生物炭對土壤生態系統影響的研究進展

劉 騫，謝修鴻

(長春大學 園林學院，長春 130022)

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生物炭對土壤生態系統影響的研究進展

劉 騫，謝修鴻

(長春大學 園林學院，長春 130022)

狹義地說，生物炭特指生物有機材料在無氧(缺氧)環境下經過高溫分解而形成的固體產物。相比一般的“碳產品”而言，其碳含量極高，可以作為能源、還原劑和土壤改良材料，是有效解決土壤退化、環境污染和氣候變暖的策略。生物炭在改良土壤生態環境中發揮了顯著效果，具有較高的研究價值，本文結合這一課題展開研究，提出合理的觀點和建議。

生物炭；土壤生態系統；土質改良；研究進展

農業生產中產生了大量生物炭的原料，包括植物莖稈、牲畜糞便、殘枝敗葉等，直接燃燒不僅造成資源浪費，同時也會污染環境。事實證明，大量農業廢物自然發酵或直接焚燒會造成大量溫室氣體(如二氧化碳、甲烷)，給生態造成沉重的負擔。相對應地，利用農業廢棄物轉化為生物炭，是一種“變廢為寶”的舉措。一方面，可以從有機原材料中獲得合成氣體、焦油等，用來發電或取暖；另一方面，生物炭通過掩埋可以實現土壤生態系統的改良。結合實際作用分析，生物炭摻入土壤之中可以直接提高土壤的碳庫容量，改善土壤的酸堿度。而碳體結構本身具有很大的表面積，內部結構特征具有很好的吸水保墑性。生物炭經過特殊的研磨處理之后，有效地促進了土壤中的陰陽離子交換，避免土壤中養分的流失，為有益生物群提供落腳點，減輕重金屬元素的土壤污染程度。

1 生物炭功能及特征概述

1.1 生物炭功能

生物炭的形成需要一定的人工條件，在常態下是無法實現的。傳統的生物炭加工和現代化技術下的生物炭加工具有相同之處，都需要保持一種缺氧或無氧的狀態，將生物質原材料(動物或植物)進行高溫處理，最后可獲得固體的產物。從成分上說，生物炭可以看作是“純碳”，在高溫低氧的環境下，有機物的有效成分以碳的形式被保留下來，并相對穩定，在較長的時期內不會進入生態循環系統，有效地阻止了溫室效應的加劇。

事實上，生物炭也是土壤的有機組成部分。生物炭可以很好地保存土壤的養分和水分，使其變得更加肥沃，這也是很多優良土地呈現黑色的原因——生物炭成分的含量高，意味著地質變化中動植物轉化形成的生物炭成分高，有利于農作物的生長，提高生產效益。

很顯然，在現代社會背景下依靠傳統人工的生物炭制造方法，很難滿足廢物處理和生態保護的要求。結合高新技術條件，利用高溫高壓的設備進行分解，可以大規模地進行生產。同時，生物炭的工業生產系統中，不僅僅以獲得生物炭為目標，整個流程中得到的合成氣是很好的能源，可以用來發電、取暖、制氣等。實驗證明，利用高壓高溫快速分解技術，可以得到大量生物炭、合成氣和生物油，這也就相當于原本的有機廢物通過轉變，統一實現了低碳、環保和高效的目的。

結合農業產業方面分析，生物炭的制造可以消耗大量的麥秸、玉米稈、雜草、樹枝等廢物，而消除這些的傳統方式是焚燒，是構成我國霧霾天氣的重要因素。近年來我國各地嚴禁焚燒農業秸稈，而要消除這些有機廢物，生物碳化是一種很好的形式。

出于生態保護和資源利用的考慮，國外已經開展了實質性的研究和應用。相對而言，作為一個傳統的農業大國，在這一方面還存在很多缺陷。積極開展生物炭的研究，對我國水土流失、土壤退化、環境保護等有重要的意義。

1.2 生物炭特征

我國對生物炭技術的應用很早，傳統的制造方法是將木質材料在密封的環境下進行高溫處理，實現高溫干餾反應，將生物質材料中的可燃氣體消耗殆盡，剩余的固體物質幾乎全部由碳構成。理論上說，生物炭是一種黑炭形式，其有效成分并不是內部的纖維結構，而是在高溫缺氧環境下形成的高度芳香化難熔性固體，在常溫常壓下具有很強的吸附力和穩定性。

生物炭的原料取材非常豐富，包括麥秸、玉米稈、稻草、樹枝等廢棄物，不屬于農業生產中的有效因素。但用于生物炭的制造中卻有很好的表現，生物炭轉化成分可高達60%-70%，剩余部分則保留為無機鹽成分，包括鉀、鈣、鈉等；實驗證明，溫度、壓力和氧含量是控制生物炭成分的主要原因，同時控制反應速度的快慢，也可以獲得不同的產品。

原料是構成生物炭的決定性因素，一般來說，樹木(即木本植物)由于質地堅硬密實，因此碳含量較高，而麥秸、稻稈(草本植物)等則含碳量較低。相對應地，礦物質的含量在兩種類型的原料中恰好相反，草本植物較高，木本植物較低。如果有目的性地生產生物炭，可以從原料方面進行篩選。

2 生物炭對土壤生態系統的影響分析

2.1 生物炭對土壤性質的影響

改良土壤物理性質是生物炭技術的重要研究方向，就目前而言，在世界范圍內都存在大量的土壤退化現象。由于人類過度耕種以及水土流失等問題，土壤中的生物質成分大量流失，導致土地貧瘠、沙化，而加強農作物耕種的需求又導致惡性循環，水分、養分等無法在土壤中積累停留。

生物炭的表面積很大，內部的結構呈現出孔隙或蜂窩狀態，在風化土方、沙土地質和熱帶貧瘠土地范圍內可以發揮很好的水分保持作用。影響生物炭對土壤水分保持的作用，主要來源于生物炭的親水性，而并非生物炭結構的水分保持能力，由此必須強調生物炭和土壤的適應性。我國經常用“黑土地”來形容土壤的肥沃，這是由于生物炭固定了土壤中的大部分有機物，實現了養分的有效囤積，可以更好地對于氮磷鉀等無機鹽肥料進行應用。

實踐證明，有機物在泥土中的作用有緩解土地板結、降低硬度和粘質土壤容重，使土地松軟度提高，可用于耕種的深度增加，能夠更好地維護水分的保持。同時，科學研究證明，黑色或深色土壤可以更好地吸收太陽光的熱輻射，實現土壤保溫的效果。

2.2 生物炭對陽離子交換影響

土壤本身是一種復雜的混合物，也是影響農作物生長的因素之一。生物炭的應用不僅可以有效改善土壤的物理性質，也可以實現土壤化學性質的優化。例如，生物炭的內部孔隙可以提供微生物的有效容納、活動空間，植物根莖在生物炭的包圍下，便于提升陽離子的交換效率。

土壤中陽離子的交換效率反映了養分供應和吸收的交換能力。養分大多以陽離子狀態呈現，如果土壤的吸收(或吸附)能力過強，植物的根須無法快速地吸收并轉化成生長需要的能量，農業生產的效果就大打折扣。而利用生物炭技術之后，碳成分表面結構可以優化正電荷和負電荷的比例、關系和強度，并在微生物的作用下，生物炭表面所攜帶的陰離子會隨著時間的延長而失去交換性；理論的研究是可行的，但在實踐中也存在一些問題，生物炭對土壤陽離子交換的影響受到時間影響較大，即生物炭在土壤中延慢的時間越長，效果就越弱。同時，結合化學原理，陽離子轉換需要中性或酸性環境，因此在堿性土壤中幾乎沒有效果。

2.3 生物炭對土壤養分的影響

生物炭技術的應用，其基礎是針對土壤性質進行改良，從結合農業生產的角度來說，改善土壤中養分的情況更加重要。生物炭可以看作是土壤中腐殖質高度芳香化結構組分的重要源頭，而根據這一特性，保持水分和養分不流失具有明顯的效果。

土壤中的養分構成很復雜，除了常識中的無機鹽成分(氮磷鉀)之外，更重要的是有機養分，包括土壤中的微生物群落。簡單地說，土壤的吸附能力如何，直接決定了這些養分的去留，也是維持土壤生態系統平衡的重要動力。例如，在農田氨揮發的有效阻止上，生物炭由于其良好的吸附力，可以減少肥料的損失。在自然界中，土壤中的有機物來源主要是生物轉化的重復利用，我國傳統農業中的農家肥利用，就是基于這一目的展開的。生物炭技術的應用效率要遠高于單純地有機物融入，換句話說，生物炭可以直接提升土壤中有機碳的含量，避免土壤中過量的氮元素導致的板結和肥力下降。

2.4 生物炭對土壤微生物及病蟲害的影響

微生物在自然界具有巨大的調節作用，土壤是微生物生存的基礎，并在不斷的作用中形成良性循環。科學研究證明，對植物根系發揮良性作用的微生物菌種包括叢枝菌根和外生菌根，有效地提高這兩種微生物菌類的含量，是促進農作物生長的重要策略。

微生物對土壤的改良作用很明顯，如自然界的大量動植物腐殖質分解，主要依賴微生物完成。人工施加的綠肥，本身并不具備直接為植物貢獻養分的作用，也需要微生物的轉化作用，將蛋白質、氨基酸等轉化為可吸收的成分，同時副產品可以改良土壤結構；鑒于微生物種群的有益性，如何提高微生物含量至關重要，換句話說，要為微生物提供生存和繁殖的空間。生物炭技術的應用，對外生菌根的影響提升作用明顯，從20%到200%不等。科學家研究表明，生物炭之所以能夠提高土壤中微生物的繁育度，與內部的孔隙結構有直接關系。對于微生物而言，生物炭的內部孔隙提供了安全的庇護場所，同時也具有吸附氧氣、養分等輔助功能。

同時，生物炭也是土壤中微生物良好的選擇催化劑，結合我國大豆方面的研究，病蟲害增多、真菌比例升高等原因，在生物炭技術的干預下有明顯的改善，尤其在酸性土壤大豆田中，能夠發揮土壤添加劑的抗病性效果，主動繁育病害防御體，減少微生物降解引起的植物病原體生存空間。

2.5 生物炭對土壤環境的影響

近年來我國不斷地嘗試生物炭的應用技術，在針對這一產品的研究中，總結出其具有較高穩定性的化學特點，同時與其他有機結構體相比，在熱穩定性、生物穩定性、物理穩定性方面都更加優秀；基于此，生物炭可以長期在土壤中發揮作用，其土壤環境的適應性極佳，但針對不同的土壤環境所發揮的功效不同。例如，生物炭可以用來治理污染土壤，在一些工業廢水排放、廢渣污染的土地范圍中，利用生物炭表面積和孔隙的優勢，實現對重金屬和有毒物質的吸收，從而實現改良土質的目的。

同時，生物炭技術的應用對改善農作物品質也有很大作用，且對環境本身沒有任何干擾。以無公害蔬菜生產為例，必須將農藥含量控制到國家規定范圍內，但農作物的病蟲害治理中主要依賴化學農藥噴灑。充分利用生物炭技術，可以有效減少農作物根系對農藥成分的吸收，實現綠色性干預；基于這一原理，生物炭對大量農作物都有促產和提質的作用。目前我國農業領域的實驗中包括玉米、水稻、小麥和大豆等糧食作物，都具有一定的增產效果，但差異性很大。玉米和水稻的增產幅度較高，小麥和大豆幅度較低，說明生物炭技術的應用的條件性必須重視。

3 結語

綜上所述，生物炭技術在改良土壤、資源利用和生態保護等方面具有重要作用，是現代農業發展中的重要改良方向。在當前全球范圍內提倡節能減排、低碳發展的背景下，生物炭技術可以大規模減少二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放，將碳成分牢牢鎖定在土壤成分中。但是，盡管生物炭技術具有很好的應用前景，同樣也存在適應性和適量性的問題。并非所有的土壤環境都適合生物炭的應用，如原本就較為肥沃的土壤環境中，過量使用會導致嚴重的負面效應。同時，在生物炭的制造生產過程中會出現一些有毒物質，如果不能夠有效地解決，很可能會造成土壤毒害危機，發揮反效果。總之，在利用生物炭進行土壤生態環境改良的過程中，既要考慮生物炭的適應性，也要考慮土壤的適應性，將改良效果發揮到最優。

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責任編輯：程艷艷

Research Progress of Impacts of Biological Carbon on Soil Ecosystem

LIU Qian, XIE Xiuhong

(College of Landscape Architecture, Changchun University, Changchun 130022, China)

In the narrow sense, biological carbon refers to the solid product formed from biological organic material through pyrolysis in anaerobic (lack of oxygen) environment, which with its high carbon content can be used as the energy, reducing agent and soil improvement material compared to common carbon products, being an effective solution to soil degradation, environment pollution and climate change. Biological carbon plays a significant role in improving soil ecological environment and has a high research value. This article makes a discussion by focusing on the topic and puts forward reasonable opinions and suggestions.

biological carbon; soil ecosystem; soil improvement; research progress

2016-08-12

吉林省教育廳“十二五”科技計劃[吉教科合字2012(259)]

劉騫(1982-)，女，吉林四平人，講師，博士研究生，主要從事生態環境技術方面研究。

Q938.1+3

A

1009-3907(2016)10-0049-04