生物炭与农业环境研究回顾

1生物炭与农业环境研究

1.1生物炭与农业面源污染农业面源污染是影响农业环境可持续发展的重要因素。在我国，由于化肥、农药、除草剂等化工产品长期、大量、不适当地使用和粗放管理导致的农业面源污染，已经严重影响到农业生产的可持续发展。虽然现在已注意到问题的严重性并提出了一些治理方法，但治理方式往往存在“成本高、难度大、收效缓及有生态风险”等不足之处，难以真正在生产实践中大面积推广应用。近年来，国内外相关研究结果表明，生物炭对减少土壤养分流失、提高肥料利用率、削减有机污染和农药残留、抑制污染物富集、降低污染物生物有效性等方面都具有积极作用[10-21]。因此，生物炭技术或许可为解决上述问题提供一条新路。研究表明，生物炭表面的官能团及其多微孔结构对土壤养分离子平衡与调控具有重要的影响。特别是对铵离子有很强的吸附性，有利于降低氮素挥发，减少养分流失，提高土壤肥力[10-11]。土柱淋滤模拟实验结果表明，以1%炭土质量比将生物炭施入土壤，NH+4-N淋溶量减少15.8%，NO-3-N淋溶量减少19.2%[12]。将生物炭应用于黑钙土和紫色土，发现氮素的淋失大幅降低。50t·hm-2和100t·hm-2的施用量，使黑钙土区氮素淋失分别降低了29%和74%，紫色土区分别降低了41%和78%。有报道认为，生物炭对磷酸根离子也有很强的吸附能力[15]。生物炭对氮、磷等营养元素的吸附性在酸性和砂质土壤中表现更为明显，可减少养分流失，延长供肥期，因而对作物生长更为有利[16-17]。生物炭对包括多环芳烃类和染料类污染物特别是农药在内的有机污染物也具有很强的吸附、解吸和迟滞作用，进而影响其迁移、转化与生物有效性[18-19，22]。研究表明，生物炭对有机污染物的吸附作用是普通土壤的400~2500倍，施用少量的生物炭即可大幅提高土壤对有机污染物的吸附容量[21]，并表现出较强的剂量效应[23]。在污泥-土壤体系中，应用生物炭可明显减少多环芳烃向植物体的转移数量，用含炭污泥堆肥处理黑麦草，植株中多环芳烃累积量比普通污泥降低了27%~34%，有效降低了潜在的污染风险[24]。当木屑生物炭在土壤中的添加量达到5%时，就会对莠去津、乙草胺[25]、毒死蜱[26]等产生明显的吸附作用，且表现出与施炭量、生物炭表面积及微孔特性成正相关。在黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中施用生物炭，可提高土壤对CAP的吸附活性，吸附常数KF，b分别降低了96.9%、90.6%、91.3%、68.5%和34.6%[27]。生物炭在增强对农药吸附的同时，也减少了解吸量，延缓了消解。研究表明，生物炭对敌草隆的吸附表现与炭量、时间呈正相关，当施用量为1%时，吸附56h敌草隆的解吸率仅为1.81%[28]。在为期4个月的实验中，添加1%生物炭处理的六氯苯、五氯苯和1，2，4，5-四氯苯的残留率分别为68.2%、61.3%和58.0%，显著高于对照处理的29.9%、18.0%、5.2%[29]。生物炭吸附有机污染物的作用与制炭温度有关。随着炭化温度的升高，等温吸附曲线由线性变为非线性，吸附机制表现为：分配作用分配作用+表面吸附作用表面吸附作用。分配作用部分与有机污染物的lgKow呈正相关，而表面吸附则与污染物的疏水性、分子大小及其与生物炭极性匹配性有关[30]。已有证据表明，疏水作用、电荷转移和孔填充作用是较高温度下制备的生物炭具有高吸附能力的主要原因[31]。不同温度条件下制成的生物炭其孔径分布、比表面积和官能团等是影响其对有机污染物吸附的主要因素。生物炭在吸附苯时会发生孔隙膨胀现象，并发生吸附-脱附的不可逆过程[32]。同时，不同热解温度下制备的生物炭，在不同土壤上的应用效果亦有差异，因制备温度、土壤类型不同而表现各异[23，33]。1.2生物炭与农田温室气体排放在农田生态系统中，土壤碳库的剧烈变化与人类从事的农业生产活动密切相关。据有关资料统计，目前全球农业及退化土壤的碳汇能力仅为历史水平的50%~66%，碳损失达420亿~750亿t[34]。长期的刀耕火种、翻耕促产等掠夺式农业生产活动，特别是大量焚烧秸秆，耕地只种不养，造成土壤有机质的大量损失，同时也明显加剧了农田温室气体排放，使农田成为重要的排放源[35]。据测算，全球土壤每年向大气释放的碳量约为68~100Pg（注：Pg为碳储量单位，1Pg=1亿t），是化石燃料燃烧碳排放量的10倍以上[34，36]。生物质变成生物炭以后，就其本身而言，所存储的碳是相对稳定的，如不重新焚烧，增加碳排放的风险几乎为零。而生物炭还田对土壤所产生的作用，诸如改善土壤结构，促进土壤微团聚体形成，增加土壤水、气、热融通[37-40]以及对功能微生物数量和群落的潜在影响等[41-44]，都将对降低土壤矿化速率，提高有机质含量，促进土壤碳库的形成、固定和周转等产生重要影响，进而影响土壤的温室气体排放。据Woolf等[45]测算，在不危及人类粮食安全、生存环境及土壤保护的情况下，生物炭每年减排温室气体的潜力可达目前人类温室气体排放总量的12%。实验结果显示，生物炭施入土壤后具有“主动减排”功能[46]。在施氮条件下使用生物炭，连续两年显著降低了稻田土壤的N2O排放和稻田痕量温室气体的综合温室效应，降幅达66%，且高炭量（40t·hm-2）添加的处理表现更明显，并具有持续性[47]。与秸秆直接还田相比，稻田秸秆炭化后还田的CH4排放量减少了14.7%[48]。以20g·kg-1的标准向牧草地和大豆土壤施用生物炭，N2O排放量分别降低了80%和50%，CH4的释放过程则受到明显抑制[49]。生物炭对NO2、CH4等温室气体排放的抑制作用[50-51]可能是生物炭对土壤修复作用造成的[52-53]，如增加土壤通气性、减缓反硝化作用、降低氮素循环效率等[54]。亦有研究者认为，生物炭能吸附土壤有机质作为甲烷菌的抑制剂，从而抑制CH4及其氧化产物的排放。来自实验室条件下的研究表明，在生物炭-土壤-水体系中，CO2、N2O和CH4的减排总量与生物炭的质量呈显著正相关，这在一定程度上验证了生物炭有可能是通过降低土壤有机质矿化速率来实现增汇减排的假设[25]。2.3生物炭与农业碳汇将农作物秸秆等农林废弃物制备成生物炭而取代焚烧，可以有效地减少农田温室气体排放，增加“农业碳汇”。生物炭对土壤生态系统碳汇效应的研究最早可追溯到对亚马逊流域黑土“Terrapreta”碳平衡的调查分析[55]。此后，随着对生物炭结构与性质的研究不断深入，发现生物炭有可能是土壤腐殖质中高度芳香化结构组成成分，是化学性质更稳定、可以在土壤中长保持的土壤碳库。亦有研究者认为，生物炭是某些土壤有机质的组成部分，对稳定土壤有机碳库具有重要作用[56-57]。实践证明，在灰漠土中施用生物炭可显著提高有机碳储量，改变有机碳组分，提高土壤生产力[58]。一项在红壤水稻土上施用生物炭的研究结果表明，生物炭有效地降低了有机碳矿化速率和累积矿化量，无炭处理区（对照）的累积矿化量分别比添加0.5%和1.0%生物炭的处理区高10.0%和10.8%[59]。在土壤中输入不同量的椰壳炭，发现在施炭量为1%~8%范围内，平均每增加1%，土壤有机碳量约增加5.9mg·g-1[60]。由于生物炭结构与理化性质的特殊性，截至到目前，还没有能够精确测定生物炭在土壤及环境生态系统中确切周转周期的方法[61]，因此，我们经常会看到截然不同的研究结果。例如，章明奎等[62]发现，在淹水条件下玉米秸秆中有机碳降解半衰期为0.88年，生物炭的降解半衰期为17.6~21.1年，同时发现生物炭的稳定性与制炭生物质本身性质有关，一般是随含碳量的增加而增加。另一项将生物炭和秸秆置于恒温恒湿条件下培养的研究则发现，生物炭分解的速度很慢，换算其周转周期约为1400年，而在相同条件下秸秆的周转周期仅为7年[63]。在特定环境条件下，生物炭可以发生一定程度的分解或降解[2，64-66]，只是时间相对较长，难以精确计算。高度芳香化和疏水性脂族碳结构使生物炭具有热稳定性和生物化学稳定性[57，67-68]，一般情况下，土壤中的生物炭可能会发生物理性迁移，但不会发生明显的化学变化，存在时间可达数百年或更长[69]。因此可以认为，生物炭是一个长期、稳定的土壤碳库，容量巨大[70]。秸秆或其他生物质炭化还田，应是一种高效的“农田碳汇”形式，而且在提高土壤碳积累的同时，有助于维持土壤C/N平衡和农田生态系统平衡，成为耕地可持续生产的重要物质基础。

2生物炭与重金属污染农田修复

国内外研究结果表明，生物炭可吸附土壤或水中的重金属离子如Cd、Pb、Cu等，减少这些重金属离子的富集，降低其生物有效性[71]。在含Cd2+水溶液中添加6g·L-1用不同材料制备的生物炭，对水溶液中Cd2+的去除率均在90%以上。其中玉米秆炭对溶液Pb2+的去除率达90.30%，麦秆炭和花生壳炭的去除率为52%和47%[72]。在镉污染稻田施用生物炭2~3年后，土壤pH分别提高了0.16~0.65和0.26~0.60，有机质含量提高了26.2%~50.4%和29.2%~51.2%，镉的赋存形态由有效态向潜在有效态或无效态转变，生物可利用性和生态毒性显著降低[73]。在铜、锌污染的红壤水稻土施用生物炭，土壤中有效态铜、锌含量明显下降，并且随着生物炭用量的增加下降幅度增大[74]。在海南和广西3种可变电荷镉污染土壤中施用稻秆炭，发现这3种土壤的阳离子交换量（CEC）和土壤pH值均显著提高，土壤胶体Zeta电位向负值方向位移，土壤对Cd（Ⅱ）的静电吸附量明显增加[75]。对污水条件下土壤复合污染（Zn、Cd、Pb、Cu）的研究表明，施用生物炭使土壤中交换态Zn、Cd、Pb、Cu分别降低了0.15%~24.11%、1.22%~16.09%、0.47%~21.51%、3.05%~77.3%，生态风险评价（TCLP）显示，施炭后生态风险均有不同程度的降低，而且随着施炭量的增加降幅增大，土壤pH值、有机质含量、铵态氮含量和硝态氮含量则明显提高[76]。在有生物炭存在的条件下，土壤中重金属污染物存在形式的变化直接影响其生物有效性。研究结果表明，棉秆炭通过吸附或共沉淀作用降低了镉的生物有效性，小白菜可食部分的镉含量降低了49.43%~68.29%，根部降低了64.14%~77.66%[77]。制备生物炭的热解温度，生物炭的pH值、颗粒细度、有机碳与无机物组分等，都会不同程度地影响生物炭对重金属的吸附[78-80]。特别是土壤pH值的升高，可能促使重金属离子形成碳酸盐或磷酸盐等发生沉淀，亦或增加了土壤表面某些活性位点，降低了重金属离子的活性，从而增加了对重金属离子的吸持。另一方面，生物炭表面的官能团也有可能与具有很强亲和力的重金属离子结合形成金属配合物，从而降低重金属离子的富集程度[81-83]。

3生物炭与土壤改良和农村环境建设

现代农业的发展已不仅仅是单纯满足在资源刚性约束条件下追求单位产出最大化的单一性发展模式，而是逐渐注重资源、环境与人文的和谐发展，互利共赢，从而实现经济效益、社会效益和生态效益的最大化。毫无疑问，生物炭技术从其兴起、发展、形成，一直到付诸实践；从理论探索、技术创新、产业发展，一直到产品的推广应用，都充分体现了这一核心理念。生物炭技术很有可能从根本上解决大量农林废弃物的高效资源化利用问题，同时避免因焚烧秸秆产生的环境污染，有效地解决生物质随意丢弃、堆放造成的农村“脏、乱、差”等人居环境劣化问题，促进人与自然、社会与环境的和谐发展[84]。建国60余年来，我国在发展农业方面取得到了巨大成就，用占世界9%的耕地，养活了世界22%的人口。特别是近年来，粮食生产总量连续多年突破万亿斤大关，为稳定粮食价格、促进经济快速发展和维护社会安定做出了突出贡献。在这巨大成绩和连年丰收的背后，不仅仅是强大的政策保障、巨大的生产投入和领先的科技支撑，还有大量使用化肥、耕地得不到休闲、只种不养的掠夺式生产方式！土壤酸化、沙化、盐碱化、粘重板结、有机质含量下降、土层变薄、水体富营养化等形势严峻。因此，稳定耕地数量、提升和保护耕地质量、挖掘产能潜力成为确保国家粮食安全的必然选择。建立在生物炭技术基础上的生物质炭化还田，对于改善耕地质量、提高作物产量、维持农田生态系统平衡与稳定、促进“土壤-环境-作物”的和谐与可持续发展都将具有重要意义和广阔的应用前景。

4展望

近年来，国内外有关生物炭方面的研究迅猛发展，生物炭在环境领域的效应也有一定研究证实，但无论从宏观层面还是微观视角来看，仍有许多问题有待于我们去思考和解决。在宏观层面，纵观目前相关研究，在一些关键问题上还存在一定争议，这与生物炭的选材、制备工艺条件及其应用的土壤环境等因素密切相关，也是一些研究结果相悖或无法重复的主要原因，同时也增加了同类、共性研究的对比分析、评价难度。因此，制定行业或专业性制炭、用炭、测炭标准及分析方法和评价体系就成为未来生物炭相关研究的必然选择。在温室气体排放领域，生物炭的主动减排效应仍有待于更多的试验研究来验证，需要在大尺度、宽范围条件下的稳定的、可靠的试验数据支撑，也需要对生物炭固碳减排潜力、效益进行综合分析、评估，明确生物炭在碳排放领域的作用、地位和前景。而在“农田碳汇”和环境保护领域，在注意到生物炭的积极、乐观效应的同时，也应该注意到生物炭大规模应用的生态影响，有必要对大量、长时间生物炭输入的环境安全性进行科学评价，如是否会在一定时间后发生分解并产生温室气体或其他物质、能否改变生物多样性、是否对生态系统平衡产生风险等。生物炭的碳含量较高，大量施用势必会大幅提升土壤碳库容，而生物炭被认为是土壤腐殖质中高芳香化结构的组成部分[70]，因此生物炭可能大幅度提高土壤有机质含量，从而培育和稳定土壤有机库，成为构筑可持续利用土壤的前提[70]。但是，生态环境系统中的碳库形成具有“长期、平衡、稳定”的显著特点，生物炭的高碳量、持续人为输入是否会改变原本自然存在的碳循环路径和碳库收支走向，进而影响生态环境系统，同样也值得我们去深思和探索。从微观角度，更有许多待解之“题”。诸如生物炭吸附一种或多种有机污染物、重金属的过程、机制，吸附位点的具置和稳定性，能否再次释放或产生次生污染？被吸附的有毒、有害物质随时间变化能否被有效转化或固化变成不会释放的潜在污染“源”？生物炭能否在土壤中降解，通过何种途径降解，降解后如何转化、迁移等等。生物炭留给我们的探索空间和未解之“题”还很多很多。虽然生物炭的长期、大面积应用效果还有待于时日考证，其生态风险也需要进行长期、系统、全面的评估，但生物炭所具有的突出优势已在农业及环境污染治理等领域彰显出巨大潜力。科学合理、适地适时地选择和应用生物炭技术，是发挥生物炭巨大潜能与应用价值的客观要求。基于农业生态环境系统所具有的复杂性、脆弱性、敏感性和长期性特点，有必要高度关注生物炭技术及其有可能带来的对资源与环境的短期和长远效应，充分考虑资源与环境的承载能力，恰当地发挥生物炭技术在农业生态环境系统建设中的作用，为构建“生态、和谐、安全、低碳和可持续”的农业环境发展模式探索出一条新路。为此，若干理论与技术问题和利用原则有待于进一步研究，包括：（1）制备生物炭的设备、工艺和选材问题。生物炭的环境效应与其结构和理化性质密切相关，因不同条件科学地选择适用的生物炭是极其必要的。这对制备生物炭的设备、工艺和材料等提出了更高的要求。因此，加强相关设备和技术创新、优化制炭工艺、合理选择制炭材料以生产出适于不同需求的生物炭，就成为实现生物炭大面积推广应用的基础。同时，应遵循“生态、安全、循环、可持续、效益最大化”原则，对生物质炭化后的有毒物质含量、环境应用风险、累积反馈效应等进行全面、系统地分析和综合评估，建立基于环境安全的生物炭应用标准，使生物炭在农业及农业环境领域“可用、可控、可循”。（2）生物炭的“适地、适时、适用”问题。从现有研究结果和发展状况来看，生物炭是修复农业环境污染，促进资源与环境可持续发展，低碳、环保、生态可行技术途径之一。但在实际应用中，方法是否科学、合理，应用是否得当等，都会影响应用效果。因此，生物炭应用于农业环境领域应坚持“适时、适地、适用”的原则，严格掌控环境风险，注意与农业生产方式的结合。（3）生物炭环境应用理论和调控机理研究问题。由于生物炭研究起步较晚，对一些关键的理论与调控机制问题还缺少足够的认识，如不同条件下生物炭对污染物的吸附过程，生物炭“质-效”、“量-效”关系及其机理等，还有待于深入探讨。大自然赐予人类赖以繁衍生息的环境，但人类对自然的过度消费和破坏却使环境难以为继，令我们不得不承受来自大自然的严酷惩罚。生物炭这一新兴技术在促进“炭-碳”转化过程中，实现了“丰馈自然、物境和谐”的美好愿景。“穷田恶水”还是“沃土蓝天”？绝不仅仅是生存的需要，更是一种历史的选择和责任！保护生态环境刻不容缓，实现可持续发展任重而道远。

作者：陈温福 张伟明 孟军 单位：沈阳农业大学 辽宁省生物炭工程技术研究中心