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農業生產和環境保護中生物炭的應用

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摘要:生物炭是一種對環境友好的吸附材料,具有豐富的孔隙結構、巨大的比表面積、較高的孔隙度和比表面能等特點。隨著生物炭研究和應用的不斷深入,生物炭在農業、能源、環境等方面的優勢逐漸凸顯。本文綜述了近幾年來生物炭在農業生產和環境保護方面的應用現狀,以期為生物炭的進一步開發利用提供參考。

關鍵詞:生物炭;農業生產;環境保護

生物炭(Biochar)又稱生物質炭、黑炭、生物黑炭、生物質焦,是秸稈、動物糞便、落葉、污泥等農業固體廢棄物在無氧或限氧條件下進行高溫熱解后的一種固態產物[1]。其顯著優勢有以下三點[2]:一是生物炭因具有豐富的孔隙結構和表面官能團,比表面積大,吸附能力強等特點,施入土壤后,不僅能改善土壤結構,降低土壤容重,促進土壤微生物繁殖,還可以控制土壤養分流失;二是生物炭含有穩定碳元素,主要由芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳構成,理化性質穩定,抗生物分解能力強,賦予其“碳封存”作用,把炭封存進土壤,有利于減緩全球變暖;三是生物炭含有植物生長發育所必需的許多大量元素和中微量元素,生物炭施入農田后,可提高土壤肥力,促進作物生長,進而降低了化肥的使用,減少了環境污染。正因如此,生物炭在農業和環境領域的應用價值日漸凸顯;同時,生物炭產業的發展,使農林廢棄生物質資源得以可持續利用,由此帶來良好的環境、生態和社會經濟效益。本文綜述了近年來與生物炭在農業生產和環境保護方面的應用和研究成果。為生物炭產業的進一步發展提供參考依據。

1生物炭在農業生產方面的應用

1.1生物炭可改善酸性土壤

土壤pH是土壤養分的重要指標之一,是土壤理化性質和肥力特征的綜合反映,土壤pH的高低深刻的影響著土壤的物理性質、微生物活動與分布、有機質的合成與分解、營養元素的轉化與釋放速率、養分存在形態和有效性[3,4]。生物炭施入土壤后,可通過競爭吸附作用,降低土壤的氫離子和鋁離子含量,提高土壤pH值[5,6]。用不同原料在不同溫度下制備的生物炭的理化性質是不同的,對土壤pH值的影響也不同。相比較而言,高溫制備的生物炭在提高土壤pH值上有更加顯著的效果[7],用豆科植物原料制備的生物炭比非豆科植物原料制備的生物炭有更顯著效果[8],且生物炭添加量愈多效果愈明顯[9]。

1.2生物炭改善土壤持水能力

由于生物炭本身具有豐富的孔隙結構,因此,在施入農田后會不同程度的增加土壤的毛管孔隙度和通氣孔孔隙度,從而增強土壤含水量。王竹等人[10]根據Van-Genuchten模型和Gardner模型對比研究不同生物炭含量的土壤水分特征曲線發現,施加生物炭土壤的水吸力值<600cm時,比無炭處理的含水率增大了3.7%,水吸力值>600cm時,比無炭處理的含水率增大11.3%,說明在一定程度上生物炭改善了土壤的持水能力。中國農業大學吳橋實驗站[11]探究了施用生物炭對土壤水分和作物生長的影響,結果發現,施用生物炭增加了土壤含水量,減少了夏玉米耗水量,水分利用率提高了13.72%~24.43%。李興等人[12]為了探究生物炭對沙壤土水分特征的影響,采用室內實驗土柱法在沙壤土中摻加4種不同比例的生物炭(10、20、40、60g/kg),隨著入滲時間的延長,生物炭對沙壤土的垂直入滲率和擴散度抑制逐漸增強。120min后,入滲率分別比對照減少24%、49%、50%、59%;土壤含水率為24.9%時,土壤擴散率分別比對照減小45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。同時隨著生物炭含量增加,土壤持水能力也在增加。

1.3生物炭促進根際土壤微生物活性

土壤微生物對土壤環境變化較為敏感,生物炭的多孔結構和表面特性為微生物的生長繁殖提供了空間。陳澤斌等人[13]研究發現,生物炭可以提高根際土壤細菌種類多樣性和分布均勻程度,而對真菌的影響則相反。韓光明[14]等研究發現,添加生物炭后提高了不同連作年限棉田細菌、真菌和放線菌的數量,其中,蕾期和花鈴期是微生物數量繁殖的高峰期。固氮菌能夠利用固氮酶將空氣中的氣態氮轉化為能被植物吸收的氮鹽,生物炭可以促進土壤中固氮微生物氮循環,刺激固氮微生物的生長及提高固氮效率[15]。生物質炭的添加量可顯著影響固氮菌的群落結構,固氮菌豐度隨著添加量的增加和處理時間的延長而增加[16]。

1.4生物炭增強土壤肥力

生物炭因具有較大的表面積、豐富的孔隙度以及較多的來源于羥基、羧基等官能團的負電荷,不僅能有效吸持各種鹽基陽離子和NO3-、PO43-/HPO42-/H2PO-4[17],還對低分子量可溶性有機質(DOC)有較強的吸附能力[18],增強土壤肥力。生物炭能夠加快溶液的淋溶速度,增強土壤對氮素的固持作用[19,20]。生物炭能明顯降低土壤磷素的淋溶損失[19,21],促進植物對磷素的吸收和生長發育,提高土壤磷的生物有效性[22]。此外,添加生物炭后還會增強土壤酶活性。高鳳等人研究結果表明,隨著生物炭施用量的增加,白菜根際土壤蔗糖酶、多酚氧化酶和纖維素酶活性顯著增強,促進了白菜生長并提高葉片中可溶性糖含量[23]。李貞霞等人[24]探討了辣椒秸稈生物炭對酸化土壤酶活性的影響,結果表明,土壤脲酶和蔗糖酶活性與生物炭添加量呈正相關。其它課題組也得到了類似的研究結果[25,26]。

2生物炭在環境保護方面的應用

2.1生物炭修復重金屬污染土壤

有研究結果表明,生物炭能夠降低油菜可食用部分中鎘和鉛的質量分數[27],降低土壤中有效態Cd含量,且降低率與生物炭添加量和熱解溫度呈正相關[28],顯著降低了污染土壤空心菜根部重金屬含量,控制了污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部遷移富集[29]。生物炭對重金屬污染修復能力因生物炭制備原料和重金屬種類而異,如江亞會[30]等人將皇竹草、咖啡渣、花生殼制備的生物炭和微肥分別添加到被重金屬污染的土壤后,土壤中的有效態重金屬含量均比對照組低,其中,皇竹草生物炭+鐵肥對土壤重金屬Cu、Pb和Cd有效態含量的降幅分別達32.94%、31.26%和21.21%,對土壤有效態Zn含量的降幅為6.82%,咖啡渣生物炭+鐵肥對土壤重金屬Ni和Zn有效態含量的降幅分別為22.64%和10.35%,花生殼生物炭+鐵肥對Cu含量降幅達49.06%,咖啡渣生物炭+硅肥對土壤Ni和Zn有效態含量降幅分別達23.73%和9.72%。2.2生物炭凈化水質生物炭作為綠色屋面基質修復材料,能夠有效降低屋面徑流中TN和COD的質量濃度和污染負荷,凈化屋面徑流水質,在城市暴雨徑流管理中具有非常廣闊的應用前景[31]。底泥中添加適量生物炭會促進沉水植物苦草的生長,促進水體中總氮、總磷和葉綠素a的去除[32],不同類型秸稈生物炭對水質中Pb2+的吸附速率隨著溶液中Pb2+的初始濃度的增大而逐漸減少[33]。玉米秸稈生物炭使廢水中Pb2+和Cd2+的吸附去除率分別達到了85%和98%[34]。白菜尾菜和玉米秸稈生物炭對廢水中Cd2+、Pb2+、Cu2+的最大吸附量可達到20.40mg/L、20.44mg/L、20.48mg/L,去除率分別為96%、97.6%、99%[35]。

2.3生物炭能減排土壤溫室氣體

氣候變暖是當今國際社會普遍關注的全球性問題,也是當今全球面臨的重大挑戰[36]。向土壤中施加生物炭以控制土壤溫室氣體排放是當前國際生物炭研究的前沿領域,也是關乎農林有機固體廢棄物資源能否實現生物炭還田的關鍵[37]。近年來,關于生物炭添加對土壤溫室氣體減排的研究較多,但研究結果存在較大的差異。如張向前[38]等人研究發現施加生物炭后土壤中CH4和N2O排放量顯著降低,且兩種氣體減排量因生物炭制備溫度而異,500℃裂解溫度的生物炭減排效果優于300℃、700℃。祁樂[39]研究結果表明,施加生物炭后,明顯延后了土壤CO2、CH4、N2O的排放峰值,降低了CH4和CO2排放量,且生物炭添加量越多,對CH4和CO2減排作用越明顯,但對N2O減排作用不明顯。Spokas等[40]研究發現,高的生物炭添加量能顯著減少N2O的釋放,而低添加量沒有明顯作用。Knoblauch等[41]在水稻生長季添加生物炭后卻增加了1.6倍CH4的排放。

3展望

綜上所述,生物炭在改善酸性土壤、保持土壤水分、增強土壤肥力和助力發展綠色可持續農業方面均有巨大應用潛力;同時,在修復污染環境、凈化水質、抑制溫室效應等方面可發揮積極作用。然而,在大規模應用生物炭方面還存在許多不足,需繼續深入研究,主要體現在以下幾個方面:(1)由于生物質原料和制備方法不同,使生物炭的孔隙結構、理化性質存在差異,進而影響到生物炭的應用性能差異。因此,在實際應用過程中應積極開展生物炭標準化、系統化研究。(2)生物炭穩定性較高,可長期貯存于土壤中,在土壤或水系中施入大量生物炭后其生態風險性尚缺乏系統研究,加之部分生物炭中灰分及重金屬含量較高。因此,合理評價生物炭在農業和環境方面的生態風險具有重要意義。(3)生物炭對整個土壤、水體環境的改良機理依然不明晰,且其長效性如何也不清楚,因此,需要針對生物炭對不同類型土壤、水體的作用進行全面且長期監測。(4)開發生物炭基肥料,實現生物炭高效利用,為綠色農業發展提供有力支持。

參考文獻:

[1]崔國強,孫璐.生物炭對土壤理化性質的影響研究綜述[J].鄉村科技,2017,(34):58~59.

[2]陳溫福,張偉明,孟軍.生物炭與農業環境研究回顧與展望[J].農業環境科學學報,2014,33(05):821~828.

[3]石楠.改良劑對酸性土壤理化性狀和烤煙生長與品質的影響[D].長沙:湖南農業大學,2017.

[4]徐振華.生物炭對中國北方酸化土壤的改性研究[D].青島:中國海洋大學,2012.

[6]袁金華,徐仁扣.稻殼制備的生物質炭對紅壤和黃棕壤酸度的改良效果[J].生態與農村環境學報,2010,26(5):472~476.

[7]趙牧秋,金凡莉,孫照煒,等.制炭條件對生物炭堿性基團含量及酸性土壤改良效果的影響[J].水土保持學報,2014,28(04):299~303.

[9]張祥.花生殼生物炭改良酸性土壤的效應及其對臍橙苗生長的影響[D].武漢:華中農業大學,2014.

[10]王竹,葉曉思,孫愛華,等.生物炭對土壤水分特征曲線影響的試驗研究[J].水利科學與寒區工程,2018,1(12):47~53.

[11]闞正榮,劉鵬,李超,等.施用生物炭對華北平原土壤水分和夏玉米生長發育的影響[J].玉米科學,2018,27(01):142~150.

作者:虎靈 魏晶晶 王慧春 單位:青海師范大學生命科學學院

農業生產和環境保護中生物炭的應用責任編輯:張雨    閱讀:人次
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