生物炭对土壤肥力与环境质量的影响机制与风险

分类：论文范文 发表时间：2021-04-17 15:28

　　摘要：生物炭作为土壤改良剂和促进作物生长的应用价值已经被很多研究证实。该文综述了生物炭在改善农业土壤质量和作物生长中的应用研究进展，系统阐述了生物炭在提高农业土壤有效水含量，增加土壤矿质元素利用效率，缓解土壤酸化，降低土壤重金属生物有效性和提高农作物产量与质量方面的重要作用与微观机制。特别地，该文强调了生物炭应用于农业生态系统过程中可能引起的多环芳烃、重金属等污染物富集以及氮素根系吸收量下降等不可忽视的潜在问题，并对今后的重点研究方向进行了系统分析总结，以期为生物炭在提高土壤肥力质量与环境质量中的安全与高效利用提供科学参考。

　　关键词：土壤；环境影响；作物；生物炭；农业安全

　　0引言

　　生物炭在农业领域的应用源于19世纪南美洲亚马逊盆地黑土的发现[1]，而对于生物炭的系统研究和大规模开发则是在全球环境危机、农业危机与能源危机日益凸显的背景下开始的[2-5]，其中，农业是生物炭应用最广泛和较成熟的领域。由于中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，年排放量达到40多亿t[6]，合理利用各类农业废弃物制备生物炭有利于控制农业环境污染，实现农业废弃物资源化利用，解决废弃生物质弃置、焚烧、随意排放的环境问题；不仅如此，以各类农业废弃物为前体制备的生物炭在修复农业土壤重金属和有机物污染方面表现出重要潜力[7-9]。大量理论研究与实践应用表明，生物炭有利于提高土壤肥力，促进农作物生长，增加作物产量[10-13]，此外，生物炭制备过程可产出焦油、裂解气、木醋液等副产品[14]，有利于实现农用生物炭生产过程中能源的循环利用，提升生物炭的附加价值。因此，农用生物炭的开发利用对于提高农业土壤生产力、资源化利用农业废弃物以及提供可再生生物能源均具有重要意义。

　　1生物炭的概念和性质

　　生物炭是生物质在有限供氧的密闭环境中于相对较低的温度条件下（＜700°C）热解生成的一类富含碳素（C%≥60%）、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态物质[15]。与传统木炭不同，“生物炭”强调其在农业生产和生态环境领域的功能与应用[15-17]。

　　2生物炭对土壤肥力质量和环境质量的影响效应与产生机制

　　将农业废弃生物质通过热解炭化技术制备生物炭并作为土壤改良剂施入农田，对于改善耕作土壤的理化性质和生物学特性，增加土壤肥力，修复土壤污染，提高作物产量和品质具有重要作用。

　　3生物炭应用于农业土壤的潜在风险

　　尽管与传统土壤改良剂相比，生物炭具有较多优势（表3），但同时有大量研究表明，生物炭对于耕作土壤结构稳定性、NP根系可利用性、土壤微生物与动物区系多样性以及作物生长可能会产生不利影响，甚至可能成为农业可持续发展的潜在威胁。

　　4结论与展望

　　生物炭独特的理化特性使其在稳定固碳的同时能够有效提高土壤持水保肥能力，有利于提高土壤营养元素利用效率，进而减少NP外源输入与径流损失，并能对重金属生物有效性产生控制效应。因此，生物炭对提高耕作土壤生产力、改善农业生态环境、削减由农业面源污染引起的水体富营养化具有重要价值。但是，对于我国广泛的农业问题来说，要避免一系列不利影响，实现生物炭对耕作土壤的有效改良与修复，依然存在许多关键瓶颈亟待明确和解决，重点包括：

　　4.1利用长期定位试验明确生物炭在农业生态系统中的生物地球化学行为和长期影响效应

　　生物炭作为土壤改良剂或修复剂施入农田后会长期存留于土壤并参与土壤各项生物地球化学循坏。由于反应进程缓慢，生物炭对农业生态系统的长期影响通常需要几年甚至更长时间的跟踪分析。但是，目前该领域的研究主要以实验室机理分析、土柱模拟或温室规模盆栽为主，虽然也有少量数月至1～2a的短期田间试验，但仍不足以明确生物炭对土壤肥力质量和环境质量的长期影响效应。因此，有必要建立生物炭应用于不同类型农业土壤的长期定位试验站点，对生物炭在田间的长期生物地球化学行为与效应进行跟踪研究，以揭示生物炭对农田土壤生态系统可能产生的长远影响。

　　4.2明确生物炭对不同区域和不同类型农业土壤的适用性

　　目前，生物炭在农业土壤方面的应用性试验主要集中于热带区域和南半球[91]，其研究结论大部分仅局限于试验地点的特定土壤、特定气候和耕作条件，而对其他地区的研究还不够全面。同时，针对生物炭对作物产量影响方面的研究目前主要集中于耕地和园林用地，而对其他土地类型的关注则较少[92]。由于生物炭在不同区域环境和不同土壤类型条件下，其自身氧化反应性及其环境行为差异较大，因此，生物炭对土壤肥力质量和环境质量的影响具有限定性，未来研究应探查生物炭对不同区域和不同类型农业土壤的适用特点，确保农业安全和生态安全。

　　[参考文献]

　　[1]GoldbergED.Blackcarbonintheenvironment：Propertiesanddistribution[M].NewYork:JohnWiley,1985.

　　[2]WoolfD,AmonetteJE,Street-perrottFA,etal.Sustainablebiochartomitigateglobalclimatechange[J].NatureCommunications,2010,1,56.

　　[3]LehmannJ,JosephS.Biocharforenvironmentalmanagement:scienceandtechnology[M].Sterling:EarthscanPublicationsLtd,2009.

　　[4]PengX,YeLL,WangCH,etal.Temperature-andduration-dependentricestraw-derivedbiochar:CharacteristicsanditseffectsonsoilpropertiesofanUltisolinsouthernChina[J].SoilandTillageResearch,2011,112(2):159－166.

　　[5]TourJM,KittrellC,ColvinVL.Greencarbonasabridgetorenewableenergy[J].NatureMaterials,2010,9:871－874.

　　[6]陶思源.关于我国农业废弃物资源化问题的思考[J].理论界，2013(5)：28－30.

　　王欣，尹带霞，张凤，谭长银，彭渤

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