生物炭與土壤理化性質(zhì)

生物炭與土壤理化性質(zhì)

0生物炭的概念在巴西的塔努爾湖，生活在該市的人們使用特殊材料。該肥料來自當?shù)?，具有很強的恢復不良土壤肥力的能力。當?shù)厝朔Q之為土壤黑土（thraprota）?，F(xiàn)代研究證明,亞馬遜黑土是由生活在亞馬遜流域的人們于2500a前,甚至6000a以前人為制造而成的,其主要成分是生物炭(biochar)。生物炭并不是一種新材料,只所以最近被學術(shù)界廣泛關(guān)注,源于對全球氣候變化的研究。科學家發(fā)現(xiàn)生物炭具有穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu),在土壤中可存在數(shù)百年,甚至上千年不被降解,具有很強的碳封存作用。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)生物炭具有獨特的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu),施入土壤中還可起到保肥、保水和促進作物產(chǎn)量增長的作用。隨著人類生存面臨能源、環(huán)境和糧食危機的日益加劇,對生物炭的研究成為學術(shù)界的熱點課題之一。由于對生物炭長期的生態(tài)環(huán)境效益還存在不同的觀點,因此僅就生物炭理化性質(zhì)及對土壤的改良作用進行綜述,以促進生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。1生物炭的制備到目前來說,生物炭還沒有統(tǒng)一的定義。生物炭和木炭的生產(chǎn)過程幾乎相同,即生物質(zhì)材料在無氧或缺氧條件下經(jīng)高溫熱解,除去揮發(fā)性的油和氣,剩下的物質(zhì)就是生物炭。用于生產(chǎn)生物炭的基質(zhì)材料非常廣泛,木材、農(nóng)作物廢棄物和動物骨骼,甚至部分城市垃圾都可以作為生物炭的基質(zhì)。2生物炭的基本特征生物炭主要是由無定形碳、芳香族碳和灰分組成。各部分的C含量與熱解溫度和熱解時間有關(guān)。熱解過程主要是生物質(zhì)中的纖維素和半纖維素不斷分解,以及N的不斷熱解。生物質(zhì)在較低溫條件下熱解,只蒸發(fā)出部分物理吸附水、CO2和CO,這時候產(chǎn)生的是無定形的炭;當溫度升高后,生物質(zhì)中組成成分的化學鍵斷裂并重排,同時伴隨著各種揮發(fā)性物質(zhì)和高沸點物質(zhì)的產(chǎn)生,產(chǎn)生難降解的多芳香烴類。灰分是指熱解過程中產(chǎn)生的礦物質(zhì),其所占比例隨著熱解溫度的升高而不斷增加。生物炭含有較高的碳含量(生物質(zhì)中50%的碳仍保存在生物炭中),主要以芳香族碳的形式存在。由于芳香族碳化學穩(wěn)定性強,因此生物炭可以在土壤中存留很長一段時間,這是生物炭具有碳封存作用,減緩溫室效應(yīng)的理論依據(jù)。生物炭的基本特征因生物質(zhì)材料、熱解溫度和熱解時間不同而變化較大。一般來講,以木本植物為基質(zhì)生產(chǎn)的生物炭含碳量較高,而礦質(zhì)養(yǎng)分含量較少;而以廄肥及草本植物生產(chǎn)的生物炭含碳量較少,卻含有較多的礦質(zhì)元素。熱解溫度是決定生物炭基本特征的主要因素,其決定著熱解過程中C的損失。不同溫度處理下的同種材料,得到的生物炭的理化性質(zhì)差異巨大。隨著熱解溫度的升高,生物炭中的C、N總量減少。主要原因是低溫熱解的生物炭中,易分解和易揮發(fā)的成分較多;高溫條件下,這類易揮發(fā)的物質(zhì)損失較大。熱解時間對生物炭的影響和熱解溫度類似,熱解時間越長,生物炭的C含量,灰分、穩(wěn)定性和pH就越大。生物炭的理化性質(zhì)決定其在土壤中的作用。與土壤相比,生物炭具有較高的pH、陽離子交換量和C/N。生物炭一般呈堿性,堿性的大小和生物炭的原材料、熱解時間和溫度有關(guān)。生物質(zhì)中含有的有機酸使的生物質(zhì)pH顯酸性,但在生物炭制備過程中,隨著有機酸的的不斷熱解和灰分的不斷生成而使得生物炭呈堿性,并且pH隨著熱解溫度和熱解時間的提高而升高。一般來說生物炭的pH范圍為8.2~13.0。隨著熱解溫度的升高,生物炭的CEC減小。當熱解溫度達到一千度后,生物炭不再吸收礦質(zhì)元素和極性有機物質(zhì),但卻吸附一些非極性或弱極性的物質(zhì),這主要是與生物炭中的芳香族碳結(jié)構(gòu)有關(guān)。與生物有機質(zhì)相比,生物炭具有較小的CEC。生物炭施入土壤后,表面官能團會被氧化。氧化后的生物炭具有了較高的CEC。生物炭有較高的C/N,生物炭碳含量高,在25.8%~88.0%之間,而總氮量很低,在0.18%~6.0%之間。不同基質(zhì)產(chǎn)生的生物炭的C/N不同,水稻和玉米秸稈生物炭中C/N較低,豆類作物中具有較高的C/N,園林垃圾生物炭的C/N最高。生物炭還具有多孔性結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積。生物炭表面有大小不一的孔隙,小到納米,大到微米。這些微孔決定了生物炭具有較高的比表面積,大約為200m2·g-1~400m2·g-1。3生物碳對土壤的改善3.1生物炭對土壤水分的影響向土壤中施入生物炭可以減小土壤的抗張力強度(tensilestrength)和土壤密度,從而改善土壤質(zhì)量。在施入生物炭50t·hm-2后,土壤的抗張力強度從64.4kpa降為31kpa;施入生物炭達100t·hm-2后,土壤的抗張力強度為18kpa。抗張力強度減小會使種子易發(fā)芽,同時利于根系的伸長生長,促進土壤生物在土壤中的移動。生物炭的密度與土壤相比相差不多,不同的基質(zhì)生產(chǎn)的生物炭的密度大約為1.5g·cm-3~2.1g·cm-3。但由于生物炭多微孔,使得生物炭密度較小,一般在0.08g·cm-3~0.5g·cm-3[22-26],遠遠小于土壤的密度。故此生物炭施入土壤可以降低土壤密度,導致土壤具有更大的孔隙度,保持更多的水分、空氣和養(yǎng)分,進而影響土壤的水含量、根分布(rootingpatterns)和土壤動物群(soilfauna)。土壤含水量是決定作物產(chǎn)量的一個重要因素。亞馬遜黑土土壤與鄰近土壤相比,具有較高的土壤含水量。生物炭通過改良土壤影響土壤水分有效性。實驗證明,生物炭對土壤和作物的水關(guān)系有著積極的影響。Tryon等向貧瘠的沙土和肥沃的土壤中都施入生物炭,結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭對貧瘠沙土具有更好的改善土壤含水量的能力。生物炭對土壤含水量的影響,主要是由生物炭的結(jié)構(gòu)特征決定的。生物炭雖然具有多孔結(jié)構(gòu),但其本身具有疏水性。只有在其表面氧化以后,才能具有吸水和保水性質(zhì)。由于生物炭多孔的物理結(jié)構(gòu),它能改變土壤空隙的大小分配,進而影響土壤的滲透模型、土壤溶液的停留時間及流程。伴隨土壤含水量的提高,土壤根際范圍內(nèi)有更充分的水分,更多的土壤的礦質(zhì)元素處于可溶態(tài),利于礦質(zhì)養(yǎng)分的運動,從而能更好的被作物吸收利用。此外,土壤含水量的提高可以促進有機物的分解和微生物的活性。3.2生物碳對土壤結(jié)構(gòu)的影響3.2.1生物炭對土壤ph的影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中,連年的施入化肥,造成土壤酸化、鹽基離子不斷流失,導致土壤貧瘠,從而影響作物的生長。Zwieten等研究報道指出,施入10t·hm-2生物碳可以顯著增加土壤的pH值。Nocak等研究指出,與低溫生成的生物炭相比,高溫生成的生物炭促進土壤pH升高的效果更好。生物炭之所以能夠提高土壤的pH,主要是因為生物炭中含有較多的鹽基離子,如鉀、鈉、鈣、鎂等,可以通過吸持作用降低土壤的交換性氫離子和交換性鋁離子的水平。土壤的酸堿度是由鹽基離子所支配的,生物炭具有更高的鹽基離子,因此它是比熟石灰更好的改善土壤的改良劑,但是對堿性土壤作用不顯著。生物炭混施N、P、K肥能夠提高土壤鹽基離子的飽和度,從而提高土壤的pH值。3.2.2生物炭對土壤cec的影響土壤陽離子交換量(CEC)是土壤保肥能力、供肥能力和緩沖能力的重要指標,因此常被用作衡量土壤肥力和土壤緩沖能力的重要指標。CEC是土壤緩沖性能的主要來源,是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)。CEC和土壤中的N、P、K有良好的相關(guān)性。巴西亞馬遜黑土中生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的炭黑,其每單位有機碳陽離子的交換量要高于鄰近土壤。生物炭本身具有微孔結(jié)構(gòu)和較強的吸附作用,使其能夠吸附更多的礦物質(zhì)元素。生物炭還能激活部分穩(wěn)定態(tài)元素,使其成為活化態(tài)。因而生物炭能增加土壤的CEC。生物炭對土壤CEC的影響受土壤類型、生物炭種類和生物炭在土壤中存留時間的長短有關(guān)。對于酸性土壤和低CEC的土壤,生物炭具有良好的改良效果,但對石灰性土壤(高的CEC)沒有明顯作用。不同的生物炭對土壤CEC的影響也不同,這主要是和生物炭的基質(zhì)有關(guān)。因為不同生物質(zhì)得到的生物炭不同,含有較高灰分含量和礦質(zhì)含量的生物炭對土壤的CEC改善效果較好。此外,生物炭對土壤CEC改善作用與其和土壤相互作用的時間長短有關(guān)。隨著生物炭在土壤中的作用時間延長,生物炭在生物和非生物的作用下氧化產(chǎn)生諸如羧基等類的官能團,使生物炭的電荷量或CEC增大,從而土壤的CEC顯著增大。因而土壤中生物炭量與土壤CEC呈正相關(guān)關(guān)系。3.2.3生物炭對土壤養(yǎng)分元素的影響土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分,盡管它在土壤中的含量很少,但對維系土壤質(zhì)量、土壤肥力及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著極其重要的作用。雖然生物炭的化學結(jié)構(gòu)不同于土壤腐殖質(zhì),但向土壤中施入生物炭,可以提高土壤有機碳含量,提高土壤的C/N,提高土壤對氮素及其他養(yǎng)分元素吸持容量。生物炭提高土壤有機炭含量水平取決于生物炭的用量與穩(wěn)定性。秸稈、綠肥、堆肥及廄肥施入土壤后,一般5a~10a后所剩不過20%,僅有極少量被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。而生物炭則被證明可以在土壤中存留數(shù)百年,甚至上千年的時間。但需指出的是,生物炭生物炭施入土壤后,主要是因為生物炭具有部分易揮發(fā)物質(zhì)和生物炭初期的表面官能團的氧化。但隨著在土壤中存在時間的延長,表面鈍化后的生物炭與土壤相互作用產(chǎn)生一種保護基質(zhì),增加土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性,提高土壤有機碳的積累。3.2.4生物炭對呼吸和土壤生物量的影響土壤呼吸是指土壤產(chǎn)生CO2的過程,包括土壤微生物呼吸、根呼吸和土壤動物呼吸以及土壤中含碳化合物的礦化作用。土壤呼吸在一定程度上反映了土壤微生物總的活性和土壤肥力的指標。土壤有機質(zhì)含量、pH、溫度、水分以及有效養(yǎng)分含量都能影響土壤呼吸作用強度,而生物炭對土壤的這些特性都有改善作用,因此認為生物炭可以促進土壤的呼吸作用。O’Neill等研究表明,生物炭的應(yīng)用可以促進土壤的C利用和改良土壤結(jié)構(gòu),同時還可以增加土壤的基礎(chǔ)呼吸和呼吸速率。Steiner等發(fā)現(xiàn)向土壤中施入50g·kg-1~150g·kg-1生物炭時,土壤呼吸及土壤生物量與生物炭的施入量呈線性關(guān)系。生物炭的施入可以促進微生物的生長,進而促使土壤中不穩(wěn)定組分的分解。Zimmerman等研究表明,施用生物炭的土壤中C的釋放量比未施用生物炭的多,同時累積碳礦化量隨著生物炭的熱解溫度的降低而升高。他們發(fā)現(xiàn)早期呼吸產(chǎn)生的CO2主要來源于生物炭中易分解的有機碳,而在培養(yǎng)后期,包括呼吸作用的整個C礦化過程都受到生物炭的抑制。稻田由于長期水淹導致土壤處于厭氧狀態(tài),厭氧條件下的碳循環(huán)具有極顯著的溫室氣體甲烷排放。有研究表明,添加碳化稻殼對土壤呼吸沒有影響,但在第一年種植水稻顯著地提高了甲烷的排放量。增加的甲烷排放量只相當于添加生物炭碳含量的0.14%,但如果未處理的稻殼以同樣的有機碳量添加,則在第一年有34%的添加碳被轉(zhuǎn)化為CO2和CH4。生物炭對土壤呼吸產(chǎn)物的釋放也有沖突的報道。Karhu等研究發(fā)現(xiàn),施用和未施用生物炭處理的N2O和CO2的排放量沒有統(tǒng)計學意義上的差異。生物炭可以促進土壤中固氮微生物的數(shù)量,固氮微生物增加可以減少氮的反硝化作用。Feng等研究證明生物炭能夠引起甲烷釋放的增多。生物炭對土壤呼吸產(chǎn)生抑制或促進的作用結(jié)果,是否與土壤類型,還是其他因素有關(guān),還需要進一步研究。3.2.5生物炭對土壤養(yǎng)分的生物吸附作用土壤淋溶是土壤養(yǎng)分流失的一個重要原因。一般來說,土壤淋溶主要是受到兩方面影響。一是降水量和降水集中程度,二是土壤的理化特征。養(yǎng)分淋溶會加快土壤肥力的消耗,致使土壤酸化、有機物的減少和CEC降低,同時還會影響地表水和地下水的質(zhì)量。而富含生物炭的亞馬遜黑土壤與其周邊的土壤比較則含有較高的C、N、K、P、CEC和高的鹽基飽和度。生物炭具有較大的比表面積和較強的吸附作用,對土壤有保肥、保水的作用。生物炭似乎成為解決土壤養(yǎng)分流失的重要措施。不同的溫度生成的生物炭具有不同的特性。低溫生成的生物炭能夠吸收極性物質(zhì);高溫生成的生物炭具有疏水性,能夠吸收非極性物質(zhì)和弱極性物質(zhì)。生物炭表面既可以產(chǎn)生負電荷,也可以生成正電荷。因此生物炭能夠吸收有機質(zhì)吸收的養(yǎng)分,同時還可以吸收有機質(zhì)不吸持的養(yǎng)分?？偟膩碚f,生物炭能夠顯著的減少土壤N(NH4+,NO3-)的淋溶。Laird通過豬糞與生物炭混施試驗發(fā)現(xiàn),20g·kg-1生物炭處理較不施對照全N淋溶量減少11%,可溶性P淋溶量減少69%。此外,生物炭還能夠延長養(yǎng)分的有效期。不同的生物炭基質(zhì)、不同的熱解溫度及時間都會影響生物炭的性質(zhì)和特征,而不同的生物炭對土壤的作用效果因土壤類型而異,因此利用生物炭改良土壤時,要根據(jù)土壤類型的不同選擇最優(yōu)化的生物炭。3.3生物炭對土壤微生物的影響生物炭對土壤中微生物的影響是當今生物炭研究中的一個熱點問題。生物炭對土壤微生物多樣性的影響與生物炭的特征及土壤的基本性質(zhì)有關(guān)。生物炭的異質(zhì)性比較大,不但養(yǎng)分和pH各不相同,而且化學特征和物理特征差異也較大。由于生物炭表面結(jié)構(gòu)的多樣性,無論疏水性物質(zhì)、親水性的物質(zhì),還是酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì),都能被生物炭所吸附。生物炭因其多孔結(jié)構(gòu),成為藻類、細菌、真菌、土壤動物的棲息場所,增加了土壤生物多樣性。一方面,生物炭表面含有部分易解碳源和氮源,有利于微生物活動,這是生物炭初期能夠提高土壤微生物數(shù)量和活性的原因。另一方面,生物炭的空隙具有很大變異性,小到一納米,大到幾十納米,甚至數(shù)十微米。這些空隙能夠儲存水分和養(yǎng)分,成為微生物可棲息生活的微環(huán)境。Kim等采用采用分子生物學技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),亞馬遜黑土土壤比其相鄰的土壤中細菌分類單元(OUT)高出25%之多。菌根真菌是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要部分,在草本植物和作物中普遍存在,具有專一性的特性。菌根真菌種類較多,最常見的分類是外生菌根(AM)(arbuscularmycorrhizae)和內(nèi)生菌根(EM)(ecotomycorrhizae)。生物碳的施加會對菌根真菌產(chǎn)生一種潛在的增效作用,能夠積極地影響土壤質(zhì)量。向土壤中施入生物炭對外生菌根生長有著積極地作用,它能夠促進AM的數(shù)量和活性?；焓┥锾康那疤嵯?能夠促進AM在草本植物根上的定植。生物炭還能夠提高豆科植物固氮菌侵染、結(jié)瘤及固氮量提高。此外,生物炭能夠促進內(nèi)生菌根和作物的協(xié)同作用,促進磷的可利用率。生物炭對土壤微生物的影響是多面的、復雜的。生物炭能夠增加微生物的數(shù)量,而微生物的增加則會引起有機質(zhì)的加速降解。而Zimmerman提出生物炭-土壤間相互作用可以通過吸附有機碳的方式對其保護,進而提高土壤C的儲存。這種機制是什么,需要我們進一步去驗證。3.4生物炭對土壤有機碳的影響生物炭對許多作物生長和產(chǎn)量有促進作用。大部分實驗(>90%)證明,生物炭的施用能夠促進作物的生長和產(chǎn)量。Lehmann和Rondon報道發(fā)現(xiàn),生物炭對作物產(chǎn)量增加可達到20%~220%。眾所周知,土壤礦質(zhì)元素是影響作物產(chǎn)量的主要是因素,特別是N和P。亞馬遜黑土土壤中含有大量的作物生長所必須的基本元素N、P和Ca等。生物炭的制備過程中導致70%~90%的N揮發(fā)。同時高溫激活了部分P,使其轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)。生物炭可以促進土壤中N的固定。施入生物炭的土壤,系統(tǒng)中的N循環(huán)加快,可溶性N提高。然而,可溶性N提高后則會減少N的固定,而可溶性P則會刺激N的固定,但后者的作用大于前者,因此生物炭會促進微生物的固氮作用。此外,生物炭能促進豆科作物的共生固氮菌的活性,但沒有證據(jù)支持對自生固氮的影響。在生物炭中,N含量小,且以有機態(tài)N被植物利用的。生物炭可以增加土壤的C/N,從而影響土壤對N素的吸收。實驗證明,生物炭能夠促進土壤的硝化速度,并通過減少N的淋溶和反硝化作用來減少N的損失。N損失的減少會促進作物對其他元素的吸收,如P、Ca、Zn、Cu。Steiner等、DeLuca等和Asai等研究發(fā)現(xiàn),對于有效P含量低的土壤,生物炭可促使閉蓄態(tài)P轉(zhuǎn)化成有效態(tài)P。P形態(tài)的轉(zhuǎn)換和生物炭具有高的陽離子交換量有關(guān)。生物炭誘使土壤中的Al和Fe氧化并與之結(jié)合,不再束縛P元素,顯著增加了土壤中的有效P含量。生物炭施用量對作物產(chǎn)量影響很大。一般而言,作物產(chǎn)量的增加與生物炭用量成正相關(guān),但也有一些例外,在一些有效養(yǎng)分低、低N含量的土壤中,低含量的生物炭會增加作物的產(chǎn)量,而高含量的生物炭反而不如低生物炭含量對作物產(chǎn)量的影響。4生物炭的使用溫室效應(yīng)是全球所面臨的重要挑戰(zhàn)之一,溫度正在以前所未有的速度升高。生物炭具有的芳香族化合物結(jié)構(gòu),難于被微生物分解,可以使其長期停留在土壤中,因此利用土壤吸收大氣中的碳并以生物炭的形式長期貯存在土壤中是可能的。陸地生態(tài)系統(tǒng)中80%的有機碳儲存在土壤中,因此對于陸地生態(tài)系統(tǒng)可以通過提高土壤碳庫的方式來固碳。目前,各種原因都可能導致大氣中CO2含量的升高,這就使科學家對將土壤發(fā)展為大氣中CO2的碳匯的想法越來越重視。Lehmann等估計,通過各種途徑施用生物炭,到2100年,將會有95億t碳被封存在土壤中。向土壤中施用生物炭,將是長期