秸稈生物質(zhì)炭改良土壤的可行性探討姬強(qiáng)

馬媛媛

摘? 要：生物質(zhì)炭具有豐富的陽(yáng)離子交換量、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)等理化特性，可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)性狀，提高土壤養(yǎng)分的有效性，有助于農(nóng)業(yè)廢棄資源的無(wú)害化利用。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭;土壤;秸稈;外源碳

中圖分類(lèi)號(hào) S156文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)性狀的重要途徑，但與此同時(shí)，玉米秸稈等的連續(xù)多年直接大量還田，會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境不斷惡化，造成雜草、病蟲(chóng)害多發(fā)的問(wèn)題。生物質(zhì)炭是在少氧或無(wú)氧狀態(tài)下，秸稈等生物質(zhì)在高溫?zé)峤庾饔孟碌漠a(chǎn)物，穩(wěn)定性較高，且含有豐富的芳香族物質(zhì)，可有效促進(jìn)土壤中碳素的長(zhǎng)期固定，從而抑制土壤二氧化碳的釋放[1]。目前，商業(yè)制備的生物質(zhì)炭?jī)r(jià)格往往偏高，限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，而不同材料的生物質(zhì)炭化也造成了其對(duì)土壤質(zhì)量的潛在不確定性。為此，本文圍繞秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)炭化，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)性狀和土壤質(zhì)量的影響進(jìn)行了探討，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物的無(wú)害化資源利用提供理論支持。

1 生物質(zhì)炭在土壤中的穩(wěn)定性

生物質(zhì)炭的理化特性及其對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)繁殖的影響，主要?dú)w因于生物質(zhì)炭的熱解材料性質(zhì)。生物質(zhì)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(zhì)素量越大，其高溫?zé)峤獾玫降纳镔|(zhì)炭成品孔隙結(jié)構(gòu)越豐富、芳香族物質(zhì)含量越高、生物質(zhì)炭的分解礦化率也就越低。在相同的外部環(huán)境條件下，小麥秸稈制成的生物質(zhì)炭礦化速率是喬木材料生物質(zhì)炭的10倍左右。

生物質(zhì)炭的陽(yáng)離子交換量、pH、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積、官能團(tuán)化學(xué)穩(wěn)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(zhì)炭對(duì)微生物群落死亡的促進(jìn)作用就越低。氧碳比（O∶C）作為生物質(zhì)炭穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，隨著熱解溫度的升高，O∶C會(huì)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的生物質(zhì)炭穩(wěn)定性也就越低。生物質(zhì)炭含有一定比例的不穩(wěn)定組分，熱解溫度越低其不穩(wěn)定組分含量越大，從而導(dǎo)致低溫?zé)峤馍镔|(zhì)炭輸入土壤后短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出很高的礦化速率。熱解時(shí)間越長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)炭中不穩(wěn)定組分含量的降低，不利于微生物代謝過(guò)程的進(jìn)行。

生物質(zhì)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(zhì)炭顆粒的礦化速率是大粒徑生物質(zhì)炭顆粒的1.5倍。說(shuō)明生物質(zhì)炭的內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)所蘊(yùn)含的比表面積大小提供著微生物降解的豐富小環(huán)境。

2 生物質(zhì)炭改良土壤的生物學(xué)活性

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

另一方面，生物質(zhì)炭作為土壤碳源的惰性也是相對(duì)的，Atkinson等的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭輸入后微生物代謝產(chǎn)物木質(zhì)素氧化酶、酚酶、過(guò)氧化氫酶等會(huì)降解生物質(zhì)炭中的芳香族結(jié)[4]。一些真菌也可以將生物質(zhì)炭作為C源代謝利用[5]。同時(shí)，菌絲、多糖、菌根的分泌會(huì)促進(jìn)生物質(zhì)炭與土壤顆粒結(jié)合為有機(jī)質(zhì)團(tuán)聚體，并以此為基礎(chǔ)影響土壤微生物的活性。生物質(zhì)炭除了可以作為微生物碳源之外，其多孔性結(jié)構(gòu)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(dòng)物的進(jìn)一步損害。而生物炭的孔徑又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤中最小的有機(jī)物質(zhì)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(jiàn)，當(dāng)評(píng)估生物質(zhì)炭輸入在土壤中的穩(wěn)定性時(shí)，其結(jié)構(gòu)特性對(duì)于土壤微生物的直接與間接作用顯得尤為重要。

3 生物質(zhì)炭改良土壤的作用途徑

生物質(zhì)炭輸入會(huì)從易降解有機(jī)組分的吸附作用、土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）改變、土壤pH的誘導(dǎo)效應(yīng)、土壤呼吸等途徑影響著土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性[6]。生物質(zhì)炭在輸入土壤初期會(huì)產(chǎn)生對(duì)原始土壤有機(jī)質(zhì)礦化的激發(fā)效應(yīng)，這是由于生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)組分的吸附作用會(huì)引起微生物的表面富集繁殖，引起碳素?fù)p失;而在生物質(zhì)炭輸入的后期則表現(xiàn)出對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用的抑制。當(dāng)輸入土壤的生物質(zhì)炭由于自身熱解溫度較高導(dǎo)致比表面積較大時(shí)，土壤中的溶解性有機(jī)組分便會(huì)被吸附進(jìn)生物質(zhì)炭微孔結(jié)構(gòu)中，使得更難被礦化分解，土壤有機(jī)碳的固定作用隨著添加時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)。

土壤CEC調(diào)控著土壤有機(jī)質(zhì)的快速礦化過(guò)程和對(duì)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(chǎn)生于土壤有機(jī)質(zhì)。而生物質(zhì)炭自身的CEC往往高于土壤，使其成為了強(qiáng)吸附媒介，從而調(diào)控土壤中正電荷離子的流動(dòng)與有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程。生物質(zhì)炭輸入后土壤CEC的改變幅度取決于添加生物質(zhì)炭的類(lèi)型與其它實(shí)驗(yàn)條件，通常較高溫度熱解獲得的生物質(zhì)炭添加后土壤原始CEC增幅較高[7]。生物質(zhì)炭表面的負(fù)電荷則對(duì)土壤pH的提升起到了誘導(dǎo)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(zhì)炭可以顯著改善土壤持水性，且改善強(qiáng)度與生物質(zhì)炭熱烈溫度呈正相關(guān)關(guān)系。這主要?dú)w因于較高熱解溫度下生物質(zhì)炭的比表面積與孔隙結(jié)構(gòu)更為豐富。需要注意的是，較高熱解溫度產(chǎn)生的生物質(zhì)炭輸入土壤后也會(huì)產(chǎn)生一些消極的作用，例如更高的鹽含量和其他有害物質(zhì)含量增大對(duì)土壤微生物活性的強(qiáng)抑制作用等等。

4 生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的促進(jìn)作用

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

在半干旱地區(qū)，生物質(zhì)炭輸入相對(duì)傳統(tǒng)種植模式能夠顯著提高作物產(chǎn)量，一方面歸功于土壤速效養(yǎng)分的累積，另一方面歸功于其對(duì)土壤持水性的提升[8]。生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)尤其是微孔結(jié)構(gòu)，可以減少土壤水分的蒸散損失，從而進(jìn)一步被植物根系吸收利用，提高產(chǎn)量。研究表明，生物質(zhì)炭與無(wú)機(jī)肥混施條件下，會(huì)顯著增加作物產(chǎn)量，即使對(duì)一些產(chǎn)量較低的品種。這與生物質(zhì)炭對(duì)土壤速效氮的固定作用有關(guān)，生物質(zhì)炭自身非穩(wěn)態(tài)組分的降解導(dǎo)致氮素微生物量向的轉(zhuǎn)移，以及微小孔徑對(duì)土壤溶液的固定都會(huì)引起其對(duì)氮素的固定，從而影響土壤養(yǎng)分的生物有效性和作物的生長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)炭的適量添加對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)炭由于堿性較強(qiáng)且有微生物害物質(zhì)含量較高等因素，制約著生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前，對(duì)于生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤改良方面的研究因生物質(zhì)炭制備材料與條件的不同而呈現(xiàn)出諸多不確定性，且大部分是在生物質(zhì)炭較低或適中添加量下進(jìn)行論證。因此，較高加量與不同熱解溫度制備生物質(zhì)炭對(duì)土壤改良和作物生長(zhǎng)的影響機(jī)理還缺乏系統(tǒng)研究，而這對(duì)秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化和無(wú)害化利用具有重要指導(dǎo)意義。

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（責(zé)編：張宏民）