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生物質炭在我國蔬菜地應用的研究現狀與展望

農業環境科學/北極星環保網
2018-08-22
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  環保科訊 前天生物質炭是生物質在限氧環境中經過熱化學轉化產生的固體物質,它在土壤改良、污染土壤修復和碳封存等方面具有廣闊的應用前景。

  文章針對我國蔬菜地面臨土壤酸化、土壤次生鹽漬化、面源污染和土壤重金屬污染等問題,通過查閱和匯總生物質炭在我國蔬菜地的應用文獻,總結和分析了生物質炭在我國蔬菜地的應用現狀,深入挖掘其在影響蔬菜地土壤理化性質、溫室氣體排放、面源污染和重金屬遷移等方面的效應及其影響機制。

  研究表明,生物質炭可提高土壤陽離子交換量、增加土壤中含氧官能團的數量、減小土壤容重等、從而減緩養分的流失,改善土壤理化性質,促進蔬菜增產;生物質炭可減弱重金屬在土壤中的生物有效性和可遷移性,鈍化其在土壤中的遷移。

  然而,不同制備工藝的生物質炭性質差異較大;生物質炭在不同區域不同蔬菜地土壤應用時出現結果不一致;缺乏生物質炭的負面效應報道等問題。

  因此,今后的研究方向應在蔬菜地進行區域間生物質炭的橫向對比研究;將短期與長期蔬菜地定位試驗相結合進行縱向比較研究;降低生物質炭的成本、識別其潛在風險,為推廣生物質炭在我國蔬菜生產領域的應用、建立可持續農業發展模式具有重要意義。

  前 言

  生物質炭是生物質在限氧或無氧條件加熱分解而獲得的含碳量豐富的固態物質。眾多的研究結果表明生物質炭在農業生產方面具有廣闊的應用前景。

  國內外的研究涵蓋了生物質炭提高作物產量、改良土壤性質、提高發酵產物肥效、固定重金屬在土壤中遷移和減少溫室氣體減排等方面的研究。

  蔬菜地是特殊的旱地農業生態系統,其具有高施肥量、高復種指數、高經濟效益、高頻度農事操作等特點。

  針對我國蔬菜地土壤出現的退化現象,研究表明生物質炭能夠增加蔬菜地土壤有機碳含量,有效減少N2O 排放;也可作為改良劑對酸化土壤、黏重土壤以及鹽漬化土壤進行改良。

  生物質炭在蔬菜地生產領域的應用研究日益受到關注,有必要成為改良蔬菜地土壤的措施之一。

  本文從生物質炭對蔬菜地土壤環境的影響及其作用機制兩個方面出發,重點闡述了近年來我國蔬菜地應用生物質炭的研究進展,總結和分析了生物質炭在提升蔬菜產量和品質、減緩溫室氣體排放、削減面源污染和鈍化重金屬遷移等方面的機理機制,以期為改良蔬菜地土壤性質、提高氮肥利用率、削減菜園面源污染和減緩溫室氣體提供理論基礎。

  1 生物質炭的性質及其影響因素

  生物質炭含有穩定的碳元素,其中碳主要由芳香烴、單質碳或具有類石墨結構的碳構成。這樣的表面結構特性決定了它具有較高的化學穩定性和生物學穩定性。

  生物質炭具有豐富的表面微孔結構,比表面積較大,吸附能力較強,對重金屬、無機物、有機污染物具有較高的親和性,能較強地吸附它們并影響其在土壤中的遷移、降低其在土壤中的生物可利用性或減少其流失。

  生物質炭可為作物生長提供養分補充,在農田土壤改良,發酵調控等方面具有改善作用。

  不同的炭化原料、炭化工藝產生的生物質炭性質差異較大,而生物質炭在農業方面的效應與其特性密不可分。生物質炭特性的影響因素,主要包括炭化原料、熱解溫度和熱解停留時間。

  1.1炭化原料

  同樣的熱解溫度條件下,不同的炭化材料制備的生物質炭性質不同。600 ℃條件制備的木質生物質炭、草稈生物質炭、棉花秸稈生物質炭和葡萄藤生物質炭產量相比,木質生物質炭和草稈生物質炭的產量16.1%(wt/wt)較高,而葡萄藤生物質炭的產量8.5%(wt/wt)較低(表1)。

  生物質炭的產量指風干生物質熱解炭化后的干重,主要與生物質中的纖維素和木質素含量有關。

  同樣的溫度條件下,不同來源生物質炭的灰分含量變化較大,秸稈類生物質炭的灰分含量較高22.2%~35.1%(wt/wt),而木炭和竹炭的灰分含量較低3.8%~5.0% (wt/wt)。一般來說,木本科的生物質炭含碳量較高,礦質養分較少;畜禽糞便和草本植物生產的生物質炭含碳量較低,礦質元素含量較高。

  1.2熱解溫度與熱解停留時間

  一般來說在熱解過程中隨著溫度的升高,生物質炭的產量會逐漸降低、生物質炭的比表面積和孔隙結構會變得更加豐富。

  已有研究表明,污泥生物質炭的產量由300 ℃時的64.3%(wt/wt)下降到900 ℃時的 42.2%(wt/wt);而比表面積由300 ℃時的4.9 m2/g 增加到900 ℃時的34.2 m2/g (表2)。

  生物質炭表面的-COOH、-COH 和-OH 等含氧官能團逐漸增多,由此產生的表面負電荷使得生物質炭具有較高的陽離子交換量(CEC)。

  熱解溫度越高,生物質炭的pH 越高,這是由于熱解過程中會產生大量灰分,其中的礦質元素溶于水后呈堿性所致。

  生物質炭具有復雜的孔隙結構,其孔徑大小決定其比表面積。而生物質炭的孔徑大小與熱解停留時間也有關系。

  當熱解停留時間為20~30 min 時,生物質炭的平均孔徑相對于停留時間10 min 時的孔徑尺寸提高了4.8%~8.5%(表3)。灰分含量也會隨著熱解停留時間的延長而增加。

  Tan 等分析結果表明熱解停留時間為20 min,生物質炭的灰分含量為7.0% ;停留時間為60 min,其灰分含量增加至15.7%。這是由于熱解停留時間長,易于有機物質揮發而殘留更多的灰分。

  2 我國蔬菜地存在的問題

  我國蔬菜的播種面積和產量分別占世界的43%和49%。2015 年我國蔬菜的播種面積為2.2×107 hm2,占我國耕地總面積的13.2%,其中設施蔬菜種植面積達到5.8×106 hm2。

  蔬菜地氮肥施用量通常是蔬菜生長所需量的6~8 倍,是常規大田的幾倍甚至10 倍以上,氮素的高投入導致低下的氮肥利用率和大量的土壤氮素殘留。

  如曹兵等對番茄菜地進行了研究,結果顯示番茄地的氮素利用率為16.4%~28.8%,氮素在土壤中的殘留率為37.0%~37.5%,損失率為34.2%~46.0%。

  設施蔬菜地環境封閉、缺少降雨的自然淋溶,施用的大量礦質肥料殘留在土壤耕層。設施菜園溫度較高,土壤水分蒸發量較大,土壤上層水分消耗快、下層水分和地下水向上運移致使鹽分被水帶至表層,加速了鹽分在土壤表層的積累。

  設施蔬菜地濕度也較大,土壤團粒結構易被破壞,通透性變差、不利于鹽分向下滲透。此外,設施土壤溫度高,也會加速原生礦物的風化、促進鹽基離子的釋放,最終加劇了設施蔬菜地的土壤次生鹽漬化。

  土壤在物理性質方面表現為耕作層變淺、土壤板結、透水透氣性下降;在化學性質方面表現為土壤酸化、Ca2+ 和NO3- 含量顯著增加。對于蔬菜來說,土壤次生鹽漬化使植株矮小、發育遲緩、產量降低。

  蔬菜地土壤中過多的硝酸鹽使蔬菜積累大量硝酸鹽,人類食用這些蔬菜會對健康產生危害。蔬菜地的氮素通過徑流遷移和N2O 排放進入環境,引發蔬菜地的面源污染和溫室效應等環境問題。

  曾招兵等研究表明廣州市郊菜地總氮的年徑流損失量高達321 kg/hm2,占氮肥投入量的14.0%。據統計,我國設施蔬菜地土壤的N2O 排放占農田土壤N2O 總排放的20%。因此,降低蔬菜地的氮素以地表徑流遷移、滲漏、N2O 排放途徑而損失,已經成為我國蔬菜地生產亟需解決的重大問題。

  隨著工農業的快速發展,大量重金屬污染物通過各種途徑進入土壤,從而引起蔬菜地土壤重金屬超標。土壤重金屬污染主要與施入化肥和畜禽糞便有機肥等密切相關。

  何夢媛等報道,連續4 年施用豬糞顯著增加了耕層土壤中Cu 和Cd 含量,與對照相比,增幅分別為43.9%~118.6% 和28.2%~44.9%。重金屬污染成為影響人類生活質量、威脅人類健康的環境和社會問題。

  程家麗等報道了我國各主要大中城市郊區的蔬菜均存在重金屬超標現象,包括Pb、Cd、Hg、Cu 和As。井永蘋等研究表明,設施蔬菜地土壤重金屬含量隨著蔬菜地的使用年限的增加而加重,棚齡16~20 年和21~25 年的土壤Cu 含量較棚齡1~5 年的Cu 含量增加19.2% 和25.4% ;棚齡16~20 年和21~25 年的土壤Cd 含量較棚齡1~5 年的Cd 含量增加2 倍。

  總而言之,栽培年限、輪作方式和土壤特性均對土壤中重金屬的積累產生影響。

  因此,如何在保證農產品安全生產并改善農業生態環境的前提下對重金屬中輕度污染蔬菜地土壤進行修復從而實現我國農業的高效、安全和可持續發展也是當前亟待解決的課題之一。

  3 生物質炭在我國蔬菜地的應用現狀

  3.1生物質炭對土壤理化性質和蔬菜品質的影響

  生物質炭的添加緩解了土壤酸化。如酸化菜地土壤種植小白菜,小麥秸稈生物質炭的添加減緩了土壤pH 下降;紅壤中施加10% 的稻殼生物質炭栽培芥藍,紅壤pH 有所提高。

  設施蔬菜地土壤次生鹽漬化的主要離子為NO3- 和Ca2+,生物質炭的混施改善了土壤的次生鹽漬化。農明英等以生菜為供試作物,與不施肥不施生物質炭的對照處理相比,小麥秸稈生物質炭的添加有效降低了土壤的全鹽、NO3-和Ca2+ 含量,降低幅度分別為23.9%、45.2% 和23.9%。

  杜衍紅等研究表明稻殼生物質炭的添加相對于施肥而不施生物質炭的對照處理,土壤速效氮含量呈10% 的降低趨勢。生物質炭的添加改善了土壤的物理性質。由于生物質炭密度小,可降低土壤容重和調節土壤孔隙度。

  劉玉學等研究表明水稻秸稈生物質炭和竹炭的添加均降低了菜地土壤的容重。生物炭表面的官能團具有親水性,可以提高土壤持水量。何飛飛等研究表明蕹菜盆栽試驗結束后、土壤持水量隨生物質炭的施入量增加而增大。

  當生物質炭的投加比例為干土重的2%~10%,土壤持水量可增加5.0%~36.5%。生物質炭的添加也改善了土壤的化學性質。杜衍紅等在紅壤中施加10% 的稻殼生物質炭,栽培芥藍后土壤CEC 提高了214.3%,土壤中有機質、速效磷和速效鉀含量也有顯著提高。

  程效義等以連作15 年的設施土壤為研究對象,以黃瓜為供試作物,施加40 t/hm2 的玉米秸稈生物質炭可顯著改善土壤中脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性。

  生物質炭對蔬菜產量的影響,涵蓋了葉菜類、茄果類和塊根類等蔬菜;生物質炭的類型包括了秸稈生物質炭(小麥秸稈生物質炭、水稻秸稈生物質炭和玉米秸稈生物質炭等)、稻殼炭、竹炭以及幾種生物質配比制備的混合生物質炭。

  劉玉學等研究表明水稻秸稈生物質炭和竹炭對小青菜的生長均有促進作用,以配施氮肥不施生物質炭的處理為對照,當生物質炭施加量為40 t/hm2 時,小青菜的總糖含量分別提高31.2% 和19.5% ;青菜中硝酸鹽含量分別降低15.0% 和16.4%。

  黃連喜等連續16 個月定位多茬蔬菜(上海青—油麥菜—生菜)輪作的田間試驗結果表明,與施等量復合肥而不施生物炭的對照處理而言,5 t/hm2 的小麥秸稈生物質炭促進蔬菜增產15.6%~124.3%。武春成等通過黃瓜桶栽試驗表明,與施肥而不施生物質炭的對照相比,5% 的玉米秸稈生物質炭促進黃瓜增產25.0%,黃瓜的可溶性糖含量提高了23.8%、硝酸鹽含量降低了23.1%。

  這些研究表明,正是由于合理地添施生物質炭增加了土壤孔隙度和土壤持水性、改善了土壤物理性狀,促進了蔬菜根系生長;降低了氮素在土壤中的淋失、提高了土壤中有效磷、鉀、鎂和鈣含量,促進了蔬菜對土壤養分的吸收利用;

  提高了原生菌、真菌等的活性,為微生物群落的生存提供了較大空間;生物質炭表面豐富的羧基和酚羥基等含氧官能團,使陽離子交換活動更加活躍,土壤CEC 得以提高。

  因此,生物質炭的添加在改善土壤性質的同時,促進了蔬菜增產和品質提升。

  3.2生物質炭對蔬菜地溫室氣體排放的影響

  目前,生物質炭添加對蔬菜地CO2 排放的影響沒有一致的定論,有研究表明促進CO2 排放,也有研究認為抑制CO2 排放。

  何飛飛等在紅壤中栽培蕹菜,發現生物質炭(水稻秸稈和花生殼混合制備的生物質炭)促進了土壤中CO2 的排放,增加幅度為4.1%~85.1%。

  賈俊香和熊正琴以玉米秸稈生物質炭和菜心為研究對象,也得出了生物質炭促進CO2 排放的結論,累計CO2 排放量增加了74.8%~109.2%。

  陸扣萍等研究表明,一次性施入20 t/hm2 豬骨生物質炭可使空心菜—小青菜輪作的土壤中CO2 排放量增加12.9%~13.3%,而一次性施入20 t/hm2 竹炭,致使土壤CO2 排放量減少了9.2%~15.7%。

  這可能由于豬骨生物質炭、秸稈生物質炭含有較多的灰分,向土壤中帶入了較多的易分解有機碳以及無機養分,為微生物提供了碳源,所以增加了土壤中CO2 的釋放。

  由此可見,生物質炭的炭化原料對CO2的排放產生出不同的結果:木本科來源的生物質炭(木炭、竹炭)由于碳含量較高而灰分含量較低,在土壤中的固碳能力優于禾本科炭化原料制備的生物炭(秸稈生物質炭、稻殼生物質炭等)。

  實際上,即便生物質炭促進土壤中CO2 的排放,排放的CO2 僅占生物質炭總量的0.1%~0.8%。添加生物質炭并未對蔬菜地的CH4 排放產生影響。

  在我國蔬菜地,關于生物質炭對N2O 排放影響的研究報道較多,空心菜、小青菜、番茄、黃瓜或茄子等蔬菜地施入竹炭或水稻秸稈生物質炭后,土壤N2O 累積排放量均呈減少趨勢。

  生物質炭減少土壤N2O 排放的原因主要有:

  1)生物質炭可能增加土壤對NH4+ 的吸附,減少硝化作用底物的濃度,從而抑制硝化過程中N2O 的排放;

  2)生物質炭可能通過提高土壤中N2O 還原酶(nosZ)相關基因的豐度,促進N2O 還原為N2 釋放到大氣,直接減少了土壤N2O 的排放;

  3)也有研究認為,生物質炭的C/N 比(7~400)較高,容易引起土壤氮固持,抑制了土壤N2O 排放。在蔬菜地高硝態氮背景下,生物質炭配施有機肥模式可大大降低菜地土壤N2O 的排放。

  陳晨等在莧菜、空心菜、菜秧和香菜輪作條件下,單施氮肥顯著增加了N2O 的累計排放量,增幅為31.2%~116.4% ;單施秸稈生物質炭也增加了N2O 排放。

  但綜合考慮了氮肥和秸稈生物質炭(20~40 t/hm2)的協同作用后,蔬菜地土壤的N2O 累計排放量減少了1.6%~24.4%。易瓊等研究也表明在有機肥部分替代化肥氮的模式中,生物質炭能有效抑制菜地土壤N2O 的排放,降低幅度為38.8%。

  3.3生物質炭對蔬菜地面源污染的影響

  氮和磷是蔬菜所必需的大量養分元素。由于氮磷肥的大量施用,未被蔬菜利用的氮磷養分殘留于蔬菜地表層土壤,在降雨或灌溉條件下,氮磷養分易發生淋溶損失。

  例如,施入土壤的肥料中大約有30%~50% 的氮素發生了淋溶損失,致使地下水中氮素含量超標。蔬菜地地表徑流中氮素遷移主要以硝態氮(NO3--N)和銨態氮(NH4+-N)為主。通過添施生物質炭削減我國蔬菜地面源污染中氮、磷流失的研究相對較少。

  土壤—水體中氮磷等養分的轉化與遷移是造成蔬菜地面源污染的主要原因。生物質炭進入土壤后,微生物對其表面進行氧化,促進土壤中含氧官能團的增加、CEC 的提高、疏水性的降低,從而減緩了養分的流失。

  對于氮素來說,生物質炭能夠吸附土壤中未被作物利用的氮素,主要是NH4+ 和NO3-,延緩其在土壤中的釋放。而土壤中磷素淋溶作用很小,一般情況下,土壤吸附固定磷的能力很大,磷素在土壤中很難移動。

  土壤中磷素的淋失主要與土壤類型、土壤富磷程度、施肥措施、農業耕種、水文條件和土壤質地有關。生物質炭能否直接吸附磷,目前的研究結論并不統一。而經過改性處理(負載鐵或鎂)的生物質炭可以顯著吸附磷。

  生物質炭可能促進酸性土壤外源磷的有效性,增加土壤電導率,降低土壤磷酸酶活性;生物質炭也可能提高土壤pH,直接吸附土體中的Al3+、Fe3+ 和Ca2+ 等離子,從而間接提高土壤磷素的有效性,最終影響土壤對磷的吸附和解吸。

  3.4生物質炭對蔬菜和土壤中重金屬含量的影響

  針對蔬菜中Cd 累積程度而言,劉阿梅等推薦栽種蘿卜的最佳松木生物質炭的投加量為土壤干重的10%~20%。

  土壤中添加3.0 mg/kg 重金屬Cd 的背景下,不加生物質炭處理中的蘿卜根中Cd 含量為0.48 mg/kg ;而添加生物質炭處理的蘿卜根中Cd 含量降低為0.28 mg/kg,降低幅度為41.7%。

  吳繼陽等以污泥生物質炭為改良劑,在污染土壤中種植小青菜,結果表明按照風干土重5%的投加比例可使小青菜可食部位的Cd 含量降低14.8%。

  劉沖等將水稻秸稈生物質炭(風干土重的1.5%~3.0%)添加到污染土壤中,供試作物油麥菜的地下部Cd 含量和地上部Cd 含量分別降低了47.6%~57.2% 和26.1%~31.9%。

  對于土壤中Cd 累積程度而言,王艷紅等在土壤中混入25 g/kg 的稻殼生物質炭栽培生菜,土壤中醋酸銨提取態Cd 含量和弱酸提取態Cd 含量分別比對照污染土壤降低了17.9% 和10.4%。

  劉旭東等在土壤中添加10 t/hm2 的水稻秸稈生物質炭栽培生菜,土壤中有效態Cd 降低了45.0%~62.0% ;添加20 t/hm2 的水稻秸稈生物質炭,土壤中有效態Cd 降低幅度更為明顯,達66.0%~89.0%。

  生物質炭對土壤中重金屬Cd 的鈍化機制主要包括提高土壤pH 和對Cd 的固持作用。生物質炭進入土壤后可增加土壤pH,從而會影響土壤中重金屬的水解平衡。

  當土壤中的重金屬離子以金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽的沉淀形式存在,即降低了其在土壤中的移動性;生物質炭的表面官能團在土壤中與重金屬離子結合,形成的金屬配合物會固持與特定配位體有較強親和力的重金屬。

  生物質炭進入重金屬污染的土壤后,主要通過調節土壤理化性質以及與重金屬發生靜電、沉淀、絡合等作用,促進土壤中重金屬失活。

  最終,生物質炭的添加降低了重金屬在土壤中的生物有效性和可遷移性,阻控了重金屬由土壤向蔬菜的可食部分運移富集,降低了蔬菜產品中的重金屬含量,減弱了重金屬污染的危害。

  4 展 望

  生物質炭為提高蔬菜品質、減少蔬菜地污染排放提供了可靠途徑和有效措施。為加深生物質炭對蔬菜生產影響機制的理解、推廣其在我國蔬菜生產領域的應用,今后需要進一步加強以下幾個方面的研究方向。

  (1)明確生物質炭在不同蔬菜土壤環境條件下的適用性。由于生物質炭種類的多樣性和不同地域氣候條件和耕作制度多樣化等因素,生物質炭的應用效果存在差異。加強各因素間的相關性研究,了解生物質炭在蔬菜地環境的影響機制,進行區域間橫向對比研究,對生物質炭的合理化應用具有重要意義。

  (2)開展生物質炭在蔬菜地應用的長期定位監測。生物質炭應用技術實施的不同年限對蔬菜地環境的影響程度不同,將短期與長期定位試驗相結合進行縱向比較研究,對于揭示生物質炭在蔬菜地環境的長期影響效果、探索生物質資源化利用有效方式以及建立可持續農業發展模式有重要意義。

  (3)降低生物質炭的生產成本。目前國內關于生物質炭的理論研究基礎逐漸加強,制備生物質炭的設備和技術應用正在陸續大面積地推廣。降低生物質炭的生產成本,可以有效促進生物質炭的大規模產業化推廣。

  此外,也應該綜合考慮生物質炭應用與配肥技術、生物技術、耕作措施等關鍵環節的統籌與協調,對優化蔬菜地生態環境、增加社會效益具有重要意義。

  (4)識別生物質炭的潛在風險。施加生物質炭導致土壤C/N 失調、鹽基離子含量過高,而且生物質炭中含有的有毒物質會釋放,這些負面效果可能會影響土壤生物區系,最終致使蔬菜減產。

  應加強生物質炭的生態毒理學研究,對客觀評價生物質炭的作用、提高蔬菜的產量與品質、促進設施蔬菜地的可持續發展具有重要意義。

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