農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中生物炭的應(yīng)用

　　摘要:生物炭是一種對環(huán)境友好的吸附材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、較高的孔隙度和比表面能等特點(diǎn)。隨著生物炭研究和應(yīng)用的不斷深入，生物炭在農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。本文綜述了近幾年來生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為生物炭的進(jìn)一步開發(fā)利用提供參考。

　　關(guān)鍵詞:生物炭;農(nóng)業(yè)生產(chǎn);環(huán)境保護(hù)

　　生物炭(Biochar)又稱生物質(zhì)炭、黑炭、生物黑炭、生物質(zhì)焦，是秸稈、動物糞便、落葉、污泥等農(nóng)業(yè)固體廢棄物在無氧或限氧條件下進(jìn)行高溫?zé)峤夂蟮囊环N固態(tài)產(chǎn)物［1］。其顯著優(yōu)勢有以下三點(diǎn)［2］:一是生物炭因具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，比表面積大，吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，施入土壤后，不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，促進(jìn)土壤微生物繁殖，還可以控制土壤養(yǎng)分流失;二是生物炭含有穩(wěn)定碳元素，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)成，理化性質(zhì)穩(wěn)定，抗生物分解能力強(qiáng)，賦予其“碳封存”作用，把炭封存進(jìn)土壤，有利于減緩全球變暖;三是生物炭含有植物生長發(fā)育所必需的許多大量元素和中微量元素，生物炭施入農(nóng)田后，可提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長，進(jìn)而降低了化肥的使用，減少了環(huán)境污染。正因如此，生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用價值日漸凸顯;同時，生物炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使農(nóng)林廢棄生物質(zhì)資源得以可持續(xù)利用，由此帶來良好的環(huán)境、生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)效益。本文綜述了近年來與生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用和研究成果。為生物炭產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考依據(jù)。

　　1生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用

　　1．1生物炭可改善酸性土壤

　　土壤pH是土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)之一，是土壤理化性質(zhì)和肥力特征的綜合反映，土壤pH的高低深刻的影響著土壤的物理性質(zhì)、微生物活動與分布、有機(jī)質(zhì)的合成與分解、營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放速率、養(yǎng)分存在形態(tài)和有效性［3，4］。生物炭施入土壤后，可通過競爭吸附作用，降低土壤的氫離子和鋁離子含量，提高土壤pH值［5，6］。用不同原料在不同溫度下制備的生物炭的理化性質(zhì)是不同的，對土壤pH值的影響也不同。相比較而言，高溫制備的生物炭在提高土壤pH值上有更加顯著的效果［7］，用豆科植物原料制備的生物炭比非豆科植物原料制備的生物炭有更顯著效果［8］，且生物炭添加量愈多效果愈明顯［9］。

　　1．2生物炭改善土壤持水能力

　　由于生物炭本身具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，因此，在施入農(nóng)田后會不同程度的增加土壤的毛管孔隙度和通氣孔孔隙度，從而增強(qiáng)土壤含水量。王竹等人［10］根據(jù)Van－Genuchten模型和Gardner模型對比研究不同生物炭含量的土壤水分特征曲線發(fā)現(xiàn)，施加生物炭土壤的水吸力值＜600cm時，比無炭處理的含水率增大了3．7%，水吸力值＞600cm時，比無炭處理的含水率增大11．3%，說明在一定程度上生物炭改善了土壤的持水能力。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒炚荆?1］探究了施用生物炭對土壤水分和作物生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用生物炭增加了土壤含水量，減少了夏玉米耗水量，水分利用率提高了13．72%～24．43%。李興等人［12］為了探究生物炭對沙壤土水分特征的影響，采用室內(nèi)實(shí)驗土柱法在沙壤土中摻加4種不同比例的生物炭(10、20、40、60g/kg)，隨著入滲時間的延長，生物炭對沙壤土的垂直入滲率和擴(kuò)散度抑制逐漸增強(qiáng)。120min后，入滲率分別比對照減少24%、49%、50%、59%;土壤含水率為24．9%時，土壤擴(kuò)散率分別比對照減小45．00%、79．11%、80．56%、83．33%。同時隨著生物炭含量增加，土壤持水能力也在增加。

　　2生物炭在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

　　2．1生物炭修復(fù)重金屬污染土壤

　　有研究結(jié)果表明，生物炭能夠降低油菜可食用部分中鎘和鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［27］，降低土壤中有效態(tài)Cd含量，且降低率與生物炭添加量和熱解溫度呈正相關(guān)［28］，顯著降低了污染土壤空心菜根部重金屬含量，控制了污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部遷移富集［29］。生物炭對重金屬污染修復(fù)能力因生物炭制備原料和重金屬種類而異，如江亞會［30］等人將皇竹草、咖啡渣、花生殼制備的生物炭和微肥分別添加到被重金屬污染的土壤后，土壤中的有效態(tài)重金屬含量均比對照組低，其中，皇竹草生物炭+鐵肥對土壤重金屬Cu、Pb和Cd有效態(tài)含量的降幅分別達(dá)32．94%、31．26%和21．21%，對土壤有效態(tài)Zn含量的降幅為6．82%，咖啡渣生物炭+鐵肥對土壤重金屬Ni和Zn有效態(tài)含量的降幅分別為22．64%和10．35%，花生殼生物炭+鐵肥對Cu含量降幅達(dá)49．06%，咖啡渣生物炭+硅肥對土壤Ni和Zn有效態(tài)含量降幅分別達(dá)23．73%和9．72%。

　　2．2生物炭凈化水質(zhì)生物炭作為綠色屋面基質(zhì)修復(fù)材料，能夠有效降低屋面徑流中TN和COD的質(zhì)量濃度和污染負(fù)荷，凈化屋面徑流水質(zhì)，在城市暴雨徑流管理中具有非常廣闊的應(yīng)用前景［31］。底泥中添加適量生物炭會促進(jìn)沉水植物苦草的生長，促進(jìn)水體中總氮、總磷和葉綠素a的去除［32］，不同類型秸稈生物炭對水質(zhì)中Pb2+的吸附速率隨著溶液中Pb2+的初始濃度的增大而逐漸減少［33］。玉米秸稈生物炭使廢水中Pb2+和Cd2+的吸附去除率分別達(dá)到了85%和98%［34］。白菜尾菜和玉米秸稈生物炭對廢水中Cd2+、Pb2+、Cu2+的最大吸附量可達(dá)到20．40mg/L、20．44mg/L、20．48mg/L，去除率分別為96%、97．6%、99%［35］。

　　3展望

　　綜上所述，生物炭在改善酸性土壤、保持土壤水分、增強(qiáng)土壤肥力和助力發(fā)展綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)方面均有巨大應(yīng)用潛力;同時，在修復(fù)污染環(huán)境、凈化水質(zhì)、抑制溫室效應(yīng)等方面可發(fā)揮積極作用。然而，在大規(guī)模應(yīng)用生物炭方面還存在許多不足，需繼續(xù)深入研究，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)由于生物質(zhì)原料和制備方法不同，使生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)存在差異，進(jìn)而影響到生物炭的應(yīng)用性能差異。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)積極開展生物炭標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化研究。(2)生物炭穩(wěn)定性較高，可長期貯存于土壤中，在土壤或水系中施入大量生物炭后其生態(tài)風(fēng)險性尚缺乏系統(tǒng)研究，加之部分生物炭中灰分及重金屬含量較高。因此，合理評價生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的生態(tài)風(fēng)險具有重要意義。(3)生物炭對整個土壤、水體環(huán)境的改良機(jī)理依然不明晰，且其長效性如何也不清楚，因此，需要針對生物炭對不同類型土壤、水體的作用進(jìn)行全面且長期監(jiān)測。(4)開發(fā)生物炭基肥料，實(shí)現(xiàn)生物炭高效利用，為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支持。

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　　作者：虎靈 魏晶晶 王慧春

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