秸秆生物质炭改良土壤的可行性探讨姬强

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　　摘  要：生物质炭具有丰富的阳离子交换量、比表面积、孔隙结构等理化特性，可以有效改善土壤结构性状，提高土壤养分的有效性，有助于农业废弃资源的无害化利用。
　　关键词：生物质炭;土壤;秸秆;外源碳
　　中图分类号 S156 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）06-0056-02
　　Abstract：Biochar has abundant cation exchange capacity，specific surface area，pore structure and other physical and chemical characteristics.Biochar application can effectively improve the soil structure and crop availability of soil nutrients，and contribute to the harmless utilization of agricultural waste resources.
　　Key words：Biochar;Soil;Straw;Exogenous carbon
　　秸稈还田是提高土壤有机质含量，改善土壤结构性状的重要途径，但与此同时，玉米秸秆等的连续多年直接大量还田，会导致土壤环境不断恶化，造成杂草、病虫害多发的问题。生物质炭是在少氧或无氧状态下，秸秆等生物质在高温热解作用下的产物，稳定性较高，且含有丰富的芳香族物质，可有效促进土壤中碳素的长期固定，从而抑制土壤二氧化碳的释放[1]。目前，商业制备的生物质炭价格往往偏高，限制了其在农业生产中的广泛应用，而不同材料的生物质炭化也造成了其对土壤质量的潜在不确定性。为此，本文围绕秸秆等农业废弃物的生物质炭化，对土壤结构性状和土壤质量的影响进行了探讨，以期为农业废弃物的无害化资源利用提供理论支持。
　　1 生物质炭在土壤中的稳定性
　　生物质炭的理化特性及其对土壤微生物生长繁殖的影响，主要归因于生物质炭的热解材料性质。生物质材料的理化性状间接影响着土壤中微生物的活性，原材料含有的木质素量越大，其高温热解得到的生物质炭成品孔隙结构越丰富、芳香族物质含量越高、生物质炭的分解矿化率也就越低。在相同的外部环境条件下，小麦秸秆制成的生物质炭矿化速率是乔木材料生物质炭的10倍左右。
　　生物质炭的阳离子交换量、pH、孔隙结构、比表面积、官能团化学稳定性等性状受热解条件的影响较大[2]。通常情况下，热解温度越高则生物质炭对微生物群落死亡的促进作用就越低。氧碳比（O∶C）作为生物质炭稳定性的重要指标，随着热解温度的升高，O∶C会呈现出逐渐降低的趋势，对应的生物质炭稳定性也就越低。生物质炭含有一定比例的不稳定组分，热解温度越低其不稳定组分含量越大，从而导致低温热解生物质炭输入土壤后短时间内呈现出很高的矿化速率。热解时间越长，也会导致生物质炭中不稳定组分含量的降低，不利于微生物代谢过程的进行。
　　生物质炭颗粒的粒径大小制约着其在土壤中的矿化速率。研究表明，即使在两者比表面积相差不大的情况下，小于0.25mm的生物质炭颗粒的矿化速率是大粒径生物质炭颗粒的1.5倍。说明生物质炭的内部微孔结构所蕴含的比表面积大小提供着微生物降解的丰富小环境。
　　2 生物质炭改良土壤的生物学活性
　　生物质炭作为一种稳定的惰性碳源，虽然其理化性状较为稳定，使其输入土壤后无法直接被微生物利用，但并不意味着其是一种生物学惰性物质。生物质炭具有极其丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，可以为微生物的代谢生长提供有力的场所[3]。除此之外，生物质炭结构的孔径诱发效应、对土壤持水性的增强、容重的改变等诸多因素，都对土壤微生物的繁殖起到了积极作用。
　　另一方面，生物质炭作为土壤碳源的惰性也是相对的，Atkinson等的研究结果表明，生物质炭输入后微生物代谢产物木质素氧化酶、酚酶、过氧化氢酶等会降解生物质炭中的芳香族结[4]。一些真菌也可以将生物质炭作为C源代谢利用[5]。同时，菌丝、多糖、菌根的分泌会促进生物质炭与土壤颗粒结合为有机质团聚体，并以此为基础影响土壤微生物的活性。生物质炭除了可以作为微生物碳源之外，其多孔性结构可以有效降低土壤水分的流失，避免土壤微生物被掠夺性动物的进一步损害。而生物炭的孔径又远远小于土壤中最小的有机物质孔径大小，其大量裂隙可以使得真菌快速渗透繁殖。由此可见，当评估生物质炭输入在土壤中的稳定性时，其结构特性对于土壤微生物的直接与间接作用显得尤为重要。
　　3 生物质炭改良土壤的作用途径
　　生物质炭输入会从易降解有机组分的吸附作用、土壤阳离子交换量（CEC）改变、土壤pH的诱导效应、土壤呼吸等途径影响着土壤有机碳库的稳定性[6]。生物质炭在输入土壤初期会产生对原始土壤有机质矿化的激发效应，这是由于生物质炭对土壤有机组分的吸附作用会引起微生物的表面富集繁殖，引起碳素损失;而在生物质炭输入的后期则表现出对土壤有机质矿化作用的抑制。当输入土壤的生物质炭由于自身热解温度较高导致比表面积较大时，土壤中的溶解性有机组分便会被吸附进生物质炭微孔结构中，使得更难被矿化分解，土壤有机碳的固定作用随着添加时间的增长而增强。
　　土壤CEC调控着土壤有机质的快速矿化过程和对一些组分的吸附作用。在粘粒含量较高的土壤中，1/3的CEC产生于土壤有机质。而生物质炭自身的CEC往往高于土壤，使其成为了强吸附媒介，从而调控土壤中正电荷离子的流动与有机质的矿化过程。生物质炭输入后土壤CEC的改变幅度取决于添加生物质炭的类型与其它实验条件，通常较高温度热解获得的生物质炭添加后土壤原始CEC增幅较高[7]。生物质炭表面的负电荷则对土壤pH的提升起到了诱导作用，有助于茶园等酸性土壤中微生物活性的改善。除此之外，生物质炭可以显著改善土壤持水性，且改善强度与生物质炭热烈温度呈正相关关系。这主要归因于较高热解温度下生物质炭的比表面积与孔隙结构更为丰富。需要注意的是，较高热解温度产生的生物质炭输入土壤后也会产生一些消极的作用，例如更高的盐含量和其他有害物质含量增大对土壤微生物活性的强抑制作用等等。 　　4 生物质炭对作物生长及产量的促进作用
　　作物的生长情况是生物质炭改良土壤效果的重要衡量指标。生物质炭输入土壤后对真菌等微生物生长繁殖的刺激作用，是其添加后短期效应（激发或抑制）的重要途径。除此之外，生物质炭表面具有丰富的有机碳官能团，与土壤微生物之间的交互作用，有利于土壤中速效養分与有机碳的累积，从而为农作物的生长提供有益环境。
　　在半干旱地区，生物质炭输入相对传统种植模式能够显著提高作物产量，一方面归功于土壤速效养分的累积，另一方面归功于其对土壤持水性的提升[8]。生物质炭丰富的孔隙结构尤其是微孔结构，可以减少土壤水分的蒸散损失，从而进一步被植物根系吸收利用，提高产量。研究表明，生物质炭与无机肥混施条件下，会显著增加作物产量，即使对一些产量较低的品种。这与生物质炭对土壤速效氮的固定作用有关，生物质炭自身非稳态组分的降解导致氮素微生物量向的转移，以及微小孔径对土壤溶液的固定都会引起其对氮素的固定，从而影响土壤养分的生物有效性和作物的生长。
　　5 结语
　　生物质炭的适量添加对于土壤结构与其他理化性状的改良具有积极的意义，然而在较高热解温度下制备的生物质炭由于碱性较强且有微生物害物质含量较高等因素，制约着生物质炭在农业生产中的应用。目前，对于生物质炭添加对土壤改良方面的研究因生物质炭制备材料与条件的不同而呈现出诸多不确定性，且大部分是在生物质炭较低或适中添加量下进行论证。因此，较高加量与不同热解温度制备生物质炭对土壤改良和作物生长的影响机理还缺乏系统研究，而这对秸秆等农业废弃物的资源化和无害化利用具有重要指导意义。
　　参考文献
　　[1]邰继承，范富，萨如拉.秸秆生物质炭农业领域应用研究进展[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2018，33（6）：514-518.
　　[2]刘哲.生物质炭对土壤理化性质及结构特性的影响[J].绿色科技，2018（12）：21-22.
　　[3]张利亚，王留成，李心雨，等.小麦秸秆低温热解制备生物质炭的性能研究[J].磷肥与复肥，2018，33（6）：24-27.
　　[4]Atkinson C J，Fitzgerald J D，Hipps N A.Potential mechanisms for achieving agricultural bene?ts from biochar application to temperate soils：a review[J].Plant and Soil，2010，337：1-18.
　　[5]Wengel M，Kothe E，Schmidt C M，Heide K，Gleixner G.Degradation of organic matter from black shales and charcoal by the wood-rotting fungus Schizophyllum commune and release of DOC and heavy metals in the aqueous phase[J].Science of the Total Environment，2006，367：383-393.
　　[6]王春芳，张文豪，张琨琨，等.生物质炭在农业生产中应用的研究进展[J].现代农业科技，2018（13）：174-175.
　　[7]董心亮，林启美.生物质炭对土壤物理性质影响的研究进展[J].中国生态农业学报，2018，26（12）：1846-1854.
　　[8]刘小宁，蔡立群，黄益宗，等.生物质炭对旱作农田土壤持水特性的影响[J].水土保持学报，2017（4）：112-117.
　　（责编：张宏民）
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