薛生桂，王艷瑩

（西藏大學(xué) 理學(xué)院生命科學(xué)系，西藏自治區(qū) 拉薩 850000）

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在厭氧或者絕氧條件下經(jīng)高溫裂解后形成的富含碳的物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和各種可燃?xì)怏w等。生物質(zhì)炭作為一種土壤改善劑，富含有機(jī)物等營(yíng)養(yǎng)成分，并具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)，施加到土壤后，能增加土壤有機(jī)物含量，提高土壤孔隙度，改善土壤環(huán)境[1]。因此生物質(zhì)炭能夠作為土壤添加劑使退化土壤得到有效改良。此外，生物質(zhì)炭具有很強(qiáng)的抗分解能力和強(qiáng)吸附能力，可有效改善土壤中的重金屬等有害物質(zhì)殘留的情況，不易被微生物礦化，從而達(dá)到固碳減排，具有緩解全球變暖的重要意義[2]。

生物炭質(zhì)在土壤中的使用也越來越受關(guān)注，但目前還有一定的理論發(fā)展空間。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要依據(jù)土壤類型對(duì)生物質(zhì)炭的類型和添加量進(jìn)行局部測(cè)試后再進(jìn)行，促進(jìn)其作用于土壤環(huán)境的改善。

1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)

生物質(zhì)炭大多化學(xué)和生物穩(wěn)定性良好，主要為單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成的含碳的聚合物[3]。制備生物質(zhì)炭時(shí)需要根據(jù)選用原料的不同而采用不同的裂解溫度和裂解形式，生物質(zhì)炭的最終產(chǎn)量和性質(zhì)也會(huì)存在著一定的差異。一般來說，與以木炭、秸稈為原料制成的生物質(zhì)炭相比，畜禽糞為原料所制成的含有大量灰分，pH 值也更高。此外，裂解時(shí)溫度越高，pH 值也會(huì)越高。而生物質(zhì)炭的總碳含量和不易分解碳含量會(huì)隨著裂解時(shí)溫度的升高而有所增加，但存在一定上限，且溫度越高生物學(xué)穩(wěn)定性越強(qiáng)[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，裂解時(shí)溫度不僅對(duì)碳元素的含量產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)生物質(zhì)炭的其他特性產(chǎn)生了影響[2]。如高溫（＞600℃）會(huì)增加生物質(zhì)炭的比表面積和孔隙度，但是當(dāng)溫度達(dá)到一定的臨界值時(shí)，會(huì)破壞孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積會(huì)降低[3]。

2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤環(huán)境的影響

2.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

將生物質(zhì)炭施加到土壤后，土壤的物理性質(zhì)發(fā)生改變。其低密度和多孔結(jié)構(gòu)增加了土壤通氣透水性，吸附土壤顆粒，增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)[1，3]。在某些流域發(fā)現(xiàn)的黑土中，土壤密度往往與土壤剖面深度的改變呈正相關(guān)趨勢(shì)，這主要是由于土壤中的生物質(zhì)炭發(fā)揮了一定作用。生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)可以形成較大的比表面積，吸附并保持水分，提高土壤的滲透性從而提高土壤保水能力，增加土壤田間持水量[5]。

2.2 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭一般為堿性，施加到酸性土壤后，可以提高土壤的pH 值。生物質(zhì)炭表面豐富的羧基、醛基和羥基等官能團(tuán)使其具有較高的CEC，可以提高土壤的CEC[1]增加土壤的養(yǎng)分含量。同時(shí)，生物質(zhì)炭表面電荷靜電和孔隙結(jié)構(gòu)吸附含氮養(yǎng)分離子從而降低土壤養(yǎng)分的淋溶失[6]。將四種原料不同，裂解溫度和方式相同制備得到的生物質(zhì)炭添加到不同類型的土壤中，可以發(fā)現(xiàn)所有類型土壤的pH 值都升高了，尤其是砂質(zhì)土壤中效果最為明顯。而將生物質(zhì)炭和化肥一起施加后，雖顯著增加了田間的持水量和土壤總碳量，但顯著降低了氮的礦化速率[7]。生物質(zhì)炭還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中殘留農(nóng)藥、重金屬等有害物質(zhì)含量進(jìn)行改善，保障土壤中各種動(dòng)植物、微生物的正常生存繁衍，維護(hù)土壤的生態(tài)平衡環(huán)境。

2.3 對(duì)土壤微生物的影響

生物質(zhì)炭通過其疏松多孔的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積為土壤中的各種動(dòng)植物生長(zhǎng)提供良好的條件，保證土壤的生物量和活性[6]。微生物種類、數(shù)量及呼吸作用會(huì)隨著生物質(zhì)炭的施加呈現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)。通過在某豆田土壤中添加生物質(zhì)炭，并設(shè)立對(duì)照組，使用同位素標(biāo)記技術(shù)測(cè)得微生物固氮水平可以發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭的豆田中微生物固氮水平明顯提高。將生物質(zhì)炭施入到不同質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)成分含量不同的4種土壤中可以發(fā)現(xiàn)土壤中的微生物活性隨著生物質(zhì)炭添加普遍呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增加的幅度與土壤類型具有一定的相關(guān)性[8]。

3 生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體排放的影響

3.1 對(duì)土壤CO2 排放的影響

有機(jī)碳分解是土壤CO2的主要來源。Mata 分析表明添加生物質(zhì)炭使土壤CO2排放顯著增加了22.14%[9]，造成這種結(jié)果的原因主要是生物質(zhì)炭中的可溶性有機(jī)物被微生物分解利用，從而促進(jìn)土壤CO2排放[10]。而Zhou 等人在亞熱帶森林中的研究顯示，不論是添加10t ha-1還是30t ha-1生物質(zhì)炭，基生物質(zhì)炭劑量對(duì)土壤CO2的排放并沒有顯著影響[11]。王戰(zhàn)磊也得到了相似的結(jié)果[12]。Mata 分析顯示，生物質(zhì)炭對(duì)土壤CO2排放的影響主要取決于生物質(zhì)炭本身理化性質(zhì)、土壤質(zhì)地，根據(jù)這些不同因素添加生物炭質(zhì)后土壤二氧化碳的排放結(jié)果也不同[9]。

3.2 對(duì)土壤CH4 排放的影響

甲烷向土壤的排放主要是由產(chǎn)甲烷菌和甲烷營(yíng)養(yǎng)素之間的平衡引起的。生物質(zhì)炭添加會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌等微生物的多樣性和活性，進(jìn)而影響CH4的排放。研究表明生物質(zhì)炭的添加顯著增加了CH4的氧化吸收[9]，這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)碳本身是多孔的和堿性的，一方面抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性降低CH4的產(chǎn)生，另一方面利于甲烷氧化菌的生長(zhǎng)[10]，促進(jìn)CH4氧化吸收。但是Hawthorne 等人發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭會(huì)顯著降低CH4 的氧化吸收，并隨著添加量增加而降低凈CH4氧化吸收量，這一現(xiàn)象可能是由于生物質(zhì)炭表面的一些物質(zhì)抑制甲烷氧化菌的活性引起的[10]。也有研究表明，在溫帶或亞熱帶森林施加生物質(zhì)炭對(duì)CH4的氧化吸收沒有顯著影響[12]。Mata 分析結(jié)果顯示對(duì)CH4排放的差異主要受施加的生物質(zhì)炭原材料溫度、土壤質(zhì)地等的影響[9]。因此添加生物質(zhì)炭來降低土壤CH4排放還需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。

3.3 對(duì)土壤N2O 排放的影響

硝化反應(yīng)是土壤N2O 產(chǎn)生的主要反應(yīng)。硝化反應(yīng)的第一階段（通過氨氧化作用）生成N2O，第二階段（通過亞硝化作用）在缺氧的條件下，產(chǎn)生的NO2通過歧化反應(yīng)生成N2O[6]。大多數(shù)研究數(shù)據(jù)證明生物質(zhì)炭添加會(huì)降低30.92%的土壤N2O 排放量[9]。生物質(zhì)炭的孔隙性結(jié)構(gòu)可以降低土壤密度，抑制土壤反硝化作用從而減少N2O 的形成和排放[10]，同時(shí)生物質(zhì)炭的較強(qiáng)吸附性可以吸附土壤有機(jī)碳或NH4+/NO3－，從而減少硝化或反硝化細(xì)菌的可用底物抑制硝化或反硝化作用，降低N2O 的排放[6]。pH 值也極大影響土壤硝化或反硝化作用，在一定范圍內(nèi)，硝化速率隨pH 的增高而提升，生物質(zhì)炭一般呈堿性，添加生物質(zhì)炭提高土壤pH 促進(jìn)硝化作用，減少N2O 的排放[13]。生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O 排放的影響因素復(fù)雜，例如生物質(zhì)碳的性質(zhì)利用率和土壤類型施、用量等影響[9]。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭的應(yīng)用對(duì)于解決當(dāng)前部分地區(qū)土壤貧瘠，全球氣候變暖等問題具有重要的意義。生物質(zhì)炭施加到土壤后，土壤自身狀態(tài)不僅得到了改善，還能有效減少溫室氣體的排放。目前還未出現(xiàn)統(tǒng)一的關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體排放影響的標(biāo)準(zhǔn)化研究結(jié)果，具體情況還在進(jìn)一步試驗(yàn)比較。因此，為了減少土壤溫室氣體排放，緩解全球變暖，生物質(zhì)炭的添加有必要依據(jù)土壤類型以及生物質(zhì)炭類型進(jìn)行局部測(cè)試后再進(jìn)行。