生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳的增匯減排作用

生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳的增匯減排作用

土壤中存在各種化學(xué)手術(shù)和生物化學(xué)手術(shù)，土壤中呈現(xiàn)不同的酸性或堿性特征。按照土壤pH的大小可以將酸性土壤分為:酸性土壤(土壤pH介于5.0~6.5之間)和強(qiáng)酸性土壤(土壤pH<5.0)。酸性土壤包括磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、灰化土和燥紅土等。在熱帶、亞熱帶地區(qū),廣泛分布著酸性紅黃壤。由于這些地區(qū)高溫多雨、濕熱同季的特點(diǎn),土壤的風(fēng)化和淋溶作用比較強(qiáng)烈,鐵鋁氧化物明顯富積,生物物質(zhì)循環(huán)非常迅速,土壤鹽基飽和度較低,pH一般在4.5~6.0的范圍,不僅土壤酸度高,而且肥力水平低。酸性土壤在世界范圍內(nèi)廣泛分布,對(duì)這類土壤的酸度進(jìn)行合理調(diào)控,可以更好地發(fā)揮它們?cè)谵r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。1土壤氧化和酸性土壤的主要障礙因素1.1土壤分析方法立地條件分析酸化伴隨土壤的風(fēng)化和成土過程而發(fā)生。在多雨的自然條件下,降水量大大超過蒸發(fā)量,土壤中的淋溶作用非常強(qiáng)烈,使得土壤溶液中的鹽基離子易隨滲濾水向下移動(dòng),土壤中的可溶鹽基離子和交換性鹽基離子減少。土壤溶液中的氫離子占據(jù)陽離子交換位,土壤的鹽基飽和度下降,氫飽和度增加。由于土壤交換性氫不穩(wěn)定,會(huì)主動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q性鋁,導(dǎo)致土壤酸度明顯提高。土壤酸化過程中氫離子主要來源于水、碳酸和有機(jī)酸的離解,酸性沉降及生理酸性肥料的施用是加速土壤酸化的人為質(zhì)子源。土壤層狀鋁硅酸鹽礦物、含鋁氧化物和氫氧化物中含有大量的鋁,土壤酸化加速土壤中含鋁礦物的風(fēng)化并將大量鋁離子釋放出來。土壤可溶性鋁濃度提高,鋁對(duì)植物的毒害增加,導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)、森林退化。1.2土壤酸度對(duì)作物生長發(fā)育的影響植物正常生長發(fā)育有賴于良好的土壤環(huán)境,中性土壤環(huán)境最有利于大多數(shù)植物的生長。過酸和過堿的環(huán)境不利于大多數(shù)植物的正常生長。酸性土壤中鋁毒和土壤肥力低是限制作物生長的兩個(gè)主要障礙因素。隨著土壤酸度增加,土壤溶液中總鋁和有毒形態(tài)鋁的濃度均增加,有毒形態(tài)鋁對(duì)植物根系產(chǎn)生傷害,影響作物正常生長。酸性土壤遭受強(qiáng)烈的淋溶作用,土壤中鉀、鈣和鎂等鹽基性養(yǎng)分含量低,酸化還使土壤陽離子交換量(CEC)減小,土壤的保肥能力下降。酸化使紅壤對(duì)磷酸鹽的吸附和固定能力增加,導(dǎo)致磷的植物有效性下降。2農(nóng)業(yè)廢棄物作鋼渣或增加鹽堿基礎(chǔ)施用石灰和石灰石粉是改良土壤酸度的傳統(tǒng)有效方法,石灰能有效中和土壤酸度并提高養(yǎng)分元素鈣含量,一般對(duì)pH低于5.5的酸性土壤,施用石灰均可取得明顯的改土和作物增產(chǎn)效果。廉價(jià)、易得的工業(yè)副產(chǎn)品也可用于酸性土壤改良,如施用磷酸工業(yè)的廢棄物磷石膏、氨堿法制備純堿過程產(chǎn)生的堿渣及煉鋼過程中產(chǎn)生的鋼渣均能取得一定的改良效果。近期的研究表明,農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物也可改良土壤酸度[7,8,9,10,11,12,13,14,15],但是這種改良作用取決于作物秸稈的種類及土壤性質(zhì)。直接用農(nóng)業(yè)廢棄物改良土壤酸度的一個(gè)不足之處是,添加到土壤中的植物物料易被微生物分解。如能將農(nóng)作物秸稈經(jīng)過改性和處理制備成性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的改良劑,則意義重大。3農(nóng)業(yè)廢棄物作土壤改良劑在厭氧或者絕氧的條件下對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行熱解,可以生成CO2、可燃性氣體、揮發(fā)性油類和焦油類物質(zhì),還有一種含碳豐富的固體物質(zhì),一般稱之為生物質(zhì)炭。用來制備生物質(zhì)炭的生物質(zhì)材料包括各種天然有機(jī)物質(zhì)及其衍生物,如草本類的物質(zhì)、木材廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、城市固體垃圾、畜禽糞便、水生植物和藻類等。將農(nóng)業(yè)廢棄物通過熱解過程轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)炭可以減少農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染,還可以以可再生能源替代不可再生能源。生物質(zhì)炭通過碳負(fù)效應(yīng)可以近乎永久性地將大氣中的碳固定起來,添加到土壤中的生物質(zhì)炭不易被微生物分解,被認(rèn)為是一種對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中的CO2起到長期的碳匯作用的新方法。因此,近幾年來生物質(zhì)炭被學(xué)術(shù)界、企業(yè)和政府部門廣泛關(guān)注。將生物質(zhì)炭用作土壤改良劑,可以對(duì)土壤產(chǎn)生很多有益的作用,它可以改善土壤的物理性質(zhì)、增強(qiáng)土壤的保水能力、促進(jìn)土壤微生物種群的發(fā)展和增強(qiáng)微生物的活性、減少土壤養(yǎng)分的淋失、促進(jìn)養(yǎng)分的循環(huán),并且可以增加土壤有機(jī)碳的含量,從而促進(jìn)植物的生長。生物質(zhì)炭表面帶有負(fù)電荷,具有較高的CEC,可以提高土壤對(duì)養(yǎng)分離子鈣、鉀、鎂和NH4+等的吸持能力,提高土壤的肥力。生物質(zhì)炭的另一個(gè)重要特征是具有較高的pH,一般呈堿性,因此可以用于酸性土壤的改良。由于生物質(zhì)炭比較穩(wěn)定,用生物質(zhì)炭中和土壤酸度可以克服直接施用農(nóng)作物秸稈存在的不足。4生碳對(duì)酸性土壤的改善4.1生物質(zhì)炭的總堿含量及其對(duì)土壤酸度的影響生物質(zhì)炭具有較高的pH,添加到酸性土壤中可以提高土壤的pH,降低土壤酸度。采用厭氧熱解的方法于350℃下由油菜秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、稻草、稻糠、大豆秸稈、花生秸稈、蠶豆秸稈和綠豆秸稈等常見農(nóng)作物殘?bào)w制備了9種生物質(zhì)炭,按10g/kg的比例加入到初始pH4.3的紅壤中進(jìn)行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)所有生物質(zhì)炭均能不同程度提高土壤的pH,60天培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),油菜秸稈炭、稻草炭、玉米秸稈炭、小麥秸稈炭和稻糠炭分別使紅壤提高了0.66、0.51、0.46、0.42和0.18個(gè)pH單位;綠豆秸稈炭、花生秸稈炭、大豆秸稈炭和蠶豆秸稈炭分別使紅壤提高了1.05、0.95、0.89和0.59個(gè)pH單位。豆科物料制備的生物質(zhì)炭對(duì)紅壤酸度的改良效果要優(yōu)于非豆科物料制備的生物質(zhì)炭。用酸堿滴定方法測(cè)定了生物質(zhì)炭的總堿含量,并將不同生物質(zhì)炭對(duì)紅壤改良后的土壤pH分別與生物質(zhì)炭的pH和生物質(zhì)炭的總堿含量進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明生物質(zhì)炭改良后的土壤pH和生物質(zhì)炭的總堿含量呈直線相關(guān),相關(guān)系數(shù)(R2)為0.95。因此,生物質(zhì)炭的總堿含量是決定其對(duì)土壤酸度中和效果的主要因素,由豆科植物物料制備的生物質(zhì)炭的總堿含量高于非豆科植物物料制備的生物質(zhì)炭,這是前者對(duì)酸性紅壤改良效果好于后者的主要原因。Yuan等選擇油菜秸稈、玉米秸稈、大豆秸稈和花生秸稈,分別在300℃、500℃和700℃下制備生物質(zhì)炭,詳細(xì)研究了生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的存在形態(tài),闡明了生物質(zhì)炭改良酸性土壤的機(jī)制。結(jié)果表明有機(jī)官能團(tuán)和碳酸鹽是生物質(zhì)炭中堿的主要存在形態(tài)。采用X-射線衍射分析和CO2容量法的測(cè)定結(jié)果表明,生物質(zhì)炭中碳酸鹽的總量和結(jié)晶態(tài)碳酸鹽的含量均隨其制備溫度的升高而增加,碳酸鹽對(duì)生物質(zhì)炭總堿含量的貢獻(xiàn)也隨制備溫度的升高而增加。制備溫度為300℃、500℃和700℃時(shí),油菜秸稈炭中碳酸鹽對(duì)總堿量的貢獻(xiàn)率分別為18%、51%和55%;大豆秸稈炭中碳酸鹽對(duì)總堿量的貢獻(xiàn)率分別為18%、41%和42%;花生秸稈炭中碳酸鹽對(duì)總堿量的貢獻(xiàn)率分別為9%、37%和43%。紅外光聲光譜的研究結(jié)果表明,生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團(tuán),如羧基和酚羥基等,在較高pH下這些官能團(tuán)以陰離子形態(tài)存在,它們能與酸性土壤中的H+發(fā)生締合反應(yīng),中和土壤酸度,有機(jī)陰離子是生物質(zhì)炭中堿的另一種重要形態(tài)。研究還表明,生物質(zhì)炭表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量隨制備溫度的升高而減少,因此,有機(jī)陰離子對(duì)較低溫度下制備的生物質(zhì)炭的堿量有重要貢獻(xiàn)。4.2物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤交換性鋁的影響鋁毒是酸性土壤限制作物生長的最主要的因素。當(dāng)土壤溶液中可溶性鋁離子濃度超過一定限度時(shí),就會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用。交換性鋁是酸性土壤中的主要活性形態(tài)鋁,向土壤中添加生物質(zhì)炭顯著降低了土壤交換態(tài)鋁,減少鋁對(duì)植物的毒害作用。生物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤中交換性鋁的影響主要是通過改變土壤的pH值實(shí)現(xiàn)的。隨著土壤pH提高,交換性鋁發(fā)生水解轉(zhuǎn)化成羥基鋁并部分形成鋁的氫氧化物或氧化物沉淀。生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團(tuán),這些有機(jī)官能團(tuán)能與鋁形成穩(wěn)定的配(鰲)合物,使土壤交換性鋁轉(zhuǎn)化為活性較低的有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁。生物質(zhì)炭含有一定量的鈣、鎂和鉀等鹽基陽離子,當(dāng)將生物質(zhì)炭施入土壤中,這些鹽基陽離子與土壤交換性鋁發(fā)生交換反應(yīng),使土壤交換性鋁含量減少,交換性鹽基陽離子含量增加,使土壤鹽基性養(yǎng)分含量增加,提高土壤的肥力水平,特別是交換性鈣和鉀增加顯著,因?yàn)樯镔|(zhì)炭中鈣和鉀含量較高。土壤鈣和鎂含量的增加還能有效緩解鋁對(duì)植物的毒害作用,這是因?yàn)殁}和鎂能夠與鋁離子競(jìng)爭(zhēng)植物根表的吸附位,減少根表鋁離子的數(shù)量。4.3生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分及總體規(guī)劃熱帶和亞熱帶地區(qū)的酸性土壤由于有機(jī)質(zhì)含量和土壤礦物的CEC較低,所以肥力水平低,不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。熱帶地區(qū)豐富的降雨加劇營養(yǎng)元素的淋失,但熱帶亞馬遜黑土中營養(yǎng)元素的淋失量很低,這使人們認(rèn)識(shí)到生物質(zhì)炭可以提高熱帶土壤對(duì)營養(yǎng)元素的保持能力。近期生物質(zhì)炭在熱帶地區(qū)土壤上的應(yīng)用進(jìn)一步證明,它能增強(qiáng)土壤的肥力,減少土壤養(yǎng)分的淋失。作物秸稈等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物中含有一定量的養(yǎng)分元素,有機(jī)物料在熱解制備成生物質(zhì)炭的過程中原物料中的營養(yǎng)元素在生物質(zhì)炭中得到濃縮和富集,因此生物質(zhì)炭含有豐富的營養(yǎng)元素,施用生物質(zhì)炭可以提高土壤的肥力水平。生物質(zhì)炭中養(yǎng)分的含量與其來源物料中元素的含量呈直線相關(guān),說明物料的化學(xué)組成對(duì)生物質(zhì)炭的養(yǎng)分含量有重要影響,因此可以篩選養(yǎng)分含量較高的有機(jī)物料制備高效生物質(zhì)炭改良劑。生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團(tuán)如羧基和酚羥基等,在較高pH下這些有機(jī)官能團(tuán)以陰離子形態(tài)存在,使生物質(zhì)炭表面帶有大量負(fù)電荷。研究表明,生物質(zhì)炭的CEC約為酸性土壤的10~20倍,因此施用生物質(zhì)炭可以提高熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤的CEC,特別對(duì)CEC很低的酸性土壤效果更明顯。施用生物質(zhì)炭提高土壤CEC是其提高土壤保肥能力的一個(gè)重要原因。此外,生物質(zhì)炭具有較大的表面積和高度的孔隙結(jié)構(gòu),增強(qiáng)其對(duì)養(yǎng)分離子的保持,生物質(zhì)炭還可增加土壤的保水能力,這也在一定程度上減少了養(yǎng)分的淋失。4.4生物質(zhì)炭對(duì)土壤中銨的吸附和保持能力熱帶和亞熱帶地區(qū)多雨的氣候條件導(dǎo)致土壤氮素容易淋失,添加生物質(zhì)炭可以增加土壤對(duì)氮素的保持能力。在亞馬遜河中部地區(qū)建立了田間試驗(yàn)小區(qū),研究了木炭對(duì)土壤氮素保持能力的影響。將15N標(biāo)記的(NH4)2SO4(N27.5kg/hm2)施入到土壤中,連續(xù)兩季種植高粱,兩季作物收獲后,添加木炭的土壤中的氮保留量顯著地高于只添加化肥的。生物質(zhì)炭主要通過以下途徑增加土壤對(duì)氮的保持能力:(1)增加土壤對(duì)銨根離子的吸附和保持能力,生物質(zhì)炭表面豐富的含氧官能團(tuán)、大量的負(fù)電荷、多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面使其對(duì)銨有很強(qiáng)的吸附能力,減少氮素?fù)p失;(2)土壤對(duì)銨吸持能力的增加,降低了土壤硝化反應(yīng)的速率;(3)生物質(zhì)炭增加土壤的保水能力,減少硝態(tài)氮的淋失;(4)生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了活動(dòng)場(chǎng)所,有利于固氮微生物群落的發(fā)展,增強(qiáng)了土壤生物固氮能力。生物質(zhì)炭增加土壤對(duì)氮素的保持能力,提高土壤氮素的有效性,這不僅減少氮的淋失,減少化肥的施用量,同時(shí)也減少氮素淋失對(duì)水環(huán)境的污染,減少了N2O等溫室氣體的排放。4.5對(duì)酸性土壤總磷的提取磷是高度風(fēng)化的熱帶土壤生產(chǎn)力的一個(gè)主要的限制元素。酸性土壤上植物缺磷的直接原因是土壤中磷的生物有效性低。土壤中的磷易被固定,移動(dòng)性差。酸性土壤中鐵、鋁活性高,容易與磷形成難溶性的鐵磷和鋁磷,甚至有效性更低的閉蓄態(tài)磷。因此,雖然熱帶酸性土壤總磷含量不低,但磷的有效性不高。土壤pH影響鐵、鋁對(duì)磷的固定,低pH下磷更容易發(fā)生固定。生物質(zhì)炭一般呈堿性,能提高土壤的pH值,因此,施用生物質(zhì)炭可以降低酸性土壤對(duì)磷的固定量。生物質(zhì)炭對(duì)鈣、鋁等陽離子的吸附作用也避免了這些陽離子與磷產(chǎn)生沉淀,增加了土壤中可提取態(tài)磷的量。此外,生物質(zhì)炭本身的磷含量也較高,這些磷可以被作物利用,施用生物質(zhì)炭可以直接增加土壤磷素水平,提高作物的產(chǎn)量。4.6生物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤中硼的影響生物質(zhì)炭對(duì)土壤中微量元素的形態(tài)也有影響,文獻(xiàn)已報(bào)道生物質(zhì)炭對(duì)鉬(Mo)和硼(B)的影響。與磷相似,土壤中的鉬主要以鉬酸根形態(tài)存在,酸性條件下鉬酸根易被酸性土壤吸附和固定,因此鉬的有效性也不高,酸性土壤上的許多作物易出現(xiàn)缺鉬癥狀。施用生物質(zhì)炭提高了酸性土壤的pH,增加了鉬的有效性,酸性土壤中硼也有類似現(xiàn)象[39,42,49,50,53,59]。生物質(zhì)炭本身含有一定量的鉬和硼,可以提高土壤有效態(tài)鉬和硼的水平,如添加生物質(zhì)炭增加了菜豆的生物固氮能力,主要原因就是施入生物質(zhì)炭提高了土壤中硼和鉬的有效性和可利用性。4.7木馬在作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作用土壤中添加生物質(zhì)炭可以促進(jìn)植物的生長,并能顯著提高作物的產(chǎn)量。根據(jù)施入的生物質(zhì)炭種類和數(shù)量的不同,作物的增產(chǎn)幅度在20%~220%之間。對(duì)哥倫比亞一塊高度風(fēng)化的土壤進(jìn)行為期4年(2003—2006年)的實(shí)驗(yàn),考察了木炭對(duì)玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分的影響。施入水平為20t/hm2的小區(qū),玉米產(chǎn)量在2004年、2005年和2006年分別比不施木炭的對(duì)照增加了28%、30%和140%。木炭中有效性鈣和鎂的含量較高,施用木炭使土壤有效態(tài)鈣和鎂的含量提高了77%~320%,這是促進(jìn)玉米增產(chǎn)的主要原因。另一項(xiàng)研究表明,作物吸收磷、鉀、鈣、鋅和銅的量隨木炭加入水平的提高而增加。將有機(jī)肥和木炭一起施入到熱帶地區(qū)高度風(fēng)化的酸性土壤中可以增加作物根際的養(yǎng)分濃度,減少養(yǎng)分的淋失,提高作物的產(chǎn)量。甜椒和西紅柿無土栽培實(shí)驗(yàn)中,加入1%~5%的木炭可以促進(jìn)甜椒的生長、增加甜椒的生物量,同時(shí)還增加了甜椒根系的微生物群落的數(shù)量。木炭促進(jìn)植物生長的主要原因?yàn)?(1)木炭改變了植物根系周圍的微生物群落,促進(jìn)了有利于植物根系生長的菌群的發(fā)展;(2)木炭所含的化學(xué)物質(zhì),在低劑量的條件下能促進(jìn)植物的生