生物炭对不同土壤改良及生态效应影响的研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-14 09:55 热度：

　　摘 要：本研究主要从生物炭特性以及其对不同土壤改良、作物生长发育、生态环境修复、温室气体减排等方面的功能进行综述，以期对生物炭在农业生产和生态环境保护等方面提供参考。为了研究生物炭对不同土壤改良及生态效应的影响，综述了国内外2017年以前的研究。发现生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体以及新型环境功能材料等，其越来越成为农业与环境科学等领域的研究热点。然而，生物炭研究基本还处在理论和机制的探讨阶段，在田间应用与推广方面刚刚起步，今后还需科技工作者的进一步探索，文章最后阐述了未来对该领域研究的一些观点。

　　关键词：生物炭;土壤改良;环境效应;土壤污染物;温室

　　0 引言

　　中国是农业大国，生物质(作物秸秆、木料、动物粪便等)资源丰富。以秸秆资源为例，年生产6.4×109 t左右的秸秆，且秸秆产量仍随农作物提高而增加[1] 。据统计2016年秸秆产量达到9×109 t [2] ，其中，稻秸、小麦秸和玉米秸等三大农作物秸秆约占秸秆资源总量的 75.6%[1] 。但是，绝大部分秸秆资源仍然以传统方式处理，如大田焚烧、直接还田、直接饲养家畜等，且秸秆大田焚烧不仅造成资源浪费，还导致了环境污染。而秸秆、动物粪便等生物质碳化产生的生物炭能够有效解决这一问题。生物炭在土壤改良和作物增产、土壤污染修复以及温室气体排放等方面的巨大潜在应用价值，为解决全球气候变暖、粮食危机和生态环境修复等提供了新的思路和手段。

　　近年来，世界范围内生物炭的研究逐渐兴起，2005 年后有关生物炭的研究迅速增加，科研论文数量(篇/年)从2005年不足十几篇到2010年接近90篇[3] ，而通过web of science则发现2017年已超过1300篇。有关生物炭的性质及对不同类型土壤改良和不同种类作物产量影响的研究，以及生物炭的生态环境效应研究，已取得不少成果。由木材、作物秸秆和动物残体等生物质在高温、缺氧条件下产生的生物炭[4] ，其可以降低土壤容重，改善土壤水、气、热等状况，有利于土壤微生物和作物生长以及土壤中有机污染物的降解，也能提高土壤 pH 值、离子交换量和土壤养分含量等化学性质[5-11] 。生物炭不仅能促进作物较好的生长[12-15] ，施用生物炭后对不同类型土壤的改良及生态效应也有显著效果[16-18] 。

　　近年来，随着生物炭研究的深入，其效果也越来越收到广泛的关注，但是，目前由于受经济因素、栽培和施肥习惯等的影响，生物炭在现代农业中的应用很少，而且生物炭对于土壤的改善机制仍不明确，需要进一步研究。此外，不同区域的环境条件包括气候、土壤理化性质等均可以影响生物炭的施用效果。

　　本研究主要从生物炭特性以及其对不同土壤改良、作物生长发育、生态环境修复、温室气体减排等方面的功能进行综述，以期对生物炭在农业生产和生态环境保护等方面提供参考。

　　1 生物炭的性质

　　生物炭是指在完全或部分缺氧的情况下生物质(农作物秸秆、木料、动物粪便等)热裂解产生的一种高度芳香化难溶性固态物质[4] 。生物炭性质稳定，含碳量可达60%以上，且高度芳香化，抗分解能力和热稳定性都很强[5] ，不易被微生物分解。主要由 K、Na、Ca、 Mg等矿质元素的氧化物或盐类组成的生物炭灰分溶于水中呈化学碱性[6-8] ，因此生物炭可以提高土壤 pH 值，改善土壤酸碱状况;其中含有的部分矿质元素(N、 P、K等)还是土壤重要的营养元素成分。此外，由于生物炭有机碳含量较高，具有丰富的有机官能团(羧基、羟基、醛基等)[9] ，可以增加土壤有机质含量。

　　生物炭具有较高的孔隙度和较大的比表面积[10] ，而土壤容重与孔隙度高低息息相关。因此，生物炭施入土壤后，可以降低土壤容重，改善土壤水、气、热等状况，有利于土壤微生物和作物生长以及土壤中有机污染物的降解。生物炭巨大的比表面积则可以增加土壤持水保肥能力，降低土壤重金属和有机污染物的有效性。阳离子交换量(CEC)高也是生物炭的另一个特性[6] 。

　　生物炭除以上共性外，其具体性质多变。因制备原料、条件不同，其属性在营养成分、物理结构、化学性质等也有所差异[11-12] 。生物炭的元素含量与制备生物炭的原料相关，因生物质原料来源不同而变化较大。其中矿质含量以动物粪便最高，作物秸秆其次，木料最低，而碳含量则恰好相反[13] 。有研究表明，制备生物炭的原料也是影响生物炭阳离子交换量和有机官能团含量的重要原因[14] 。温度则是影响生物炭性质的另一主要原因。随着热解温度的提高生物炭中可挥发有机物含量、氮含量、碳含量降低，而pH值、灰分、比表面积则随热解温度提高而提高[7,15] 。其中，最大有机官能团含量和阳离子交换量则受温度的影响，存在最优温度[3] 。

　　2 生物炭对不同类型土壤的改良效应

　　目前，国内生物炭土壤改良研究主要集中在南方广泛分布的红壤与黄壤等酸性土壤[16-17] ，其他类型土壤也有研究，但相对较少。如黑钙土、紫色土和灰漠土等[18-19] 。生物炭添加到土壤后，土壤的理化性质均会产生影响。物理性质的改变主要体现在土壤容重、土壤含水量、土壤孔隙度等方面，如Glaser等[20] 用生物炭使土壤容重降低，这意味着总孔隙度和大孔隙度增加，从而可能增大土壤水分入渗速率。化学性质的改变则体现在pH值、CEC、土壤养分含量以及有机质含量等方面[13,21] 。马莉等[19] 则研究发现，合理的施用生物炭可显著增加灰漠土有机碳储量，改变土壤有机碳组分。生物炭对不同类型土壤的影响不相同。Wang等[22] 研究发现施用生物炭分别增加了旱地土壤和稻田土壤0.09 和0.22各单位pH值。周志红等[18] 发现, 当累积降水量达到390 mm时在50 t/hm2 生物炭施用量条件下，黑钙土总氮淋失量降低了29%，而紫色土降低了41%。红壤和黄壤均是典型的酸性土壤，土壤肥力低下，作物产量低，而生物炭对两者的改良效果却有很大差距。张祥等[17] 发现，施用等量花生壳生物炭对酸性红壤 pH 值、速效钾、速效磷、有机质等的改良效果显著好于黄棕壤。

　　3 生物炭对不同作物的效应

　　生物炭的作物生长或产量效应因生物炭的类型和施用量、作物种类和土壤类型不同而有所差异。不同类型的生物炭对植物生长的影响不同。当制备生物炭的原料不同时其影响不同。有研究人员分别对日本雪松施加500 kg/hm2 的木炭、树皮炭、活性炭等3种不同生物炭，其生物量分别增加149%、224%、144%[23] 。即使制备生物炭的原料相同，但是制备条件不同，也会使生物炭的性质不同，从而导致生物炭的作物效应有所差异。将分别在450℃、600℃、750℃制备的棉花秸秆炭种植小麦 ，小麦干物质量表现为 600℃>750℃> 450℃[19] 。这可能是随着温度的提高，生物炭中N元素含量降低，而K、P元素含量则增加[24] ，从而导致C/N增大，影响作物对氮素的吸收[25] 。影响作物生长或产量另一因素是生物炭的施用量。研究发现在 0、0.5%、 1%、2% 4个生物炭施用量水平，小麦干物质量随着生物炭施用量的增加而提高[19] 。也有研究发现生物炭施用量并不是越高对作物生长越有利[26-27] 。有大豆试验分别施加500 kg/hm2 、5000 kg/hm2 、15000 kg/hm2 ，前者大豆产量增加 51%，后两者分别降低 27%和 71%[23] 。生物炭对作物生长或产量的影响也与作物种类有关。在同一土壤中种植的大豆、绿豆2种不同豆科作物均施加500 kg/hm2 的生物炭，大豆产量增加50%，绿豆产量则只增加20%[23] 。生物炭对作物产量的影响还取决与土壤类型。Jeffery等[28] 在研究土壤质地方面研究了生物炭与作物产量的相关性时，发现生物炭对酸性土壤和贫瘠土壤改良和作物增产效果较好。因此，生物炭对作物的影响与多种因素有关，其增产效应取决与生物炭的性质和施用量、作物种类和土壤类型等多种因素[29] 。

　　4 生物炭对生态环境的效应

　　随着中国国民经济的发展和生活水平的提高，对矿产资源和粮食需求等增加、生活和工业废弃物增多，重金属和有机物污染加剧，土壤和水均受到不同程度的污染。此外，由于CO2、CH4等温室气体排放导致全球气候变暖的问题也亟待解决。近年来，由于生物炭在污染环境修复和温室气体减排等方面表现出来的巨大潜力，为解决以上生态环境问题提供了一条新的途径。

　　4.1 生物炭对有机污染物土壤的修复

　　土壤有机污染物主要来源于农业上的农药残留物和PAHs、工业染料废水和生活污水的排放等[27] 。而生物炭在有机污染物修复方面的研究，已经取得了不少的成果。Spokas等[30] 研究发现，5%的木材质生物炭施用量对土壤中除草剂乙草胺和莠去津的吸附效果显著。花莉等[31] 发现，在污泥-土壤体系中输入生物质炭后，植株中的多环芳烃含量显著减少, 含炭堆肥污泥处中理黑麦草的多环芳烃累积量比普通污泥处理降低了 27%~34%。生物炭对有机污染物的修复主要原理是利用生物炭高孔隙度和巨大比表面积的强吸附能力[32] 。Song等[33] 的研究结果表明，生物炭的结构稳定、比表面积大以及丰富的多孔结构对土壤中有机污染物有很强的吸附与解吸迟滞作用，能够降低有机污染物的迁移转化和生物有效性。也有研究认为，高温热解制备的生物炭主要依靠其表面结构和性质吸附有机污染物，而较低温热解制备的生物炭则主要利用其含有的芳香烃等有机物 ，通过分配作用吸附有机污染物[34] 。除了与生物炭自身的性质(如比表面积、孔隙结构、原子极性以及芳香度等)有关，生物炭对不同有机污染物的吸附强度和解吸滞后程度还取决于有机污染物的性质和环境条件，如分子大小、疏水性和可溶性以及环境的pH值等[35] 。

　　4.2 生物炭对重金属污染土壤的修复

　　土壤重金属则主要来源于采矿、工业固体废弃物和污水等。有研究认为生物炭的多孔结构、较大比表面积以及较高的表面能使生物炭对重金属污染具备了很强的吸附能力[36] 。周建斌等[35] 研究发现，棉秆质生物炭通过吸附或共沉淀作用降低了土壤镉的生物有效性，小白菜可食部镉质量分数降低49.43%~68.29%，根部降低 64.14%~77.66%。重金属本身的性质是影响生物炭对其吸附的一个重要因素。重金属的性质不同，生物炭对不同的重金属吸附或共沉淀效果也不同，甚至呈现出2种截然相反的现象。Shen等[37] 认为，生物炭可显著增加土壤pH值并改善作物生长，在施用生物炭后，Pb和Cd在土壤和植物组织中显著降低，重金属生物有效性降低。亦有研究认为，生物炭中的有机官能团可能与特定配位体具有很强亲和力的重金属离子结合形成金属配合物[38] ，从而降低重金属离子的富集程度。低温条件下制备的生物炭对,Cd2+ 、Cu2+ 、Ni2+ 等重金属离子的固定和吸附能力更强[39] ，也证实了这一观点。此外，研究发现生物炭对重金属离子的吸附和固定强度，随生物炭pH值升高而加强。这可能与生物炭加入提高土壤pH值，改变重金属各形态的分布(土壤pH值的升高促使重金属离子形成碳酸盐或磷酸盐等而沉淀，或者会增加土壤表面的某些活性位点)，降低酸可提取态含量，从而钝化土壤重金属，降低其生物有效性有关[40] 。同时 ，生物炭还可以影响土壤的 CEC、持水能力等其他性质减少重金属的有效性。

　　4.3 生物炭对减少温室气体排放的影响

　　生物炭对温室气体排放的影响主要通过减少 CO2、CH4和 NOx排放的途径实现。中国农业秸秆有 33%~40%被废弃在田间或者直接焚烧，不仅导致生物质资源的浪费，更是造成了严重的环境污染，增加了以 CO2为主的温室气体排放[41] 。由于生物炭结构高度芳香化、性质稳定，因此能够长期稳定存在于环境中而不易被矿化分解[5] ，从而使碳元素封存在土壤中到达“固碳”的目的。研究发现，生物炭可以通过改变土壤透气性、微生物群落，从而改变土壤 CH4和 NOx排放量。 Rondon等[42] 以20 g/kg的生物炭施用量添加在牧草地与大豆土壤中，2 种土壤 N2O 排放量分别降低了 80%和50%，而完全受到抑制了甲烷的产生。这与Liu等[43] 的研究结果(施用生物炭后稻田土壤中CH4的排放明显减少)一致。研究认为，NOx排放的减少是通过生物炭增加土壤通透性 ，抑制微生物反硝化作用实现的[44] 。此外，生物炭促进微生物对土壤中有效氮的固定也是NOx减少的一个因素[42,45] 。

　　5 展望

　　目前，国内外对生物炭的研究主要集中在土壤改良、温室气体排放、环境污染修复等领域，已经取得很多的研究成果。但对生物炭的内在作用机理还未十分明确，而且就生物炭理化性质的研究还比较零散，没有形成体系。因此，建立详细生物炭分类体系，明确不同条件下生产生物炭的具体特性，是十分有研究价值的。此外，生物炭对环境污染物修复的内在机理亟待解决，以及生物炭对过量施肥土壤的效用研究还非常少，这些方面都有待加强。总之，生物炭研究基本还停留在理论探讨阶段，在应用与推广方面还刚刚起步。因此，在理论研究的同时，应该加大其他配套技术研究，如何高效、低成本生产生物炭，如何储存、运输生物炭以及完善土壤数据库，从而能够在农业和环境领域因地制宜使用生物炭。——论文作者：张 林1,2 ，林庆毅1 ，张梦阳1 ，夏 浩1 ，姜存仓1

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文章名称：生物炭对不同土壤改良及生态效应影响的研究进展

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