生物質炭對土壤碳的增匯減排作用

生物質炭對土壤碳的增匯減排作用

土壤中存在各種化學手術和生物化學手術，土壤中呈現不同的酸性或堿性特征。按照土壤pH的大小可以將酸性土壤分為:酸性土壤(土壤pH介于5.0~6.5之間)和強酸性土壤(土壤pH<5.0)。酸性土壤包括磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、灰化土和燥紅土等。在熱帶、亞熱帶地區(qū),廣泛分布著酸性紅黃壤。由于這些地區(qū)高溫多雨、濕熱同季的特點,土壤的風化和淋溶作用比較強烈,鐵鋁氧化物明顯富積,生物物質循環(huán)非常迅速,土壤鹽基飽和度較低,pH一般在4.5~6.0的范圍,不僅土壤酸度高,而且肥力水平低。酸性土壤在世界范圍內廣泛分布,對這類土壤的酸度進行合理調控,可以更好地發(fā)揮它們在農林業(yè)生產中的重要作用。1土壤氧化和酸性土壤的主要障礙因素1.1土壤分析方法立地條件分析酸化伴隨土壤的風化和成土過程而發(fā)生。在多雨的自然條件下,降水量大大超過蒸發(fā)量,土壤中的淋溶作用非常強烈,使得土壤溶液中的鹽基離子易隨滲濾水向下移動,土壤中的可溶鹽基離子和交換性鹽基離子減少。土壤溶液中的氫離子占據陽離子交換位,土壤的鹽基飽和度下降,氫飽和度增加。由于土壤交換性氫不穩(wěn)定,會主動轉變?yōu)榻粨Q性鋁,導致土壤酸度明顯提高。土壤酸化過程中氫離子主要來源于水、碳酸和有機酸的離解,酸性沉降及生理酸性肥料的施用是加速土壤酸化的人為質子源。土壤層狀鋁硅酸鹽礦物、含鋁氧化物和氫氧化物中含有大量的鋁,土壤酸化加速土壤中含鋁礦物的風化并將大量鋁離子釋放出來。土壤可溶性鋁濃度提高,鋁對植物的毒害增加,導致農作物減產、森林退化。1.2土壤酸度對作物生長發(fā)育的影響植物正常生長發(fā)育有賴于良好的土壤環(huán)境,中性土壤環(huán)境最有利于大多數植物的生長。過酸和過堿的環(huán)境不利于大多數植物的正常生長。酸性土壤中鋁毒和土壤肥力低是限制作物生長的兩個主要障礙因素。隨著土壤酸度增加,土壤溶液中總鋁和有毒形態(tài)鋁的濃度均增加,有毒形態(tài)鋁對植物根系產生傷害,影響作物正常生長。酸性土壤遭受強烈的淋溶作用,土壤中鉀、鈣和鎂等鹽基性養(yǎng)分含量低,酸化還使土壤陽離子交換量(CEC)減小,土壤的保肥能力下降。酸化使紅壤對磷酸鹽的吸附和固定能力增加,導致磷的植物有效性下降。2農業(yè)廢棄物作鋼渣或增加鹽堿基礎施用石灰和石灰石粉是改良土壤酸度的傳統有效方法,石灰能有效中和土壤酸度并提高養(yǎng)分元素鈣含量,一般對pH低于5.5的酸性土壤,施用石灰均可取得明顯的改土和作物增產效果。廉價、易得的工業(yè)副產品也可用于酸性土壤改良,如施用磷酸工業(yè)的廢棄物磷石膏、氨堿法制備純堿過程產生的堿渣及煉鋼過程中產生的鋼渣均能取得一定的改良效果。近期的研究表明,農作物秸稈等農業(yè)廢棄物也可改良土壤酸度[7,8,9,10,11,12,13,14,15],但是這種改良作用取決于作物秸稈的種類及土壤性質。直接用農業(yè)廢棄物改良土壤酸度的一個不足之處是,添加到土壤中的植物物料易被微生物分解。如能將農作物秸稈經過改性和處理制備成性質相對穩(wěn)定的改良劑,則意義重大。3農業(yè)廢棄物作土壤改良劑在厭氧或者絕氧的條件下對生物質材料進行熱解,可以生成CO2、可燃性氣體、揮發(fā)性油類和焦油類物質,還有一種含碳豐富的固體物質,一般稱之為生物質炭。用來制備生物質炭的生物質材料包括各種天然有機物質及其衍生物,如草本類的物質、木材廢棄物、農業(yè)廢棄物、城市固體垃圾、畜禽糞便、水生植物和藻類等。將農業(yè)廢棄物通過熱解過程轉變?yōu)樯镔|炭可以減少農業(yè)廢棄物對環(huán)境的污染,還可以以可再生能源替代不可再生能源。生物質炭通過碳負效應可以近乎永久性地將大氣中的碳固定起來,添加到土壤中的生物質炭不易被微生物分解,被認為是一種對陸地生態(tài)系統中的CO2起到長期的碳匯作用的新方法。因此,近幾年來生物質炭被學術界、企業(yè)和政府部門廣泛關注。將生物質炭用作土壤改良劑,可以對土壤產生很多有益的作用,它可以改善土壤的物理性質、增強土壤的保水能力、促進土壤微生物種群的發(fā)展和增強微生物的活性、減少土壤養(yǎng)分的淋失、促進養(yǎng)分的循環(huán),并且可以增加土壤有機碳的含量,從而促進植物的生長。生物質炭表面帶有負電荷,具有較高的CEC,可以提高土壤對養(yǎng)分離子鈣、鉀、鎂和NH4+等的吸持能力,提高土壤的肥力。生物質炭的另一個重要特征是具有較高的pH,一般呈堿性,因此可以用于酸性土壤的改良。由于生物質炭比較穩(wěn)定,用生物質炭中和土壤酸度可以克服直接施用農作物秸稈存在的不足。4生碳對酸性土壤的改善4.1生物質炭的總堿含量及其對土壤酸度的影響生物質炭具有較高的pH,添加到酸性土壤中可以提高土壤的pH,降低土壤酸度。采用厭氧熱解的方法于350℃下由油菜秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、稻草、稻糠、大豆秸稈、花生秸稈、蠶豆秸稈和綠豆秸稈等常見農作物殘體制備了9種生物質炭,按10g/kg的比例加入到初始pH4.3的紅壤中進行培養(yǎng),發(fā)現所有生物質炭均能不同程度提高土壤的pH,60天培養(yǎng)實驗結束時,油菜秸稈炭、稻草炭、玉米秸稈炭、小麥秸稈炭和稻糠炭分別使紅壤提高了0.66、0.51、0.46、0.42和0.18個pH單位;綠豆秸稈炭、花生秸稈炭、大豆秸稈炭和蠶豆秸稈炭分別使紅壤提高了1.05、0.95、0.89和0.59個pH單位。豆科物料制備的生物質炭對紅壤酸度的改良效果要優(yōu)于非豆科物料制備的生物質炭。用酸堿滴定方法測定了生物質炭的總堿含量,并將不同生物質炭對紅壤改良后的土壤pH分別與生物質炭的pH和生物質炭的總堿含量進行相關分析,結果表明生物質炭改良后的土壤pH和生物質炭的總堿含量呈直線相關,相關系數(R2)為0.95。因此,生物質炭的總堿含量是決定其對土壤酸度中和效果的主要因素,由豆科植物物料制備的生物質炭的總堿含量高于非豆科植物物料制備的生物質炭,這是前者對酸性紅壤改良效果好于后者的主要原因。Yuan等選擇油菜秸稈、玉米秸稈、大豆秸稈和花生秸稈,分別在300℃、500℃和700℃下制備生物質炭,詳細研究了生物質炭中堿性物質的存在形態(tài),闡明了生物質炭改良酸性土壤的機制。結果表明有機官能團和碳酸鹽是生物質炭中堿的主要存在形態(tài)。采用X-射線衍射分析和CO2容量法的測定結果表明,生物質炭中碳酸鹽的總量和結晶態(tài)碳酸鹽的含量均隨其制備溫度的升高而增加,碳酸鹽對生物質炭總堿含量的貢獻也隨制備溫度的升高而增加。制備溫度為300℃、500℃和700℃時,油菜秸稈炭中碳酸鹽對總堿量的貢獻率分別為18%、51%和55%;大豆秸稈炭中碳酸鹽對總堿量的貢獻率分別為18%、41%和42%;花生秸稈炭中碳酸鹽對總堿量的貢獻率分別為9%、37%和43%。紅外光聲光譜的研究結果表明,生物質炭表面含有豐富的含氧官能團,如羧基和酚羥基等,在較高pH下這些官能團以陰離子形態(tài)存在,它們能與酸性土壤中的H+發(fā)生締合反應,中和土壤酸度,有機陰離子是生物質炭中堿的另一種重要形態(tài)。研究還表明,生物質炭表面含氧官能團的數量隨制備溫度的升高而減少,因此,有機陰離子對較低溫度下制備的生物質炭的堿量有重要貢獻。4.2物質炭對酸性土壤交換性鋁的影響鋁毒是酸性土壤限制作物生長的最主要的因素。當土壤溶液中可溶性鋁離子濃度超過一定限度時,就會對作物產生毒害作用。交換性鋁是酸性土壤中的主要活性形態(tài)鋁,向土壤中添加生物質炭顯著降低了土壤交換態(tài)鋁,減少鋁對植物的毒害作用。生物質炭對酸性土壤中交換性鋁的影響主要是通過改變土壤的pH值實現的。隨著土壤pH提高,交換性鋁發(fā)生水解轉化成羥基鋁并部分形成鋁的氫氧化物或氧化物沉淀。生物質炭表面含有豐富的含氧官能團,這些有機官能團能與鋁形成穩(wěn)定的配(鰲)合物,使土壤交換性鋁轉化為活性較低的有機絡合態(tài)鋁。生物質炭含有一定量的鈣、鎂和鉀等鹽基陽離子,當將生物質炭施入土壤中,這些鹽基陽離子與土壤交換性鋁發(fā)生交換反應,使土壤交換性鋁含量減少,交換性鹽基陽離子含量增加,使土壤鹽基性養(yǎng)分含量增加,提高土壤的肥力水平,特別是交換性鈣和鉀增加顯著,因為生物質炭中鈣和鉀含量較高。土壤鈣和鎂含量的增加還能有效緩解鋁對植物的毒害作用,這是因為鈣和鎂能夠與鋁離子競爭植物根表的吸附位,減少根表鋁離子的數量。4.3生物質炭對土壤養(yǎng)分及總體規(guī)劃熱帶和亞熱帶地區(qū)的酸性土壤由于有機質含量和土壤礦物的CEC較低,所以肥力水平低,不利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。熱帶地區(qū)豐富的降雨加劇營養(yǎng)元素的淋失,但熱帶亞馬遜黑土中營養(yǎng)元素的淋失量很低,這使人們認識到生物質炭可以提高熱帶土壤對營養(yǎng)元素的保持能力。近期生物質炭在熱帶地區(qū)土壤上的應用進一步證明,它能增強土壤的肥力,減少土壤養(yǎng)分的淋失。作物秸稈等農業(yè)有機廢棄物中含有一定量的養(yǎng)分元素,有機物料在熱解制備成生物質炭的過程中原物料中的營養(yǎng)元素在生物質炭中得到濃縮和富集,因此生物質炭含有豐富的營養(yǎng)元素,施用生物質炭可以提高土壤的肥力水平。生物質炭中養(yǎng)分的含量與其來源物料中元素的含量呈直線相關,說明物料的化學組成對生物質炭的養(yǎng)分含量有重要影響,因此可以篩選養(yǎng)分含量較高的有機物料制備高效生物質炭改良劑。生物質炭表面含有豐富的含氧官能團如羧基和酚羥基等,在較高pH下這些有機官能團以陰離子形態(tài)存在,使生物質炭表面帶有大量負電荷。研究表明,生物質炭的CEC約為酸性土壤的10~20倍,因此施用生物質炭可以提高熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤的CEC,特別對CEC很低的酸性土壤效果更明顯。施用生物質炭提高土壤CEC是其提高土壤保肥能力的一個重要原因。此外,生物質炭具有較大的表面積和高度的孔隙結構,增強其對養(yǎng)分離子的保持,生物質炭還可增加土壤的保水能力,這也在一定程度上減少了養(yǎng)分的淋失。4.4生物質炭對土壤中銨的吸附和保持能力熱帶和亞熱帶地區(qū)多雨的氣候條件導致土壤氮素容易淋失,添加生物質炭可以增加土壤對氮素的保持能力。在亞馬遜河中部地區(qū)建立了田間試驗小區(qū),研究了木炭對土壤氮素保持能力的影響。將15N標記的(NH4)2SO4(N27.5kg/hm2)施入到土壤中,連續(xù)兩季種植高粱,兩季作物收獲后,添加木炭的土壤中的氮保留量顯著地高于只添加化肥的。生物質炭主要通過以下途徑增加土壤對氮的保持能力:(1)增加土壤對銨根離子的吸附和保持能力,生物質炭表面豐富的含氧官能團、大量的負電荷、多孔結構和巨大的比表面使其對銨有很強的吸附能力,減少氮素損失;(2)土壤對銨吸持能力的增加,降低了土壤硝化反應的速率;(3)生物質炭增加土壤的保水能力,減少硝態(tài)氮的淋失;(4)生物質炭的多孔結構為微生物提供了活動場所,有利于固氮微生物群落的發(fā)展,增強了土壤生物固氮能力。生物質炭增加土壤對氮素的保持能力,提高土壤氮素的有效性,這不僅減少氮的淋失,減少化肥的施用量,同時也減少氮素淋失對水環(huán)境的污染,減少了N2O等溫室氣體的排放。4.5對酸性土壤總磷的提取磷是高度風化的熱帶土壤生產力的一個主要的限制元素。酸性土壤上植物缺磷的直接原因是土壤中磷的生物有效性低。土壤中的磷易被固定,移動性差。酸性土壤中鐵、鋁活性高,容易與磷形成難溶性的鐵磷和鋁磷,甚至有效性更低的閉蓄態(tài)磷。因此,雖然熱帶酸性土壤總磷含量不低,但磷的有效性不高。土壤pH影響鐵、鋁對磷的固定,低pH下磷更容易發(fā)生固定。生物質炭一般呈堿性,能提高土壤的pH值,因此,施用生物質炭可以降低酸性土壤對磷的固定量。生物質炭對鈣、鋁等陽離子的吸附作用也避免了這些陽離子與磷產生沉淀,增加了土壤中可提取態(tài)磷的量。此外,生物質炭本身的磷含量也較高,這些磷可以被作物利用,施用生物質炭可以直接增加土壤磷素水平,提高作物的產量。4.6生物質炭對酸性土壤中硼的影響生物質炭對土壤中微量元素的形態(tài)也有影響,文獻已報道生物質炭對鉬(Mo)和硼(B)的影響。與磷相似,土壤中的鉬主要以鉬酸根形態(tài)存在,酸性條件下鉬酸根易被酸性土壤吸附和固定,因此鉬的有效性也不高,酸性土壤上的許多作物易出現缺鉬癥狀。施用生物質炭提高了酸性土壤的pH,增加了鉬的有效性,酸性土壤中硼也有類似現象[39,42,49,50,53,59]。生物質炭本身含有一定量的鉬和硼,可以提高土壤有效態(tài)鉬和硼的水平,如添加生物質炭增加了菜豆的生物固氮能力,主要原因就是施入生物質炭提高了土壤中硼和鉬的有效性和可利用性。4.7木馬在作物產量、農業(yè)生產上的作用土壤中添加生物質炭可以促進植物的生長,并能顯著提高作物的產量。根據施入的生物質炭種類和數量的不同,作物的增產幅度在20%~220%之間。對哥倫比亞一塊高度風化的土壤進行為期4年(2003—2006年)的實驗,考察了木炭對玉米產量和養(yǎng)分的影響。施入水平為20t/hm2的小區(qū),玉米產量在2004年、2005年和2006年分別比不施木炭的對照增加了28%、30%和140%。木炭中有效性鈣和鎂的含量較高,施用木炭使土壤有效態(tài)鈣和鎂的含量提高了77%~320%,這是促進玉米增產的主要原因。另一項研究表明,作物吸收磷、鉀、鈣、鋅和銅的量隨木炭加入水平的提高而增加。將有機肥和木炭一起施入到熱帶地區(qū)高度風化的酸性土壤中可以增加作物根際的養(yǎng)分濃度,減少養(yǎng)分的淋失,提高作物的產量。甜椒和西紅柿無土栽培實驗中,加入1%~5%的木炭可以促進甜椒的生長、增加甜椒的生物量,同時還增加了甜椒根系的微生物群落的數量。木炭促進植物生長的主要原因為:(1)木炭改變了植物根系周圍的微生物群落,促進了有利于植物根系生長的菌群的發(fā)展;(2)木炭所含的化學物質,在低劑量的條件下能促進植物的生