生物质炭在农业上的应用

第41卷第2期西北农林科技大学学报(自然科学版)VoL 41 No. 22013年2月Journal of Northwest A&F University(Nat. Sci. Ed.)Feb.2013网络出版时间:201301-1416:13网络出版地址http://www.cnkinet/kcms/detail/61.1390.s.20130114.1613.015.html生物厉炭在农业上的应用陈心想,耿增超(西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100)[摘要]生物质炭是由生物质在完全或部分缺氧的条件下经过热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态物质。近年来,生物质炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体在农业上的应用越来越广泛。为促进生物质炭在农业上的研究及应用,从生物质炭性质的影响因素,生物质炭对土壤物理性质、化学性质和微生物的影响,以及生物质炭对作物生长和产量的影响等方面进行了阐述和分析,并提出未来生物质炭在农业应用方面的研究方向。[关键词]生物质炭;影响因素;土壤性质;作物生长[中图分类号]S156.2[文献标志码]A[文章编号]1671-9387(2013)02-0167-08Application of biochar in agricultureCHEN Xin-xiang, GENG Zeng-chaoCollege of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)Abstract: Biochar is an insoluble solid matter with high aromatization produced by biomass pyrolysisin completely or partially hypoxic conditions. In recent years, biochar is widely used in agriculture as a soilamendment and controlled-release carrier for fertilizers. In order to boost the study and utilization of bio-char in agriculture, this study summarized the factors that affect properties of biochar and its effects on soilohysical and chemical properties, amount of microorganisms in soil, and growth and yields of crops. The fu-ture research issues were also suggesteKey words: biochar; influence factors; soil properties; crop growth我国是一个农业大国,年产作物秸秆8×108t来,用生物质热裂解生产生物质炭已成为农业研究以上,而以作物秸秆为主的广泛存在的生物质的热点之一,而且由于在生产过程中消耗了大量生( biomass)是制备生物质炭( biochar)的主要原料。物质资源,因此生物质炭有助于我国庞大的秸秆资生物质炭是由生物质在完全或部分缺氧的条件下经源的有效利用。热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态目前,全球对生物质炭科学研究的重视,源于对物质2。根据原料的来源不同,生物质炭分为木炭、巴西亚马逊盆地中部黑土( Terra preta de indio)的竹炭、秸秆炭、稻壳炭、动物粪便炭等4。通常认认识黑土是古人类刀耕火种形成的一种特殊的肥为,生物质炭属于黑炭( black carbon)范畴的一种,沃土壤,至今仍是全球最肥沃的土壤之一。然而,在而黑炭包含了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的世纪80年代以后,全球对生物质炭的性质,以及炭化物质,其对全球碳循环所起作用较大5。近年将其用作土壤改良剂及固碳剂的研究才相继展开。[收稿日期]2012-05-31[基金项目]林业局“948”项目“林果木生物质综合转化技术引进”(2009464);农业部“948”项目“生物炭技术引进及消化”(2010Z19);陕西省自然科学基础研究计划项目(2010JM5004);陕西省攻及施用技术研究”(2010K02-12-1)中国煤化工[作者简介]陈心想(1986-),女,山东临沂人,在读硕土,主要从事废弃生物质肥E-mail:xinxiang20073975@163.comCNMHG[通信作者]耿增超(1963-),男,陕西韩城人,教授,主要从事森林土壤及农业废弃物转化研究。Emal; gengzengchao@126l68西北农林科技大学学报(自然科学版)第41卷目前,生物质炭作为一项低碳产品常被用作碳汇剂,性质2)。如阔叶树和针叶树的凋落物经高温热解为减缓全球气候变化做出了重要贡献,而且为废制成的生物质炭,灰分含量分别为6.38%和弃生物质利用、生物能源生产、土壤改良培肥、肥料1.48%,阔叶树凋落物制备的生物质炭中的养分如创新、温室气体减排等提出了综合解决方案,从而引Ca、Mg、K含量要比针叶树的高,将二者施入土壤起了人们极大的兴趣。后改善土壤pH和阳离子交换量的效果不同23。国内外在生物质炭对土壤肥力和作物生长的影生物质原料还影响生物质炭的pH。由于畜禽粪便响方面开展了广泛研究,并取得许多进展1,已经灰分含量往往很高,因此制成的生物质炭pH比木扩展到了生态系统高度。生物质炭常被用作土炭或秸秆炭的高,400℃下家禽粪便炭的pH为壤改良剂213,可以改善土壤性质,促进养分吸收,9.22,而木炭pH为7.6721。生物质炭还具有发从而提高作物产量,满足我国对粮食不断增长的消达的孔隙结构和巨大的比表面积,其大小与生物质费需求。生物质炭施入土壤后不仅能够提高养分利原料的种类有关。据日本学者报道,采用850℃将用率、减少养分淋失,还可以缓解由养分淋失而引起竹材和椰子壳炭化1h后,竹炭比表面积为370的环境问题。此外,生物质炭还可以作为吸附剂m2/g,而椰子壳炭则为410m2/g23。以消除农业污染。有研究结果表明,生物质炭可以生物质炭的产量在很大程度上受热解过程中温通过吸附或共沉淀作用,显著降低重金属污染物、除度的影响,同时温度也影响生物质炭的性质2。生草剂、农药等在植物体内的积聚5。尽管如此,目物质炭的元素组成由最终炭化温度决定。随着炭化前生物质炭在农业上的应用仍存在争议,包括生物最终温度的升高,生物质炭中碳含量增加,氢、氧质炭对土壤改良的效果以及生物质炭是否会在土壤等含量减少,挥发性有机物含量减少22,从而剖面内移动,只有针对土壤、作物和生物质炭性pH随裂解温度的升高而升高2。一般而言,生物质进行具体分析后,才能促进生物质炭在农业上的质炭的比表面积随裂解温度升高而增加,如木炭从合理应用。为此,本文回顾和综述了国内外有关生200℃的2.3m2/g增加到700℃的247m2/g,畜禽物质炭在农业上的最新研究成果,重点阐述了其对类便炭从200℃的3m2/g增加到500℃的14土壤理化性质及微生物、作物生长和产量等方面的m2/g29。但有些生物质材料在裂解温度高时比表影响,并提出了生物质炭在农业应用方面的研究方面积反而下降,如稻壳炭,所以分析生物质炭的向性质要综合考虑生物质原料类型及裂解条件等。1生物质炭性质的影响因素2生物质炭对土壤性质的影响目前,学界普遍认为,作物秸秆等生物质转化为生物质材料经裂解、炭化制得生物质炭还田后生物质炭最主要的影响因素为:制备生物质炭原料由于其本身含有的、可供作物直接吸收利用的养分本身的性质和热解过程中的环境条件,如温度、空含量并不多,因此生物质炭只能明显提高养分贫瘠气、湿度等。不同生物质类型或炭化条件所制备土壤的养分含量,而对肥力较高的土壤养分含量影的生物质炭,在结构、pH、挥发物含量、灰分含量、持响相对较小。生物质炭对土壤的改良作用主要是通水性、表观密度、比表面积和阳离子交换量等理化性过改变土壤的物理性状和结构,促进土壤生物化学质上表现出不同的性能,从而会产生不同的环境效与物理化学的交互作用,促进微生物的生长和活性,应和环境应用1从而提高土壤肥力生物质炭的组成元素主要为碳、氢、氧等,其碳2.1生物质炭对土壤物理性质的影响含量为70%~80%1,其次是灰分(包括钾、钙、钠衡量土壤生产力的重要指标之一是土壤水分含镁、硅等),因其碳组分高度芳香化而具有热稳定性。量及其有效性,而生物质炭可以吸附和保持水分,并生物质种类和来源决定了生物质炭的化学成分,木且增强土壤水分的渗透性。生物质炭对土壤物本植物生物质炭通常碳含量高,而矿质养分含量低;理性质,如田间持水量、透水性、体积质量的影响,厩肥及秸秆则与之相反。生物质炭中矿物质含方面取决于土壤质地,另一方面还取决于生物质炭量一般是畜禽粪便最高,木本植物最低,草本植物居的颗粒度、V凵中国煤化工。生物质炭表中21,而碳含量则相反。研究表明,对生物质炭中面还可以吸CNMHG提高土壤的养碳含量以及养分有效性有重要影响的是原料本身的分吸持容量及持水容量22。土壤的田间持水量随第2期陈心想,等:生物质炭在农业上的应用169着生物质炭施用量的增加而增大03。研究表明,究表明,与对照相比,高量秸秆炭(4500在含黑色炭丰富的亚马逊土壤中,田间持水量比周kg/hm2)和炭基缓释肥(750kg/hm2)处理的CEC围无炭土壤增加了18%3。因生物质炭比表面积值分别增加24.5%和14.7%,且差异显著(P<(通常200~400m2/g)比砂质土(沙粒表面积0.05)。生物质炭对土壤CEC的影响主要与土壤和01~0.1m2/g)的大,故生物质炭易改善砂质土壤生物质炭类型及其施用量有关。在高度风化的热带持水量23,但对壤土、黏质土持水量的影响通常不土壤中投入低量生物质炭可以增加土壤CEC,大量明显。因此,生物质炭可以有效提高干旱地区砂质施用时可使CEC提高50%,从而提高土壤保肥能土的保水能力3。说明生物质炭能改善土壤持水力和缓冲性能32。生物质炭能够明显改善低CEC性能,降低土壤水渗漏损失,从而减少养分的淋失。酸性土壤的CEC,但对石灰性土壤CEC的作用不此外,生物质炭还可以促进土壤团聚体的形成351,明显4,这可能与原土壤高CEC有关。此外,生物增加土壤水稳定性团聚体数量3)。质炭对土壤CEC改善作用与其在土壤中的老化时生物质炭发达的多孔结构使土壤表层的孔隙度间有关3,随着生物质炭在土壤中作用时间的延增大,体积质量降低,使土壤结构得到改善。研究表长,其在生物和非生物的作用下氧化产生诸如羧基明随着生物质炭施用量的增加,土壤体积质量呈下等类的官能团,增大其电荷量或CEC,从而使土壤降趋势{31:3,这与 Laird等3和Chen等的研究CEC显著增大46。结果一致。在陕西墟土的盆栽试验也显示,土壤体2.2.3土壤养分土壤养分是衡量土壤肥力高低积质量随着生物质炭用量的增加而增大,但是尚未的重要指标之一,其含量的高低直接影响作物的生达到显著水平4。这有助于解决因长期过量施用长及产量。研究发现,生物质炭具有固碳、贮存养化肥而引起的土壤板结问题,改善土壤性质,提高土分、提高土壤肥力的能力2。一方面,生物质炭具地生产力。总体而言,生物质炭对土壤物理性质的有较大的比表面积,施入土壤后可以吸附多种离子,改善作用与生物质炭施用量和土壤肥力水平有关。但它对养分是一种选择性吸持,对NH4+、NO2.2生物质炭对土壤化学性质的影响吸附作用较强4。室内培养试验结果表明,生物质2.2.1土壤酸碱度由于生物质炭的灰分中含有炭通过离子交换而吸附土壤中的NO3、NH4+,从定的矿质元素如K、Ca、Mg等,其以氧化物或碳而显著增加土壤中有效氮比例1。与之不同,在华酸盐形式存在,溶于水后显碱性,故大多数生物质炭北高产农田连续3年施用生物质炭后,耕层土壤中都呈碱性。生物质炭提高酸性土壤pH值的机理可碱解氮的含量虽有下降,但不显著50)。此外,生物能是,其提高土壤碱基饱和度,降低可交换铝水平,质炭能够明显提高土壤有效磷、钙、镁含量,但对氮消耗土壤质子研究发现,以造纸废物为原料和钾的作用不显著,与已报道的生物质炭增加土生产的生物质炭,作为土壤改良剂施在酸性铁质土壤有效P、K、Mg和Ca含量的研究结果一致(32中,使土壤pH增加了1.5个单位,达到统计显著,在氮贫瘠的土壤上,由于施加生物质炭后土壤中但对碱性钙质土壤pH作用不显著。还有研究C/N值提高,从而限制了土壤氮素利用率,进而短期表明生物质炭对砂浆水稻土pH变化的影响不显内降低了作物的生长量2。此外,生物质炭也可以著41,但红壤pH显著提高,并在高用量时达显吸附阴离子,同时还可以吸附农药和重金属,减著水平,这可能与原始土壤pH有关。因此,生物质少土壤和环境污染。因此,生物质炭可以减少养分炭可以改良我国南方热带、亚热带地区铝毒和肥力和污染物的淋失22,提高肥料利用率,促进作物生低下的酸性土壤。长和提高产量,保护生态环境2.2.2土壤阳离子交换量(CEC)土壤CEC与土生物质炭富含有机碳,可以增加土壤有机碳含壤粘粒含量、矿物类型、有机质及pH有关,因而需量1:)、土壤有机质3或腐殖质含量,生物质炭要研究生物质炭对土壤CEC的影响。生物质炭比本身的种类和性质以及作用土壤的性质决定了其对表面积大,可以增强土壤对阳离子的吸附能力4),土壤有机质的影响程度(对肯利亚西部某处土增加耕层土壤CEC[3n·。由于阳离子交换性能提壤的研究表明,加入生物质炭之后该地土壤的有机高,导致营养物质的缓慢释放及有机质的稳定化,从碳矿化量减V凵中国煤化工的稳定性上而有效促进植物对营养成分的吸收,即可以潜在地升。然而,CNMHG质炭通过激降低养分淋洗。华北平原高产农田3年定位试验研发效应促进了土壤有机质的分解释放,通过提高土170西北农林科技大学学报(自然科学版第41卷壤微生物的活性而促进土壤腐殖质的分解5。另中接种菌的存活率及其对植物的侵染32,这也是人有研究表明,生物质炭还可以显著改变土壤有机物们将其用作微生物肥料接种菌载体的原因。生物质质的组成,降低土壤活性较高的有机物质(胡敏酸和炭的相对稳定性使它并不能很好地直接被土壤微生富里酸等)比例31物利用,其对土壤微生物的影响可能主要是基于对2.3生物质炭对土壤微生物的影响土壤环境的改变。然而,土壤环境的改变以及土壤土壤微生物是土壤碳库中最为活跃的组分,对微生物的活动反过来也能影响生物质炭,故生物质施用生物质炭的响应也比其他有机质更快。生物质炭和土壤微生物的相互作用机理有待进一步深人探炭对土壤微生物的影响主要表现在土壤微生物组成究。的变化和土壤微生物量的增减2个方面。生物质炭的多孔性和表面特性以及对水肥的吸3生物质炭对作物生长的影响附作用都为土壤微生物提供了良好的栖息环境,生物质炭不仅可以用作土壤调节剂,而且还能为土壤有益微生物提供保护,进而增加微生物数量起到肥料的作用。生物质炭具有良好的物理性质和及活性,特别是丛枝状菌根真菌(AMF)或泡囊丛枝养分调控功能,施入土壤可以显著促进种子萌发和状菌根真菌(VAM)5。前人利用磷酸脂肪酸法研植物根系生长,从而提高作物生产力及作物产究发现,施用生物质炭后,土壤中真菌和革兰氏阴性量36。目前,关于生物质炭对土壤肥力和作物生长菌的生物量明显增加。也有研究表明,生物质炭影响的研究多集中在风化土及典型热带贫瘠土壤可以增强作物根部真菌的繁殖能力,促进植物根瘤上6,生物质炭对作物生长的影响可分为促进作菌的生物固氮,改变土壤硝化微生物菌群活性9。用10、抑制作用或无影响m。生物质炭可以调控土壤微环境的理化性质影响土不同的生物质炭施用量对作物产量有很大的影壤微生物的生长和代谢,微生物繁殖的同时也会改响,一般在生物质炭用量较低时提高作物生物量,用变作物生长的微环境,对作物生理生化过程产生重量较高时会降低作物生物量。在黄色铁铝土(xan要影响。thic ferralsol)进行的田间试验表明,在生物质炭施土壤微生物群落结构的变化从另一方面反映了用量为135.2t/hm2时,豇豆的生物量是对照的2生物质炭对土壤微生物组成的影响。近年来,一些倍32。然而,采用沙壤土的盆栽试验结果表明,在学者在研究微生物群落结构变化对生物质炭的响应生物质炭用量为30和60t/hm2时,黑麦草( Lolium时,利用了分子生物学和生物化学技术6。 Pieti- perenne)的生物量分别比对照增加了20%和52%;kainen等61使用PLFA技术分析了施用生物质炭在生物质炭用量为100和200t/hm2时,黑麦草的的土壤微生物群落结构,认为生物质炭对微生物群生物量反而比对照降低了8%和30%[m2。另有研落结构影响较大,主要是有利于个体较小且生长速究发现,生物质炭能显著提高低肥力土壤上黑麦草度较快的微生物生长。 Grossman等(21比较观察了的产量,增加幅度随生物质炭用量的增加而增大;而含生物质炭和不含生物质炭的土壤中微生物群落的在高肥力土壤上生物质炭对黑麦草产量的影响不显种类,发现含有生物质炭的土壤不论种类和用途其著,当生物质炭用量达到200g/kg时,生物质炭对微生物种类基本相同,且与不含生物质炭的土壤中黑麦草的生长甚至产生了轻微的抑制作用,产量有微生物种类明显不同,说明生物质炭对微生物的群定下降1落分布具有一定的控制作用。作物对不同性质的生物质炭的响应也不同。有土壤微生物量的变化是表征土壤微生物对生物研究显示,一般而言,在施用500℃裂解的生物质炭质炭响应的重要指标之一。 Liang等通过生物质后,作物生物量显著高于施用其他温度的生物质炭炭的长期效应发现,生物质炭显著提高了土壤微生P<0.05),而生物质炭原料类型变化致使作物生物量。有研究结果表明,施用生物质炭显著提高物量的增幅是热解温度的8倍3)。温室盆栽试验了土壤微生物量碳水平,且增幅随着生物质炭用量结果表明,动物粪便炭使玉米生物量增加43%,玉的增加而增大,这与吕伟波和黄超等的研究结米秸秆炭增加30%,而食物残渣炭减少92%,与对果一致。然而,黄超等31同时指出,生物质炭会降照差异都达YHa中国煤化工低高肥力土壤的微生物量碳水平,下降幅度随其用在不同CNMHG入生物质炭的量的增加而增大。此外,生物质炭还可以增加土壤响应也不同。研究发现,在碱性钙质土壤上施入由第2期陈心想,等:生物质炭在农业上的应用171造纸废物高温热解得到的生物质炭后,小麦和萝卜3)由于土壤酶活性与土壤的生物、物理及化学的干质量减产;而在酸性铁质土壤上,施入该生物质性质紧密联系,因此已经被作为一个重要的生物活炭后,小麦和萝卜的干质量显著增加,在酸性淋溶土性指标应用于土壤肥力、土壤自净能力的鉴定和土上施用以农业残余物为原料制得的生物质炭后,萝壤质量的评价。目前,虽然关于生物质炭对一些土卜的干质量显著增加。壤酶活性的影响国外已有报道,但相对较少,因此亟在同一土壤上,不同类型的作物对生物质炭的需进行生物质炭对土壤酶活性影响的进一步探究。响应也不同。在Dehi土中施用等量生物质炭(5004)鉴于现有研究报道的作物对生物质炭施用kg/hm2)时,豌豆的生物量增加60%,大豆和绿豆的量反应存在差异,故需要进一步探索其原因或机理。产量分别增加了50%和22%1。这可能是由于施此外,生物质炭与肥料配合施用几乎都是正效应。用生物质炭增加了土壤中养分特别是氮肥的有效因此,研究生物质炭肥料缓释载体及其与肥料合理性。而在火山灰土( Volcanic ash soil)上的田间试配施是研究者需要进一步解决的问题。验结果表明,当生物质炭用量分别为5和15t/hm2志谢:感谢农业部黄土高原农业资源与环境修复重点开时,大豆和玉米均表现出减产效应3。放实验室和农业部西北植物营养与农业环境重点实验室在近期研究表明3:,如果生物质炭和其他有试验期间给子的帮助机或无机肥料配合施用,作物增产效果更佳。有研究显示,在施用无机肥料的同时添加生物质炭野草[参考文献]植株对地表的覆盖率比单独施用无机肥料时提高了提高了1]毕于运高春雨,王亚静,等中国秸秆资源数量估算[农业工程学报,2009,25(12):211-21746%15。与单施无机肥料相比,生物质炭和无机肥BiY Y, Gao C Y, Wang Y J, et al. Estimation of straw re-料配施后,谷物的产量提高了2倍6。盆栽试验结sources in China [J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(12)果表明,施用生物质炭显著提高了菠菜产量和生物211-217.(in Chinese)量,增幅为2.5%~57.3%,施用生物质炭的增产效[2 Antal M J. Gronli M. The art, science, and technology of cha果随着施氮量的增加而降低,生物质炭与化肥配施coal production [J]. Industrial& Engineering Chemistry Research,2003,42(8):1619-1640对菠菜增产效果最好)[3]刘玉学,刘微,吴伟祥,等.土壤生物质炭环境行为与环境效4研究展望应[].应用生态学报,2009,20(4):977982iu YX, Liu W, Wu wx, et al. Environmental behavior and国内外现有的研究表明,当生物质炭施入土壤effect of biomass derived black carbon in soil A review [J]Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(4): 977-982(后,其在封存碳的同时,还可以改善土壤理化性质Chinese)提高土壤肥力促进作物生长,从而提高作物产量。[4] Cao X D, Harris w., Properties of dairy-manure-derived biochar生物质炭的最佳施用范围因土壤类型和性质、作物pertinent to its potential use in remediation [J].Bioresource种类、土壤肥力状况和矿质肥管理而变化。然而,目Technology,2010,101(14):5222-5228.前对生物质炭的农用研究仍存在不足,有待进一步[5] Shrestha G, Traina S J, Swanston CW. Black carbon' s proper深入开展,主要表现为以下几个方面Sustainability, 2010, 2(1):294-3201)关于生物质炭的多数研究的周期均较短,其6 Woolf D, AmoneteeJE, Street-Prrrot F A, et al. sustainable中一些研究在温室或实验室中进行,且一些研究结biochar to mitigate global climate change []]. Nature Commu-果存在相互冲突现象。目前,国内外已开展了一些nications, 2010,1:1生物质炭长期效应的田间试验但仍存在不足,如生7]LeWw, Hawkins B, Day D M,tl. Sustainability: The capacity of smokeless biomass pyrolysis for energy production, glob物质炭作为土壤改良剂的合理施用方法,以及生物al carbon capture and sequestration [J]. Energy&Environment质炭改良土壤、促进作物生长的最佳施用量等。因Science,2010,3(11):1695-17此,对生物质炭施用后长期效应的田间试验研究亟[8] Robert K G, Gloy B A. Joseph S,etl. Life cycle assessment of待开展。biochar systems: Estimating the energetic, economic, and cli2)我国土壤类型众多,而不同类型的生物质炭mate change potential [J]. Environment Science& Technology在不同土壤上的表现不同,应根据各地实际情况,对2010,44(2):827-833[9]邱敬,高中国煤化工进展[J.亚热带其进行全国多点和联网研究,并进行长期定位试验,资源与环CNMHG寻求适合当地土壤的生物质炭类型及其生产条件Qiu J, Gao R, yang Y S, et al. 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