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生物质炭在我国蔬菜地应用的研究现状与展望

农业环境科学/北极星环保网
2018-08-22
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  环保科讯 前天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。

  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。

  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有显著提高。

  程效义等以连作15 年的设施土壤为研究对象,以黄瓜为供试作物,施加40 t/hm2 的玉米秸秆生物质炭可显著改善土壤中脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶的活性。

  生物质炭对蔬菜产量的影响,涵盖了叶菜类、茄果类和块根类等蔬菜;生物质炭的类型包括了秸秆生物质炭(小麦秸秆生物质炭、水稻秸秆生物质炭和玉米秸秆生物质炭等)、稻壳炭、竹炭以及几种生物质配比制备的混合生物质炭。

  刘玉学等研究表明水稻秸秆生物质炭和竹炭对小青菜的生长均有促进作用,以配施氮肥不施生物质炭的处理为对照,当生物质炭施加量为40 t/hm2 时,小青菜的总糖含量分别提高31.2% 和19.5% ;青菜中硝酸盐含量分别降低15.0% 和16.4%。

  黄连喜等连续16 个月定位多茬蔬菜(上海青—油麦菜—生菜)轮作的田间试验结果表明,与施等量复合肥而不施生物炭的对照处理而言,5 t/hm2 的小麦秸秆生物质炭促进蔬菜增产15.6%~124.3%。武春成等通过黄瓜桶栽试验表明,与施肥而不施生物质炭的对照相比,5% 的玉米秸秆生物质炭促进黄瓜增产25.0%,黄瓜的可溶性糖含量提高了23.8%、硝酸盐含量降低了23.1%。

  这些研究表明,正是由于合理地添施生物质炭增加了土壤孔隙度和土壤持水性、改善了土壤物理性状,促进了蔬菜根系生长;降低了氮素在土壤中的淋失、提高了土壤中有效磷、钾、镁和钙含量,促进了蔬菜对土壤养分的吸收利用;

  提高了原生菌、真菌等的活性,为微生物群落的生存提供了较大空间;生物质炭表面丰富的羧基和酚羟基等含氧官能团,使阳离子交换活动更加活跃,土壤CEC 得以提高。

  因此,生物质炭的添加在改善土壤性质的同时,促进了蔬菜增产和品质提升。

  3.2生物质炭对蔬菜地温室气体排放的影响

  目前,生物质炭添加对蔬菜地CO2 排放的影响没有一致的定论,有研究表明促进CO2 排放,也有研究认为抑制CO2 排放。

  何飞飞等在红壤中栽培蕹菜,发现生物质炭(水稻秸秆和花生壳混合制备的生物质炭)促进了土壤中CO2 的排放,增加幅度为4.1%~85.1%。

  贾俊香和熊正琴以玉米秸秆生物质炭和菜心为研究对象,也得出了生物质炭促进CO2 排放的结论,累计CO2 排放量增加了74.8%~109.2%。

  陆扣萍等研究表明,一次性施入20 t/hm2 猪骨生物质炭可使空心菜—小青菜轮作的土壤中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 排放量减少了9.2%~15.7%。

  这可能由于猪骨生物质炭、秸秆生物质炭含有较多的灰分,向土壤中带入了较多的易分解有机碳以及无机养分,为微生物提供了碳源,所以增加了土壤中CO2 的释放。

  由此可见,生物质炭的炭化原料对CO2的排放产生出不同的结果:木本科来源的生物质炭(木炭、竹炭)由于碳含量较高而灰分含量较低,在土壤中的固碳能力优于禾本科炭化原料制备的生物炭(秸秆生物质炭、稻壳生物质炭等)。

  实际上,即便生物质炭促进土壤中CO2 的排放,排放的CO2 仅占生物质炭总量的0.1%~0.8%。添加生物质炭并未对蔬菜地的CH4 排放产生影响。

  在我国蔬菜地,关于生物质炭对N2O 排放影响的研究报道较多,空心菜、小青菜、番茄、黄瓜或茄子等蔬菜地施入竹炭或水稻秸秆生物质炭后,土壤N2O 累积排放量均呈减少趋势。

  生物质炭减少土壤N2O 排放的原因主要有:

  1)生物质炭可能增加土壤对NH4+ 的吸附,减少硝化作用底物的浓度,从而抑制硝化过程中N2O 的排放;

  2)生物质炭可能通过提高土壤中N2O 还原酶(nosZ)相关基因的丰度,促进N2O 还原为N2 释放到大气,直接减少了土壤N2O 的排放;

  3)也有研究认为,生物质炭的C/N 比(7~400)较高,容易引起土壤氮固持,抑制了土壤N2O 排放。在蔬菜地高硝态氮背景下,生物质炭配施有机肥模式可大大降低菜地土壤N2O 的排放。

  陈晨等在苋菜、空心菜、菜秧和香菜轮作条件下,单施氮肥显著增加了N2O 的累计排放量,增幅为31.2%~116.4% ;单施秸秆生物质炭也增加了N2O 排放。

  但综合考虑了氮肥和秸秆生物质炭(20~40 t/hm2)的协同作用后,蔬菜地土壤的N2O 累计排放量减少了1.6%~24.4%。易琼等研究也表明在有机肥部分替代化肥氮的模式中,生物质炭能有效抑制菜地土壤N2O 的排放,降低幅度为38.8%。

  3.3生物质炭对蔬菜地面源污染的影响

  氮和磷是蔬菜所必需的大量养分元素。由于氮磷肥的大量施用,未被蔬菜利用的氮磷养分残留于蔬菜地表层土壤,在降雨或灌溉条件下,氮磷养分易发生淋溶损失。

  例如,施入土壤的肥料中大约有30%~50% 的氮素发生了淋溶损失,致使地下水中氮素含量超标。蔬菜地地表径流中氮素迁移主要以硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)为主。通过添施生物质炭削减我国蔬菜地面源污染中氮、磷流失的研究相对较少。

  土壤—水体中氮磷等养分的转化与迁移是造成蔬菜地面源污染的主要原因。生物质炭进入土壤后,微生物对其表面进行氧化,促进土壤中含氧官能团的增加、CEC 的提高、疏水性的降低,从而减缓了养分的流失。

  对于氮素来说,生物质炭能够吸附土壤中未被作物利用的氮素,主要是NH4+ 和NO3-,延缓其在土壤中的释放。而土壤中磷素淋溶作用很小,一般情况下,土壤吸附固定磷的能力很大,磷素在土壤中很难移动。

  土壤中磷素的淋失主要与土壤类型、土壤富磷程度、施肥措施、农业耕种、水文条件和土壤质地有关。生物质炭能否直接吸附磷,目前的研究结论并不统一。而经过改性处理(负载铁或镁)的生物质炭可以显著吸附磷。

  生物质炭可能促进酸性土壤外源磷的有效性,增加土壤电导率,降低土壤磷酸酶活性;生物质炭也可能提高土壤pH,直接吸附土体中的Al3+、Fe3+ 和Ca2+ 等离子,从而间接提高土壤磷素的有效性,最终影响土壤对磷的吸附和解吸。

  3.4生物质炭对蔬菜和土壤中重金属含量的影响

  针对蔬菜中Cd 累积程度而言,刘阿梅等推荐栽种萝卜的最佳松木生物质炭的投加量为土壤干重的10%~20%。

  土壤中添加3.0 mg/kg 重金属Cd 的背景下,不加生物质炭处理中的萝卜根中Cd 含量为0.48 mg/kg ;而添加生物质炭处理的萝卜根中Cd 含量降低为0.28 mg/kg,降低幅度为41.7%。

  吴继阳等以污泥生物质炭为改良剂,在污染土壤中种植小青菜,结果表明按照风干土重5%的投加比例可使小青菜可食部位的Cd 含量降低14.8%。

  刘冲等将水稻秸秆生物质炭(风干土重的1.5%~3.0%)添加到污染土壤中,供试作物油麦菜的地下部Cd 含量和地上部Cd 含量分别降低了47.6%~57.2% 和26.1%~31.9%。

  对于土壤中Cd 累积程度而言,王艳红等在土壤中混入25 g/kg 的稻壳生物质炭栽培生菜,土壤中醋酸铵提取态Cd 含量和弱酸提取态Cd 含量分别比对照污染土壤降低了17.9% 和10.4%。

  刘旭东等在土壤中添加10 t/hm2 的水稻秸秆生物质炭栽培生菜,土壤中有效态Cd 降低了45.0%~62.0% ;添加20 t/hm2 的水稻秸秆生物质炭,土壤中有效态Cd 降低幅度更为明显,达66.0%~89.0%。

  生物质炭对土壤中重金属Cd 的钝化机制主要包括提高土壤pH 和对Cd 的固持作用。生物质炭进入土壤后可增加土壤pH,从而会影响土壤中重金属的水解平衡。

  当土壤中的重金属离子以金属氢氧化物、碳酸盐或磷酸盐的沉淀形式存在,即降低了其在土壤中的移动性;生物质炭的表面官能团在土壤中与重金属离子结合,形成的金属配合物会固持与特定配位体有较强亲和力的重金属。

  生物质炭进入重金属污染的土壤后,主要通过调节土壤理化性质以及与重金属发生静电、沉淀、络合等作用,促进土壤中重金属失活。

  最终,生物质炭的添加降低了重金属在土壤中的生物有效性和可迁移性,阻控了重金属由土壤向蔬菜的可食部分运移富集,降低了蔬菜产品中的重金属含量,减弱了重金属污染的危害。

  4 展 望

  生物质炭为提高蔬菜品质、减少蔬菜地污染排放提供了可靠途径和有效措施。为加深生物质炭对蔬菜生产影响机制的理解、推广其在我国蔬菜生产领域的应用,今后需要进一步加强以下几个方面的研究方向。

  (1)明确生物质炭在不同蔬菜土壤环境条件下的适用性。由于生物质炭种类的多样性和不同地域气候条件和耕作制度多样化等因素,生物质炭的应用效果存在差异。加强各因素间的相关性研究,了解生物质炭在蔬菜地环境的影响机制,进行区域间横向对比研究,对生物质炭的合理化应用具有重要意义。

  (2)开展生物质炭在蔬菜地应用的长期定位监测。生物质炭应用技术实施的不同年限对蔬菜地环境的影响程度不同,将短期与长期定位试验相结合进行纵向比较研究,对于揭示生物质炭在蔬菜地环境的长期影响效果、探索生物质资源化利用有效方式以及建立可持续农业发展模式有重要意义。

  (3)降低生物质炭的生产成本。目前国内关于生物质炭的理论研究基础逐渐加强,制备生物质炭的设备和技术应用正在陆续大面积地推广。降低生物质炭的生产成本,可以有效促进生物质炭的大规模产业化推广。

  此外,也应该综合考虑生物质炭应用与配肥技术、生物技术、耕作措施等关键环节的统筹与协调,对优化蔬菜地生态环境、增加社会效益具有重要意义。

  (4)识别生物质炭的潜在风险。施加生物质炭导致土壤C/N 失调、盐基离子含量过高,而且生物质炭中含有的有毒物质会释放,这些负面效果可能会影响土壤生物区系,最终致使蔬菜减产。

  应加强生物质炭的生态毒理学研究,对客观评价生物质炭的作用、提高蔬菜的产量与品质、促进设施蔬菜地的可持续发展具有重要意义。

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