生物炭對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

生物炭對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

生物化學(xué)（稻草、枯枝、落葉等）的開發(fā)是一個永恒的主題。遠(yuǎn)在西周時期(公元前11世紀(jì)至公元前8世紀(jì)),中國農(nóng)民就從實踐中逐步認(rèn)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(jì)初葉,王禎在《農(nóng)書·糞壤篇》中把草木灰列為一大類農(nóng)家肥料。北魏時期,賈思勰在《齊民要術(shù)》(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(zhì)。在我國農(nóng)田、草地和森林,經(jīng)常可以看到?jīng)]有分解的火燒黑色物質(zhì)。生物炭(biochar)是近幾年國際上出現(xiàn)的新名詞,是生物質(zhì)在缺氧條件下高溫裂解形成的物質(zhì)。據(jù)報道,生物炭具有促進(jìn)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(jìn)生物炭生物和環(huán)境效應(yīng)研究,本文匯編了生物炭特性;生物炭對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響;生物炭分解和對土壤碳周轉(zhuǎn)以及對污染物降解和生物有效性影響的研究結(jié)果,并根據(jù)國際、國內(nèi)研究現(xiàn)狀,提出了研究方向。1質(zhì)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(zhì)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?；曳趾吭礁?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(zhì)隨裂解溫度的升高,生物炭中C、P以及礦質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(huán),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(guān)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(yīng)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(yǎng)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(tài)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(nèi)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(zhì)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(dá)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(dá)到600℃~700℃時,其比表面積反而下降。生物炭經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)份覆蓋,若活化,將提高其孔隙度。2稻殼生物炭對作物產(chǎn)量的影響目前,關(guān)于生物炭對土壤肥力和作物生長影響的研究多數(shù)集中在風(fēng)化土及典型熱帶貧瘠土壤上,研究結(jié)果中既有促進(jìn)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(nóng)民傳統(tǒng)的悶燒法)對3種本底肥力懸殊的土壤上輪作作物產(chǎn)量影響的實驗中發(fā)現(xiàn):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(yīng)、滲透壓較低、P、K供應(yīng)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(chǎn),甚至在HumicNitisols上還出現(xiàn)了減產(chǎn)的情況;但在肥力極低的GleyicAcrisols土壤(土壤總C、總N、滲透壓、養(yǎng)分K均極低,CEC水平尤其低)上,盡管輪作了四季,作物產(chǎn)量依然有較大的提高(16%~35%),但沒有達(dá)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(fā)現(xiàn),木炭添加量在11~22t/hm2時,作物產(chǎn)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(zhì)炭的影響研究結(jié)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(fā)現(xiàn),經(jīng)過280天培養(yǎng),添加草地放火形成生物質(zhì)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(nèi)培養(yǎng)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(guān),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(zhì)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(zhì)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?lián)p失13.7%;連續(xù)飽和、連續(xù)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(jié)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(fā)表)。目前,生物炭分解研究主要是短期和實驗室培養(yǎng)結(jié)果,其田間和長期分解行為如何有待于進(jìn)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(dāng)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(jié)果表明生物炭對CH4和N2O排放沒有顯著影響(未發(fā)表)。Knoblauch等3年室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明施用生物炭比施用等C量的制炭物質(zhì)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(jìn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展,重金屬和有機污染物污染程度日趨嚴(yán)重,給我國環(huán)境和食品安全提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)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(qū)或郊區(qū))的Cd濃度超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)率達(dá)15%。另據(jù)我國環(huán)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(fù)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(jié)構(gòu),表面官能團豐富,能對重金屬和有機污染物產(chǎn)生吸附作用,從而降低污染物的生物有效性和環(huán)境風(fēng)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(dāng)初始濃度為10.5mg/L時,前150min內(nèi),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(yǎng)元素刺激了微生物的生長從而促進(jìn)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(jié)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(dāng)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(zhì)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(huán)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(zhì)目前國際、國內(nèi)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