生物炭在土壤固碳方面的應(yīng)用研究進(jìn)展

王慧娟 鄧揚(yáng)悟 汪江萍 黃金

【摘? ?要】 生物炭是一種由農(nóng)林廢棄物等物質(zhì)在無(wú)氧或低氧的環(huán)境下經(jīng)高溫裂解得到的含碳量很高的固體物質(zhì)。因其具備原料來(lái)源廣、比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)、穩(wěn)定性強(qiáng)等特征而得到了越來(lái)越多的關(guān)注，現(xiàn)已成為土壤環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章綜述了近年來(lái)生物炭在土壤固碳方面的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展及機(jī)理分析，展望了生物炭在土壤修復(fù)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 生物炭;土壤修復(fù);固碳

Advances in the application of biochar in soil carbon sequestration

Wang Huijuan? ?Deng Yangwu? ?Wang Jiangping? ?Huang Jin

（Jiangxi Ionic Rare Earth Engineering Research Co.，Ltd/National Engineering Research Center For Ionic Rare Earth? ?341000）

[Abstract] Biochar is a kind of high carbon solid material obtained by pyrolysis of agricultural and forestry residues under the condition of no oxygen or low oxygen. Because of its wide source of raw materials， large specific surface area， developed hole structure and strong stability， biochar has become a research hotspot in the field of soil environmental remediation attracting increasing attention.In this paper， a literature review on the recent research progress and mechanism analysis of biochar in soil carbon sequestration， soil physical and chemical properties improvement， soil heavy metal contamination remediation and soil organic pollutants treatment was conducted. The application prospect of biochar in soil remediation was forecast to provide reference for the widespread and application of biochar in soil remediation.

[Keywords] biochar; soil remediation; carbon sequestration

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，而土壤是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土地資源的可持續(xù)利用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的前提。

目前，生物炭在土壤環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用主要包括土壤固碳、土壤理化性質(zhì)的改良、土壤重金屬污染修復(fù)以及土壤有機(jī)污染物的治理。生物炭是指農(nóng)林廢棄物等在無(wú)氧或限氧的條件下，經(jīng)高溫?zé)峤庵苽涞囊活?lèi)含碳量高，比表面積大的高度芳香化的固體物質(zhì)，為黑炭的一種。由于生物炭具有原料來(lái)源廣、比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)、穩(wěn)定性強(qiáng)等特征而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。生物質(zhì)在土壤固碳、土壤改良、污染物吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了較好的效果，現(xiàn)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

生物炭表面含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于土壤微生物的生長(zhǎng)[1]，同時(shí)其含有的基團(tuán)主要有羧基、酚羥基、內(nèi)酯、羰基等，這些基團(tuán)的存在構(gòu)成了生物炭良好的吸附特征，可以吸附水、無(wú)機(jī)離子（銅離子、鉛離子、汞離子等）以及極性和非極性有機(jī)化合物，同時(shí)還可以促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。

由于生物炭主要由環(huán)芳烴和烷基組成，從而使其穩(wěn)定性極高。這也使它能在土壤中穩(wěn)定存在幾百年甚至上萬(wàn)年，在其長(zhǎng)期提升土壤有機(jī)質(zhì)的同時(shí)將碳源固定在土壤中達(dá)到緩解溫室效應(yīng)的目的，因此，生物炭在固碳方面的應(yīng)用研究得到了廣泛的關(guān)注。

1? 生物炭固碳的機(jī)制

有學(xué)者對(duì)各類(lèi)生物炭的礦化規(guī)律進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)模型證明生物炭在100年的時(shí)間里只有3-26%的碳被礦化，且各類(lèi)生物炭的半衰期在102到107年之間，驗(yàn)證了生物炭無(wú)可替代的固碳效果[2]。Lehmann團(tuán)隊(duì)關(guān)于生物炭能夠減少大氣CO2氣體排放的概念模型中說(shuō)到植物經(jīng)歷正常的生長(zhǎng)吸收CO2最后殘?bào)w返回土壤被礦化分解成CO2返回大氣中，整個(gè)過(guò)程大氣C的削減量為0，該循環(huán)過(guò)程為碳中性[3]。如果將植物殘?bào)w熱解成生物炭后，被熱解后的植物殘?bào)w中只有大約50%C被轉(zhuǎn)化成生物能返回大氣中;而另外50%C被轉(zhuǎn)化成高穩(wěn)定性的生物炭放回土壤中，生物炭中有5%左右的C被分解成CO2返回到大氣中去，從而使整個(gè)循環(huán)過(guò)程為碳負(fù)性。循環(huán)的次數(shù)越多，大氣CO2的削減量就越大。因此，將植物殘?bào)w熱解成生物炭后施于土壤是將大氣中CO2不斷固定在土體中的一種可行的方法。

除CO2外，CH4也是造成全球變暖的關(guān)鍵物質(zhì)。他的增溫潛力在100年時(shí)間尺度上是CO2的25倍。LIU等的研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可減少水稻土壤CH4的排放，其中添加水稻秸稈生物炭的水稻土壤比未添加生物炭的相比，CH4的排放量減少了91.2%[4]。Feng等通過(guò)研究生物炭減少土壤CH4排放的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，生物炭的存在，可以促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)，使其成為土壤中的優(yōu)勢(shì)菌種，從而達(dá)到抑制CH4的排放。

2? 生物炭固碳的影響因素

生物炭對(duì)土壤的修復(fù)，主要通過(guò)改變土壤的理化環(huán)境，以及微生物群落來(lái)達(dá)到改良土體的目的。土壤和生物炭?jī)烧呦嗷ビ绊懀鴮?duì)土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)以及固碳效果產(chǎn)生影響。土壤的含水率、溫度等因素也會(huì)對(duì)碳的礦化產(chǎn)生影響。有學(xué)者對(duì)生物炭固碳的影響因素進(jìn)行薈萃分析，發(fā)現(xiàn)固碳效果是各種因素共同作用的結(jié)果。表1為各因素對(duì)生物炭固碳效果影響分析總結(jié)。

利用生物炭將C固定在土壤中是當(dāng)前比較有前景的固碳減排技術(shù)。上文綜述了當(dāng)前生物炭在固碳方面的相關(guān)研究進(jìn)展，在今后的研究中，我們還需對(duì)土壤固定碳的各影響因素以及田間試驗(yàn)條件下不同的室外作業(yè)條件對(duì)生物炭在減少土壤CO2排放方面的影響進(jìn)行深入探討。同時(shí)，土壤在生物炭和植物體系的共同作用下其固定c的效果與作用機(jī)理也需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。通過(guò)對(duì)各影響因素和作用機(jī)理的研究，為生物炭在固碳減排方面的應(yīng)用推廣提供可行的依據(jù)。

3? 研究展望

生物炭種類(lèi)多樣，其在土壤環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用技術(shù)還未成熟。修復(fù)過(guò)程主要通過(guò)降低土壤污染物的生物有效性來(lái)達(dá)到修復(fù)土壤的目的，通過(guò)研究其對(duì)污染物的吸附規(guī)律和機(jī)理，探索生物炭在土壤中的環(huán)境行為。將生物炭推廣應(yīng)用于土壤修復(fù)領(lǐng)域還需很多工作要做。要讓生物炭對(duì)土壤的修復(fù)達(dá)到最佳的效果，就必須知道其對(duì)污染物的吸附機(jī)理?，F(xiàn)有的吸附機(jī)理分析只要以性質(zhì)分析和過(guò)程推測(cè)為主，缺少直接的定性和定量手段。在未來(lái)的研究工作中，需要我們從以下幾個(gè)方面開(kāi)展生物炭對(duì)土壤環(huán)境修復(fù)的研究。

采用先進(jìn)的表征技術(shù)，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確揭示生物炭修復(fù)土壤過(guò)程，進(jìn)一步探索生物炭修復(fù)土壤的影響因素。同時(shí)還應(yīng)該探索生物炭的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，包括對(duì)土壤理化性質(zhì)、土著微生物群落和土壤在利用價(jià)值的影響。

通過(guò)結(jié)合生物炭與植物、微生物修復(fù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)的高效治理。，在應(yīng)用與推廣方面應(yīng)該加大其他配套技術(shù)研究，如何高效、低成本生產(chǎn)生物炭，如何儲(chǔ)存、運(yùn)輸生物炭以及完善土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，從而能夠在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域因地制宜使用生物炭。

生物炭種類(lèi)繁多，制備工藝各不相同，而生物質(zhì)原料、熱解溫度、保溫時(shí)間及制備工藝對(duì)其特性的影響巨大，所以完善生物炭分類(lèi)體系，明確不同條件下制備的生物炭的突出特性，是非常必要的。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] Chen W F， Zhang W M， Meng J， Xu Z J.? Researches on bio? ? ? ? ?char application technology[J]. Engineering Science， 2011， 13? ? ? ?（2）： 83-89.

[3] Zimmerman A R. Abiotic and microbial oxidation of labora? ? ? ?tory-produced black carbon（biochar） [J].Environmental? ? ? ? ? ? ?Science & Technology，2010，44：1295-1301.

[4] Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature，2007，443：143-? ? ? ? ? ?144.