宋延静1,2,龚骏1,2
(1.中国科学院烟台海岸带研究所环境微生物学实验室,2.中国科学院、山东省海岸带环境过程重点实验室;山东烟台264003)
摘要:生物质炭在土壤中能存在很长时间,其掩埋可以通过多种方式影响土壤生态系统的功能,例如改变土壤的理化性质(提高土壤pH值、有机碳含量和阳离子交换量等),促进真菌、固氮微生物功能类群的生长,提高土壤肥力,增加作物产量,固定或吸附重金属、农药等污染物,减少二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等温室气体的排放等。本文就这些方面的研究进展进行了综述。
研究表明通过掩埋生物质炭可以将大气中的二氧化碳大量、长期地储存于土壤表层,从而减少温室气体的排放。在施用生物质炭进行炭封存的同时,其还可对土壤生态系统功能产生影响,具体表现在生物质炭可以作为改良剂改善土壤环境,促进植物对养分的吸收,提高土壤肥力,控制农田养分流失以及净化修复被污染的土壤。
生物质炭是由生物质如作物秸秆、木屑、动物粪便等,在完全或部分缺氧条件下,以及相对较低的温度(≤700℃)下经热解炭化产生的一种含碳量极其丰富的、性质稳定的木炭。它属于黑炭(black carbon)的一种,高温干馏使生物质中的可燃烧气体分离,剩下含碳量丰富的木炭。生物质炭的含碳量随生物质炭化温度的不同而发生改变,随着最终炭化温度的升高,其含碳量增加,氢和氧的含量降低,灰分含量亦有所增加[1]。
在化学成分上,生物质炭除了含有丰富的多环芳香烃、脂肪族、氧化态碳等有机碳外,还包括钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐。生物质炭具有大量的孔洞结构以及巨大的表面积,且表面带有大量的负电荷[2],因此吸附性很强,能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子(如Cu2+,Pb2+,Hg2+等)及极性或非极性有机化合物[3-5]。
这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长,促进植物对营养元素的吸收。生物质炭具有极强的稳定性。它的半衰期很长,在土壤中埋藏的生物质碳往往能存在成百上千年[6],而且极少参与碳循环,可以抵消由于消耗化石燃料排放出的二氧化碳,在一定程度上缓解气候变化问题,因此生物质炭技术被认为是碳封存的有效手段之一[7-9]。
生物质炭独特的物理、化学性质使其在实现碳封存的同时,也影响着土壤生态系统的一系列功能,如促进农产品生产、维持与改良土壤、净化与修复被污染土壤、减少温室气体排放从而调节气候等。本文就生物质炭的应用导致土壤生态系统功能改变方面的研究进行综述与展望。
1生物质炭对土壤性质、肥力的改良
生物质炭作为可持续土壤管理的一个有效的辅助手段,主要通过以下三种方式改善土壤理化性质以及生物学性质来提高作物的产量。
1)生物质炭的吸附性特别强,它如同海绵一样,在土壤中起到保持水分、空气和溶液的作用[10]。文[11]研究发现,土壤中的生物质炭通过提高土壤的阳离子交换量来增强对阳离子的吸附,这主要是因为其表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基。文[12]结果表明往土壤中添加2%(w/w)的生物炭,67天后发现土壤的pH值、有机碳含量以及Ca,K,Mn,P的含量明显升高,但可交换酸度以及S,Zn的含量是降低的,说明生物炭对特定的一些元素(如Ca,K,Mn,P)具有很强的吸附性。生物质炭还可以吸附NO3-,NH3,减少土壤的氨挥发,提高土壤的保肥能力[13]。
生物质炭的加入还会增强豆科植物的生物固氮能力[14],有研究表明施加生物质炭可以增加土壤对NH3和NH4+的吸收,减少N2O的排放以及NO3-的流失,从而影响氮循环。文[13]认为在自然环境下,生物质炭作为一种非完全燃烧的剩余物加入森林土壤中,土壤环境会得到改善,但是植株叶片中的氮含量会减少,土壤中氮的利用率也会降低。文[15]发现在氮贫瘠的土壤加入生物质炭后,短期内作物的生长率会降低,其原因是施加生物质炭后,土壤中C/N比提高,从而限制了土壤氮素的利用度。
2)生物质炭疏松多孔的结构以及巨大的表面积为特殊类群的微生物的生长提供了温床,从而促进土壤营养元素的循环。文[16]研究表明生物质炭的弱碱性、多孔性以及能够保持水分和空气的特点为微生物的聚集提供了条件。文[17]往退化的土壤中添加生物质炭,结果显示,与对照组相比,添加30,60g/kg的处理组大豆中来自大气的氮素(NdfA)含量分别增加了49%,78%,但当施入量为90g/kg时,NdfA含量降至30%。这说明适量的生物质炭能使大豆根部的生物固氮能力显著提高,但该结果的获得需要长期的实地试验。
文[18]进一步研究发现有些微生物可以把黑色碳作为生存的唯一碳源,说明土壤在加入生物质炭以后会促进某一类群微生物的生长,从而可以长期地提高土壤肥力。生物质炭施用对土壤微生物群落的影响各有不同。生物质炭的添加通常能促进菌根真菌对植物根部的侵染,增加菌根真菌的丰度,但也有例外[19]。
文[20]利用磷酸脂脂肪酸法研究发现不同来源的生物质炭能明显增加土壤中真菌或革兰氏阴性菌的生物量。
3)生物质炭不仅是土壤的改良剂,而且可以起到有机肥的作用。文[21]用生物质炭结合化学改良法(氮磷钾肥和石灰)比较单用肥料情况下的粮食产量,发现前者使粮食产量连续四季翻一番。文[22]在不施氮肥的前提下施用生物质炭,水稻叶片中叶绿素含量会降低,从而降低作物产量,这表明生物质炭的有效应用需要依据土壤条件以及合理的肥料进行管理。文[23]研究表明不同的施炭量对作物产量有很大的影响,发现向火山灰壤土中施炭500kg/hm2时,大豆产量增加51%;施炭5000kg/hm2大豆产量降至63%;施炭15000kg/hm2,大豆产量降至29%。文[24]往Dehli土中施用相同等量的生物质炭(500kg/hm2),不同作物产量变化不同,其中豌豆的生物量增加60%;大豆的产量增加50%;绿豆的产量增加22%.因此,生物质炭的最佳施用范围目前还未统一,在实际应用中需要根据土壤类型及作物种类来确定。
2生物质炭对土壤污染的修复
施用生物质炭不仅能够改善土壤理化性质、提高土壤肥力,还能够吸附重金属(如镉、砷等),减少植物对污染物的吸收,在一定程度上达到环境修复的效果[25]。
文[26]研究棉秆炭对镉污染土壤的修复效果以及镉污染土壤上小白菜(B rassica chinensis)对镉吸收,其结果表明棉秆炭能够通过吸附或共沉淀作用降低生物对土壤中镉有效利用;在轻度镉污染时,棉秆炭处理土壤对镉的吸附速率较快,随着镉污染程度的增加,吸附速率逐渐减慢,吸附量逐渐增加;棉秆炭能够明显降低镉污染土壤上小白菜可食部和根部的镉积累量,可食部镉质量分数降低49.43%-68.9%,根部降低64.14%-77.66%,说明棉秆炭具有修复土壤镉污染,降低蔬菜中镉含量的作用,因此也提高了蔬菜品质。另外,用牛粪制成的生物质炭对水溶液中铅的吸收率可达到100%[27]。
文[28]研究了生物炭对土壤和水中共存的Cd2+,Cu2+,Ni2+,Pb2+的固定效果,发现随着生物质炭炭化程度的升高及施用炭量的增加,重金属离子的固定主要由离子交换主导。这可能是与生物质炭巨大的比表面积和自身表面的氧化及吸附高度氧化的有机物而具有的羧基和多环芳烃表面产生的净负电荷有关,一般情况下阳离子交换量的增加会影响重金属的生物利用度。
施用生物质炭后导致土壤pH值升高,从而影响土壤重金属形态和生物利用度。文[29]结果表明,土壤对镉的吸附量随土壤中pH的变化分为3个区域,即低吸附量区、中等吸附区以及强吸附和沉淀区。在中等吸附区,镉吸附量与pH呈正相关H为6以下被吸附的镉中生物有效态镉量随pH的升高而增加,pH为6以上被吸附的镉中生物有效态镉量随pH升高而降低。其主要机理是生物质炭本身呈弱碱性,土壤添加生物质炭后pH值升高,引起土壤负电荷增加,导致土壤对重金属的吸附也增加,进而降低了重金属的生物利用度。此外,由于生物质炭本身含有氮、磷、钾等养分元素,一方面,这些元素的存在与重金属形成竞争,另一方面也促进了植物生长。
添加生物质炭后的土壤也表现出对农药残留的吸收,从而减少对地下水的污染。据报道,当土壤添加木屑来源的生物质炭达到5%时,对两种除草剂莠去津、乙草胺的吸收会明显增加[30]。
土壤中的苯脲除草剂、敌草隆也能被黑炭吸附[31]。文[32]发现在施用生物质炭的土壤里,两种农药(毒死蜱,氟虫腈)的残留率虽然较高,但所栽种的韭菜(Alliumtu berosum)对农药吸收却明显降低。赤桉树树屑来源的生物质炭对土壤中的嘧霉胺在-4小时内也有很好的固定效果[33]。较高热解温度下获得的生物质炭对草净津的吸附能力也较好[34]。
生物质炭具有吸附石油污染物如多环芳香烃(PAH)的能力[35],并有报道称生物质炭对PAH的吸附能力与孔径大小、污染物分子大小有关[36]。
另外,生物质炭还能有效地吸附去除废水中的工业染料活性藏青与罗丹明B[37]。
3生物质炭减排温室气体
国际生物质炭组织估计到2040年为止,平均每年仅仅利用农林废弃物就可以减少3.67亿吨的CO2排放[38]。
除生物质炭本身的惰性而达到减排的目的外,其施用到土壤中后也影响土壤生物地球化学过程,达到减少温室气体N2O,CH4排放的效果。文[39]发现添加生物质炭的土壤使黄豆田N2O的排放减少了50%,当添加量达到20mg/ha时几乎能完全抑制东哥伦比亚平原酸性土壤的CH4排放。文[40]结果显示往风干后再加水的土壤添加10%生物质炭时,可减少85%的N2O排放。文[30]向土壤中添加生物质炭,发现添加浓度大于20%时能显著降低土壤CO2的排放,同时也能抑制N2O与CH4的产生。
文[41]实验观察到生物质炭埋藏时间越长,其对N2O的减排效果越好,认为埋藏过程中生物质炭表面通过氧化反应增强了生物质炭的吸附能力。文[42]的研究表明添加生物质炭后土壤硝化速率变低,但可用于产生N2O的无机氮并没有减少。因此,生物质炭使用后温室气体减少排放的机理还不太清楚。
4展望
国内外现有的研究表明,施用生物质炭在进行碳封存的同时,还可以通过改善土壤理化性质、提高土壤肥力、修复土壤污染等形式对区域及全球土壤生态系统功能产生影响。然而,目前对生物质炭的研究仍有不足,还需要深入开展,主要表现为以下方面:
1)多数研究结果都来自于短期实验,对生物质炭施用后的长期效应研究亟待开展。
2)生物质炭来源多样、热解温度各异、施用量及土壤类型等因素都给可能影响生物质炭的环境效应。对这些因素进行系统研究,有利于全面评价生物质炭对土壤生态系统的影响与作用,可为实际应用提供依据。
3)生物质炭与土壤的相互作用机制仍不完全清楚。例如,施用生物质炭后对土壤微生物群落、功能类群、营养要素、重金属等的生物地球化学循环的影响机制等。
4)此外,由于生物质炭含有丰富的多环芳香烃,施用生物质炭是否会对土壤生态系统产生负面影响仍有待研究。
阐明这些机制与规律,将为我们利用生物质炭实现碳封存同时促进区域乃至全球土壤生态系统服务提供重要支撑。
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