生物質炭對農田土壤的影響

劉遠+陳光旭

摘 要：生物質炭具有豐富的孔隙結構和表面性能、巨大的比表面積、植物生長所需營養元素、較高的化學穩定性和較強的陽離子交換能力等特點，因而其在土壤改良、污染物吸附、固碳減排、土壤修復等領域具有特別大的應用前景。該文概述了生物質炭的作用及其研究進展，同時指出，目前生物質炭應用技術的研究還處于起步階段，生物質炭的研究工作還有待于深入和加強。

關鍵詞：生物質炭；土壤改良；溫室氣體；農田生態系統

中圖分類號 S141 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）02-03-0009-02

Abstract：Biochar has abundant pore structure and surface properties，large specific surface area，high plant growth nutrient contents，high chemical stability，and strong cation exchange capacity. Thus，biochar has a special wide application prospect on soil improvement，pollution absorption，carbon sequestration and mitigation and soil remediation fields. Although some progress has been made in biochar research，but the application technology research is still in its infancy and has yet to be further and strengthened.

Key words：Biochar；Soil improvement；Green-house gases；Agricultural ecosystem

生物質炭（biochar）是指生物質在限氧或無氧條件下經高溫熱解炭化而形成的固態物質[1]。可用于生產生物質炭的原料包括作物秸稈、樹木枝干、畜禽糞便、城鎮生物質廢棄物等。生物質炭是具有多種功能的生物材料，包含許多促進植物生長的營養成分，在優化土壤品質方面有很好的效果，能夠改善土壤肥力，提高農作物的產量。生物質炭有較高的比表面積且表面存在大量含氧基團，這些基團還有較高的活性，它能固持土壤和污水中的金屬如鎘、銀離子等，凈化農田環境，降低農田毒性，保證農作物的健康成長[2]。此外，施加于土壤中，可以固碳減排，改善人類的生存環境，在未來的農業和環境中具有極大的應用前景。

1 土壤改良劑

早在公元前500a，就有人將黑炭加入土壤中以期改善土壤肥力，加了黑炭的土壤呈現黑色，經檢測碳含量達9%，比周邊土壤高出19倍，與此同時，檢測出N、P的含量比周邊土壤高出2倍，農作物的產量卻提高一倍。通過分析發現，該黑色土壤就是因為添加生物質炭后形成的比較肥沃的土壤，因此根據土壤顏色判斷土壤肥力的方法就衍生出來了[3]。目前已有研究證實生物炭完全可作為一種特殊的肥料加入到土壤中來增加土壤肥力，增加了植物對營養物質的可利用效率，從而一定程度上提高了農產品的產量。生物炭具有多種特殊性質，是種多功能的生物材料，許多專家都在探究其在各個領域中的應用價值。從研究結果可以看出，生物炭在農業及環境保護方面有極大的應用潛力。目前，全球土壤出現了比較嚴重的情況，如酸堿失去了平衡、水土過分流失、土地肥力不斷下降等，因此急需解決以上土壤問題。

生物質炭一般呈堿性，且碳化溫度越高，堿性越強。而生物質炭施入土壤后能夠調節土壤的pH值并提高土壤的鹽基飽和度[4]。生物質炭具有多孔性的結構及較大的表面積，并且其表面富含較多的含氧官能團（-OH，-COOH，C=O等），施入土壤后可顯著提高土壤交換活性，增加離子交換位點，從而提高土壤陽離子交換量（CEC）[5]。而土壤CEC大小影響著土壤中養分離子的遷移、淋溶及土壤無機污染物的生物有效性，從而影響土壤肥力及安全性。同時，生物質炭的施用對土壤水分含量有重要的作用。Novak等利用室內盆栽實驗研究了不同植物源生物質炭對土壤持水量的影響。結果表明，不同生物質炭都顯著增加了土壤持水量，且土壤水分含量與土壤容重顯著相關[6]。因此，生物質炭可用于土壤環境改良的原因可概括為：表面電荷效應、平衡酸堿度、增大比表面積、提高孔隙率、陽性離子（金屬離子）交換能力以及提供養分等。此外，生物炭的作用效果不僅受其本身的影響，土壤自身條件的差異也影響著作用效果，如生物炭的陽性樹脂特性能夠吸附陽離子從而提高土壤的堿性，并且呈現正相關的關系。所以在施用它作為肥料時要考慮到很多的因素，這樣才能保證土壤肥力提升。

2 污染物吸附劑

生物質炭特殊的微孔結構使得它擁有表面積大、性質穩定、和表面活性基團含量多的特點，是一種很好的保護環境的吸附劑。很多調查表明，生物質炭的制作成本低，吸附效率高，能夠吸附多種污染物。和活性炭相比，生物質炭的吸附量小，但是其生產成本要比活性炭小很多，而且除了當吸附劑用外，還能夠利用靜電作用以及化學沉淀去除多種污染物[3]。例如，可以利用生物質炭表面的含氧基團把Pb用Pb5（PO4）3（OH）的方式結合去除，而活性炭因為自身容量問題，對Pb的吸附效果不好。而在現實中，土壤中一般都是多種污染物共存的，所以使用生物質炭作為吸附劑有很大的優勢。

生物炭去除有害有機物的原理為：（1）污染物被生物質炭的空隙結構吸收掉；（2）生物炭擁有較大的比表面積，能夠很好的把有機污染物固定在其表面；（3）在高溫裂解情況下生產的生物炭有很強的極性，對有機物具有更高的親和性；（4）生物炭可以通過增強土壤中微生物的活性，進而提高微生物分解有機污染的能力。因此，我們可以在污染土壤中施用生物質炭，通過其去除有害物質來修復污染土壤。

3 溫室氣體減排固炭

生物質產生并施用于農田土壤的過程是將植物光合作用固定的二氧化碳轉化為穩定的碳并固定于土壤的過程。生物質炭具有較強固碳能力是因為其具有很強的化學和生物學穩定性。生物質炭具有明顯的芳構化結構，施用于土壤中后其較強的疏水性和高的碳氮比使得微生物難以對其利用。除此之外，生物質炭施用于土壤中還能夠顯著降低溫室氣體的排放，特別是降低氧化亞氮的排放。Yanai et al（2007）較早報道了生物質炭施用對氧化亞氮的影響。生物質施用對甲烷排放的影響，不同研究認識并不一致。但生物質炭對限制溫室氣體的存在有著很大的作用。

4 展望

目前研究表明：生物質炭具有豐富的孔隙結構以及較強的化學穩定性和交換陽性離子能力。生物質炭能夠吸附多數污染物，并且還能夠使污染物的有效性以及遷轉力下降；生物質炭的pH值較高，能夠提高酸性土壤的pH值；微生物可在生物質炭中發育、繁衍，從而有利于降低污染物的含量，但同時又可以保護有機物免受生活在其中的微生物分解，使田地系統更加穩定[8-9]。近年來，生物質炭受到國內外專家學者的高度關注，并在土壤改良、緩解氣候變化、土壤肥力增強、重金屬土壤凈化以及土壤修復等領域的研究方面都取得了一定的進展，但對它的研究還停留在表面，更深層次的作用機理有待于更多研究工作者去探究。

參考文獻

[1]Lehmann J，Joseph S.Biochar for Environmental Management：Science and Technology[M].London：Earthscan，2009：1-448.

[2]王萌萌，周啟星.生物炭的土壤環境效應及其機制研究[J].環境化學，2013，32（5）：765-780.

[3]張小凱，何麗芝.生物質炭修復重金屬及有機物污染土壤的研究進展[J].土壤，2013，45（6）：970–977.

[4]Liu X，Zhang A，Ji C，et al. Biochars effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—a meta-analysis of literature data[J].Plant and soil，2013b，373（1-2）：583-594.

[5]Laird D A. The charcoal vision：A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy，permanently sequestering carbon，while improving soil and water quality[J].Agronomy Journal，2008，100：178-181.

[6]Novak J，Busscher W，Watts D，et al. Biochars impact on soil-moisture storage in an ultisol and two aridisols[J].Soil Science，2012，177（5）：310-320.

[7]Yanai Y，Toyota K，Okazaki M. Effect of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments[J].Soil Science and Plant Nutrition，2007，53：181-188.

[8]陳心想，耿增超.生物質炭在農業上的應用[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2013，41（2）：167-174.

[9]黃劍，張慶忠.施用生物炭對農田生態系統影響的研究進展[J].中國農業氣象，2012，33（2）：232-239.

（責編：張長青）