生物炭在酸性土壤改良中的應(yīng)用

劉懷優(yōu)

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川成都 611130）

自然酸性土壤的形成與氣候環(huán)境密切相關(guān)，在熱帶、亞熱帶地區(qū)，氣候條件可以使土壤發(fā)生明顯的脫硅富鋁化作用，使土壤呈酸性[1]；一些微生物活動(dòng)與植物的根系作用也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。有研究以豆科植物為例，發(fā)現(xiàn)植株吸收鹽基離子后，為了土壤電荷平衡會(huì)釋放質(zhì)子，從而促進(jìn)了土壤的酸化過(guò)程[2-3]。但是，自然酸化的過(guò)程是緩慢的，Huang等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)期施用氮肥會(huì)加速土壤酸化過(guò)程。氮肥的增施提高了作物產(chǎn)量，但同時(shí)也促進(jìn)了自然酸化過(guò)程中植株對(duì)鹽基離子的吸收[5]，這無(wú)疑形成了正反饋形式的酸化循環(huán)。除了直接作用于土壤的人類(lèi)活動(dòng)以外，人類(lèi)生活生產(chǎn)中的污染排放的加劇以及帶來(lái)的酸沉降也是土壤出現(xiàn)加速酸化趨勢(shì)的重要原因之一[6-7]。酸性土壤具有pH值低、鹽基離子淋失嚴(yán)重、微生物多樣性少等特點(diǎn)，大多作物都無(wú)法在酸性土壤環(huán)境中健康生長(zhǎng)。人為因素造成的土壤酸化與酸化加劇，使農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展雪上加霜，因此有效解決酸性土壤問(wèn)題成為了世界范圍內(nèi)共同研究的課題。

生物炭是生物質(zhì)在一定的高溫下（無(wú)氧或缺氧條件下）熱解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物，具有多孔、含碳量高、比表面積大、通常呈堿性等特征，對(duì)酸性土壤具有一定的改良作用，受到了許多學(xué)者的關(guān)注。

1 生物炭的性質(zhì)及制備工藝

生物炭的理化性質(zhì)直接決定了其具備的功能，而生物炭制備過(guò)程中涉及的材料及時(shí)間、溫度、含氧量等制備條件又直接決定了生物炭的理化性質(zhì)。所以，受制備原料、制備條件等差異性影響，最終制得的生物炭必然存在十分明顯的性質(zhì)差異。

由表1可知，生物炭的性質(zhì)與制備條件有一定關(guān)系，就有限的樣本而言，這種性質(zhì)在眾多研究中重現(xiàn)性較好，具有一定的參考價(jià)值。程國(guó)淡等[8]的實(shí)驗(yàn)表明，低溫?zé)峤獾奈勰嗌锾縫H值較低，而高溫下pH值較高，這與徐亮等[9]對(duì)秸稈生物炭的研究結(jié)果相似，可見(jiàn)在不同原料條件下，制備溫度對(duì)生物炭酸堿性的影響具有一定的一致性。制備時(shí)間對(duì)生物炭酸堿性的影響也表現(xiàn)出類(lèi)似的一致性，即原料不同，但pH值隨著熱解時(shí)間的增加而上升，具有更強(qiáng)的堿性[10]。除此以外，生物糞便、污泥等原料制備的生物炭普遍比植物原料制備的生物炭堿性更低[11]，這些規(guī)律為不同生物炭的不同使用場(chǎng)景提供了一定的指向性，也為特定場(chǎng)景的特定生物炭制備提供了一定的參考方向。當(dāng)然，生物炭的性質(zhì)與制備條件的規(guī)律還需要大量的實(shí)驗(yàn)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)的檢驗(yàn)，才能有效說(shuō)明其適用性。生物炭的制備原料來(lái)源廣泛且大都是農(nóng)林廢棄物（秸稈、畜禽糞便、枯枝落葉等），因此這一方向的研究不僅是農(nóng)業(yè)研究的關(guān)注點(diǎn)，同時(shí)也是許多環(huán)境科學(xué)研究的側(cè)重方向之一，生物炭的應(yīng)用領(lǐng)域也隨著其研究的不斷深入而逐漸擴(kuò)展。

表1 原料、溫度以及制備時(shí)間對(duì)生物炭部分基本性質(zhì)的影響

2 生物炭對(duì)酸性土壤的影響

2.1 對(duì)酸性土壤水的影響

土壤水的含量影響著離子在土壤固液兩相的分配情況，這也是測(cè)定土壤pH時(shí)應(yīng)當(dāng)注意水土比的原因。特別是在酸性土壤中，含水量的增加會(huì)使pH值有上升趨勢(shì)。土壤物理結(jié)構(gòu)對(duì)土壤的持水性有直接影響，生物炭比表面積很大，所以在土壤中施入生物炭后會(huì)使土壤比表面積增大，這在理論上有助于土壤持水力的提升。魏永霞等[12]發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)土壤持水率有明顯且較持續(xù)的提升效果，且生物炭的添加顯著提高了土壤的入滲能力。入滲能力主要取決于土壤的初始含水量和孔隙狀況，而隨著入滲的進(jìn)行，入滲能力就主要受孔隙狀況的影響，生物炭的多孔性正好為土壤的孔隙度狀況提供了良好的改良條件，從而改善了土壤水的再分布狀況。不過(guò)也有研究指出，生物炭對(duì)砂土的持水性有顯著影響，但對(duì)壤土和黏土的影響卻極為有限[13]。

2.2 對(duì)酸性土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

適當(dāng)提高土壤團(tuán)聚體數(shù)量可降低地表徑流與風(fēng)蝕造成的水土流失問(wèn)題發(fā)生概率。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)也是調(diào)節(jié)土壤肥力最為理想的結(jié)構(gòu)體。良好的土壤結(jié)構(gòu)有利于提高土壤肥力，有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)酸緩沖效果明顯，有利于改善土壤酸性。干濕交替、冷熱更替等環(huán)境因素以及動(dòng)物活動(dòng)、植物根系作用、耕作等生物活動(dòng)因素，均會(huì)促進(jìn)土壤形成團(tuán)聚體。生物炭施加后，土壤的容重降低，團(tuán)聚體含量與穩(wěn)定性顯著增加[14]。雖然目前生物炭改良團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的機(jī)理研究較少，但生物炭對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改善的效果得到了許多文獻(xiàn)結(jié)果的支持[14-16]。

2.3 對(duì)酸性土壤pH值的影響

生物炭大多呈堿性，且堿性強(qiáng)度與制備原料、條件密切相關(guān)，其堿性特征在理論上具有緩解酸性的潛能。有大量的文獻(xiàn)表明，施加生物炭后，土壤pH都得到了顯著的改善，生物炭施加越多，pH提升效果越明顯[17-20]。當(dāng)然，生物炭對(duì)土壤酸性的改良效果除了和生物炭自身的pH存在關(guān)系外，還和生物炭生產(chǎn)過(guò)程中的碳酸鹽與有機(jī)酸根形成的總量密切相關(guān)。雖然生物炭改良pH的微觀機(jī)理比較復(fù)雜，但從宏觀本質(zhì)上講，就是有效地降低了土壤中的活性酸，中和了潛性酸。相比石灰而言，生物炭作用更加溫和[21]，這從一定角度上說(shuō)明了生物炭替換石灰作為酸性土壤改良劑的優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際上，生物炭受制備條件的影響，性質(zhì)差異較大，施加用量就需要格外謹(jǐn)慎，一旦施用過(guò)量，改成過(guò)堿的環(huán)境，也會(huì)嚴(yán)重破壞土壤原有的結(jié)構(gòu)，從而影響土壤質(zhì)量。

2.4 對(duì)酸性土壤陽(yáng)離子交換量的影響

與中和潛性酸思路不同，有研究發(fā)現(xiàn)，增加土壤的比表面積，提升陽(yáng)離子交換量的方式對(duì)酸性土壤改良具有較好的效果，如有機(jī)肥的使用可以明顯提高土壤的pH值和陽(yáng)離子交換量[22-23]，而且同樣具有比表面積大的特征。許多研究都報(bào)道了生物炭提升陽(yáng)離子交換量的事實(shí)[17,24-26]。生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的提升不僅體現(xiàn)在pH值變化的表觀現(xiàn)象上，還有效地提升了土壤的酸緩沖能力，使土壤有了更大的緩沖容量，不僅解決了酸化問(wèn)題，還有效緩解了外源酸性物質(zhì)再次進(jìn)入體系時(shí)的酸影響，這種緩沖能力可以有效提升土壤的抗酸害能力，維持土壤酸堿體系的穩(wěn)定性[24-27]。

2.5 對(duì)酸性土壤交換性酸的影響

pH值反應(yīng)的是土壤活性酸的強(qiáng)度，而土壤酸性改良的難易程度還要通過(guò)其儲(chǔ)備的酸潛力來(lái)度量，交換性酸量是計(jì)算石灰對(duì)土壤酸度調(diào)解時(shí)的重要理論依據(jù)。不少研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加能夠顯著降低土壤交換性H+和Al3＋，有效減弱了活性酸的補(bǔ)充能力，對(duì)土壤的酸性改善明顯[17,28-29]。此外，由于土壤酸化涉及H+的介入與陽(yáng)離子交換作用，土壤表面的H+飽和度不斷提高，當(dāng)H+被土壤黏粒礦物吸附超過(guò)一定限度時(shí)，一些鋁八面體晶體結(jié)構(gòu)解體，使交換性Al3+大量出現(xiàn)[30]，由于酸性土壤中大部分都是交換性鋁離子，而交換性氫離子占比較小，所以酸化土壤的鋁毒害問(wèn)題十分突出[31]。由此可見(jiàn)，生物炭對(duì)交換性酸的調(diào)節(jié)還有助于對(duì)酸化造成的鋁毒害問(wèn)題進(jìn)行改善。

2.6 對(duì)酸性土壤養(yǎng)分的影響

有研究指出，施加生物炭有助于減少土壤內(nèi)養(yǎng)分的淋失，也有助于養(yǎng)分及水利用率的提升[32]。我國(guó)化肥施用過(guò)度為土壤帶來(lái)許多嚴(yán)重的后果，目前化肥的利用率不僅低下，盲目施肥和濫用化肥還造成了土壤的營(yíng)養(yǎng)失衡，土壤結(jié)構(gòu)的破壞使得土壤肥力反減不增，作物更無(wú)法保質(zhì)保量，維持可持續(xù)發(fā)展[33]。就土壤酸化問(wèn)題而言，氮肥的過(guò)度施加與鹽基離子淋失密切相關(guān)，會(huì)造成土壤酸化加速[5]，為了改善這一現(xiàn)狀，應(yīng)當(dāng)減少氮肥的施加，避免土壤酸化的繼續(xù)惡化。氮肥減量后，提升氮肥的利用率就顯得很重要。有研究表明，減少氮肥的施加，配施生物炭，可以有效提高氮素的利用率，減施氮肥并配施生物炭的植株的吸氮量顯著高于常規(guī)配施氮肥和單純減施氮肥植株的吸氮量[32]。從這個(gè)思路來(lái)看，生物炭在解決土壤酸化問(wèn)題的同時(shí)，也為化肥問(wèn)題提供了新的解決方向。

3 生物炭改良酸性土壤的機(jī)制研究

生物炭在宏觀尺度上對(duì)酸性土壤的改良是多因素的，土壤-生物炭體系混合后，其比表面積的提升、堿性物質(zhì)的增加、孔隙率的提升、容重的降低和土壤水的增加等均有一定的關(guān)系。從簡(jiǎn)單機(jī)理來(lái)看，生物炭?jī)?nèi)部的堿性物質(zhì)含量較多，生物炭土壤混合體系在土壤水的作用下，會(huì)快速釋放堿性物質(zhì)將土壤中的酸性物質(zhì)中和，從而提高土壤pH值，這種效果是最直觀也是最容易被理解的。

但生物炭對(duì)酸性土壤改良的微觀機(jī)制卻不止于此，許多學(xué)者都認(rèn)為生物炭對(duì)于酸性土壤的調(diào)節(jié)機(jī)理十分復(fù)雜，有些作用機(jī)制對(duì)酸性土壤改良的貢獻(xiàn)并不大，因此找到生物炭對(duì)酸性土壤調(diào)節(jié)的主要機(jī)理是很有必要的。Shi等[34-35]認(rèn)為生物炭中富含的碳酸鹽、含氧官能團(tuán)以及硅酸鹽是改善土壤酸性的主要原因，而生物炭對(duì)土壤緩沖性能的提升，主要源于生物炭表面羧基質(zhì)子化與碳酸鹽溶解導(dǎo)致的陽(yáng)離子釋放。陽(yáng)離子釋放提升了土壤的陽(yáng)離子交換量從而提升了緩沖性能。雖然微觀機(jī)理方面的研究較少，且尚未完全理清，但這些微觀層面機(jī)理的研究，有助于指導(dǎo)改善生物炭在土壤中酸性調(diào)控的表現(xiàn)，結(jié)合多學(xué)科的觀點(diǎn)，對(duì)生物炭進(jìn)行有目的的改性提升，可以達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

一些喜酸植物也受到過(guò)度酸化帶來(lái)的威脅，如茶樹(shù)是一種典型的喜酸植物，但若茶樹(shù)生長(zhǎng)的土壤環(huán)境出現(xiàn)酸過(guò)度，也會(huì)對(duì)茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響，使其無(wú)法高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展[28-29]。茶樹(shù)是一種嫌鈣植物，不適合使用傳統(tǒng)的石灰改良方法，Wang等[20]認(rèn)為生物炭適合用于茶園酸化土壤的改良，其研究發(fā)現(xiàn)在生物炭用量增加時(shí)，土壤交換性酸顯著下降從而使pH的上升率相對(duì)較小，生物炭對(duì)pH的提升相對(duì)溫和，這說(shuō)明生物炭對(duì)喜酸植物土壤改良有一定的優(yōu)勢(shì)，而生物炭在這方面的研究較少，因此未來(lái)的研究還可以側(cè)重對(duì)此研究方向的關(guān)注。

生物炭體現(xiàn)出的優(yōu)良性質(zhì)是值得肯定的，但也有許多研究表明生物炭存在安全隱患，如李陽(yáng)等[36-37]發(fā)現(xiàn)生物炭的施加對(duì)小麥幼苗造成了生理?yè)p傷，且在對(duì)生物炭的毒性研究中，培養(yǎng)方法不同，結(jié)果可能會(huì)恰恰相反。因此，生物炭施加進(jìn)土壤后，生物炭對(duì)植株的毒性作用還需加強(qiáng)研究，并在實(shí)際運(yùn)用中小心推廣。

綜上所述，生物炭出現(xiàn)的產(chǎn)品性質(zhì)多樣性使生物炭在具體改良問(wèn)題上的推廣還存在較大阻力，不同的生物炭性質(zhì)差異較大，生物炭施加進(jìn)土壤后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也就十分困難，其部分研究結(jié)果因原料不同出現(xiàn)的爭(zhēng)議，還需要在進(jìn)一步的研究中去統(tǒng)一解決。在研究過(guò)程中，廣大學(xué)者應(yīng)對(duì)生物炭的基本理化性質(zhì)進(jìn)行一個(gè)較為全面的測(cè)定，并明確選定生物炭對(duì)受試土壤引入的重金屬等有害物質(zhì)的累積數(shù)據(jù)，以期能在統(tǒng)計(jì)學(xué)的幫助下闡明生物炭的負(fù)面影響，這對(duì)生物炭的推廣具有十分重要的意義。