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农业生产和环境保护中生物炭的应用

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摘要:生物炭是一种对环境友好的吸附材料,具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积、较高的孔隙度和比表面能等特点。随着生物炭研究和应用的不断深入,生物炭在农业、能源、环境等方面的优势逐渐凸显。本文综述了近几年来生物炭在农业生产和环境保护方面的应用现状,以期为生物炭的进一步开发利用提供参考。

关键词:生物炭;农业生产;环境保护

生物炭(Biochar)又称生物质炭、黑炭、生物黑炭、生物质焦,是秸秆、动物粪便、落叶、污泥等农业固体废弃物在无氧或限氧条件下进行高温热解后的一种固态产物[1]。其显著优势有以下三点[2]:一是生物炭因具有丰富的孔隙结构和表面官能团,比表面积大,吸附能力强等特点,施入土壤后,不仅能改善土壤结构,降低土壤容重,促进土壤微生物繁殖,还可以控制土壤养分流失;二是生物炭含有稳定碳元素,主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳构成,理化性质稳定,抗生物分解能力强,赋予其“碳封存”作用,把炭封存进土壤,有利于减缓全球变暖;三是生物炭含有植物生长发育所必需的许多大量元素和中微量元素,生物炭施入农田后,可提高土壤肥力,促进作物生长,进而降低了化肥的使用,减少了环境污染。正因如此,生物炭在农业和环境领域的应用价值日渐凸显;同时,生物炭产业的发展,使农林废弃生物质资源得以可持续利用,由此带来良好的环境、生态和社会经济效益。本文综述了近年来与生物炭在农业生产和环境保护方面的应用和研究成果。为生物炭产业的进一步发展提供参考依据。

1生物炭在农业生产方面的应用

1.1生物炭可改善酸性土壤

土壤pH是土壤养分的重要指标之一,是土壤理化性质和肥力特征的综合反映,土壤pH的高低深刻的影响着土壤的物理性质、微生物活动与分布、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放速率、养分存在形态和有效性[3,4]。生物炭施入土壤后,可通过竞争吸附作用,降低土壤的氢离子和铝离子含量,提高土壤pH值[5,6]。用不同原料在不同温度下制备的生物炭的理化性质是不同的,对土壤pH值的影响也不同。相比较而言,高温制备的生物炭在提高土壤pH值上有更加显著的效果[7],用豆科植物原料制备的生物炭比非豆科植物原料制备的生物炭有更显著效果[8],且生物炭添加量愈多效果愈明显[9]。

1.2生物炭改善土壤持水能力

由于生物炭本身具有丰富的孔隙结构,因此,在施入农田后会不同程度的增加土壤的毛管孔隙度和通气孔孔隙度,从而增强土壤含水量。王竹等人[10]根据Van-Genuchten模型和Gardner模型对比研究不同生物炭含量的土壤水分特征曲线发现,施加生物炭土壤的水吸力值<600cm时,比无炭处理的含水率增大了3.7%,水吸力值>600cm时,比无炭处理的含水率增大11.3%,说明在一定程度上生物炭改善了土壤的持水能力。中国农业大学吴桥实验站[11]探究了施用生物炭对土壤水分和作物生长的影响,结果发现,施用生物炭增加了土壤含水量,减少了夏玉米耗水量,水分利用率提高了13.72%~24.43%。李兴等人[12]为了探究生物炭对沙壤土水分特征的影响,采用室内实验土柱法在沙壤土中掺加4种不同比例的生物炭(10、20、40、60g/kg),随着入渗时间的延长,生物炭对沙壤土的垂直入渗率和扩散度抑制逐渐增强。120min后,入渗率分别比对照减少24%、49%、50%、59%;土壤含水率为24.9%时,土壤扩散率分别比对照减小45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。同时随着生物炭含量增加,土壤持水能力也在增加。

1.3生物炭促进根际土壤微生物活性

土壤微生物对土壤环境变化较为敏感,生物炭的多孔结构和表面特性为微生物的生长繁殖提供了空间。陈泽斌等人[13]研究发现,生物炭可以提高根际土壤细菌种类多样性和分布均匀程度,而对真菌的影响则相反。韩光明[14]等研究发现,添加生物炭后提高了不同连作年限棉田细菌、真菌和放线菌的数量,其中,蕾期和花铃期是微生物数量繁殖的高峰期。固氮菌能够利用固氮酶将空气中的气态氮转化为能被植物吸收的氮盐,生物炭可以促进土壤中固氮微生物氮循环,刺激固氮微生物的生长及提高固氮效率[15]。生物质炭的添加量可显著影响固氮菌的群落结构,固氮菌丰度随着添加量的增加和处理时间的延长而增加[16]。

1.4生物炭增强土壤肥力

生物炭因具有较大的表面积、丰富的孔隙度以及较多的来源于羟基、羧基等官能团的负电荷,不仅能有效吸持各种盐基阳离子和NO3-、PO43-/HPO42-/H2PO-4[17],还对低分子量可溶性有机质(DOC)有较强的吸附能力[18],增强土壤肥力。生物炭能够加快溶液的淋溶速度,增强土壤对氮素的固持作用[19,20]。生物炭能明显降低土壤磷素的淋溶损失[19,21],促进植物对磷素的吸收和生长发育,提高土壤磷的生物有效性[22]。此外,添加生物炭后还会增强土壤酶活性。高凤等人研究结果表明,随着生物炭施用量的增加,白菜根际土壤蔗糖酶、多酚氧化酶和纤维素酶活性显著增强,促进了白菜生长并提高叶片中可溶性糖含量[23]。李贞霞等人[24]探讨了辣椒秸秆生物炭对酸化土壤酶活性的影响,结果表明,土壤脲酶和蔗糖酶活性与生物炭添加量呈正相关。其它课题组也得到了类似的研究结果[25,26]。

2生物炭在环境保护方面的应用

2.1生物炭修复重金属污染土壤

有研究结果表明,生物炭能够降低油菜可食用部分中镉和铅的质量分数[27],降低土壤中有效态Cd含量,且降低率与生物炭添加量和热解温度呈正相关[28],显著降低了污染土壤空心菜根部重金属含量,控制了污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部迁移富集[29]。生物炭对重金属污染修复能力因生物炭制备原料和重金属种类而异,如江亚会[30]等人将皇竹草、咖啡渣、花生壳制备的生物炭和微肥分别添加到被重金属污染的土壤后,土壤中的有效态重金属含量均比对照组低,其中,皇竹草生物炭+铁肥对土壤重金属Cu、Pb和Cd有效态含量的降幅分别达32.94%、31.26%和21.21%,对土壤有效态Zn含量的降幅为6.82%,咖啡渣生物炭+铁肥对土壤重金属Ni和Zn有效态含量的降幅分别为22.64%和10.35%,花生壳生物炭+铁肥对Cu含量降幅达49.06%,咖啡渣生物炭+硅肥对土壤Ni和Zn有效态含量降幅分别达23.73%和9.72%。2.2生物炭净化水质生物炭作为绿色屋面基质修复材料,能够有效降低屋面径流中TN和COD的质量浓度和污染负荷,净化屋面径流水质,在城市暴雨径流管理中具有非常广阔的应用前景[31]。底泥中添加适量生物炭会促进沉水植物苦草的生长,促进水体中总氮、总磷和叶绿素a的去除[32],不同类型秸秆生物炭对水质中Pb2+的吸附速率随着溶液中Pb2+的初始浓度的增大而逐渐减少[33]。玉米秸秆生物炭使废水中Pb2+和Cd2+的吸附去除率分别达到了85%和98%[34]。白菜尾菜和玉米秸秆生物炭对废水中Cd2+、Pb2+、Cu2+的最大吸附量可达到20.40mg/L、20.44mg/L、20.48mg/L,去除率分别为96%、97.6%、99%[35]。

2.3生物炭能减排土壤温室气体

气候变暖是当今国际社会普遍关注的全球性问题,也是当今全球面临的重大挑战[36]。向土壤中施加生物炭以控制土壤温室气体排放是当前国际生物炭研究的前沿领域,也是关乎农林有机固体废弃物资源能否实现生物炭还田的关键[37]。近年来,关于生物炭添加对土壤温室气体减排的研究较多,但研究结果存在较大的差异。如张向前[38]等人研究发现施加生物炭后土壤中CH4和N2O排放量显著降低,且两种气体减排量因生物炭制备温度而异,500℃裂解温度的生物炭减排效果优于300℃、700℃。祁乐[39]研究结果表明,施加生物炭后,明显延后了土壤CO2、CH4、N2O的排放峰值,降低了CH4和CO2排放量,且生物炭添加量越多,对CH4和CO2减排作用越明显,但对N2O减排作用不明显。Spokas等[40]研究发现,高的生物炭添加量能显著减少N2O的释放,而低添加量没有明显作用。Knoblauch等[41]在水稻生长季添加生物炭后却增加了1.6倍CH4的排放。

3展望

综上所述,生物炭在改善酸性土壤、保持土壤水分、增强土壤肥力和助力发展绿色可持续农业方面均有巨大应用潜力;同时,在修复污染环境、净化水质、抑制温室效应等方面可发挥积极作用。然而,在大规模应用生物炭方面还存在许多不足,需继续深入研究,主要体现在以下几个方面:(1)由于生物质原料和制备方法不同,使生物炭的孔隙结构、理化性质存在差异,进而影响到生物炭的应用性能差异。因此,在实际应用过程中应积极开展生物炭标准化、系统化研究。(2)生物炭稳定性较高,可长期贮存于土壤中,在土壤或水系中施入大量生物炭后其生态风险性尚缺乏系统研究,加之部分生物炭中灰分及重金属含量较高。因此,合理评价生物炭在农业和环境方面的生态风险具有重要意义。(3)生物炭对整个土壤、水体环境的改良机理依然不明晰,且其长效性如何也不清楚,因此,需要针对生物炭对不同类型土壤、水体的作用进行全面且长期监测。(4)开发生物炭基肥料,实现生物炭高效利用,为绿色农业发展提供有力支持。

参考文献:

[1]崔国强,孙璐.生物炭对土壤理化性质的影响研究综述[J].乡村科技,2017,(34):58~59.

[2]陈温福,张伟明,孟军.生物炭与农业环境研究回顾与展望[J].农业环境科学学报,2014,33(05):821~828.

[3]石楠.改良剂对酸性土壤理化性状和烤烟生长与品质的影响[D].长沙:湖南农业大学,2017.

[4]徐振华.生物炭对中国北方酸化土壤的改性研究[D].青岛:中国海洋大学,2012.

[6]袁金华,徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果[J].生态与农村环境学报,2010,26(5):472~476.

[7]赵牧秋,金凡莉,孙照炜,等.制炭条件对生物炭碱性基团含量及酸性土壤改良效果的影响[J].水土保持学报,2014,28(04):299~303.

[9]张祥.花生壳生物炭改良酸性土壤的效应及其对脐橙苗生长的影响[D].武汉:华中农业大学,2014.

[10]王竹,叶晓思,孙爱华,等.生物炭对土壤水分特征曲线影响的试验研究[J].水利科学与寒区工程,2018,1(12):47~53.

[11]阚正荣,刘鹏,李超,等.施用生物炭对华北平原土壤水分和夏玉米生长发育的影响[J].玉米科学,2018,27(01):142~150.

作者:虎灵 魏晶晶 王慧春 单位:青海师范大学生命科学学院

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