生物炭對(duì)土壤肥力提升影響的研究進(jìn)展

劉金霞

(海南省農(nóng)民科技教育培訓(xùn)中心，海南 ?？?571100)

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是機(jī)械化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，極大地提升了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，但由于無(wú)規(guī)劃的大量使用農(nóng)藥和化肥，致使可耕種土地的土壤結(jié)構(gòu)、成分發(fā)生了顯著變化，很多區(qū)域土壤肥力下降嚴(yán)重，耕種的農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)遠(yuǎn)不如從前。為了改善此類(lèi)問(wèn)題，不斷提升農(nóng)業(yè)科技水平，土壤改良劑作為生態(tài)型肥料逐漸被有效應(yīng)用，可以有效改善土壤污染問(wèn)題嚴(yán)重和肥料降解能力差的問(wèn)題。生物炭作為一種代表性的生物肥料，有助于改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分含量，在滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)需要的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)秸稈材料的有效回收利用，降低農(nóng)業(yè)用地負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)同步落實(shí)。

1 生物炭概念和理化性質(zhì)

生物炭是在含氧量較低環(huán)境下對(duì)有機(jī)化合物低溫處理，裂變反應(yīng)后形成的固體生物炭，可以實(shí)現(xiàn)廢棄的生物能源有效開(kāi)發(fā)和利用，改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境，提升土壤養(yǎng)分含量。就生物炭構(gòu)成成分來(lái)看，有大量的碳物質(zhì)，在增強(qiáng)離子交換力和碳元素吸附能力方面效果顯著[1]。

生物炭構(gòu)成元素細(xì)化有碳、氫、氧、Mg、Ca、K、P、N等，其來(lái)源較為廣泛，包括竹炭、木炭、稻殼炭、秸稈炭和松木屑碳等，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，是羧基及衍生物、纖維素、苯酚、呋喃、烯屬烴類(lèi)衍生物等含碳物質(zhì)的整合體，構(gòu)成成分較為復(fù)雜。從本質(zhì)上講，影響生物炭結(jié)構(gòu)的因素有多種，如熱解溫度能直接影響生物炭結(jié)構(gòu)比表面積及極性官能團(tuán)，隨著溫度升高，比表面積也將隨之?dāng)U大。有學(xué)者[2]用紅外光譜檢測(cè)生物炭，發(fā)現(xiàn)其中包含羧基、酚羥基、羥基等，還有吡喃酮、內(nèi)酯和羰基等基團(tuán)，攜帶負(fù)荷，因此賦予了生物炭較強(qiáng)的吸附性。在生物炭的理化性質(zhì)研究中，采用熱解-氣質(zhì)-質(zhì)譜方法來(lái)分析崩積土中的木炭，發(fā)現(xiàn)其中主要是芳香化合物，還有少部分的含氮化合物和脂肪族物質(zhì)[3]，由于生物炭芳香化合物結(jié)構(gòu)的存在，相較于其他有機(jī)碳而言，具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)性，可以長(zhǎng)期保存，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)耕地土壤改良中可以顯著改善土壤肥力。

2 生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

生物炭作為一種外源有機(jī)質(zhì)，對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)變化有著顯著的影響。秸稈作為一種常見(jiàn)的農(nóng)作物副產(chǎn)品，傳統(tǒng)的處理方式通常是焚燒，但是此種方式對(duì)環(huán)境污染較大，因此在可持續(xù)發(fā)展背景下，國(guó)家大力提倡秸稈還田，將其處理后作為養(yǎng)分來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)于提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用。結(jié)合相關(guān)研究成果可以了解到，生物炭能有效減少土壤的容重，促使土壤中陽(yáng)性離子交換量提高，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)改良的作用[2]。文曼等[4]研究生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)離心機(jī)法進(jìn)行測(cè)定生物炭不同粒徑下對(duì)于土壤收縮性的影響，研究結(jié)果表明，壓力同等情況下，隨著生物炭含量增加，土壤比容積也將隨之增加，合理化運(yùn)用生物炭有助于減少土壤收縮程度，實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)改良優(yōu)化。生物炭本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且有一定的惰性。通過(guò)對(duì)生物碳與腐殖質(zhì)關(guān)系的分析歸納，有助于了解二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。生物炭因其烷基團(tuán)和芳環(huán)分布非常緊密，生物炭應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致土壤水溶性物質(zhì)富里酸分子結(jié)構(gòu)變化更加復(fù)雜，分子量擴(kuò)大，并且有助于促使芳香化結(jié)構(gòu)程度得到顯著提升[5]。由于生物炭的烷基結(jié)構(gòu)和芳香環(huán)堆積十分緊密，表面有機(jī)結(jié)構(gòu)通過(guò)力的作用可以促使土壤團(tuán)聚體形成，減少后期土壤分解微生物的可能性。

3 生物炭對(duì)土壤肥力的影響

3.1 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分離子的影響

關(guān)于土壤生物質(zhì)炭在土壤肥力變化影響研究方面，如巴西亞馬遜河流因早期人類(lèi)開(kāi)墾造田，形成了大面積的肥沃黑土，土壤中含大量的生物質(zhì)碳素，在此區(qū)域種植農(nóng)作物，其產(chǎn)量遠(yuǎn)超其他土壤[6]。越來(lái)越多學(xué)者希望效仿此種方法來(lái)培育肥力較強(qiáng)的土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)能量循環(huán)利用。銨態(tài)氮肥的廣泛施用，酸雨現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，致使土壤酸化，土壤肥力隨之下降，土壤中的金屬元素Mn和Al活性隨之增強(qiáng)[4]。多數(shù)生物炭是堿性，因此在酸性土壤中加入一定量生物炭，表面-COO-和-O-等官能團(tuán)為堿的主要存在形式，可以顯著增強(qiáng)土壤pH值。生物炭灰分中有大量鎂、鈣、鈉、鉀等鹽基離子，施加到土壤中同H+、Al3+交換，降低金屬濃度，提升土壤pH值。

通過(guò)使用生物炭，對(duì)于土壤肥力退化的土地還可以起到增強(qiáng)土壤肥力的積極作用，補(bǔ)充土壤中損耗的有機(jī)質(zhì)。如，袁金華等[7]基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，在紅壤和黃棕壤中分別加入20g·kg-1的稻殼炭，發(fā)現(xiàn)2種土壤的交換性鹽基數(shù)量和pH值均在一定程度上增加，可以豐富土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)小分子氣體和離子吸附能力，對(duì)于提升土壤肥力具有積極作用。

3.2 生物炭對(duì)土壤碳轉(zhuǎn)化影響

生物炭作為一種代表性的土壤改良劑，在實(shí)際應(yīng)用中有助于提升土壤的碳含量水平，改善土壤理化性質(zhì)，在此種土壤上栽種的農(nóng)作物含量也將得到顯著提升?；诠夂献饔孟?，促使CO2進(jìn)入到秸稈中轉(zhuǎn)化成生物炭，經(jīng)過(guò)物理沉降、掩埋或風(fēng)化等循環(huán)處理，與土壤富里酸發(fā)生反應(yīng)，形成土壤碳庫(kù)，最終實(shí)現(xiàn)改善土壤肥力的作用[8]。賈俊香等[9]在生物炭對(duì)土壤肥力影響研究中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于煤礦復(fù)墾區(qū)中大量施加生物炭可以有效改善采礦造成的污染，改善土壤結(jié)構(gòu)，豐富土壤中有機(jī)質(zhì)含量，經(jīng)過(guò)有效處理后可以滿(mǎn)足農(nóng)作物種植需要，促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量提升。周桂玉[10]在研究中提出，生物炭是促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)形成和累積的主要途徑，但是否可以長(zhǎng)時(shí)間留存卻存在一定的爭(zhēng)議，但自然狀態(tài)下的生物炭可以留存千年，是無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)。盡管隨著時(shí)間推移會(huì)有一定量碳元素流失，但絕大多數(shù)仍然能夠留存，還有部分成為微生物C的組成部分。同時(shí)，其他研究表明，秸稈還田形成的生物炭，微生物分解速度較快，人工裂解形成的生物炭駐留時(shí)間遠(yuǎn)比自然狀態(tài)形成的碳駐留時(shí)間短，但通常也可以在百年以上。

生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳分解影響較大，基于13C標(biāo)記方法來(lái)研究土壤中加入適量黑炭對(duì)有機(jī)碳分解所產(chǎn)生的影響，添加稻草能加速土壤中有機(jī)碳的分解，添加適量的黑炭會(huì)抑制土壤中有機(jī)碳的分解。有研究[3,7-9]表明，在盆栽實(shí)驗(yàn)中添加一定數(shù)量的生物炭能提高土壤有機(jī)質(zhì)的積累、提高其穩(wěn)定性，減少土壤水溶性有機(jī)碳，在短期內(nèi)可以提高土壤中的微生物量碳。施用生物炭后，對(duì)灰漠土中的有機(jī)物和組分也有一定的影響。與其它土壤有機(jī)質(zhì)相比，生物碳對(duì)陽(yáng)離子的吸收性能要好得多。由于其本身的化學(xué)惰性，具有CO2鎖定功能，加入到土壤中可以有效減少土壤中溫室氣體甲烷產(chǎn)生量[11]。但由于研究深度不足，關(guān)于土壤碳變化和溫室氣體排放之間影響關(guān)系還有待進(jìn)一步試驗(yàn)和研究。

3.3 生物炭對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化影響

土壤中加入一定量生物炭，大豆生物固氮作用將得到顯著改善，并且可以起到減少土壤中N、P養(yǎng)分流失作用，增加農(nóng)作物產(chǎn)量同時(shí)，減少不必要的化肥用量，在促進(jìn)農(nóng)作物含量和品質(zhì)提升同時(shí)，還可以減少農(nóng)業(yè)面源污染情況。對(duì)于風(fēng)化程度高的酸性土壤，加入生物炭具有改善生物固氮的作用，促使農(nóng)田土壤氮輸入量增加。土壤中施加生物炭，土壤固氮增加是由于生物炭促使土壤中C、N含量增加，同時(shí)還可以發(fā)揮生物炭吸附作用來(lái)增強(qiáng)氮素養(yǎng)分吸收和利用，最終實(shí)現(xiàn)豐富土壤微生物含量的作用[12]。如，韓翠蓮等[13]在關(guān)于生物炭對(duì)土壤肥力及玉米產(chǎn)量的影響研究中，通過(guò)比較施加生物炭15t·hm-2(ST1)、30t·hm-2(ST2)、45t·hm-2(ST1)、60t·hm-2(ST1)幾個(gè)處理，與不施加生物炭的玉米地塊比對(duì)分析，探究生物炭施加量對(duì)玉米土壤有機(jī)碳、速效鉀、速效磷含量以及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，玉米全生長(zhǎng)期施加生物炭比不施加生物炭，土壤有機(jī)碳高出19.46%～74.56%，差異顯著，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；土壤速效鉀含量平均高14.01%～51.42%，差異顯著，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；土壤速效磷含量平均高35.10%～111.37%，差異顯著，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；施加生物炭的土壤，玉米產(chǎn)量得到顯著提升，其中ST3效果最為顯著。

生物炭可以有效吸附NO3-和NH3物質(zhì)，在后期也可以減少農(nóng)田土壤中氨氣過(guò)量揮發(fā)和養(yǎng)分落實(shí)，在增強(qiáng)氮素資源利用率的基礎(chǔ)上，促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有效提升。但生物炭可以保留土壤中無(wú)機(jī)氮物質(zhì)，容易受到炭量、生物炭來(lái)源以及施肥方式等因素影響[14]。結(jié)合土壤無(wú)機(jī)氮物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤干濕狀況有效把控下，分析生物炭不同施用情況，在不同溫度熱解碳將影響到土壤N2O含量，木炭相較于家禽糞肥的N2O和無(wú)機(jī)氮持續(xù)留存效應(yīng)更強(qiáng)，減少N2O排放量和土壤無(wú)機(jī)氮淋失，但土壤中加入含氮量較高的家禽肥，在400℃環(huán)境下加工形成的生物炭，有助于促進(jìn)N2O釋放量和氮淋洗增加。有別于干生物固體對(duì)土壤氨態(tài)氮淋溶影響，加入一定量生物炭可以減少氨態(tài)氮流失情況，在植物根系周邊吸附氮素物質(zhì)，提升資源利用率，滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)養(yǎng)分需求[15]。

4 生物炭對(duì)改善土壤污染的影響

對(duì)于一些受到污染的土壤，加入生物炭還可以起到改善污染的重要功能。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較強(qiáng)的吸附能力，可以起到減少土壤中的污染物含量，大量吸附有機(jī)污染物凈化污染的作用。土壤中有機(jī)污染物相較于重金屬污染而言，可以經(jīng)過(guò)水解的方式予以處理，具體有光解、氧化等方式，生物炭則是基于分子之間引力作用導(dǎo)致微觀(guān)吸附。有學(xué)者基于平衡吸附實(shí)驗(yàn)、淋溶實(shí)驗(yàn)方式，探究生物炭對(duì)亞甲基藍(lán)污染物去除效果[5,8-10]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭具有較強(qiáng)的吸附亞甲基藍(lán)的效果，但稻殼炭、秸稈炭等不同生物炭之間效果有著顯著差異。另外，生物炭對(duì)于土壤中重金屬物質(zhì)同樣具有吸附效果，充分發(fā)揮生物炭吸附力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)作用，顯著改善土壤重金屬形態(tài)、遷移行為。

5 展望

生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用，是解決提升土壤肥力、農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)的一個(gè)重要途徑，不但能改良土壤肥力、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量，還能有效解決農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景和提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。但也存在一些不足，如生物炭的原料生產(chǎn)、加工工藝的標(biāo)準(zhǔn)不完善，致使生物炭品質(zhì)的差異性較大；生物炭的應(yīng)用技術(shù)缺乏深入研究，致使生物炭的應(yīng)用效果存在不確定性；生物炭的作用機(jī)理、生物循環(huán)和土壤交互作用等方面的研究深度不夠，導(dǎo)致生物炭應(yīng)用質(zhì)效不能保障；生物炭在土壤改良、低產(chǎn)田改造、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等方面應(yīng)用研究少，在特殊農(nóng)業(yè)環(huán)境中不能得到有效應(yīng)用。因此，在今后的生物炭應(yīng)用研究中應(yīng)多關(guān)注以下幾方面：對(duì)生物炭的原料生產(chǎn)、加工工藝、制造標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化研究；針對(duì)生物炭的作用機(jī)理、土壤理化特性、生物間作用、土壤交互作用機(jī)理等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)一步提升生物炭的生產(chǎn)上應(yīng)用質(zhì)效；針對(duì)生物炭基肥提升土壤肥力增效作用機(jī)理研究，開(kāi)發(fā)生物炭基肥料和土壤改良產(chǎn)品，進(jìn)一步提升土壤肥力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境和土壤肥料同步可持續(xù)發(fā)展。

生物炭對(duì)于土壤肥力提升影響較大，學(xué)術(shù)界研究中取得了相對(duì)可觀(guān)的成果。為了進(jìn)一步確保我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)未來(lái)朝著科學(xué)化系統(tǒng)化方向發(fā)展，需結(jié)合實(shí)際情況增添生物炭以改善原有土壤的有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)于提升農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量有著重要作用。當(dāng)?shù)卣约坝嘘P(guān)部門(mén)也需加大對(duì)于土壤改良的力度，通過(guò)政府、企業(yè)以及研究所等多個(gè)主體融合發(fā)展的方式共同促進(jìn)土壤改良以及糧食增產(chǎn)。