生物質炭改良土壤研究進展

江秋菊　劉京　張躍強

摘要：綜述了生物質炭的生產原料和基本性質，分析了生物質炭對改善土壤理化性質的作用、改善土壤微生物環境的作用、土壤重金屬和有機污染的修復作用等原理及應用，并對其在土壤改良中的應用進行了展望。

關鍵詞：生物質炭；土壤性質；改良效果

中圖分類號：X142 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）06-0068-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.023

Research Progress on Improvement Soil by Biochar

JIANG Qiuju 1， LIU Jing 2， ZHANG Yueqiang 3

（1. Zunyi Vocational and Technical College， Zunyi Guizhou 563000， China； 2. Zunyi Tobacco Corportion of Guizhou province， Zunyi Guizhou 563000， China； 3. College of Resources and Environment， Southwest University， Beibei Chongqing 400716， China）

Abstract：This review summarized the research progress on the raw materials of production and basic properties of biomass carbon， analyzed to improve soil physical and chemical properties， improve soil environment effect， soil heavy metals and organic pollution remediation action principle and application of biomass carbon. It has great potential for soil improvement， while large-scale applications for soil improvement need further research.

Key words：Biochar；Soil properties；Improvement effect

生物質炭是指木材、秸稈和果殼等生物有機材料（生物質）在低氧甚至低氧環境下經過高溫裂解碳化后的固體產物。生物質炭有較高pH，較高吸附能力和一定養分等性質[1 ]。近年來，生物質炭改良土壤，在提高土壤肥力的方面的研究越來越受到青睞，且在農業領域有所應用[2 ]。土壤的改良一直是土壤學科研究的重點，生物質炭作為新型土壤改良劑，國內外在生物質炭對土壤改良方面做了大量的研究，也取得一定的進展[3 - 5 ]。生物質炭作為土壤改良劑，可通過顯著改善土壤物理化學性質，增加土壤營養養分含量，從而提高作物的產量。生物質炭由于具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積、極強的吸附性能、呈堿性等特性，施入土壤不僅可以改善土壤微生物多樣性、修復污染土壤，提高土壤肥力，還可改善土壤微生物生態環境，修復土壤重金屬和有機污染，顯著降低重金屬和農藥、除草劑等在植物體內的聚集，消除農業污染，提高作物的品質，改善食品安全等問題。因此，生物質炭作為土壤改良劑的應用已成為近年來在土壤改良方面研究的熱點。盡管如此，目前生物質炭的應用仍有爭議。我們回顧生物質炭在改良土壤方面的研究，并期待以后的應用發展。

1 生物質炭的生產原料和基本性質

制備生物質炭的原料很多，諸如秸稈、糞便、草、木材等[6 ]。不同種類原料生產出的生物質炭性質不同，所有富含碳的有機質物均可被利用制備成生物質炭，但鑒于成本問題，利用廢棄生物質生產生物質炭成為研究者近年的集中研究方向，是廢物資源化的良好途徑。這不僅可形成一種新的能源，變廢為寶，還避免了環境污染。廢棄生物質是指在農林生產過程的廢棄剩余物，如農作物秸稈、木屑、果皮、廢枝、種殼等初級農林生產剩余物，以及甘蔗渣、果渣、菜籽等次級農林剩余物。生物質炭的原料如發酵渣、畜禽糞便、菌菇栽培廢基質等廢棄物資源豐富，用廢棄生物質生產生物質炭不僅有利于獲得生物質炭資源，還有助于解決廢棄生物質的利用和管理，有利于解決廢棄生物質隨意排放、棄置、焚燒等不合理處理方式所引起的環境污染問題。據報道，我國每年生產農田秸稈8億t[7 ]，利用這些有機廢棄物制作的生物質炭含有一定的營養成分，包括鉀、鈉、磷、鈣、鎂等，經過高溫制備后呈現的基本性質包括具有堿性、巨大的比表面積、強大的孔隙結構，有極強的吸附能力。

2 生物質炭改良土壤的原理及應用

2.1 生物質炭對改善土壤理化性質的作用

生物質炭巨大的比表面積、強大的孔隙結構可以改善土壤的物理性質。一般情況下，良好的土壤必須要有良好的通氣功能和持水能力，而生物質炭巨大的比表面積恰好可吸附更多的水分，發達的孔隙結構可使得土壤的孔隙度增加，容重減小，提高土壤的田間持水量[8 ]，所以生物質炭的施入能夠顯著增強土壤的持水通氣能力。生物質炭的多孔結構改善土壤的疏松狀況，因此農田施用生物質炭有助于解決土壤由于長期施用化肥所帶來的板結的問題，可降低土壤容重，增加土壤團粒結構，改善土壤的物理性質，提高土壤的生產能力。

生物質炭呈堿性，施入土壤可以提高土壤的pH。相關研究表明，施用生物質炭堿量與土壤的pH呈直線相關[9 ]，即生物質炭的總堿量決定了土壤的酸度程度。生物質炭還含有豐富的碳酸鹽和有機官能團，它能與酸性土壤中的H+發生締合反應，降低H+濃度，提高土壤pH[10 ]。研究表明，生物質炭有機官能團的數量隨著制備溫度的升高而降低，而碳酸鹽則相反，碳酸鹽對生物質炭的貢獻率隨著制備溫度的升高而升高[11 ]。所以生物質炭可以作為土壤改良劑顯著改良南方的中低產田，特別是肥力低下、pH偏低的土壤。酸性土壤限制作物生長的一個主要因素是交換性鋁過高對作物產生毒害，生物質炭通過提高土壤酸度可以使得土壤交換性鋁顯著降低，從而減輕鋁的毒害作用。

生物質炭的主要元素組成有C、H、O，其中C含量可達65%以上，它具有較高的穩定性，施入土壤可以提高土壤的有機碳含量。研究表明，在草甸黑土上施入不同量的生物質炭后，土壤的有機質含量隨生物質炭的施用量增加而明顯提高。生物質炭不僅改變土壤有機碳含量，還能改變土壤的有機質組成。研究表明[12 ]，在紅壤上殘留的黑炭和胡敏素等相對比較穩定組分會隨著施入生物質炭含量增加而顯著增加，胡敏酸和富里酸等活性較高組分比例在下降。所以學術界認為施用生物質炭提高土壤肥力很重要的原因是土壤的有機質含量得到提高。

生物質炭的原料有機物料中含有養分元素，這些有機物料在制備過程中原有營養元素得到濃縮和富集，所以它本身就含有一定的養分，施入土壤在一定程度上提高了土壤的礦物養分含量。生物質炭經過高溫制備后，其養分含量往往比較低，施入貧瘠土壤上或缺素土壤上可以提高養分有效含量，但是對養分含量豐富土壤或高肥力土壤則效果不佳[13 ]。生物質炭還含有巨大表面積和多孔結構，可以吸附和保持土壤的營養元素，有效增強土壤對氮素的吸附保持能力，從減少氮素隨水的流失，提高土壤中有效氮的含量，減緩氮素對水環境的污染。生物質炭可提高土壤pH，減輕磷的固定量，從而提高土壤的有效磷含量，如周桂玉等發現，施用生物質炭能明顯提高土壤的有效磷、鈣、鎂等[12 ]，生物質炭對土壤微量元素也有影響，施用生物質炭可有效提高土壤硼、鉬等微量元素的含量。

2.2 生物質炭對改善土壤微生物環境的作用

土壤中施用生物質炭，可以為微生物的繁殖和生長提供良好的環境，改變土壤的微生物活性，同時保存了微生物的多樣性，保護有益微生物[14 ]。據報道[15 ]，細菌能夠被生物質炭吸附，可以減少土壤淋洗對它的影響，從而使得土壤中的細菌數量增加。但是一般微生物附著生物質炭有一定的孔徑要求，孔徑大小大約在2～5倍效果最佳，較大或較小的孔徑對其附著力都會減少，而孔徑的大小又與其制備密切相關，所以生物質炭對細菌的附持能力與生物質炭灰分、孔徑等密切相關。研究還發現，添加生物質炭，能夠有效增加叢枝菌根真菌含量。所以，無論是細菌還是真菌，生物質炭在一定程度上能夠改善其生存環境，保護其免受競爭影響。

土壤微生物的生態環境受土壤的理化性質影響，土壤環境的不同都可能導致某些微生物群體迅速繁殖增加，例如土壤水分、pH，營養養分等，都易引起微生物群落的組成變化，如用生物質炭改良亞馬遜黑色土壤，可減少真菌的多樣性，增加土壤細菌多樣性，也改變了其他菌落的組成結構和多樣性。Anderson[16 ]指出，土壤中供植物和微生物利用的碳源有植被中的纖維素，富馬酸、丙酸酯等，而生物質炭的施入可以帶來其它的不穩定炭，包括部分酸類、酯類、醛類和碳氫化合物等，所以這些新產生的碳源可供部分微生物利用，從而影響其生長速度和繁殖數量。

Khodadad 等[17 ]研究了不同生物質炭對微生物群落結構變化的影響，指出在低溫和高溫狀態下制備的生物質炭都會降低土壤整體的微生物多樣性，原因可能是低溫下生物質炭含有豐富的碳，可為微生物提供易利用的碳源；高溫下生物質炭具有豐富的比表面積，為微生物的生存生長提供有利的環境。

2.3 生物質炭對土壤重金屬和有機污染的修復作用

生物質炭作為土壤改良劑，能夠修復受污染的土壤。生物質炭表面豐富的含氧官能團和它的多孔結構能使其對重金屬及其它有機有毒物質具有較強的吸附力，并通過吸附固定作用減少這些有毒物質在土壤中的含量，從而降低它的毒性，修復受到污染的土壤。研究表明，生物質炭對土壤中的銅、汞、鎳、鉻等重金屬都有一定的吸附能力[18 - 20 ]。生物質炭除了能吸附這些有毒物質，還可以通過升高土壤pH來降低重金屬的有效含量，從而降低其污染能力，減輕對植物的傷害[21 ]。也有相關研究表明，針對不同類型的重金屬污染，生物質炭的效果也不盡相同，除了重金屬，生物質炭能夠吸附土壤中的微量元素，對調節土壤的微量元素含量也有一定影響。

生物質炭的巨大比表面積和多孔性質影響土壤中的微生物多樣性，微生物活性被激活，加快了微生物對有機污染物的代謝速度，另外，生物質炭還能夠吸附一定的有機污染物，減少它在土壤中的濃度，減輕它的毒性。生物質炭對有機物質的親和力強，能夠有效去除這些污染物質[22 ]。基于這些原理，生物質炭修復有機污染物的研究已經取得了不少成果。研究表明，施用一定的生物質炭，降低了土壤對農藥的解吸能力，提高了農藥的吸附能力，因此生物質炭施入土壤可以影響農藥在土壤中的持續時間和其降解的速度。生物質炭對有機污染的吸附，可以在很大程度上減少其隨水徑流或滲漏對地表水和地下水的影響，在土壤中加入生物質炭后，降低了土壤水分多環芳烴一半以上的濃度[23 ]，所以在過量農藥污染的土壤上施用生物質炭，可吸附大部分農藥有機物，從而阻止了其遷移對水的污染，有效修復農藥污染土壤。另有研究表明，生物質炭對殺蟲劑的修復能力極強，甚至是土壤修復的2 000倍[24 ]。

生物質炭修復土壤有機物污染的效果與其添加量密切相關。研究表明，在有農藥污染的土壤中添加的生物質炭，土壤對農藥的吸附量與生物質炭添加量、添加時間呈呈正相關，這種對農藥的吸附作用有效降低了農藥的生物利用性和移動性。生物質炭修復土壤的效果直接受有機物老化時間影響，添加生物質炭后，土壤中生物有效性顯著降低，并且這種降低效果隨氯苯老化時間延長而提高[25 ]。

3 展望

越來越多的研究表明，生物質炭對于改善土壤理化性質、提高土壤肥力以及維系土壤生態系統平衡意義重大。但是，目前生物質炭對農田土壤改良利用研究在我國尚處于起步階段，系統解釋生物質炭改良土壤的理論體系還未完全建立，有待深入探討。生物質炭的土壤改良效果受諸多因素影響，而且它的施用是否會對農田生態系統產生負效應都還待進一步觀察，所以它改良土壤效果的不確定性較大。另外，由于生物質炭的改良研究周期太短，有很多試驗結果出現相互矛盾現象。所以生物質炭作為土壤改良劑的合理施用及長期效應還有待研究，而且我國土壤類型眾多，不同類型的土壤施用不同的生物質炭的效果不一，所以，生物質炭對土壤的改良及大規模應用還需要更多的理論研究支撐。

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（本文責編：楊 杰）