生物炭對作物產量和養分吸收的影響

生物化學（稻草、枯枝、落葉等）的開發是一個永恒的主題。遠在西周時期(公元前11世紀至公元前8世紀),中國農民就從實踐中逐步認識到將雜草、秸稈和枯枝落葉燃燒成草木灰還田有利于作物的生長;14世紀初葉,王禎在《農書·糞壤篇》中把草木灰列為一大類農家肥料。北魏時期,賈思勰在《齊民要術》(約成書于公元533年至544年)中就提到用松制墨(炭黑)的方法和炭黑性質。在我國農田、草地和森林,經?？梢钥吹經]有分解的火燒黑色物質。生物炭(biochar)是近幾年國際上出現的新名詞,是生物質在缺氧條件下高溫裂解形成的物質。據報道,生物炭具有促進植物生長、分解慢、降低重金屬和有機污染物生物有效性等作用。為促進生物炭生物和環境效應研究,本文匯編了生物炭特性;生物炭對作物產量和養分吸收的影響;生物炭分解和對土壤碳周轉以及對污染物降解和生物有效性影響的研究結果,并根據國際、國內研究現狀,提出了研究方向。1質元素類聚合物生物炭呈堿性,且裂解溫度越高,pH越高。生物炭之所以呈堿性,是因為它含有一定量的灰分,礦質元素如Na、K、Mg、Ca等以氧化物或碳酸鹽的形式存在于灰分中,溶于水后呈堿性。灰分含量越高,pH越高。由于畜禽糞便往往含有很高的灰分,畜禽糞便制成的生物炭比木炭或秸稈炭有更高的pH,如400℃下家禽糞便燒制的炭的pH為9.2,而同樣溫度下的木炭pH為7.67。1.2生物炭的性質隨裂解溫度的升高,生物炭中C、P以及礦質元素富集;O、H、S減少;N比較特殊,對于木材或秸稈生物炭稍有富集,對于畜禽糞便生物炭則減少。研究發現生物炭中N生物有效性低,推測是生物炭中的N形成C-N雜環,從而使N的有效性降低。生物炭中速效P含量的變幅較大,跟裂解溫度有很大關系,一般裂解溫度越高,速效P含量越低,原因可能是高的裂解溫度對應更高的pH,形成Ca、Mg的磷酸鹽,如裂解溫度大于350℃會生成白磷鈣礦石。Silber等研究了不同pH下從玉米秸稈生物炭萃取出的速效養分,pH從8.9降至4.5,釋放出的速效P從0.20mmol/kg升高到87mmol/kg,分別占生物炭總P(8.6g/kg)的16.4%和71.6%。300℃~500℃的海藻生物炭總P含量為1.7~5.4g/kg,可萃取出的速效P占總量的37%~82%。生物炭中低價金屬離子有效性高,高價金屬離子有效性取決于pH。Chan等測定的生物炭可交換陽離子中,低價金屬離子(如K、Na)較高,分別是土壤的82倍和15倍;而高價金屬離子的有效性則很低,如可交換態的Al、Ca、Mg分別只有土壤的20%、7.8%、33%。Silber等測定玉米秸稈黑炭中含全K48.7g/kg,實驗中在1h內就有1/3釋放出來,且釋放不受pH影響,對于玉米秸稈黑炭中的Ca(17.8g/kg)、Mg(7.2g/kg),在中性條件下釋放很少,而在pH為4.5的條件下,21天后分別釋放了90%和95%。1.3食炭質碳、微生物炭及畜禽糞炭不同材料,不同裂解方式對生物炭的比表面積影響很大,有的只有0.7~15m2/g,有的可高達幾百個m2/g。一般來說,隨裂解溫度升高,比表面積增加,如作物秸稈炭從300℃的116m2/g增加到700℃的363m2/g,木炭從200℃的2.3m2/g增加到700℃的247m2/g,海藻生物炭從305℃的1.15m2/g增加到512℃的4.26m2/g,畜禽糞便炭從200℃的3m2/g增加到500℃的14m2/g。但有些材料如稻殼炭在裂解溫度達到600℃~700℃時,其比表面積反而下降。生物炭經活化后可以顯著增加其比表面積,如甘蔗、稻殼、污泥、牛糞燒制的炭未活化時比表面積小于100m2/g,而活化后大于200m2/g。1.4裂解溫度對生物炭持水量的影響隨裂解溫度升高,生物炭持水量減少。如作物秸稈炭在300℃的裂解溫度下持水量為13×10-4ml/m2,在700℃下減少為4.1×10-4ml/m2,這是因為裂解溫度越高,生物炭表面的極性官能團越少,因而持水量越少。1.5生物炭的cec隨裂解溫度升高,生物炭酸性基團減少,堿性基團增加,總官能團減少,官能團密度減少。如作物秸稈黑炭在300℃的裂解溫度下有2.83mmol/g的酸性基團,0.04mmol/g的堿性基團,在700℃的裂解溫度下則有0.3mmol/g的酸性基團,0.29mmol/g的堿性基團。Michael和Christopher實驗中的海藻生物炭CEC為16~41cmol/kg,而Clough等600℃生物炭,其CEC為0.8cmol/kg。Downiea等在澳洲發現的類似亞馬遜流域terrapreta的土壤由于富含生物炭而比周邊土壤具有更高的CEC,為31.2cmol/kg,而周邊土壤約為15cmol/kg,這有可能說明生物炭與土壤混合后,隨著生物炭的老化,能增加土壤的CEC。1.7%孔隙度Purevsuren和Avid在600℃下裂解的酪蛋白具有20%的孔隙度,以過渡孔(直徑3.7~41.7nm)和大孔(直徑>88~6811nm)為主。透過SEM(掃描電境)可看到一些孔隙被揮發份覆蓋,若活化,將提高其孔隙度。2稻殼生物炭對作物產量的影響目前,關于生物炭對土壤肥力和作物生長影響的研究多數集中在風化土及典型熱帶貧瘠土壤上,研究結果中既有促進作用,亦有抑制作用或沒有影響。Haefele等在研究稻殼生物炭(采用日本農民傳統的悶燒法)對3種本底肥力懸殊的土壤上輪作作物產量影響的實驗中發現:在肥沃的AnthraquicGleysols(N、P、K豐富、滲透壓及CEC水平均較高)及肥力較次的HumicNitisols土壤(有酸反應、滲透壓較低、P、K供應不足,但CEC水平、土壤總C較高)上,稻殼生物炭的使用并沒有促使作物增產,甚至在HumicNitisols上還出現了減產的情況;但在肥力極低的GleyicAcrisols土壤(土壤總C、總N、滲透壓、養分K均極低,CEC水平尤其低)上,盡管輪作了四季,作物產量依然有較大的提高(16%~35%),但沒有達到顯著水平。Gaskin等在研究生物炭對黏性沙地土壤的影響中發現,木炭添加量在11~22t/hm2時,作物產量無顯著性差異。張晗芝等在小麥生物炭對玉米生長影響的研究中在初期,生物炭在一定程度上抑制了玉米的生長,不同水平下的生物炭對作物生長的抑制程度大小依次為:48、2.4、12、0t/hm2,但隨著玉米的生長,生物炭對玉米植株的抑制逐漸減少,不同生物炭水平下的株高差也逐漸減小。3生物炭對生物質炭的影響研究結果表明,生物炭還田后生物炭能被微生物分解,分解速度有的很慢,也有的較快。Shindo研究發現,經過280天培養,添加草地放火形成生物質炭的土壤與沒有添加生物炭土壤排放的CO2相似,說明生物炭分解非常少。Novak等采用室內培養67天表明,生物炭添加量從0~2%,隨著添加量增加,土壤呼吸減少。生物炭分解與制備生物炭材料有關,并受制備溫度和土壤水分條件影響,在土壤水分不飽和條件下,350℃制玉米生物質炭一年損失純C21.2%,600℃則損失純C11.2%;在飽和水分條件下,玉米生物炭損失率為10%,制備溫度對玉米生物質炭分解影響不大。橡樹生物炭在飽和、非飽和水分交替管理條件下損失13.7%;連續飽和、連續非飽和水分管理影響相似,為8%左右。本課題組2010年5月—10月167天田間微域研究結果表明玉米生物炭表觀分解率為22.8%,玉米秸稈表觀分解率為75.5%(未發表)。目前,生物炭分解研究主要是短期和實驗室培養結果,其田間和長期分解行為如何有待于進一步研究。土壤有機C的增加并不意味著溫室氣體增溫效能的減少。在100年時間尺度上,1kgCH4和1kgN2O的增溫潛力分別相當于25kgCO2和298kgCO2。Zhang等水稻一季田間試驗表明:在施N肥和不施N肥條件下,40t/hm2生物炭使稻季CH4排放增加34%和41%,N2O排放減少40%~51%和21%~28%。本課題組旱地研究結果表明生物炭對CH4和N2O排放沒有顯著影響(未發表)。Knoblauch等3年室內培養試驗表明施用生物炭比施用等C量的制炭物質減少CH4排放80%。生物炭對土壤C變化和溫室氣體排放影響的綜合減溫效能方面尚未見有報道,有待進一步研究,尤其需開展較長時間試驗研究。4生物炭對降解過程的影響隨著工農業生產持續發展,重金屬和有機污染物污染程度日趨嚴重,給我國環境和食品安全提出了嚴峻挑戰。據胡蝶和陳文清對我國27個城市研究資料分析表明,4個城市(城區或郊區)的Cd濃度超過國家土壤環境質量二級標準,超標率達15%。另據我國環境狀況公報顯示,我國有1000萬hm2耕地受到有機污染物不同程度的污染。因此,重金屬和有機污染物污染土壤的修復和綜合治理已迫在眉睫。生物炭具有較大的比表面積和微孔結構,表面官能團豐富,能對重金屬和有機污染物產生吸附作用,從而降低污染物的生物有效性和環境風險。Zhang等報道了在土壤泥漿中,苯甲腈的降解率隨著其初始濃度的增加而降低,但在添加生物炭的處理中,降解率隨著其初始濃度的增加而升高,并且當初始濃度為10.5mg/L時,前150min內,苯甲腈降解速率比不添加生物炭的土壤處理要快,作者推測可能是因為生物炭中的營養元素刺激了微生物的生長從而促進降解。Rhodes等研究表明隨著生物炭添加量的增加,在4種土壤中菲的礦化率均下降,不同生物炭和土壤結合時間下,菲的礦化率在添加0.1%的生物炭處理中均比不添加處理要低,這可能是由于生物炭對菲的吸附降低了其生物有效性。Yu等研究表明,種植洋蔥35天后,毒死蜱(chlorpyrifos)和蟲螨威(carbofuran)在土壤中的損失率由不加生物炭的86%和88%分別下降到添加生物炭的51%和44%(制炭溫度850℃,添加量1%);洋蔥對毒死蜱(chlorpyrifos)和蟲螨威(carbofuran)的吸收量隨生物炭添加量增加而減少。當添加850℃制生物炭1%時,洋蔥對毒死蜱(chlorpyrifos)和蟲螨威(carbofuran)的吸收量只有不加生物炭土壤的10%和25%。生物炭的高吸附能力降低了生物炭降解及其生物有效性。700℃和350℃制木炭對特丁津的吸附能力是土壤有機質的63倍和2.7倍。同樣種植韭菜35天后,不添加玉米炭(由玉米秸制成的炭)土壤中毒死蜱(chlorpyrifos)和氟蟲腈(fipronil)損失率為68%(毒死蜱)和58%(氟蟲腈),而添加850℃玉米炭土壤的損失率只有34%和32%;韭菜根部毒死蜱的濃度從8.7mg/kg下降到0.7mg/kg,氟蟲腈濃度從8.2mg/kg下降到1.5mg/kg;毒死蜱和氟蟲腈在韭菜地上部分濃度下降4~45倍。添加木炭土壤空隙水中Cu和As濃度升高,而Zn、Cd濃度降低。木炭的添加使空隙水中濃度降低10倍,且使PAHs(多環芳烴)濃度降低,并使大分子、高毒性PAHs濃度下降50%以上。20%酸活化生物炭增加了Norfolk和SanJoaquin土壤對Cu2+的吸附能力。5生物炭的性質目前國際、國內生物炭研究還處于起步階段,研究使用的生物炭五花八門,有采