本文在简要回顾国内外生物炭研究进展的基础上,重点评述生物炭在农业上的应用特别是农林废弃物炭化还田对土壤、作物及农田生态系统的影响,结合对中国农业发展的实际需求分析,就生物炭技术及其产业发展中出现的相关问题进行探讨,以期为开展适合中国国情的生物炭研究和技术开发、明确产业化发展方向提供参考。
《农村天地》吉林省农业杂志，是综合性农村刊物。主要研究农村改革与发展，报道典型与经验、传播信息与技术、反映现实与意见、活跃农村文化生活、促进两个文明建设。
1生物炭概念及其理化性质
生物炭(Biochar)是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物,最早用来描述一种由高粱制备的、用于有害气体吸附的活性炭。近年来,随着粮食安全、环境安全和固碳减排需求的不断发展,生物炭的内涵逐渐与土壤管理、农业可持续发展和碳封存等相联系。2009年Lehmann在其所着的《BiocharforEnvironmentalManagement:ScienceandTechnology》一书中,将生物炭特指为以改良土壤性状为目的人为施入的炭化有机物。
同年,《Nature》发表的“TheBrightProspectofBiochar”新闻评论和2010年发表的“SustainableBiochartoMitigateGlobalClimateChange”通讯以及2011年《中国工程科学》发表的“生物炭应用技术研究”等文献,进一步明确了生物炭在粮食安全、环境安全、农业可持续发展及固碳减排中的作用。生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成,一般含有60%以上的C元素。含有的其它元素主要有H、O、N、S等。生物炭的元素组成与制炭过程中的炭化温度密切相关,具体表现为在一定范围内,随炭化温度的升高,碳含量增加,氢和氧含量降低,灰分含量亦有所增加。
生物炭的可溶性极低,溶沸点极高,具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构。羧基、酚羟基、羟基、脂族双键以及芳香化等典型结构特征,使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。在制炭过程中,原生物质的细微孔隙结构(图1)被完好地保留在生物炭中,使其具有较大的比表面积。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定是生物炭固有的特点,也是生物炭能够还田改土、提高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础。
2农业领域的生物炭研究
2.1生物炭的稳定性及其对土壤理化性质的影响
生物炭固有的结构特征与理化特性,使其施入土壤后对土壤容重、含水量、孔隙度、阳离子交换量、养分含量等产生一定影响,从而直接或间接地影响土壤微生态环境。研究表明,在长期、复杂的土壤环境或地质变迁的作用下,施入土壤中的生物炭可能会发生一定程度的物理迁移或某种途径的分解或降解,并在土壤垂直方向上进行重新分配,但不会发生明显的化学变化。即便在适宜条件下,微生物会使生物炭表面发生一定程度的分解,但分解速度缓慢,而且会因此形成一个保护壳,使表面以下的绝大部分生物炭维持稳定的O/C比,从而继续保持其稳定性。
随着时间推移,生物炭最终有可能被矿化,但到目前为止,还没有能够精确测定生物炭在土壤及环境生态系统中运转周期的方法,也还没有直接证据可以证明生物炭的降解途径和机制。可以认为,生物炭在土壤中的稳定性很强,周转过程可能长达数百年或更久,还田后不会因其自身分解而对土壤产生潜在危害。这为生物炭还田后,能持续发挥改土增产作用和固碳减排作用奠定了基础。
2.1.1生物炭对土壤物理结构的影响
已有研究结果表明,生物炭施入土壤后,可使土壤容重降低9%,总孔隙率由45.7%提高到50.6%。这种多微孔结构也使其对土壤持水能力产生影响,如提高土壤含水量及降水的渗入量等,尤其是提高土壤中可供作物利用的有效水分含量,对作物生长产生积极影响。生物炭的吸湿能力比其它土壤有机质高1—2个数量级,富含生物炭的土壤比无生物炭的土壤田间持水量高18%。一般认为,生物炭对土壤物理结构、土壤紧实度等性状的改良以及对土壤水分的影响与生物炭本身所具有的多孔结构和吸附能力有关。
生物炭的持水性能与土壤质地有关,亦受生物炭自身结构与吸湿能力的制约。笔者曾用破碎白浆层掺混生物炭的方法改良黑龙江地区的白浆土,发现施用量为10t?hm-2时,经过一个大豆生长季就可有效降低土壤容重和比重,显着提高土壤持水量,并通过土壤三相比的改善将白浆土塑性调整到理想状态。但施用量超过30t?hm-2时,白浆层反而过于松散,耕性下降(相关结果另文发表)。可见,从改良土壤物理结构角度来看,生物炭还田改土效果显着,但适宜的施用量需要根据具体的土壤类型来决定。
2.1.2生物炭对土壤化学性质的影响
生物炭不仅对土壤物理性质产生积极作用,也间接地对土壤化学性质产生重要影响。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子,进入土壤以后会有一定程度的释放,交换土壤中的H+和Al3+,从而降低其浓度,提高盐基饱和度并调节土壤pH值。生物炭提高土壤pH的作用随施用量的增加而提高。已有研究结果表明,生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后,土壤pH提高了0.1—0.46。同时,生物炭本身含有丰富的官能团,施入土壤后土壤电荷总量增加,阳离子交换量(CEC)提高了20%,最高可比无生物炭土壤增加1.9倍,且随施炭量的增加而提高,但作用程度与土壤类型、制炭原材料以及制炭技术等有关。生物炭的表面氧化能力及其表面阳离子吸附能力可能是提高土壤阳离子交换量的主要原因。
虽然生物炭本身可供作物直接吸收的养分含量很少,
