì)炭后，土壤中生物有效性顯著降低，并且這種降低效果隨氯苯老化時(shí)間延長(zhǎng)而提高[25 ]。

3 展望

越來(lái)越多的研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)于改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力以及維系土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡意義重大。但是，目前生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤改良利用研究在我國(guó)尚處于起步階段，系統(tǒng)解釋生物質(zhì)炭改良土壤的理論體系還未完全建立，有待深入探討。生物質(zhì)炭的土壤改良效果受諸多因素影響，而且它的施用是否會(huì)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)都還待進(jìn)一步觀察，所以它改良土壤效果的不確定性較大。另外，由于生物質(zhì)炭的改良研究周期太短，有很多試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)相互矛盾現(xiàn)象。所以生物質(zhì)炭作為土壤改良劑的合理施用及長(zhǎng)期效應(yīng)還有待研究，而且我國(guó)土壤類(lèi)型眾多，不同類(lèi)型的土壤施用不同的生物質(zhì)炭的效果不一，所以，生物質(zhì)炭對(duì)土壤的改良及大規(guī)模應(yīng)用還需要更多的理論研究支撐。

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（本文責(zé)編：楊 杰）