秸稈生物質炭改良土壤的可行性探討姬強

馬媛媛

摘? 要：生物質炭具有豐富的陽離子交換量、比表面積、孔隙結構等理化特性，可以有效改善土壤結構性狀，提高土壤養分的有效性，有助于農業廢棄資源的無害化利用。

關鍵詞：生物質炭;土壤;秸稈;外源碳

中圖分類號 S156文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）06-0056-02

Abstract：Biochar has abundant cation exchange capacity，specific surface area，pore structure and other physical and chemical characteristics.Biochar application can effectively improve the soil structure and crop availability of soil nutrients，and contribute to the harmless utilization of agricultural waste resources.

Key words：Biochar;Soil;Straw;Exogenous carbon

秸稈還田是提高土壤有機質含量，改善土壤結構性狀的重要途徑，但與此同時，玉米秸稈等的連續多年直接大量還田，會導致土壤環境不斷惡化，造成雜草、病蟲害多發的問題。生物質炭是在少氧或無氧狀態下，秸稈等生物質在高溫熱解作用下的產物，穩定性較高，且含有豐富的芳香族物質，可有效促進土壤中碳素的長期固定，從而抑制土壤二氧化碳的釋放[1]。目前，商業制備的生物質炭價格往往偏高，限制了其在農業生產中的廣泛應用，而不同材料的生物質炭化也造成了其對土壤質量的潛在不確定性。為此，本文圍繞秸稈等農業廢棄物的生物質炭化，對土壤結構性狀和土壤質量的影響進行了探討，以期為農業廢棄物的無害化資源利用提供理論支持。

1 生物質炭在土壤中的穩定性

生物質炭的理化特性及其對土壤微生物生長繁殖的影響，主要歸因于生物質炭的熱解材料性質。生物質材料的理化性狀間接影響著土壤中微生物的活性，原材料含有的木質素量越大，其高溫熱解得到的生物質炭成品孔隙結構越豐富、芳香族物質含量越高、生物質炭的分解礦化率也就越低。在相同的外部環境條件下，小麥秸稈制成的生物質炭礦化速率是喬木材料生物質炭的10倍左右。

生物質炭的陽離子交換量、pH、孔隙結構、比表面積、官能團化學穩定性等性狀受熱解條件的影響較大[2]。通常情況下，熱解溫度越高則生物質炭對微生物群落死亡的促進作用就越低。氧碳比（O∶C）作為生物質炭穩定性的重要指標，隨著熱解溫度的升高，O∶C會呈現出逐漸降低的趨勢，對應的生物質炭穩定性也就越低。生物質炭含有一定比例的不穩定組分，熱解溫度越低其不穩定組分含量越大，從而導致低溫熱解生物質炭輸入土壤后短時間內呈現出很高的礦化速率。熱解時間越長，也會導致生物質炭中不穩定組分含量的降低，不利于微生物代謝過程的進行。

生物質炭顆粒的粒徑大小制約著其在土壤中的礦化速率。研究表明，即使在兩者比表面積相差不大的情況下，小于0.25mm的生物質炭顆粒的礦化速率是大粒徑生物質炭顆粒的1.5倍。說明生物質炭的內部微孔結構所蘊含的比表面積大小提供著微生物降解的豐富小環境。

2 生物質炭改良土壤的生物學活性

生物質炭作為一種穩定的惰性碳源，雖然其理化性狀較為穩定，使其輸入土壤后無法直接被微生物利用，但并不意味著其是一種生物學惰性物質。生物質炭具有極其豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，可以為微生物的代謝生長提供有力的場所[3]。除此之外，生物質炭結構的孔徑誘發效應、對土壤持水性的增強、容重的改變等諸多因素，都對土壤微生物的繁殖起到了積極作用。

另一方面，生物質炭作為土壤碳源的惰性也是相對的，Atkinson等的研究結果表明，生物質炭輸入后微生物代謝產物木質素氧化酶、酚酶、過氧化氫酶等會降解生物質炭中的芳香族結[4]。一些真菌也可以將生物質炭作為C源代謝利用[5]。同時，菌絲、多糖、菌根的分泌會促進生物質炭與土壤顆粒結合為有機質團聚體，并以此為基礎影響土壤微生物的活性。生物質炭除了可以作為微生物碳源之外，其多孔性結構可以有效降低土壤水分的流失，避免土壤微生物被掠奪性動物的進一步損害。而生物炭的孔徑又遠遠小于土壤中最小的有機物質孔徑大小，其大量裂隙可以使得真菌快速滲透繁殖。由此可見，當評估生物質炭輸入在土壤中的穩定性時，其結構特性對于土壤微生物的直接與間接作用顯得尤為重要。

3 生物質炭改良土壤的作用途徑

生物質炭輸入會從易降解有機組分的吸附作用、土壤陽離子交換量（CEC）改變、土壤pH的誘導效應、土壤呼吸等途徑影響著土壤有機碳庫的穩定性[6]。生物質炭在輸入土壤初期會產生對原始土壤有機質礦化的激發效應，這是由于生物質炭對土壤有機組分的吸附作用會引起微生物的表面富集繁殖，引起碳素損失;而在生物質炭輸入的后期則表現出對土壤有機質礦化作用的抑制。當輸入土壤的生物質炭由于自身熱解溫度較高導致比表面積較大時，土壤中的溶解性有機組分便會被吸附進生物質炭微孔結構中，使得更難被礦化分解，土壤有機碳的固定作用隨著添加時間的增長而增強。

土壤CEC調控著土壤有機質的快速礦化過程和對一些組分的吸附作用。在粘粒含量較高的土壤中，1/3的CEC產生于土壤有機質。而生物質炭自身的CEC往往高于土壤，使其成為了強吸附媒介，從而調控土壤中正電荷離子的流動與有機質的礦化過程。生物質炭輸入后土壤CEC的改變幅度取決于添加生物質炭的類型與其它實驗條件，通常較高溫度熱解獲得的生物質炭添加后土壤原始CEC增幅較高[7]。生物質炭表面的負電荷則對土壤pH的提升起到了誘導作用，有助于茶園等酸性土壤中微生物活性的改善。除此之外，生物質炭可以顯著改善土壤持水性，且改善強度與生物質炭熱烈溫度呈正相關關系。這主要歸因于較高熱解溫度下生物質炭的比表面積與孔隙結構更為豐富。需要注意的是，較高熱解溫度產生的生物質炭輸入土壤后也會產生一些消極的作用，例如更高的鹽含量和其他有害物質含量增大對土壤微生物活性的強抑制作用等等。

4 生物質炭對作物生長及產量的促進作用

作物的生長情況是生物質炭改良土壤效果的重要衡量指標。生物質炭輸入土壤后對真菌等微生物生長繁殖的刺激作用，是其添加后短期效應（激發或抑制）的重要途徑。除此之外，生物質炭表面具有豐富的有機碳官能團，與土壤微生物之間的交互作用，有利于土壤中速效養分與有機碳的累積，從而為農作物的生長提供有益環境。

在半干旱地區，生物質炭輸入相對傳統種植模式能夠顯著提高作物產量，一方面歸功于土壤速效養分的累積，另一方面歸功于其對土壤持水性的提升[8]。生物質炭豐富的孔隙結構尤其是微孔結構，可以減少土壤水分的蒸散損失，從而進一步被植物根系吸收利用，提高產量。研究表明，生物質炭與無機肥混施條件下，會顯著增加作物產量，即使對一些產量較低的品種。這與生物質炭對土壤速效氮的固定作用有關，生物質炭自身非穩態組分的降解導致氮素微生物量向的轉移，以及微小孔徑對土壤溶液的固定都會引起其對氮素的固定，從而影響土壤養分的生物有效性和作物的生長。

5 結語

生物質炭的適量添加對于土壤結構與其他理化性狀的改良具有積極的意義，然而在較高熱解溫度下制備的生物質炭由于堿性較強且有微生物害物質含量較高等因素，制約著生物質炭在農業生產中的應用。目前，對于生物質炭添加對土壤改良方面的研究因生物質炭制備材料與條件的不同而呈現出諸多不確定性，且大部分是在生物質炭較低或適中添加量下進行論證。因此，較高加量與不同熱解溫度制備生物質炭對土壤改良和作物生長的影響機理還缺乏系統研究，而這對秸稈等農業廢棄物的資源化和無害化利用具有重要指導意義。

參考文獻

[1]邰繼承，范富，薩如拉.秸稈生物質炭農業領域應用研究進展[J].內蒙古民族大學學報（自然科學版），2018，33（6）：514-518.

[2]劉哲.生物質炭對土壤理化性質及結構特性的影響[J].綠色科技，2018（12）：21-22.

[3]張利亞，王留成，李心雨，等.小麥秸稈低溫熱解制備生物質炭的性能研究[J].磷肥與復肥，2018，33（6）：24-27.

[4]Atkinson C J，Fitzgerald J D，Hipps N A.Potential mechanisms for achieving agricultural bene?ts from biochar application to temperate soils：a review[J].Plant and Soil，2010，337：1-18.

[5]Wengel M，Kothe E，Schmidt C M，Heide K，Gleixner G.Degradation of organic matter from black shales and charcoal by the wood-rotting fungus Schizophyllum commune and release of DOC and heavy metals in the aqueous phase[J].Science of the Total Environment，2006，367：383-393.

[6]王春芳，張文豪，張琨琨，等.生物質炭在農業生產中應用的研究進展[J].現代農業科技，2018（13）：174-175.

[7]董心亮，林啟美.生物質炭對土壤物理性質影響的研究進展[J].中國生態農業學報，2018，26（12）：1846-1854.

[8]劉小寧，蔡立群，黃益宗，等.生物質炭對旱作農田土壤持水特性的影響[J].水土保持學報，2017（4）：112-117.

（責編：張宏民）