鹽生植物生物炭改良鹽堿地前景探討

李俊哲 徐澤 劉昱彤 遲旭 穆婉瑩 王佳楠

摘要：我國具有豐富的鹽生植物資源，鹽生植物對鹽堿地具有改良和修復(fù)作用。大部分鹽生植物由于鹽分過高不宜直接還田，因此將其制成生物炭并進(jìn)行一定的改性、脫鹽處理可實(shí)現(xiàn)鹽生植物的回收再利用。本文對鹽生植物制取生物炭的原理、過程、意義及其前景進(jìn)行了綜述，為后續(xù)鹽生植物制取生物炭改良鹽堿地的研究與利用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物炭;鹽堿土;鹽生植物

中圖分類號(hào)：X171.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-672X（2021）01-0093-04

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.015

Prospects of improving saline alkali land with halophyte biochar

Li Junzhe， Xu Ze， Liu Yutong，Chi Xu，Mu Wanying，Wang Jia'nan

（Nankai University Binhai College，Tianjin 300270，China）

Abstract：China is rich in halophyte resources.Halophytes can improve and repair saline alkali soil.Most halophytes are not suitable to be returned to the field directly because of the high salinity.After modification and desalination of halophytes， the halophyte biochar can be recycled.In this paper， the principle， process， significance and Prospect of halophyte biochar are discussed.This study provided the basis for the further research and utilization of halophyte biochar.

Key words：Biochar;Saline-alkali soil; Halophytes

背景

鹽堿地是我國廣泛分布的土壤類型之一，其所占土地總面積達(dá)3.6×105km2，占全國可利用土地面積的4.88%，并且每年約有10×104km2土地因鹽堿化而廢棄[1]。合理利用鹽堿地資源并對鹽堿地進(jìn)行充分的改良和維護(hù)可以充分促進(jìn)鹽堿地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展。據(jù)研究，在鹽堿地上種植鹽生植物可以改良鹽堿地并提高土壤肥力。根據(jù)趙可夫的調(diào)查研究，我國約有600種鹽生植物的存在[2]。鹽生植物在改良鹽堿地后植物體內(nèi)鹽分含量將會(huì)升高，如果直接還田會(huì)導(dǎo)致土壤鹽分的增加。為了實(shí)現(xiàn)廢棄物循環(huán)利用，將此類鹽生植物經(jīng)脫鹽處理后制取生物炭，可實(shí)現(xiàn)鹽生植物的還田再利用。生物炭對土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)和土壤作物生長都有著一定的改良效果，研究表明生物炭對鹽堿地也有著一定的改良效果[3]。因此將鹽生植物脫鹽處理并制取生物炭對鹽堿地改良和鹽生植物充分利用及固體廢棄物處理上均具有重要意義。

1? ? 鹽生植物制取生物炭的原理

全球的鹽生植物共有約1500余種，其中在中國已發(fā)現(xiàn)共有超過500種[4]。此類植物可以定義為在高含鹽量的生境中能生長并完成其生活史的植物[5]，通過吸收鹽堿土壤中的鹽分使得鹽堿土被改良，并且此類植物體內(nèi)的鹽分含量隨著植物生長年限的不斷增長而增多。利用此類鹽生植物制取生物炭一方面是對此類植物的良好利用，另一方面“取之于鹽堿、用之于鹽堿”的模式對循環(huán)生態(tài)的發(fā)展有著重要的利用價(jià)值。

生物炭是由有機(jī)物在缺氧的條件下燃燒制備而成的，具有較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的物質(zhì)。不同原料制備的生物炭其原料自身元素的含量、種類不同，受溫度、pH 值等的影響，生物炭中的元素含量也會(huì)有所變化。生物炭的pH通常呈堿性，但由于裂解溫度對pH的影響也可有酸性生物炭。本技術(shù)所用到的生物炭pH需要為酸性。其可利用于農(nóng)田，在增加土壤養(yǎng)分、減少溫室氣體的排放和減少化學(xué)肥料的使用方面有重要的作用。在改良土壤的理化性質(zhì)方面，它有調(diào)節(jié)土壤的pH值、緩解土壤的鹽堿化、增加土壤的持水能力、改善土壤的重金屬污染等作用[6]。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，而鹽生植物制取的生物炭的酸堿性，與制取生物炭的熱裂解溫度和鹽生植物的種類有關(guān)。生物炭pH值范圍在5～12（平均為9.15）[7]，通過生物炭酸化處理的研究實(shí)例，豬毛菜在300℃的條件下制取生物炭時(shí)，酸性基團(tuán)含量比原材料提升了39%[3]。當(dāng)然，除了熱裂解使酸性基團(tuán)產(chǎn)生變化外，還可以在生物炭制取過程中添加硝酸等多種酸性物質(zhì)使生物炭進(jìn)行酸化[8]。目前已有團(tuán)隊(duì)通過對動(dòng)物糞便或生長自鹽堿地的花生殼進(jìn)行炭化和酸化處理得到酸性生物炭[8，9]。

大多數(shù)種類的生物炭表面帶有負(fù)電荷，它的陽離子交換容量要高于陰離子交換容量，因此這樣的生物炭吸附能力較弱。為了提高其吸附能力，通常會(huì)對生物炭進(jìn)行改性。陳友媛將鹽生植物滸苔[10]經(jīng)過簡單地粉碎處理后加熱至400℃，冷卻后得到原始的生物炭，對其使用H3PO4溶液進(jìn)行改性，制成改性生物炭，可有效降低土壤堿性并吸附土壤中Na+，從而降低土壤鹽堿度。李三姍將蘆葦洗凈晾干后粉碎加熱至700℃使其熱解，用濃鹽酸改性[11]，也制成了同樣的改性生物炭。生物炭一方面可以增加土壤的肥力，減少空氣中碳含量;另一方面，生物炭對于不同種類的土壤效用不同。此外，生物炭作為隔鹽層在鹽堿土淋洗改良中的作用效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的礫石隔鹽層，因此，鹽生植物制取生物炭還可以應(yīng)用在作為土壤隔鹽層對鹽堿地進(jìn)行改良[12]。同時(shí)鹽堿植物制成的生物炭施用對鹽堿土的速效養(yǎng)分和酶活性都具有積極地影響效果，因此這方面的研究對鹽堿地的改良也具有十分重要的意義[13]。

2? ? 鹽生植物制取生物炭的原料和操作

生物炭的制備原料很多，秸稈、果殼、果皮等都可以制成生物炭，但目前利用鹽生植物制取生物炭的研究相對較少。本著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則，采用鹽生植物進(jìn)行生物炭制備并直接還田，具有節(jié)能、高效、降低經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)點(diǎn)。由于鹽生植物耐鹽、稀鹽、泌鹽等特性，導(dǎo)致鹽生植物體內(nèi)含鹽量較高，因此在生物炭制備過程中的脫鹽和改性處理技術(shù)至關(guān)重要。

目前鹽生植物制取生物炭主要依靠的技術(shù)是熱裂解技術(shù)，通過不同的裂解溫度，使其中所含有的酸堿基團(tuán)的含量有所變化，使鹽生植物在制取生物炭的過程中保證其pH達(dá)到可起到改良鹽堿地效果的酸性。鄭浩的研究表明，采用慢速熱解法可保證在產(chǎn)量較大的條件下制備出適用于鹽堿地的生物炭。以鹽堿地生長的花生殼為例，可使用350℃熱解2h，這樣既可以確保其熱解時(shí)間充分，也可以保證其產(chǎn)量較大，并保留了其中的大部分養(yǎng)分。之后可使用酸性物質(zhì)（如硝酸等）對制備生物炭進(jìn)行轉(zhuǎn)型，并通過純凈水對pH進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終確保制備出的生物炭符合改良鹽堿地的基本特征[14]。

3? ? 鹽生植物制取生物炭的效果和影響

3.1? ? 對土壤成分的影響

生物炭對鹽堿土理化性質(zhì)的改良主要體現(xiàn)在對土壤容重、水分、孔隙、土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分等方面的影響，同時(shí)具有固碳、保肥、儲(chǔ)存養(yǎng)分、促進(jìn)種子的萌發(fā)和幫助植物生長發(fā)育、提高植物出苗率和促進(jìn)幼苗生長等作用[15]。生物炭的多孔特性和低密性可增加土壤孔隙度，在一定程度上可改善土壤通氣性能[16]。其還可以降低土壤容重，提高土壤的持水能力和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的數(shù)量[17]，降低土壤板結(jié)程度，提高土壤養(yǎng)分含量，降低土壤鹽堿度[18]。生物炭還含有大量植物所需的營養(yǎng)元素及中、微量元素，為植物生長發(fā)育提供了養(yǎng)分，因此在提高土壤保肥性能方面具有很大優(yōu)勢。另外生物炭的結(jié)構(gòu)便于與重金屬離子結(jié)合，可有效去除土壤中所含有的重金屬元素[19]。

生物炭改善植物礦物營養(yǎng)的同時(shí)，還可改善鹽堿土地的微環(huán)境。其多孔結(jié)構(gòu)可以為微生物提供良好的棲息地和繁殖條件，提高土壤中的生物酶活性，同時(shí)生物炭中所含的多種元素也為微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)，提高了土壤微生物的數(shù)量、豐富度和群落結(jié)構(gòu)[20]。

3.2? ? 對環(huán)境的影響

將耐鹽植物和廢棄物進(jìn)行炭化制備生物炭不僅產(chǎn)出率高、效果明顯，還可有效提高農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用。有研究表明，生物炭還田可減少溫室氣體的排放，添加量較低時(shí)抑制土壤水分蒸發(fā)，降低土壤表面反鹽度，提高洗鹽效果，縮短鹽分洗脫時(shí)間[3]。生物炭與腐菌劑配合施用可降低鹽堿土的水溶性鹽含量，與環(huán)保酵素配合施用可大幅度提高土壤脫鹽脫堿能力，降低土壤鹽堿化，提高土壤肥力[21]。生物炭與黃腐酸混合施用可加速土壤自然板結(jié)退化，抑制鹽分積累，對鹽堿土的耕地化改良很有利。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，生物炭與化肥按一定比例制成生物炭基肥，能較好地控制化肥施用量，提高作物產(chǎn)量，改善生長環(huán)境，對土壤起到保護(hù)作用，達(dá)到改良土壤的效果。

3.3? ? 對循環(huán)經(jīng)濟(jì)的影響

鹽生植物制取生物炭提高了鹽堿植物和為改良鹽堿地而栽種的最終被廢棄的植物資源的利用率，減少了由于鹽生植物在改良鹽堿地后浪費(fèi)、處理不當(dāng)所帶來次生環(huán)境問題或回收方面的困難，是一種對環(huán)境友好的鹽堿地改良技術(shù)，同時(shí)也符合循環(huán)農(nóng)業(yè)取之于地，用之于地的標(biāo)準(zhǔn)。

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收稿日期：2020-10-06

基金項(xiàng)目：2020年大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202013663052。

作者簡介：李俊哲（2000-），男，漢族，本科在讀;徐澤（1979-），男，漢族，副教授。

通訊作者：王佳楠（1981-），女，漢族，高級實(shí)驗(yàn)師。