生物炭对土壤肥料的作用及未来研究

任务1-2 生物炭对土壤肥料的作用及未来研究 生物炭（国内有的译为生物质炭或生物焦）是近年来农林、环境及能源诸多研究领域关注的焦点，生物炭为废弃生物质利用、生物能源生产、土壤改良培肥、肥料创新、温室气体减排等提出了综合解决方案。生物炭的土壤改良剂功能源于南美亚马逊盆地黑土（TerraPreta）的发现及研究，其在土壤中长达数百、数千年的固碳作用也引起了人们的重视。因此，20世纪90年代中后期以来，以热裂解生物质生产生物炭，并将其用作土壤改良剂及固碳剂的研究日益增多。国外在生物炭的性质和特征及其对土壤物理、化学性质、微生物的作用，作物肥效及土壤固碳等方面展开了较广泛的研究工作，并取得许多进展。而中国生物炭研究刚刚起步，生物炭农用研究尚未足够重视，且国内外有人对生物炭技术心存疑虑。因此，笔者回顾和综述国内外关于生物炭对土壤、肥料的作用、作物肥效及土壤固碳潜力的研究文献和资料，分析总结出一致性的研究认识，指出存在的问题及生物炭生产及利用方向，并提出未来需要研究的问题，以促进中国生物炭的生产及农用研究，将TerraPreta作为今后农业可持续发展模式，推动农业“黑色革命”。 实践任务 任务要求 1.理解生物炭的性质与特征 2.掌握生物炭对土壤的改善作用 3.了解生物炭的肥料增效载体作用 4.理解土壤生物炭固碳潜力 5.掌握生物炭未来研究趋势 任务实施 一、生物炭的性质与特征 生物炭是生物有机材料（也称为生物质）在无氧或低氧环境中低温热裂解后的固体产物。传统工艺生产的炭大多为块状黑炭或颗粒黑炭，如木炭和竹炭。现代热裂解工艺生产的生物炭为粉状颗粒。生物炭通常含碳40%~75%，含少量矿物质和挥发有机化合物，呈碱性，不易为微生物分解。生物炭的多孔性、巨大表面积及羧基基团赋予生物炭强吸附能力，具有较大的离子交换量（CEC）。 生物炭富含有机碳，其中碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在，含羟基（-OH）、烯烃（C=C）。生物炭化学成分因生物质种类和来源而有较大变化，如木材、秸秆、草本植物及厩肥等。木本植物生物炭通常含碳量高，而矿质养分含量低；厩肥及秸秆通常含碳相对较低，而矿质养分含量较高。生物炭中矿物质含量一般顺序为：畜禽粪便＞草本植物＞木本植物，而含碳量则相反。原生物质在生物炭中残留碳含量、挥发有机物含量、含氮量随热裂解温度升高而减少。由于温度升高有助于有机物分解，因此原生物质中的含碳物质、低分子有机化合物及含氮物质因温度升高热解损失增大，而残留量降低。生物炭的固定碳含量（难分解碳物质）、矿物质（灰分）含量、pH、生物稳定性随热裂解温度升高而提高。由于热裂解温度增高，易热解含碳化合物残留降低，生物炭中难分解碳物质比例相应增高，因而其生物学稳定性增大。灰分是生物质燃烧后残留的矿物质，热裂解温度升高，有机物损失增大，灰分在生物炭中含量相应增大，而灰分是碱性物质，因而生物炭的pH因生物质热解温度增高而提高。生物炭的CEC与生物炭表面积、羧基官能团有关，生物炭表面积在一定温度范围内最大，CEC在一定温度范围内最大。因此，最大CEC生物炭需要优化热裂解温度。CEC也与生物质原料有关。实际上，许多生物炭的特征尚待确定。 二、生物炭对土壤的改良作用 1.生物炭对土壤有机质的作用 土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一，也是陆地生态系统中重要的碳汇。土壤有机质可以改善土壤团聚体和稳定性、水分入渗和保持、养分吸持和交换、支持微生物活动等。虽然生物炭的化学结构不同于有机质或土壤腐殖质，但是，生物炭与有机质或腐殖质一样可以改良培肥土壤。生物炭可以提高土壤有机碳含量水平，其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。土壤有机碳含量增高可提高土壤的C/N比，从而提高土壤对氮素及其他养分元素吸持容量，有利于通过配合施肥培肥土壤。然而，生物炭对土壤有机质含量的影响有着冲突的报道。Wardle等和Contina等分别报道生物炭引起土壤有机质损失，但前者土壤埋袋培养试验方法受到质疑。而Bruun等采用14C标记生物炭及作物秸秆的2年土壤培养试验发现：生物炭（低温和高温碳损失分别为9.3%、3.1%）远远低于秸秆（56%）的碳损失，生物炭初期的碳损失可能与生物炭颗粒表面氧化有关；或者与生物炭中挥发物的微生物分解有关。Kimetu等报道：生物炭的碳损失远低于绿肥，生物炭的稳定性及稳定化作用大于绿肥类易解有机物。秸秆、绿肥、堆肥及厩肥施入土壤且在免耕条件下，一般5~10年后所剩不过20%，仅有极少量被转化为腐殖质。土壤腐殖质碳周转期一般为25~50年，且土壤腐殖质含量很难提高。英国洛桑实验站施用厩肥150多年的土壤有机碳量仅提高了1倍。TerraPreta土壤也表明，生物炭是远比传统有机材料更稳定、更易提高土壤有机碳的有机材料。故联合国防治沙漠化公约及一些政府呼吁将生物炭作为土壤改良及应对气候变化的重要技术产品。但是，生物炭与有机质或腐殖质的成分及其在土壤中的作用不完全相同，人们不应忽视土壤有机质或腐殖质的肥力作用。 2.土壤物理性质 早在1500年前，南美印第安人就用木炭、厩肥及动物骨头混合物改良土壤，形成至今仍很肥沃的terrapreta土壤。研究发现，巴西亚马逊盆地富含木炭的黑土比相邻无木炭土壤的田间持水量高出18%。生物炭易于改善沙质土壤持水量，因为生物炭比表面积（通常为200~400m2/g）比沙质土（沙粒表面积0.01~0.1m2/g）比表面积更大，但是试验反映生物炭用量为88t/hm2时才可在水分特征曲线上表现出土壤持水量的显著改善。生物炭对壤土、粘质土持水量的影响通常不明显，这取决于生物炭与土壤的比表面积相对大小[44]及生物炭的亲水性。显然，比粘质土比表面积大、亲水性强的生物炭可能提高粘土持水量，而生物炭的比表面积取决于生物炭孔隙度及颗粒大小，其亲水性决定于生物炭亲水基团和表面积。生物炭用量对土壤土持水量影响不显著，其原因在于新鲜生物炭的疏水性。新鲜生物炭一般表现较强的疏水性，新鲜生物炭施入土壤后，土壤水入渗及初始导水率降低，水分饱和后则土壤饱和水导水率则有所改善。随着生物炭颗粒表面在土壤中的氧化及羧基基团增多，生物炭的亲水性会逐渐增强，其吸水能力和土壤持水量逐渐提高。生物炭增深土壤颜色，增加土壤吸热能力，从而提高土壤温度。生物炭促进土壤微生物、特别是VA菌侵染与活性，从而可能增加微生物对矿物分解及多糖分泌（如glomalin-球霉菌素），而多糖是土壤团聚体形成和稳定的重要物质，从而使生物炭有稳定或增加土壤团聚体之作用。但有研究结果显示生物炭对土壤VM菌活动、团聚体影响不明显，这可能与团聚体是矿物在有机质与微生物相互作用下的结果，然而短期试验很难显现生物炭有益作用。生物炭容重低、粘性差，因此生物炭可以降低粘质土壤容重、硬度，从而改善土壤质地及耕作性能。 3.土壤化学性质 （1）土壤酸碱度 生物炭的酸碱性取决于生物炭原料及生产工艺，但是大部分生物炭显碱性。因此，生物炭施入土壤通常可提高酸性土壤pH值，这主要是生物炭中灰分含有更多的盐基离子，如钙，镁，钾、钠。盐基离子可以交换降低土壤氢离子及交换性铝离子水平，生物炭配合NPK化肥降低酸土可交换性铝更明显，从而提高土壤盐基离子如钙、钾、钠等的饱和度而导致土壤pH值增高，尤其是造纸污泥生物炭，其富含钙离子而显著提高酸性土壤的pH值。但对碱性土壤作用不显著。高温热裂解的生物炭比低温热裂解的生物炭中具有更少的酸性挥发 物及更多的灰分，因而pH更高。因此，高温生物炭提高土壤pH比低温生物炭的作用更明显。高温生物炭是比石灰有益作用更多的土壤酸性中和剂。 （2）土壤阳离子交换量（CEC） 土壤CEC反映土壤吸持和供给可交换养分的能力，是衡量土壤肥力的重要指标。土壤CEC与土壤粘粒含量、矿物类型、有机质及pH有关，因而生物炭对土壤CEC影响是值得关注的。生物炭对土壤CEC的影响受土壤、生物炭类型及生物炭在土壤中的时间长短有关。生物炭对低CEC、酸性土壤的CEC改善作用十分明显，造纸污泥+废木屑混合物生物炭（550℃）显著提高铁铝土CEC，但对石灰性土壤的CEC没有明显作用，这与原始土壤高的CEC有关。高CEC的(18.0cmol(+)/kg)没有低CEC(9.0cmol(+)/kg)的造纸污泥+废木屑混合物生物炭提高铁铝土的CEC显著(7.57对10.5cmol(+)/kg)，这种差异部分上是前者具有低的石灰值，而因其对铁铝土pH增高效果没有后者大。生物炭对土壤CEC改善作用与其和土壤相互作用的时间长短有关，随着生物炭在土壤中的作用时间延长，生物炭在生物和非生 物的作用下氧化产生诸如羧基等类的官能团，生物炭的电荷量或CEC增大，从而使土壤CEC显著增大，因而土壤中黑炭量与土壤CEC呈正相关关系。显然，山核桃壳生物炭（700℃）对酸性沙壤土CEC作用不明显与试验时间短、生物炭氧化不明显有关。 （3）土壤养分 生物炭不仅可产生负电荷，也可产生正电荷，因而生物炭不仅吸持有机质吸持的养分，还可吸持土壤有机质不吸持的磷素养分。尽管如此，生物炭吸持养分还是有一定的选择性，生物炭对NH4+，NO3-有较强吸附作用。生物炭对养分吸附选择性与生物炭本身所含矿物质含量及种类有关，富含K+、Ca2+、Mg2+的木炭对土壤和肥料的K、Ca、Mg离子吸附量较低或基本不吸附[39]。因热裂解温度高低影响生物炭的性质，因而也影响生物炭的养分吸附选择性，气化热裂解（高温）硬木生物炭（C/N=334，pH7.7）增加Ni淋出量，慢速热裂解（低温）橡树生物炭（C/N=284，pH6.5）促进Ga的淋出，前者比后者的C/N和pH高。生物炭富含有机碳，但矿质养分含量通常偏低，生物炭对土壤养分补充作用不如肥料明显，但是，不同材料生物炭的矿质养分含量仍有较大差异。畜禽粪便生物炭通常比木材生物炭具有较高的矿质养分含量。骨炭是富含磷的生物炭，其中磷的溶解性大于突尼斯碳酸盐氟磷灰石而低于重过磷酸钙。富含矿物质的禽粪便生物炭可显著增加土壤矿质含量，对于沙质土壤特别明显。山核桃壳生物炭（700℃）增加低CEC酸性土壤的Ca、K、Mn、P含量，降低土壤中可交换S和Zn水平，降低土壤淋出液中Ca、P、Mn、Zn水平，而促进K、Na淋洗。由于生物炭可增加土壤CEC及有机碳含量，生物炭+堆肥显著提高强淋溶铁铝土的总氮量，及竹炭提高土壤有效氮、磷、钾含量，降低土壤养分的淋失损失。 由于生物炭的原料及工艺影响生物炭的性质或特征，因此，不同