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生物质炭在我国蔬菜地应用的研究现状与展望
来源: | 作者:bgdhzc | 发布时间: 2018-09-27 | 683 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:
| 环境修复
生物质炭在我国蔬菜地应用的研究现状与展望
2018-08-20 09:15:12 农业环境科学 作者：张继宁 等
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生物质炭是生物质在限氧环境中经过热化学转化产生的固体物质，它在土壤改良、污染土壤修复和碳封存等方面具有广阔的应用前景。文章针对我国蔬菜地面临土壤酸化、土壤次生盐渍化、面源污染和土壤重金属污染等问题，通过查阅和汇总生物质炭在我国蔬菜地的应用文献，总结和分析了生物质炭在我国蔬菜地的应用现状，深入挖掘其在影响蔬菜地土壤理化性质、温室气体排放、面源污染和重金属迁移等方面的效应及其影响机制。
研究表明，生物质炭可提高土壤阳离子交换量、增加土壤中含氧官能团的数量、减小土壤容重等、从而减缓养分的流失，改善土壤理化性质，促进蔬菜增产;生物质炭可减弱重金属在土壤中的生物有效性和可迁移性，钝化其在土壤中的迁移。然而，不同制备工艺的生物质炭性质差异较大;生物质炭在不同区域不同蔬菜地土壤应用时出现结果不一致;缺乏生物质炭的负面效应报道等问题。
因此，今后的研究方向应在蔬菜地进行区域间生物质炭的横向对比研究;将短期与长期蔬菜地定位试验相结合进行纵向比较研究;降低生物质炭的成本、识别其潜在风险，为推广生物质炭在我国蔬菜生产领域的应用、建立可持续农业发展模式具有重要意义。
前 言
生物质炭是生物质在限氧或无氧条件加热分解而获得的含碳量丰富的固态物质。众多的研究结果表明生物质炭在农业生产方面具有广阔的应用前景。国内外的研究涵盖了生物质炭提高作物产量、改良土壤性质、提高发酵产物肥效、固定重金属在土壤中迁移和减少温室气体减排等方面的研究。
蔬菜地是特殊的旱地农业生态系统，其具有高施肥量、高复种指数、高经济效益、高频度农事操作等特点。针对我国蔬菜地土壤出现的退化现象，研究表明生物质炭能够增加蔬菜地土壤有机碳含量，有效减少N2O 排放;也可作为改良剂对酸化土壤、黏重土壤以及盐渍化土壤进行改良。生物质炭在蔬菜地生产领域的应用研究日益受到关注，有必要成为改良蔬菜地土壤的措施之一。
本文从生物质炭对蔬菜地土壤环境的影响及其作用机制两个方面出发，重点阐述了近年来我国蔬菜地应用生物质炭的研究进展，总结和分析了生物质炭在提升蔬菜产量和品质、减缓温室气体排放、削减面源污染和钝化重金属迁移等方面的机理机制，以期为改良蔬菜地土壤性质、提高氮肥利用率、削减菜园面源污染和减缓温室气体提供理论基础。
1 生物质炭的性质及其影响因素
生物质炭含有稳定的碳元素，其中碳主要由芳香烃、单质碳或具有类石墨结构的碳构成。这样的表面结构特性决定了它具有较高的化学稳定性和生物学稳定性。生物质炭具有丰富的表面微孔结构，比表面积较大，吸附能力较强，对重金属、无机物、有机污染物具有较高的亲和性，能较强地吸附它们并影响其在土壤中的迁移、降低其在土壤中的生物可利用性或减少其流失。生物质炭可为作物生长提供养分补充，在农田土壤改良，发酵调控等方面具有改善作用。不同的炭化原料、炭化工艺产生的生物质炭性质差异较大，而生物质炭在农业方面的效应与其特性密不可分。生物质炭特性的影响因素，主要包括炭化原料、热解温度和热解停留时间。
1.1炭化原料
同样的热解温度条件下，不同的炭化材料制备的生物质炭性质不同。600 ℃条件制备的木质生物质炭、草秆生物质炭、棉花秸秆生物质炭和葡萄藤生物质炭产量相比，木质生物质炭和草秆生物质炭的产量16.1%(wt/wt)较高，而葡萄藤生物质炭的产量8.5%(wt/wt)较低(表1)。生物质炭的产量指风干生物质热解炭化后的干重，主要与生物质中的纤维素和木质素含量有关。同样的温度条件下，不同来源生物质炭的灰分含量变化较大，秸秆类生物质炭的灰分含量较高22.2%~35.1%(wt/wt)，而木炭和竹炭的灰分含量较低3.8%~5.0% (wt/wt)。一般来说，木本科的生物质炭含碳量较高，矿质养分较少;畜禽粪便和草本植物生产的生物质炭含碳量较低，矿质元素含量较高。
生物质炭
1.2热解温度与热解停留时间
一般来说在热解过程中随着温度的升高，生物质炭的产量会逐渐降低、生物质炭的比表面积和孔隙结构会变得更加丰富。已有研究表明，污泥生物质炭的产量由300 ℃时的64.3%(wt/wt)下降到900 ℃时的 42.2%(wt/wt);而比表面积由300 ℃时的4.9 m2/g 增加到900 ℃时的34.2 m2/g (表2)。生物质炭表面的-COOH、-COH 和-OH 等含氧官能团逐渐增多，由此产生的表面负电荷使得生物质炭具有较高的阳离子交换量(CEC)。热解温度越高，生物质炭的pH 越高，这是由于热解过程中会产生大量灰分，其中的矿质元素溶于水后呈碱性所致。
生物质炭
生物质炭具有复杂的孔隙结构，其孔径大小决定其比表面积。而生物质炭的孔径大小与热解停留时间也有关系。当热解停留时间为20~30 min 时，生物质炭的平均孔径相对于停留时间10 min 时的孔径尺寸提高了4.8%~8.5%(表3)。灰分含量也会随着热解停留时间的延长而增加。Tan 等分析结果表明热解停留时间为20 min，生物质炭的灰分含量为7.0% ;停留时间为60 min，其灰分含量增加至15.7%。这是由于热解停留时间长，易于有机物质挥发而残留更多的灰分。
生物质炭
2 我国蔬菜地存在的问题
我国蔬菜的播种面积和产量分别占世界的43%和49%。2015 年我国蔬菜的播种面积为2.2×107 hm2，占我国耕地总面积的13.2%，其中设施蔬菜种植面积达到5.8×106 hm2。蔬菜地氮肥施用量通常是蔬菜生长所需量的6~8 倍，是常规大田的几倍甚至10 倍以上，氮素的高投入导致低下的氮肥利用率和大量的土壤氮素残留。如曹兵等对番茄菜地进行了研究，结果显示番茄地的氮素利用率为16.4%~28.8%，氮素在土壤中的残留率为37.0%~37.5%，损失率为34.2%~46.0%。设施蔬菜地环境封闭、缺少降雨的自然淋溶，施用的大量矿质肥料残留在土壤耕层。设施菜园温度较高，土壤水分蒸发量较大，土壤上层水分消耗快、下层水分和地下水向上运移致使盐分被水带至表层，加速了盐分在土壤表层的积累。设施蔬菜地湿度也较大，土壤团粒结构易被破坏，通透性变差、不利于盐分向下渗透。此外，设施土壤温度高，也会加速原生矿物的风化、促进盐基离子的释放，最终加剧了设施蔬菜地的土壤次生盐渍化。土壤在物理性质方面表现为耕作层变浅、土壤板结、透水透气性下降;在化学性质方面表现为土壤酸化、Ca2+ 和NO3- 含量显著增加。对于蔬菜来说，土壤次生盐渍化使植株矮小、发育迟缓、产量降低。蔬菜地土壤中过多的硝酸盐使蔬菜积累大量硝酸盐，人类食用这些蔬菜会对健康产生危害。蔬菜地的氮素通过径流迁移和N2O 排放进入环境，引发蔬菜地的面源污染和温室效应等环境问题。曾招兵等研究表明广州市郊菜地总氮的年径流损失量高达321 kg/hm2，占氮肥投入量的14.0%。据统计，我国设施蔬菜地土壤的N2O 排放占农田土壤N2O 总排放的20%。因此，降低蔬菜地的氮素以地表径流迁移、渗漏、N2O 排放途径而损失，已经成为我国蔬菜地生产亟需解决的重大问题。
         随着工农业的快速发展，大量重金属污染物通过各种途径进入土壤，从而引起蔬菜地土壤重金属超标。土壤重金属污染主要与施入化肥和畜禽粪便有机肥等密切相关。何梦媛等报道，连续4 年施用猪粪显著增加了耕层土壤中Cu 和Cd 含量，与对照相比，增幅分别为43.9%~118.6% 和28.2%~44.9%。重金属污染成为影响人类生活质量、威胁人类健康的环境和社会问题。程家丽等报道了我国各主要大中城市郊区的蔬菜均存在重金属超标现象，包括Pb、Cd、Hg、Cu 和As。井永苹等研究表明，设施蔬菜地土壤重金属含量随着蔬菜地的使用年限的增加而加重，棚龄16~20 年和21~25 年的土壤Cu 含量较棚龄1~5 年的Cu 含量增加19.2% 和25.4% ;棚龄16~20 年和21~25 年的土壤Cd 含量较棚龄1~5 年的Cd 含量增加2 倍。总而言之，栽培年限、轮作方式和土壤特性均对土壤中重金属的积累产生影响。
      因此，如何在保证农产品安全生产并改善农业生态环境的前提下对重金属中轻度污染蔬菜地土壤进行修复从而实现我国农业的高效、安全和可持续发展也是当前亟待解决的课题之一。
3 生物质炭在我国蔬菜地的应用现状
3.1生物质炭对土壤理化性质和蔬菜品质的影响生物质炭的添加缓解了土壤酸化。如酸化菜地土壤种植小白菜，小麦秸秆生物质炭的添加减缓了土壤pH 下降;红壤中施加10% 的稻壳生物质炭栽培芥蓝，红壤pH 有所提高。设施蔬菜地土壤次生盐渍化的主要离子为NO3- 和Ca2+，生物质炭的混施改善了土壤的次生盐渍化。农明英等以生菜为供试作物，与不施肥
不施生物质炭的对照处理相比，小麦秸秆生物质炭的添加有效降低了土壤的全盐、NO3-和Ca2+ 含量，降低幅度分别为23.9%、45.2% 和23.9%。杜衍红等研究表明稻壳生物质炭的添加相对于施肥而不施生物质炭的对照处理，土壤速效氮含量呈10% 的降低趋势。生物质炭的添加改善了土壤的物理性质。由于生物质炭密度小，可降低土壤容重和调节土壤孔隙度。刘玉学等研究表明水稻秸秆生物质炭和竹炭的添加均降低了菜地土壤的容重。生物炭表面的官能团具有亲水性，可以提高土壤持水量。何飞飞等研究表明蕹菜盆栽试验结束后、土壤持水量随生物质炭的施入量增加而增大。当生物质炭的投加比例为干土重的2%~10%，土壤持水量可增加5.0%~36.5%。生物质炭的添加也改善了土壤的化学性质。杜衍红等在红壤中施加10% 的稻壳生物质炭，栽培芥蓝后土壤CEC 提高了214.3%，土壤中有机质、速效磷和速效钾含量也