生物炭对酸性土和盐碱土改良效果的研究进展.docx

    生物炭对酸性土和盐碱土改良效果的研究进展    姜井军，郭 瑞，陈伶俐（淮安市农业技术推广中心，江苏淮安 223001）Reference：我国酸性土和盐碱土面积大，类型多样，分布广泛，且存在着退化现象随着农业生产集约化水平不断提高，化肥大量使用和全球气候变化的影响，我国土壤酸化和盐碱化程度呈现加重趋势生物炭（Biochar）因具有特殊的理化性状，可用于酸性土和盐碱土的改良本文在介绍生物炭特性基础上，重点总结和论述了生物炭对酸性土和盐碱土的改良效果及机制的研究进展，提出了生物炭在上述领域的研究展望，以期为酸性和盐碱土壤改良利用提供依据Keys：生物炭；酸性土壤；盐碱土壤；改良；展望1　前言我国的酸性土面积约2.04×108 hm2，盐碱土面积约3.5×108 hm2，分别约占全国耕地面积的21%和36%，分布广泛，类型多样土壤酸化或土壤盐碱化本身是一个非常缓慢的自然过程但近几十年来，为了养活众多的人口，我国农业生产的集约化程度不断提高，在单位土地面积上投入的化肥尤其是氮肥数量越来越大，加上全球气候变暖的影响，使得土壤酸化和盐碱化进程呈加速趋势土壤酸化容易导致土壤环境质量和健康质量的降低，同时往伴随着盐基离子耗竭与养分淋失，造成土壤保蓄能力下降，从而对湖泊水体富营养化、水质变劣等起到推波助澜的作用；而对于盐碱化土壤，它们的盐分含量高，有机质含量低，容易削弱植物的蒸腾作用，抑制植物生长，甚至导致植物枯亡。

盐碱化不但造成了资源的破坏和农业生产的巨大损失，而且还对生物圈和生态环境构成威胁随着世界人口增长和土地退化的加速，世界各国高度重视酸性土和盐碱土改良、开发利用及保护目前，施用石灰石或白云石被认为是防止土壤酸化同时也是提高养分含量的有效方法，此法在世界上获得广泛应用，其优点是可以较为快速地缓解或消除土壤酸化及其影响，但其副作用亦不容忽视，特别是会导致土壤有机质含量的下降，同时，大量使用石灰会增加农业生产成本并消耗宝贵的矿产资源；另一种常见方法是施用生理碱性肥料，一般是施用硝酸钾、草木灰，但硝酸钾极易淋失，在化肥用量过多和氮素过量的情形下，施用硝酸钾并不适宜，而产生草木灰要焚烧秸秆，这不符合生态环保原则而改良盐碱土壤的技术一般分为物理措施、生物措施、化学措施三大类物理措施中较常用的客土替换、水力淋洗等方式具有基础投资大，工程复杂等缺点；生物措施中远源杂交、基因工程培育耐盐种对技术要求高，经济投入大，且见效慢，周期长；化学措施即施用改良剂如石膏等，虽然见效快，但成本较高有鉴于此，目前亟需一种新的环保、高效和经济的酸性土和盐碱土壤改良技术近年的研究表明，农作物秸秆等农业废弃物也可改良土壤酸度和降低土壤含盐量，同时具有固碳和促进养分元素循环、减少生产中化肥施用等生态环境功能，但是直接使用农作物秸秆改良酸性土和盐碱化存在明显缺点，表现为秸秆在土壤中易被微生物分解，亦存在温室气体排放大幅度增加问题。

如能将农作物秸秆经过改性和处理制备成性质相对稳定的改良剂，情况则会大为不同这就为来自于农作物秸秆、果树枝条、禽粪等废弃生物质的生物炭的利用提供了客观需求生物炭（Biochar）是在缺氧条件下由生物质高温裂解而形成的含有惰性有机碳的物质生物炭在世界上尤其在应对气候变化方面和农业领域日益受到人们重视，是因为它具有以下几个优点：其一，生物炭富含稳定的碳元素，主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳构成，理化性质稳定，抗生物分解能力强，在土壤中可存在上百年甚至上千年而不被降解，施用后相当于把碳稳定地封存于土壤中，有助于减缓全球变暖其二，生物炭具有较大的比表面积和微孔结构，吸附能力强，表面官能团丰富，一方面可降低土壤容重，促进土壤微团聚体的形成，改善土壤结构和水肥气热状况，可为土壤微生物栖息提供良好环境，有助于保护土壤中有益微生物和促进微生物繁殖；另一方面能对重金属和有机污染物产生吸附作用，从而降低污染物的生物有效性和环境风险其三，生物炭含有植物生长所必需的大量和中微量元素，可为作物生长发育提供必要的养分补充，因而施用生物炭可相应降低化肥的用量因此，科学家们相信，如果把有机废弃物制成生物炭并施入土壤，就可以将有机碳稳定地封存于土壤中，不仅是解决全球气候变化问题、缓减温室效应和保护环境的有效措施，也是将低肥力土壤变成“亚马逊式黑土”的重要手段。

2　生物炭对酸性土壤的改良作用2.1　生物炭改良酸性土壤的效果土壤的酸碱度由盐基离子所支配生物炭中含有碱性物质，加入酸性土壤后这些碱性物质可以很快释放出来，中和部分土壤酸度，使土壤pH升高，一般能提高0.18~0.66 pH单位生物炭含有较多的钾钠钙镁等盐基离子，可以通过吸持作用降低土壤的交换性氢离子和交换性铝离子的水平Yuan等把由9种植物材料低温热解生产的生物炭施入酸性土壤，结果加入生物炭的9个处理的pH均有所提高，生物炭的石灰效应与其碱度有关，并且土壤pH与生物炭碱度呈线性相关关系；而在生产生物炭的原料中，豆科植物生物炭相对于非豆科生物炭对酸性土壤改良有更大的石灰效应Baronti等通过大田试验发现，当施用450 g·kg-1阔叶树制成的生物炭后，其砂质土壤的盐基饱和度变为原来的10倍不同质地的土壤，施用生物黑炭后土壤pH值从5.4增加到6.6且pH升高幅度在粘土中比砂土和壤土要大此外，高温生物炭是比石灰作用有益作用更明显的土壤酸性中和剂高温热裂解比低温热裂解得到的生物炭中含有更少的酸性挥发物及更多的灰分，pH值更高，因此前者提高酸性土壤pH的效果比后者更好（见表1）生物炭对作物生长的作用存在着争议，一些学者认为酸性土壤中添加生物质炭可以促进植物生长，并能显著提高作物产量。

黄超等在红壤土中施用10、50和200 g·kg-1生物炭种植黑麦草，产量分别增加7%、27%和53%Chan等（Chan et al, 2008）进行了酸性土壤（pH 4.5）施用生物炭的萝卜盆栽试验，发现生物炭用量为10和50 t·hm-2的处理分别比对照增产42%和96%但也有研究发现生物炭对作物生长有负面影响Kishimoto and Sugiura 等采用火山灰土对大豆和玉米的田间试验表明，施用生物炭量分别为5和15 t·hm-2时，大豆和玉米表现为减产其原因可能是生物炭施用后提高了土壤pH值，从而降低了磷和某些微量元素有效性邓万刚等在海南花岗岩砖红壤土上施用不同比例的生物炭（炭土比为0.1%、0.5%和1.0%），发现不同用量处理与对照相比，均降低了王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量，同时也造成两种草的品质下降张晗芝等研究发现，在玉米苗期生物炭抑制了植株的生长发育，表现为添加量越大抑制作用越大，而随着玉米生长这种抑制效应逐渐消失施入生物炭导致产量降低，可能是对pH值敏感的作物，或者是因为生物炭具有较高的C/N导致了氮固定，具体原因还需进一步研究因此，生物炭的增产作用及适宜用量还需视农田作物类型、土壤类型和性质以及施肥情况而定。

2.2　生物质炭提高酸性土壤肥力的机制热带和亚热带地区的酸性土壤由于有机质含量和土壤矿物的CEC较低，所以肥力水平低，不利于农业的可持续发展热带地区丰沛的降雨加剧营养元素的淋失，但热带亚马逊黑土中营养元素的淋失量很低，这使人们认识到生物炭是提高热带土壤对营养元素保持能力的主要原因一方面生物炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中的NH4+-N、NO3--N、K、P及气态NH3等不同形态存在的营养元素有很强的吸附作用同时，施加生物炭之后土壤的持水能力和供水能力均得到提高生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移而避免了它们的淋失，并在土壤中持续而缓慢地加以释放，相当于营养元素的缓释载体，从而达到保持肥力的效果Laird等通过猪粪与生物炭混施试验发现，20 g·kg-1生物炭处理较不施用的对照全N淋溶量减少11%，可溶性P淋溶量减少69%此外，生物炭还能够延长养分的有效期生物炭似乎成为解决土壤养分流失的重要措施另一方面，生物炭表面带有负电荷，具有较高的CEC，生物质炭的CEC约为酸性土壤的10~20倍，可以提高土壤对养分离子钙、钾、镁和NH4+等的吸持能力，提高土壤的肥力，因此施用生物质炭可以提高酸性土壤的CEC，可以认为施用生物质炭提高土壤CEC是其提高土壤保肥能力的一个重要原因。

还有研究发现，施用生物炭可以增加土壤有机碳、土壤有机质或腐殖质含量，从而提高土壤养分吸持容量及持水容量，进而提高养分的利用率2.3　生物炭对酸性土壤铝毒的改良作用酸性土壤中铝毒害是限制农业生产中作物生长的主要因素之一，在酸性土壤中铝的交换量占土壤阳离子交换总量的20~80%，使得土壤中阳离子易于流失，使钾、钙、镁、钼、硼等营养元素缺乏，引起土壤肥力下降，从而影响植物生长当把生物炭施入土壤中，它所含有的盐基阳离子与土壤交换性铝发生交换反应，使土壤交换性铝含量减少，交换性盐基阳离子含量增加，使土壤盐基性养分含量增加，特别是交换性钙和钾增加显著，从而提高土壤的肥力水平土壤钙和镁含量的增加还能有效缓解铝对植物的毒害作用，这是因为钙和镁能够与铝离子竞争植物根表的吸附位，减少根表铝离子的数量生物炭配合NPK化肥更能降低酸性土可交换性铝2.4　生物炭与酸性土壤重金属的相互作用重金属含量高也是酸性土壤的一个重要特征，这是由于锰、铬、镉等有毒金属离子在低pH值下溶解度升高，所以土壤酸化会增加重金属活性在酸性土壤中施用生物炭后，利用生物炭的强吸附性，可以将土壤中的重金属离子有效固持，进而降低重金属的有效态含量，减少重金属对微生物的胁迫，也可以提高植物营养必需元素Zn、Fe等的活性。

在铜、锌污染的红壤水稻土施用生物炭，土壤中有效态铜、锌含量明显下降，并且随着生物炭用量的增加下降幅度增大因此，在酸性土壤中施用生物炭可以提高养分利用效率，减少有效矿物元素的淋失，降低重金属毒害，同时达到保护环境的效果3　生物炭对盐碱土的改良效果在盐碱土中施加生物炭能有效降低土壤碱化度和水溶性盐总量，提高土壤中的土壤持水力、有机碳含量及微生物活性，从而获得改良盐土的效果3.1　生物炭改良盐碱土壤的效果目前，对于生物炭改良盐碱土壤作用也存在[来自www.LW]着争议王桂君等通过对不同程度盐碱化土壤添加生物炭进行实验室模拟研究，结果表明生物炭施用量越高，对中重度盐碱化土壤的改良效果越明显，特别是重度盐碱化土壤，施加一定比例生物炭可以有效增加小麦出苗率及促进幼苗生长；Uzoma等在生长在沙土上的玉米分别施用0、10 t·hm-2、15 t·hm-2和20 t·hm-2，结果显示，玉米产量基本随着生物炭施用量增加而增加有研究表明生物炭和其他改良剂（如家禽粪、木醋液）配合使用改良效果更好但也有研究发现，生物炭对碱性土壤改良作用不显著，甚至还有一些负面影响，例如降低微生物活性和减少作物生物量及产量因此施用生物炭前一定要认真评估当地土壤具体性质和生物炭类型。

3.2　生物炭改良盐碱土壤的机制由于生物炭本身呈碱性，对盐碱土pH的降低不显著盐碱土的碱化度通常比较高，生物炭能降低土壤的碱化度，一方面可能由于生物炭中交换性Ca2+/Mg2+浓度较高，能将土壤胶体吸附的Na+代换下来；另一方面，生物炭本身疏松多孔的性质，使土壤的总孔隙度增加，受到淋洗会带走更多交换性Na+，使碱化度降低；盐碱化导致土壤中N、K、P和其他元素减少生物炭的孔隙结构能降低水分的渗滤速度，增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力生物炭具有强大的吸附能力，它可吸附NH4+、NO3-等多种水溶性盐离子，具有良好的保肥和去污能力此外，生物质炭本身的P和K含量也较高，这些P和K可以被作物利用，施用生物质炭可以直接增加土壤P和K素水平，提高作物的产量；生物炭具有很大的比表面积，可以使土壤保持更多的水分，施用生物炭可使土壤田间持水量增加近20%，同时生物炭。