生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展

生态环境学报2011，20(4)：779．785EcologyandEnvironmentalScienceshttp：Hwww．jeesci．comE—mail：editor@jeesci．com生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展袁金华，徐仁扣1．中国科学院南京土壤研究所／／t壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京210008；2．中国科学院研究生院，北京100049摘要：在厌氧或者绝氧的条件下对生物质进行热解，可产生含碳丰富的固体物质，称为生物质炭。由于生物质炭在农业和环境中的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用，近期成为土壤学和环境科学的研究热点。综述了生物质炭的一些基本性质及其对土壤环境功能的影响，分析了该领域未来的发展趋势。国内外的研究表明：生物质炭含有大量植物所需的营养元素，可以促进土壤养分的循环和植物的生长；生物质炭一般呈碱性，施用生物质炭可以降低土壤的酸度和有毒元素如铝和重金属对植物的毒性；生物质炭表面含有丰富的．COOH、．COH和．OH等含氧官能团，它们产生的表面负电荷使生物质炭具有较高的阳离子交换量(CEC)，施用后可以提高土壤的CEC；生物质炭对农药等有机污染物和重金属等有很强的吸附能力，可用于污染土壤的修复；生物质炭具有高度的孔隙结构，可以增加土壤的空隙度和保水能力，降低土壤容重，有利植物根系生长；生物质炭是一种含碳的聚合物，主要由单环和多环的芳香族化合物组成，这种结构特点决定了生物质炭具有较高的化学和生物学稳定性，较强的抵抗微生物分解的能力，增强了土壤的固碳作用，减少碳向大气的再释放。该文可为从事农业废弃物的资源化利用、固碳减排、污染土壤修复和土壤改良与管理等领域的科研人员提供参考。关键词：生物质炭的性质；土壤肥力；固碳减排；污染土壤修复中图分类号：S156；X14文献标志码：A文章编号：1674．5906(2011)04．0779—07在南美洲的亚马逊河流域，人们发现了一种黑土(TerraPreta)uJ，它呈黑色，通常情况下有两英尺厚。它含有高浓度的碳，较高的pH值，很多有机物质如植物残留物、动物粪便、动物残体和鱼骨等，N、P、Ca、Zn、Mn等营养元素含量较高。这类土壤的含碳量达9％，而附近其它土壤仅为0．5％；氮和磷的含量近乎附近其它土壤的3倍；农作物产量是附近其它土壤上的2倍【2j。这类土壤中微生物的活性也比附近其它土壤中的高得多。经过土壤学家、建筑学家、地理学家、农学家和人类学家的共同研究发现这是一种人为土，是前哥伦比亚印第安人为了增加土壤的肥力而把各种垃圾烧成炭(生物质炭1施人到土壤里，导致土壤呈黑色。这种土壤是亚马逊河流域发现的一种非常黑、非常肥沃的人为土，是亚马逊流域最好的土壤。亚马逊黑土的发现揭开了人们对生物质炭研究的序幕。在厌氧或者绝氧的条件下对生物质进行热解，除生成CO2、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质，还产生含碳丰富的固体物质，一般称之为生物质炭【3川。产生的生物质油或生物质气可以用来发电、精炼或用作燃料。生物质炭是含碳丰富、具有高热值而无污染的固体生物质燃料L5J。生物质炭最重要的方面是它对土壤环境功能的影响L6】。向土壤中施人生物质炭可以对土壤产生多方面的有益影响，生物质炭可以提高土壤对营养元素的吸持能力基金项目：作者简介：收稿日期：和阳离子交换量(CEC)、降低土壤的酸度和有毒元素对植物的毒性、提高土壤养分的利用率、增强土壤的保湿能力、改善土壤结构和其它物理性质、促进土壤微生物种群的发展并增强土壤微生物的活性、减少水稻土N20和CH4的排放、促进土壤养分的循环，并且可以增加土壤有机碳的含量，从而可以促进植物的生长“。制备生物质炭的生物质原料包括各种天然物质及其衍生物，如木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物、城市固体垃圾、畜禽粪便、水生植物和藻类等【5】，但大多数原料来源于农业废弃物。将农业废弃物通过热解过程转变为生物质炭可以减少农业废弃物对环境的污染，并可作为再生能源替代不可再生能源[12-14J。生物质炭通过碳．负效应可以近乎永久性地将大气中的碳固定起来，因此，近年来生物质炭引起全球环境学家、土壤学家和农学家越来越多的关注【l。与制备生物质炭的原料相比，生物质炭可以减少C02、cH4和N2O等温室气体的排放【lb1J。将生物质炭施入到土壤中近来被认为是一种对陆地生态系统中的CO2起到长期碳汇作用的新方法LlJ。1生物质炭的性质生物质炭的环境功能主要决定于其理化性质。制备生物质炭的材料和制备条件如温度、氧气含量和时间对生物质炭的性质有比较大的影响[224】。因此，由于制备生物质炭的原料不同，制备条件各有国家“十一五”科技支撑计划项目(2009BADC6B02)袁金华(1982年生)，女，博士研究生，主要从事生物质炭的性质及其农用研究。E—mail：