生物質(zhì)炭現(xiàn)今的發(fā)展綜述

王玲麗 黃谷城 羅 毅 謝桂花 劉 倩

(江西農(nóng)業(yè)大學 理學院，江西省南昌市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū) 330045)

我國是一個農(nóng)業(yè)型大國，每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，而農(nóng)業(yè)廢棄物來源廣，可再生，是一種寶貴的可再生綠色資源，而對于這些資源的再利用也促使了當今對生物質(zhì)炭的研究和生物質(zhì)炭的發(fā)展。

生物質(zhì)炭的起源：

生物質(zhì)炭的研究早前源于對亞馬遜盆地中部，黑色土壤的認識。2007年第一屆國際生物質(zhì)炭會議在澳大利亞舉辦后，生物質(zhì)炭成為了全球科技工作者關(guān)注的焦點和研究熱點。2009年《Nature》連續(xù)發(fā)表文章指出生物炭在固碳減排、土壤改良和環(huán)境污染治理中的潛在應用前景國際生物炭聯(lián)盟的成立使得國際社會關(guān)于生物質(zhì)炭的研究逐漸，“升溫”并呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢[1]。

生物質(zhì)炭的定義：

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在無氧或者缺氧的條件下經(jīng)過高溫裂解生成的一種富含碳素，具有高度芳香化的多孔固體顆粒物質(zhì)。生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面且表面含有較多的含氧活性基團，是一種多功能材料，可施入土壤以起到固碳減排、提高土壤肥力的作用，也是優(yōu)良的吸附劑和凈化材料。

構(gòu)成生物炭的元素主要有碳、氫、氧，其中碳含量較高，其主要存在于芳環(huán)骨架中使生物炭具有高度的芳香化結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)炭還含有可觀的水溶性物質(zhì)，其含量隨制備溫度而變化[2]。

生物質(zhì)炭的制備：

生物質(zhì)炭的制備方法有兩種，第一種為批式制備，第二種為連續(xù)制備。中國目前多數(shù)采用的是地窖、磚窯等，傳統(tǒng)的堆埋裂解方式，然而這種批式制備的設備構(gòu)造簡單、易于實施、成本也比較低，導致最后結(jié)果產(chǎn)率低、耗能高、沒有熱量回收、生產(chǎn)不能連續(xù)等一系類問題[2]。

然而生物質(zhì)炭在固碳減排、提高化肥利用率和污染土壤修復方面有巨大應用潛力和發(fā)展前景，這使得生物質(zhì)炭技術(shù)在全世界受到了廣泛關(guān)注。

生物質(zhì)炭的老化：

在林慶毅[3]的《關(guān)于生物質(zhì)炭老化后理化性質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的表征》中說到：生物炭老化是一個極性改變和親水性的過程；生物炭經(jīng)過水洗老化后，它的表面比較平整，然而酸化和老化后的生物炭表面比較粗糙且微孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到嚴重破壞。老化生物炭表面的Al2SiO5和SiO2晶體的含量會明顯下降，生物炭在老化過程中含氧官能團增加的同時，其它官能團表面的晶體含量和官能團的數(shù)量會減少。因而，如果外界的環(huán)境改變，會使生物炭發(fā)生老化作用，生物炭在老化的過程中其理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生較大變化，而這些改變將減弱它對土壤pH以及肥水環(huán)境等協(xié)調(diào)能力。

生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)中的應用：

1、生物質(zhì)炭對小白菜生長、硝酸鹽含量及氮素利用率的影響

張登曉等[4]通過實驗的設計和實施，證明了生物質(zhì)炭對于白菜的生長具有促進作用，在培養(yǎng)小白菜時，加入不同量的生物質(zhì)炭對白菜的生長具有促進作用，能夠提高產(chǎn)量，并且產(chǎn)量與生物質(zhì)炭的添加量呈正相關(guān)關(guān)系，而添加生物質(zhì)炭增加了植物的生長量，從而提高了蔬菜的收獲率。生物質(zhì)炭降低了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，銨離子易被吸附進而與生物質(zhì)炭復合而達到緩釋的作用，從而促進植物持續(xù)吸收利用。因此，生物質(zhì)炭通過降低損失、吸持更多氮素而提高了氮素的持續(xù)供應，在增產(chǎn)的同時降低了蔬菜硝酸鹽積累，提高了蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)率。

2、生物質(zhì)炭對土壤氮素循環(huán)的影響及其機理研究

生物質(zhì)炭通過對土壤中氮素物質(zhì)的循環(huán)以及功能對微生物的影響，達到降低土壤中氮素流失的作用。生物質(zhì)炭對氮素物質(zhì)的循環(huán)起著舉足輕重的作用，主要包括以下幾個方面的作用。

(1)生物質(zhì)炭輸入對土壤生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)功能微生物的影響；

(2)系統(tǒng)長期評價生物質(zhì)炭對不同土質(zhì)土壤氮素周轉(zhuǎn)的影響；

(3)生物質(zhì)炭與氮肥的交互作用；

(4)生物質(zhì)炭降解過程與土壤氮素的相互作用；

(5)生物質(zhì)炭-土壤-作物相互作用。

3、生物質(zhì)炭對土壤有機質(zhì)活性的影響

施用生物質(zhì)炭后可以明顯增加土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性，從而提高土壤有機碳的積累。但長期或過量施用生物質(zhì)炭，可能會對土壤有機碳的質(zhì)量產(chǎn)生不好影響，減弱了土壤有機質(zhì)的活性，從而有可能會影響農(nóng)業(yè)土壤的質(zhì)量。施用小麥秸稈可顯著提高土壤微生物量碳和水溶性碳，這說明施用常規(guī)有機肥有利于改善土壤肥力。施用生物質(zhì)炭時，在培養(yǎng)初期可提高土壤微生物量碳，但隨著培養(yǎng)時間的增加，其微生物量碳逐漸下降，最后低于對照土壤。生物質(zhì)炭的施用明顯降低了土壤中水溶性碳。所以土壤不適合長期、高量施用生物質(zhì)炭。

生物質(zhì)炭的發(fā)展：

生物質(zhì)炭的資源廣泛，具有綠色且可持續(xù)發(fā)展的特點。在全球資源日益匱乏、環(huán)境污染問題嚴重的今天，利用廢棄物原料制備生物質(zhì)炭不僅避免了環(huán)境污染問題，還生成新的能源，生物質(zhì)炭可作為一種廢物資源化的手段。當今生物質(zhì)炭的制備與應用，對土壤環(huán)境功能(改善土壤結(jié)構(gòu)和其理化性質(zhì)、提高土壤利用的效率并且增加肥效、實現(xiàn)固碳減排等方面有著積極作用，但目前對生物質(zhì)炭的研究仍然處于初步階段，對生物質(zhì)炭的研究還未成熟，所以應該辯證的看待生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)及其工業(yè)中的應用。

[1]孔絲紡，姚興成，張江勇，姚曉東，曾輝.生物質(zhì)炭的特性及其應用的研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學報，2015，24(04)：716-723.

[2]羅煜，趙立欣，孟海波，向欣，趙小蓉，李貴桐，林啟美.不同溫度下熱裂解芒草生物質(zhì)炭的理化特征分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(13)：208-217.

[3]林慶毅，姜存?zhèn)}，張夢陽.生物炭老化后理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的表征[J].環(huán)境化學，2017，36(10)：2107-2114.

[4]張登曉，周惠民，潘根興，李戀卿，鄭金偉.城市園林廢棄物生物質(zhì)炭對小白菜生長、硝酸鹽含量及氮素利用率的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2014，20(06)：1569-1576.

[5]潘逸凡，楊敏，董達，吳偉祥.生物質(zhì)炭對土壤氮素循環(huán)的影響及其機理研究進展[J].應用生態(tài)學報，2013，24(09)：2666-2673.