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本文作者：楊放1,2李心清1王兵1程建中1作者單位：1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所2.中國科學(xué)院研究生院

生物炭是由有機(jī)垃圾，如動(dòng)物糞便，植物根莖，木屑和秸稈等經(jīng)過高溫?zé)峤饧庸ざ傻囊环N高度碳化的多孔物質(zhì)。最先被發(fā)現(xiàn)的生物炭是生活在巴西亞馬遜河流域的人們長期使用的一種特殊肥料。這種肥料來源于當(dāng)?shù)?，具有極強(qiáng)的恢復(fù)貧瘠土壤肥力的能力。當(dāng)?shù)厝税阉Q為“印第安人的黑土壤”。它多產(chǎn)、肥沃，與當(dāng)?shù)叵∈琛⒇汃さ耐寥佬纬甚r明的對(duì)比［1］。生物炭在土壤中有極強(qiáng)的抗微生物和化學(xué)分解的能力，這使得它可以在土壤中存儲(chǔ)較長的時(shí)間［2］，同時(shí)緩慢釋放營養(yǎng)供植物吸收［3］。生物炭在土壤中的平均停留時(shí)間可達(dá)到1000年［4］。因此，生物炭的利用將是減緩全球氣候變化的一個(gè)有效措施。其次，生物炭具有多孔性、較大的表面積和電荷密度，這使其比土壤中的其它有機(jī)物質(zhì)更能夠吸持水分［5］和營養(yǎng)元素［6］。當(dāng)今世界總?cè)丝诓粩嘣黾樱蚣Z食產(chǎn)量因氣候變化、土地退化及流失、水資源匱乏等因素影響出現(xiàn)下降趨勢(shì)［7］。生物炭的出現(xiàn)為我們糧食增產(chǎn)帶來了曙光，它不僅可以改善土壤的理化性質(zhì)［8，9］，而且可以持續(xù)給土壤和農(nóng)作物提供肥力［4］。同時(shí)隨著我們經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，帶來了一系列的環(huán)境問題。在中國，重金屬污染和農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為國家和科學(xué)家們重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題，并且我國的重金屬治理形勢(shì)極其嚴(yán)峻［10］。同時(shí)由于70年代以來，農(nóng)民過量使用化肥和殺蟲劑等造成了N、P等營養(yǎng)元素以及有機(jī)污染物通過土壤進(jìn)入水體造成了嚴(yán)重的有機(jī)污染以及水體富營養(yǎng)化，鑒于生物炭的多孔性以及較大的表面積，為改善中國的面源污染提供了可靠的途徑。近期，生物炭作為改良劑改善土壤性質(zhì)并增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量［9，11－16］、作為碳匯以減緩全球氣候變化［17－20］和作為吸附劑消除農(nóng)業(yè)污染［21－27］引起了科學(xué)家們極大的興趣。作者在結(jié)合國內(nèi)外近幾年對(duì)生物炭的研究基礎(chǔ)上，總結(jié)生物炭在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用并提出一些未來研究的展望。

1生物炭的基本特征

生物炭是由各種動(dòng)植物殘?bào)w，包括動(dòng)物糞便和植物殘?bào)w（樹葉、木屑等），在缺氧的條件下高溫?zé)峤馑a(chǎn)生的。熱解是把低能量密度生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能量密度生物質(zhì)的一種熱化學(xué)過程，此過程會(huì)產(chǎn)生包括高能量密度的生物油、高能量密度的生物炭和相對(duì)低能量密度的生物合成氣［28］。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的碳大多為塊狀黑炭或顆粒黑炭［29］。與其不同的是生物炭通常是粉狀顆粒，其含碳量一般為40％～75％［30］。由于含大量的有機(jī)官能團(tuán)（—COO—、—COOH、—O—、—OH等）和碳酸鹽，生物炭一般呈堿性［31］。生物炭很穩(wěn)定，不易被微生物分解［32］，且是一種多孔體，通氣性和透水性較好，容重小，表面積大，吸水和吸氣能力強(qiáng)，有利于保水保肥；除含有大量的高分子碳水化合物之外，還含有多種礦物質(zhì)營養(yǎng)，可提供作物所需的營養(yǎng)元素，提高土壤肥力；它可以調(diào)節(jié)土壤的pH值和水、肥、氣、熱狀況并改善微生物生存環(huán)境，為許多重要微生物的生長和繁殖提供了有利的條件［33］。一般情況下，低溫生產(chǎn)的的生物炭比高溫生產(chǎn)的生物炭在改善土壤性狀和增加產(chǎn)量方面有較好的效果［12，30，31，34－36］。

2生物炭對(duì)土壤的改良作用

2．1土壤有機(jī)質(zhì)

有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力有重要的意義。首先它能夠提供植物生長需要的養(yǎng)分，為土壤微生物、土壤動(dòng)物活動(dòng)提供養(yǎng)分和能量。其次還可以增強(qiáng)土壤的保水保肥能力和緩沖性，另外還可以改善土壤的物理性質(zhì)。生物炭的結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)不同，但是卻能提高土壤肥力并增加土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和含量［37－39］。也有人指出生物炭的應(yīng)用會(huì)促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的分解，其原因是促進(jìn)了土壤微生物的活性［40］。但是其方法遭到了質(zhì)疑［41］。生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響程度依賴于生物炭本身的種類和性質(zhì)以及作用土壤的性質(zhì)［42］。對(duì)肯利亞西部某處土壤研究表明，加入生物炭之后該地的土壤的有機(jī)碳礦化量減少了，因此其含量增加了且先前存在的有機(jī)碳穩(wěn)定性上升了，它們更多的吸附在穩(wěn)定性更好的土壤顆粒上面［43］。與其它增肥措施相比，生物炭其具有穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它在土壤里面存留時(shí)間長，而其它措施諸如秸稈、綠肥、堆肥及廄肥在施入土壤以后存留時(shí)間與生物炭的幾百上千年相比較短［44］。

2．2土壤物理性質(zhì)

土壤的物理性質(zhì)包括：土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤比重、土壤容重、土壤孔隙度、空氣和土壤水分等。生物炭的應(yīng)用主要是改善土壤的表面積、持水性和土壤容重。由于生物炭有較大的表面積和較小的容重，它可以增大土壤的比表面積、降低土壤容重并增加土壤的持水量［45］從而促進(jìn)植物更充分的吸收水分，減少水的損失。YanChen［46］等用甘蔗渣為原料生產(chǎn)的生物炭研究了日本島尻土壤，發(fā)現(xiàn)生物炭能降低土壤的容重和增加土壤的有效水分量，從而增加甘蔗產(chǎn)量并提高甘蔗的含糖量。DavidA．Laird［9］等對(duì)美國愛荷華州農(nóng)場(chǎng)的土壤研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的應(yīng)用能明顯增加土壤的持水量（大于15％）和土壤的比表面積（大于18％）。這對(duì)于改善持水性較差的砂質(zhì)土的性狀尤其有效［15］。

2．3土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤的化學(xué)性質(zhì)包括：土壤pH、Eh、土壤陽離子交換量（CEC）、土壤鹽基飽和度（BSP）等。生物炭在改善土壤化學(xué)性質(zhì)方面有巨大的潛力。

2．3．1土壤pH

生物炭的pH值取決于生物質(zhì)原料［30］和生產(chǎn)工藝［47］。不同的原料或生產(chǎn)工藝所生產(chǎn)的生物炭具有不同的特征。一般情況下，由于含大量的有機(jī)官能團(tuán)（—COO—、—COOH、—O—、—OH等）能夠吸收土壤的H＋，所以生物炭一般呈堿性［31］。同時(shí)由于生物炭中含有較多的鹽基離子，如K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等［14］，這些離子可以交換土壤中的H＋和Al3＋從而降低其濃度［42］。因此，生物炭將提高土壤的pH值［9，13，15，16，35，42］，這對(duì)于酸性土壤的改良極為有效。有研究表明，對(duì)我國南方典型的老成土施用以稻草秸稈為原料的生物炭并結(jié)合施用N、P、K之后，土壤的pH值提高0．1～0．46［35］。Uzoma，K．C等對(duì)日本鳥取大學(xué)研究中心貧瘠的砂質(zhì)土壤研究發(fā)現(xiàn)生物炭的應(yīng)用提高了土壤的pH值［15］。Yuan，J．H等對(duì)以九種生物質(zhì)作為原料（包括油菜秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈和豆科植物秸稈）的生物炭做了研究發(fā)現(xiàn)所有生物炭的應(yīng)用都提高了土壤的pH，但是以施用了豆科植物101第1期楊放等：生物炭在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和污染治理中的應(yīng)用為生物質(zhì)原料的生物炭的土壤的pH提高程度最大［16］。

2．3．2土壤的陽離子交換量（CEC）

土壤CEC是指在一定的pH值條件下，每千克土壤所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)，其單位是cmol／kg。它是影響土壤緩沖能力高低、土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)。影響其大小的因素主要包括：土壤膠體類型、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)和土壤pH等。鑒于生物炭本身具有極高的CEC，因此生物炭的應(yīng)用將對(duì)土壤的CEC產(chǎn)生影響［9，15，16，30，35，42］。生物炭對(duì)CEC的作用主要受土壤類型、生物炭類型和作用時(shí)間所制約。一般情況下，生物炭對(duì)低CEC和pH的酸性土壤中的CEC改良特別有效，其中土壤CEC的改良與生物炭的原料的堿度［16］、有機(jī)N的礦化和銨根（NH＋4）的硝化作用有關(guān)。非豆科植物為原料的生物炭比豆科植物為原料的生物炭具有更大的CEC［35］，這可能與豆科植物中蛋白質(zhì)、N和P含量較高有關(guān)。另外，低溫生產(chǎn)的生物炭比高溫具有較高的CEC［30］。

2．3．3土壤的鹽基飽和度（BSP）

土壤的鹽基飽和度（BSP）是指土壤膠體上的交換性鹽基離子總量占交換性陽離子總量的百分比。鹽基離子是植物所需的速效養(yǎng)分，包括K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋和NH＋4等。由于生物炭巨大的表面積和表面的各種有機(jī)官能團(tuán)，它們能夠吸附更多的鹽基離子。從而提高土壤的BSP。其次生物炭的應(yīng)用會(huì)增加土壤的pH，這也會(huì)提高土壤的BSP。有研究表明，在酸性及砂質(zhì)土壤應(yīng)用生物炭可以大大增加土壤對(duì)K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋和NH＋4的吸持能力［13，35］。

2．3．4土壤養(yǎng)分（N、P）

生物炭產(chǎn)生的電荷以及巨大的比表面積對(duì)土壤和植物所需的營養(yǎng)元素有較強(qiáng)的吸附作用，這在土壤養(yǎng)分較為匱乏的土壤中表現(xiàn)尤為明顯。不同種類的生物炭對(duì)土壤有不同的效果，用家禽糞便在不同溫度生產(chǎn)的生物炭對(duì)種植了白蘿卜的土壤進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)低溫（450℃）生產(chǎn)的生物炭更能增加白蘿卜的產(chǎn)量且增加土壤中N和P的有效性［12］。生物炭對(duì)N、P的這種吸附作用對(duì)于那些酸性土壤和顆粒較大的砂質(zhì)土壤極其有效，它能夠減少N肥和P肥通過水而流失使其保持較長時(shí)間的供肥作用［48－50］。其中以動(dòng)物糞便為原料的生物炭作用尤為明顯，因?yàn)閯?dòng)物糞便含有較高的N和P。用牛糞生產(chǎn)的生物炭能夠明顯增加玉米的產(chǎn)量并提高該土壤的N、P含量［15］。對(duì)于用各種秸稈或是谷殼生產(chǎn)的生物炭，若單獨(dú)應(yīng)用在肥沃的土壤中時(shí)，由于其本身較大的C／N值，短期內(nèi)會(huì)限制N的活性從而降低作物產(chǎn)量，對(duì)于貧瘠的土壤則會(huì)增加其作物產(chǎn)量［51］。因此對(duì)以硬木、秸稈等為原料的且C／N比值較大的生物炭的應(yīng)用最好配以應(yīng)用一定量的N肥，這樣就不會(huì)限制N的活性并產(chǎn)生好的改良效果［52－54］。Hos－sain，M．K等用以污泥為原料的生物炭對(duì)土壤進(jìn)行不同的處理發(fā)現(xiàn)生物炭配施肥料的處理最能增加圣女果的產(chǎn)量并改善土壤性狀［55］。其次，生物炭本身含有豐富的蛋白質(zhì)、N和P，且其穩(wěn)定性較強(qiáng)，它可以緩慢釋放營養(yǎng)元素供植物吸收［48，51］。

3生物炭對(duì)土壤污染治理作用

3．1重金屬污染

重金屬污染是指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染。主要由采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬制品等人為因素所致。隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，重金屬污染變得相當(dāng)普遍，特別是中國的南方地區(qū)。生物炭主要針對(duì)土壤的重金屬污染，其中包括鉛、鎘、銅等。其主要原理還是利用生物炭巨大的比表面積、表面各種基團(tuán)較強(qiáng)的吸附能力和表面的的離子交換反應(yīng)。Uchimiya，M等用不同溫度生產(chǎn)的生物炭對(duì)水中和土壤中的Cd2＋、Cu2＋、Ni2＋和Pb2＋作了研究，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)峤饽軌蚴贡砻娴闹咀宓然鶊F(tuán)消失并形成吸附能力強(qiáng)的表面官能團(tuán)；同時(shí)隨著生物炭的pH升高，其對(duì)重金屬離子的吸附和固定加強(qiáng)，說明了生物炭對(duì)重金屬的吸附與生物炭的表面官能團(tuán)和pH值有關(guān)［27，56］。Cao，X等用牛糞生產(chǎn)的生物炭對(duì)土壤進(jìn)行重金屬Pb2＋和除草劑（阿特拉津）的研究，發(fā)現(xiàn)與普通活性炭相比，生物炭具有六倍吸附Pb2＋的能力，且在熱解溫度為200℃時(shí)，生物炭的吸附量是最大的；對(duì)于存在兩種或多種污染物的介質(zhì)，用活性炭處理，污染物之間是競爭關(guān)系，而用生物炭處理時(shí)這種競爭關(guān)系很微弱［57］。有研究表明低溫生產(chǎn)的生物炭能夠加強(qiáng)Cd2＋、Cu2＋和Ni2＋等重金屬離子的固定和吸附［58］。Liu，Z．G用松樹和米糠生產(chǎn)的生物炭來研究生物炭對(duì)水中Pb2＋吸附，結(jié)果顯示，生物炭表面有大量的含氧基團(tuán)，這些基團(tuán)對(duì)Pb2＋有較強(qiáng)的吸附效應(yīng)，同時(shí)這種吸附為吸熱過程［22］。

3．2有機(jī)污染

鑒于生物炭本身的多孔性結(jié)構(gòu)、比較大的表面積以及其它的物理化學(xué)性質(zhì)，它能夠吸附有機(jī)污染物，降低其活性。生物炭吸附有機(jī)污染的效果與生物炭種類、反應(yīng)溫度和應(yīng)用土壤等因素有關(guān)。一般情況下，顆粒較小的生物炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附更加有效。Jones，D．L等用生物炭研究其對(duì)土壤中殺蟲劑西瑪津行為的影響，研究表明典型的生物炭的應(yīng)用明顯改變土壤水中的西瑪津濃度、活性和移動(dòng)性；生物炭能夠抑制西瑪津的生物降解速率并使其很難隨水遷移，其原因是生物炭降低了微生物的活性；且西瑪津礦化速率、吸附量和流失量與生物炭的顆粒大小成反比，并且生物炭在土壤中的作用持續(xù)時(shí)間長［2，4］；因此生物炭可以減少殺蟲劑污染環(huán)境和通過食物鏈危害人類的危險(xiǎn)，但是可能會(huì)影響其殺蟲的功能［59］。Kasozi，G．N等用橡樹、松樹和牧草為原料在不同溫度生產(chǎn)的生物炭來研究其對(duì)鄰苯二酚的吸附，結(jié)果顯示對(duì)鄰苯二酚的吸附量隨著溫度的升高而上升，且牧草為原料的生物炭吸附量最大，小顆粒的生物炭比大顆粒的吸附量大；在鄰苯二酚濃度低的土壤中，吸附量與微孔比表面積有直接聯(lián)系，說明了專性吸附的主導(dǎo)作用［23］。生物炭能降低作物生長過程中污染物進(jìn)入其中的濃度。Xiang－YangYu等用桉樹在450℃和850℃下生產(chǎn)的生物炭來研究其降低殺蟲劑在種植有洋蔥的土壤中的生物活性，結(jié)果表明生物炭能明顯減少土壤中的殺蟲劑數(shù)量和洋蔥吸收的殺蟲劑量，其中850℃的生物炭效果最佳［60］。Lou，L．P等用稻草秸稈制成的生物炭研究其吸附性和除草劑五氯苯酚對(duì)種子萌發(fā)期間的生態(tài)毒性的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭的應(yīng)用降低了浸出液的五氯苯酚濃度（從4．53mg•L－1至0．17mg•L－1）并明顯增加了發(fā)芽率和根系長度，因此生物炭可作為一種潛在的有機(jī)污染物的原位吸附劑［61］。BaoliangChen和MiaoxinYuan用松針生產(chǎn)的生物炭對(duì)水稻土中多環(huán)芳烴（萘、菲和芘）的吸附進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭能夠加強(qiáng)土壤對(duì)多環(huán)芳烴的吸附，且應(yīng)用了低溫的（100℃）生產(chǎn)的生物炭土壤的吸附量與生物炭的應(yīng)用量呈線性關(guān)系，其它溫度的生物炭也是呈正相關(guān)關(guān)系［25］。對(duì)不同的生物炭種類和不同的作用土壤來說，不同熱解溫度的生物炭有不同的效果，有些土壤對(duì)高溫的生物炭更加有效［60］，有些則對(duì)于低溫的生物炭更有效［25］。與昂貴的普通活性炭相比生物炭不僅價(jià)格較低，且比活性炭具有更好的吸附效果和更加持久的作用時(shí)間。YupingQiu等對(duì)比了生物炭和活性炭在吸附污水中的活性藍(lán)和羅丹明B的作用效果，發(fā)現(xiàn)生物炭比活性炭更有效果［62］。同時(shí)，與傳統(tǒng)的應(yīng)用堆肥治理有機(jī)污染物相比，生物炭更加有效。LukeBeesley等對(duì)比了生物炭和堆肥在減少有機(jī)污染物（多環(huán)芳烴）的效果，研究發(fā)現(xiàn)生物炭比堆肥更能降低土壤中多環(huán)芳烴的濃度，特別是對(duì)于那些分子量大且毒性大的多環(huán)芳烴［63］。但是對(duì)于某些特殊的土壤來說，生物炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附效果可能被土壤中的有機(jī)物和無機(jī)物之間的相互作用所掩蓋［64］。最后，由于生物炭對(duì)土壤中N和P有較大的吸附能力，能減少其隨水遷移，且自身能夠緩慢釋放營養(yǎng)元素供作物吸收，因此生物炭能夠減少農(nóng)村N肥和P肥的使用，并從源頭就阻止的農(nóng)業(yè)面源污染的可能，也為治理農(nóng)業(yè)面源污染提供了一個(gè)可靠的途徑。

4討論

生物炭在改善土壤肥力并提高作物產(chǎn)量，以及降低農(nóng)村的重金屬和有機(jī)污染方面有巨大的潛力。它和與其性質(zhì)相似的活性炭相比，成本較低，易被大眾接受；與其它增產(chǎn)增肥措施相比，具有效果好，持續(xù)時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)；因此生物炭將在未來的土壤增產(chǎn)以及污染物的處理中發(fā)揮巨大的作用。但是對(duì)于其很多的作用機(jī)制還有待研究：1）對(duì)于不同生物質(zhì)原料以及在不同熱解溫度下所生產(chǎn)的生物炭的特征還未完全弄清楚。已經(jīng)證明不同的生物質(zhì)原料（如家禽糞便、硬木和草料等）以及同種原料在不同溫度所生產(chǎn)的生物炭在改善土壤肥力以及降低污染等方面有較大的差異［15，21，30，56，59，60］；2）生物炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還未完全弄清楚，為什么經(jīng)過高溫?zé)峤庵笏目紫抖群捅砻娣e會(huì)增加以及其內(nèi)部的化學(xué)成分和官能團(tuán)發(fā)生了什么變化還沒完全弄清楚；3）對(duì)于有毒或是病蟲害的生物質(zhì)原料所生產(chǎn)的生物炭是否對(duì)土壤有危害的研究還不夠；4）由于生物炭的穩(wěn)定性以及在土壤中長的存留時(shí)間，以證明其在改善土壤肥力以及減少污染持續(xù)性的長期定位試驗(yàn)還不夠；5）由于生物炭具有增產(chǎn)和減輕污染的兩大功效，但是不同類型生物炭的生產(chǎn)工藝有所差別，對(duì)于被污染了的耕作土壤，怎樣平衡增產(chǎn)和降低污染將是一個(gè)難題。

對(duì)此作者提出一些在以后工作和研究方面的建議：1）研究人員應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，爭取用當(dāng)?shù)刂饕膭?dòng)植物廢料來生產(chǎn)生物炭以增加當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量和治理污染的問題，做到就地取材；2）增加長期定位試驗(yàn)，找到適合當(dāng)?shù)赝寥赖纳锾糠N類及其生產(chǎn)條件；3）增加對(duì)我國新疆、西藏等土壤貧瘠的偏遠(yuǎn)地區(qū)的研究，使當(dāng)?shù)氐耐寥栏蟪潭鹊谋焕靡愿纳飘?dāng)?shù)厝嗣竦纳睿?）當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)部門應(yīng)該加大對(duì)生物炭研究的支持力度，使生物炭早日被普遍使用，造福當(dāng)?shù)匕傩铡?/p>