生物炭在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用

1、 課程名稱：化學(xué)前沿 題 目：生物炭在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用 學(xué) 院：化學(xué)與化工學(xué)院 年 級(jí)： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 教 師：目錄摘要3關(guān)鍵詞3Abstract .3Key words3前言31、生物炭的生產(chǎn)原料42、生物炭的生產(chǎn)過程及其理化特性43、生物炭對(duì)土壤的作用機(jī)理。53 1 生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響53 1 1 生物炭對(duì)土壤容重的影響53 1 2 生物炭對(duì)土壤孔隙度的影響63 1 3 生物炭對(duì)土壤水分的影響63 2 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響73 2 1 生物炭對(duì)土壤pH 的影響73 2 2 生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響84、生物炭對(duì)土壤污染物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的消減作用94.1生

2、物炭對(duì)土壤中N、P的持留94.2生物炭對(duì)土壤中重金屬的吸附和固持95、生物炭在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的模式105.1炭基有機(jī)肥模式105.2炭基有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥模式105.3改良土壤的模式115.4土壤重金屬污染治理的模式126、生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用價(jià)值分析137、發(fā)展與展望138、參考文獻(xiàn)。14生物炭在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用摘要 生物炭(Biochar)是在限氧或隔絕氧的環(huán)境條件下，通過高溫裂解，將小薪柴、農(nóng)作物秸稈、雜草等生物質(zhì)經(jīng)炭化而形成的，是一種碳含量極其豐富的炭。這種由植物形成的，以固定碳元素為目的的炭被科學(xué)家們稱為“生物炭”。生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備等運(yùn)用越來(lái)越廣。其農(nóng)用的效益

3、是多元化的，將生物炭農(nóng)用已作為當(dāng)前農(nóng)業(yè)的重要課題。 關(guān)鍵詞：生物炭、性質(zhì)特點(diǎn)、農(nóng)業(yè)、改良、應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展前景Abstract: Biochar is an insoluble solid matter with high aromatization produced by biomass pyrolysis in completely or partially hypoxic conditions. In recent years，biochar is widely used in agriculture as a soil amendment and controlle release ca

4、rrier for fertilizers. In order to boost the study and utilization of biochar in agriculture，this study summarized the factors that affect properties of biochar and its effects on soil physical and chemical properties，amount of microorganisms in soil，and growth and yields of crops. The fu-ture resea

5、rch issues were also suggested.Biochar has showed important roles in controlling non-point source pollution, improving soil quality, increasing soil production, alleviating climate changes, and maintaining agro-ecosystem sta-bility. The prospect of biochar industrialization and development in China

6、was also proposed.Keywords:Biochar;Character;Agriculture;Improvement;Application status;Development prospect前言 作為農(nóng)業(yè)大國(guó)的中國(guó)，年產(chǎn)作物秸稈8×108 t以上1，而以作物秸稈為主的廣泛存在的生物質(zhì)Cbiomass)是制備生物質(zhì)炭(biochar)的主要原料。生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)熱裂解、炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)團(tuán)。根據(jù)原料的來(lái)源不同，生物質(zhì)炭分為木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭、動(dòng)物糞便炭等.門。通常認(rèn)為，生物質(zhì)炭屬于黑炭(black c

7、arbon)范疇的一種，而黑炭包含了生物質(zhì)略微炭化到燃燒后黑煙顆粒的炭化物質(zhì)，其對(duì)全球碳循環(huán)所起作用較大2。近年來(lái)，用生物質(zhì)熱裂解生產(chǎn)生物質(zhì)炭己成為農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)之一，而且由于在生產(chǎn)過程中消耗了大量生物質(zhì)資源，因此生物質(zhì)炭有助于我國(guó)龐大的秸稈資源的有效利用。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究表明，當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后，其在封存碳的同時(shí)，還可以改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、促進(jìn)作物生長(zhǎng)，從而提高作物產(chǎn)量。生物質(zhì)炭的最佳施用范圍因土壤類型和性質(zhì)、作物種類、土壤肥力狀況和礦質(zhì)肥管理而變化。生物炭的運(yùn)用顯得越來(lái)越重要，然而，目前對(duì)生物質(zhì)炭的農(nóng)用研究仍存在不足，有待進(jìn)一步深入開展。1、生物炭的生產(chǎn)原料 利用耕地種植用于

8、生產(chǎn)生物炭的原料作物或營(yíng)造速生林作為生物炭生產(chǎn)原料的思路，在生物炭研究的初期一度很盛行，但這種做法很快受到大家的質(zhì)疑，因?yàn)榧s化種植作物或造林會(huì)加快土壤肥力耗竭，甚至?xí)涌斓厍蚧哪?。然而，近年?lái)大家開始重視以廢棄生物質(zhì)（如植物秸稈）作為生物炭生產(chǎn)原料的思路，許多科學(xué)家致力于研究廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭的技術(shù)及設(shè)備。廢棄生物質(zhì)包含初級(jí)農(nóng)林生產(chǎn)剩余物，如農(nóng)作物秸稈、穗芯、種皮、種殼、果皮、果核、木工木屑、林木采伐廢枝、果樹修剪及換代枝條等；農(nóng)林次級(jí)剩余物，如甜菜渣、甘蔗渣、果渣（如蘋果、梨、桃、草莓等果渣及獼猴桃、葡萄籽和皮等），葵花粕、棉籽粕、大豆粕、菜籽粕、造紙黑液等；生物利用及轉(zhuǎn)化廢棄物，如發(fā)

9、酵渣（沼氣渣、味精 渣、酒糟（高粱渣、大麥渣）、畜禽糞便、菌菇栽培廢基質(zhì)等。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全球廢棄生物質(zhì)資源量可達(dá) 1400 億t，資源豐富，可謂取之不盡。盡管廢棄生物質(zhì)的收集及運(yùn)輸都有點(diǎn)困難，但是大型養(yǎng)殖場(chǎng)、榨汁廠（如甘蔗糖廠、果汁廠）及易于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膹U棄生物質(zhì)完全可以利用固定廠房熱裂解，零散及難以長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膹U棄生物質(zhì)資源熱裂解則利用熱裂解移動(dòng)設(shè)備。用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭不但可以獲得生物炭，還可以獲得生物能源或化學(xué)品，使廢棄生物質(zhì)附加值得到提高，有利于對(duì)廢棄生物質(zhì)的利用和管理，有助于解決廢棄生物質(zhì)棄置、焚燒、隨意排放的環(huán)境污染問題。2、生物炭的生產(chǎn)過程及其理化特性 生物質(zhì)原料在裂解爐限氧的

10、環(huán)境下燃燒發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣在真空泵的抽引下經(jīng)過冷卻分離設(shè)備可以得到生物油、木醋液和可燃?xì)怏w三種產(chǎn)品，裂解反應(yīng)的剩余物就是生物炭。一噸生物質(zhì)原料可以產(chǎn)出300kg左右的生物炭、250kg左右的木醋液、50kg左右生物油和近700m³的可燃?xì)怏w。該技術(shù)與其它生物質(zhì)能利用技術(shù)相比，一是對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，二是自熱式裂解反應(yīng)不需耗費(fèi)其它能源，三是能源轉(zhuǎn)化效率高，達(dá)70%左右3,4。 生物炭主要組成是碳、氫、氧、氮和灰分。其中含有大量的高分子、高密度的碳水化合物，灰分的含量與生產(chǎn)生物炭的原料來(lái)源和種類有直接關(guān)系。生物炭多孔，容重小，比表面積大，吸水、吸氣能力強(qiáng)，帶負(fù)電荷多，能形成電磁場(chǎng)；

11、生物炭具有高度的芳香化、物理的熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)抗分解性5,6。表1 兩種主要農(nóng)作物秸稈制取的生物炭的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The test data of biochar prepared from two main types of strawItem項(xiàng)目碳C%氫H%氧O%氮N%硫S%鉀K%磷P%Organic matter有機(jī)質(zhì)%Wheatstalk biochar麥秸生物炭71.373.348.190.630.047.00.559cornstalk biochar玉米桿生物炭62.582.741.420.710.126.90.6603、生物炭對(duì)土壤的作用機(jī)理。3 1 生物炭對(duì)土壤物理

12、性質(zhì)的影響3 1 1 生物炭對(duì)土壤容重的影響 生物炭的容重遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤，因此，將生物炭添加到土壤中可以降低土壤的容重7。在農(nóng)學(xué)上，不同土壤容重會(huì)產(chǎn)生不同的農(nóng)業(yè)效益。一般來(lái)說(shuō)，擁有較高有機(jī)質(zhì)含量的低容重土壤更有利于土壤營(yíng)養(yǎng)的釋放、養(yǎng)分的保留( 化肥的存儲(chǔ)) 并降低土壤板結(jié)程度，有利于種子的萌發(fā)并節(jié)約種植成本8。因此，土壤施用生物炭可以降低土壤容重，提高土壤生產(chǎn)力。如Laird 等9研究表明，同空白土壤相比，施生物炭顯著降低土壤的容重。Eastman10在粉砂土壤上施用25 g /kg 的生物炭，土壤容重從1 52 g /cm3 降低到1 33 g /cm3。土壤的容重與土壤的緊實(shí)度密切相關(guān)，S

13、oane11總結(jié)出有機(jī)質(zhì)有可能通過以下幾種機(jī)制來(lái)影響土壤的緊實(shí)度: 團(tuán)聚體內(nèi)部和顆粒間的結(jié)合力，土壤有機(jī)質(zhì)中存在許多長(zhǎng)鏈的分子，對(duì)礦物顆粒具有很好的約束力，通過這種作用可以改變土壤緊實(shí)度; 彈( elasticity) ，土壤有機(jī)質(zhì)在壓縮情況下會(huì)表現(xiàn)出比礦物質(zhì)土壤更高的彈性; 稀釋作用，有機(jī)質(zhì)容重明顯低于礦物質(zhì)土壤容重，加入有機(jī)質(zhì)可以減小土壤緊實(shí)度; 菌絲、根、真菌菌絲和其他生物結(jié)合土壤基質(zhì)改變土壤緊實(shí)度; 摩擦力，土壤顆粒和有機(jī)質(zhì)之間有一種涂層能增加顆粒間的摩擦，可以改變土壤緊實(shí)度。生物炭對(duì)土壤容重的影響的研究還不多，但從上面提到的幾種機(jī)制來(lái)看，生物炭對(duì)土壤容重的影響可能主要與稀釋作用和摩擦

14、力有關(guān)。生物炭彈性較低，土壤壓實(shí)后不會(huì)隨著生物炭的添加而得到有效恢復(fù)，但是可能通過一些直接或間接影響( 土壤有機(jī)質(zhì)和水文學(xué)的交互作用) 來(lái)提高土壤緊實(shí)度。一些研究表明在土壤中加入生物炭后會(huì)使真菌土壤緊實(shí)度增長(zhǎng)變快并使植物生產(chǎn)力提高，而根系和菌絲的發(fā)展也會(huì)對(duì)土壤的容重產(chǎn)生影響12。但是如果施加的生物炭碎裂成細(xì)小的顆粒進(jìn)入土壤孔隙，會(huì)造成干土壤容重增加。因此，還需要對(duì)生物炭對(duì)土壤密度的影響機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。3 1 2 生物炭對(duì)土壤孔隙度的影響 生物炭的孔隙分布、連接性、顆粒大小和顆粒的機(jī)械強(qiáng)度以及在土壤中移動(dòng)等因素均可以影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)。具有多孔結(jié)構(gòu)的生物炭應(yīng)用到土壤中，能增加土壤的孔隙度，生

15、物炭應(yīng)用到土壤中對(duì)土壤微生物群落和土壤整體吸附能力都有益，不僅可以促進(jìn)微生物的活動(dòng)，也可以增加土壤孔隙度13。但是另一方面，生物炭的細(xì)粒子可能會(huì)堵塞土壤孔隙從而使水的滲透率降低13。然而，這種機(jī)制仍缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)，因此，生物炭的孔徑分布對(duì)土壤性質(zhì)和功能所造成的影響仍然不確定。3 1 3 生物炭對(duì)土壤水分的影響 土壤的保水性( soil water retention) 取決于土壤孔隙的分布和連通性，而它在很大程度上受土壤粒徑( 紋理) 、結(jié)構(gòu)特征( 聚集) 和土壤有機(jī)質(zhì)含量的限制。生物炭高表面積也可以導(dǎo)致土壤持水力上升。當(dāng)生物炭加入土壤時(shí)，土壤表面積增加，對(duì)土壤微生物群落和土壤整體的吸附能力都有

16、益，隨后會(huì)提高土壤的保水性。Tryon研究了生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤中水分的影響: 在沙土中加入生物炭會(huì)增加18%的土壤有效水，然而在肥沃的土壤中沒有觀察到這種現(xiàn)象，并且在黏質(zhì)土壤中有效水含量隨著生物炭的加入而減少。有研究發(fā)現(xiàn)活性炭95%的毛孔的直徑小于2 nm，盡管生物炭具有多孔性，但是植物可用有效水分取決于生物炭原料和加入的土壤質(zhì)地。在沙土中，存在于生物炭微孔結(jié)構(gòu)中的水和可溶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可能隨著土壤變干和土壤基質(zhì)增加而出現(xiàn)，這說(shuō)明在干旱期加入生物炭會(huì)增加土壤水的有效性。另一方面，生物炭會(huì)增加土壤的斥水性。土壤斥水性( soil water repellency) 是指某些土壤無(wú)法被水濕潤(rùn)的現(xiàn)象。

17、水灑在斥水土壤的表面時(shí)，水珠滯留在地表，長(zhǎng)時(shí)間不能入滲，它們抵抗?jié)駶?rùn)的時(shí)間從數(shù)小時(shí)到數(shù)周不等。如Briggs 等測(cè)量了在松林野火的木炭顆粒的斥水性，發(fā)現(xiàn)在礦質(zhì)土壤表面的木炭和枯枝落葉的斥水力有很大差別。水滴的滲透時(shí)間即1 滴水滲透所花費(fèi)的時(shí)間在前者中大于2h，在后者中卻小于10 s。生物炭是如何直接或間接影響土壤斥水性能的，是一個(gè)仍然需要進(jìn)行大量研究的課題。3 2 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響3 2 1 生物炭對(duì)土壤pH 的影響 土壤中加入生物炭后，土壤pH 值將會(huì)發(fā)生變化，這與添加的生物炭的種類與含量有關(guān)。Novak等指出把核桃殼生物炭( pH 值為7.3) 加入到酸性土壤時(shí)，土壤的pH 值會(huì)

18、從4.8 增到6.3。同樣地，Hossain 等發(fā)現(xiàn)在土壤中加入來(lái)自污水污泥熱解產(chǎn)生的生物炭( pH 值為82) 也會(huì)使土壤的pH 值從4.3 增到4.6。Chintala 等研究在酸性土壤和堿性土壤中分別加入玉米秸稈、柳枝稷、松木熱解產(chǎn)生的生物炭，結(jié)果顯示，3 種生物炭加入酸性土壤后都會(huì)不同程度地增加土壤的pH 值，并且隨著用量的增加pH 呈上升趨勢(shì)，而加入到堿性土壤中，并沒有產(chǎn)生多大的影響。與生物炭對(duì)酸性土壤的pH 研究相比，生物炭對(duì)堿性土壤pH 影響的研究相對(duì)較少。通過以上研究可以看出生物炭可以很好地調(diào)節(jié)酸性土壤的pH 值。因此，生物炭被認(rèn)為是酸性土壤一種很好的改良劑。生物炭改善酸性土壤

19、的有效性不僅取決于生物炭本身的堿度還與生物炭形成過程中形成的碳酸鹽( MgCO3，CaCO3) 和有機(jī)酸根( COO ) 有關(guān)。碳酸鹽含量隨著產(chǎn)生生物炭熱解溫度的升高而增多，而有機(jī)酸含量卻在低溫?zé)峤鈺r(shí)較多。因此，中間溫度熱解產(chǎn)生的生物炭可能是酸性土壤較好的改良劑。3 2 2 生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響 陽(yáng)離子交換量( CEC) 用來(lái)估算土壤吸收、保留和交換陽(yáng)離子的能力。陽(yáng)離子交換的來(lái)源是黏土礦物、有機(jī)物質(zhì)和非晶礦物質(zhì)。在熱帶地區(qū)，土壤的CEC 通常很低。Gaskin 等研究了不同生物質(zhì)( 如松樹皮、花生殼、鋸末、松心片丸和硬木) 在不同溫度下制備的生物炭的CEC。如圖3 所示，除了松樹皮外

20、，所有生物質(zhì)在400 附近CEC 值最高，對(duì)所有生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，在溫度超過420 時(shí)CEC 值最低，這是因?yàn)殡S著溫度變化植物養(yǎng)分也在變化，但是很少有關(guān)于溫度與CEC 之間關(guān)系的研究。土壤有機(jī)質(zhì)的陽(yáng)離子交換量為150 300 cmol /kg，與土壤有機(jī)質(zhì)相比，來(lái)自熱解的新鮮生物炭的CEC 值很低。圖1 溫度對(duì)不同原料的生物炭CEC 的影響Fig 3 Effect of production temperature on CECPB 松樹皮; PN 花生殼; SD 鋸末; PC 松心片丸; HW 硬木PB pinebark; PN peanut hull; SD saw dust;PC pine c

21、hip pellets; HW Hardwood Chintala 等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭無(wú)論加入酸性土壤還是堿性土壤，都能夠提高土壤的陽(yáng)離子交換能力，這可能是由于生物炭表面有很多陰離子。Hossain 等研究發(fā)現(xiàn)在土壤中加入生物炭可以增加40%的CEC。添加少量的生物炭會(huì)顯著提高土壤中堿性陽(yáng)離子的含量，這將會(huì)提高土壤養(yǎng)分。Liang等報(bào)道隨著土壤中有機(jī)質(zhì)表面氧化程度的增加或者土壤表面陽(yáng)離子交換位點(diǎn)的增加，土壤CEC值也會(huì)增加。Glaser 等表示，芳香族碳的氧化和羧基官能團(tuán)的形成也可能是提高CEC 值的原因。因此生物炭表面酸性物質(zhì)隨著生物炭老化將導(dǎo)致較高的陽(yáng)離子交換量。4、生物炭對(duì)土壤污染物環(huán)境

22、風(fēng)險(xiǎn)的消減作用4.1生物炭對(duì)土壤中N、P的持留 生物炭添加到土壤中之后可以固持土壤中的N、P等農(nóng)業(yè)面源污染物, 減少土壤滲漏和地表流失, 降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。這主要通過以下兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn): 一方面, 生物質(zhì)炭對(duì)土壤中溶解態(tài)的NH4+ 、NO3- 和PO43- 具有相當(dāng)強(qiáng)的吸附特性, 并可有效降低農(nóng)田土壤氨的揮發(fā), 從而顯著減少相關(guān)元素通過淋洗進(jìn)入地下水或通過水土流失進(jìn)入地表水的量 14 17 。另一方面, 生物炭對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸附將N、P等元素固定在土壤的表層, 保證了作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的供給, 提高了營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率, 可降低土壤化學(xué)肥料的施加量, 從而減少N、P等養(yǎng)分元素的外源輸入 17

23、。此外, Rondon等研究表明, 向土壤中添加生物炭還可以顯著提高大豆的固氮能力, 在提高土壤生產(chǎn)力的同時(shí)增加土壤肥力, 有效地減少土壤對(duì)化學(xué)肥料的需求量。因此, 探索將生物炭合理地應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體周圍的土壤以控制N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的流失, 對(duì)于消減由于過量施用化學(xué)肥料引起的農(nóng)業(yè)面源污染具有積極地作用。4.2生物炭對(duì)土壤中重金屬的吸附和固持 生物炭比其它土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力更強(qiáng)。生物炭的施用能夠顯著影響土壤中重金屬的形態(tài)和遷移行為18-20 。林愛軍18 等研究發(fā)現(xiàn)土壤施加10 mg /kg 骨炭后, 水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu、Pb的濃度都顯著下降; 水溶態(tài)

24、和交換態(tài)Cd 的濃度也得到降低。王衛(wèi)漢等 21 進(jìn)行了改性納米碳黑用于重金屬污染土壤改良的研究, 與對(duì)照相比, 土壤添加1% 、3%和5% 改性納米碳黑培養(yǎng)60d 后, 有效態(tài)Cu含量分別降低了473%、720% 和809% , 有效態(tài)Zn含量分別降低了30%、177%和436% 。生物炭不僅可以直接吸附固持土壤中的重金屬離子, 還可以通過影響土壤的pH值、CEC、持水性能等理化性質(zhì)減少土壤中重金屬向植物體系的遷移。金屬的性質(zhì)不同, 生物炭對(duì)土壤中不同重金屬的固持呈現(xiàn)不同的效果。一般, 生物炭對(duì)土壤中重金屬的固持機(jī)理主要為以下三種:添加生物炭后, 土壤的pH 值升高, 土壤中重金屬離子形成金屬

25、氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽而沉淀或者增加了土壤表面活性位點(diǎn); 金屬離子與碳表面電荷產(chǎn)生靜電作用;金屬離子與生物炭表面官能團(tuán)(特別是含氧、磷、硫、氮的官能團(tuán)) 形成特定的金屬配合物, 這種反應(yīng)對(duì)于與特定配位體有很強(qiáng)親和力的重金屬離子在土壤中的固持非常重要。生物炭對(duì)土壤中重金屬離子的固持作用可降低重金屬的生物有效性, 消減其向植物根系的遷移, 降低土壤污染對(duì)植物的基因毒性, 對(duì)于修復(fù)土壤重金屬污染具有很大的潛力。5、生物炭在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的模式5.1炭基有機(jī)肥模式 生物炭與牲畜糞便混合發(fā)酵，然后烘干，摻上木醋液，制成優(yōu)質(zhì)的炭基有機(jī)肥。我國(guó)人口眾多，像國(guó)外那樣的養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模根本無(wú)法保障居民的飲食需要，所以我

26、國(guó)的養(yǎng)殖業(yè)必須規(guī)?；?，追求高產(chǎn)出、高品質(zhì)。我國(guó)的耕地資源又十分緊張，規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)附近根本不可能有足夠的耕地來(lái)消化利用這些養(yǎng)殖場(chǎng)排出的糞便，大量的養(yǎng)殖污水和養(yǎng)殖糞便無(wú)法得到安全處理，引發(fā)了一系列環(huán)境問題。我國(guó)發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)需要大量的有機(jī)肥料，有機(jī)肥料市場(chǎng)廣闊，發(fā)展前景良好，因此用牲畜糞便做有機(jī)肥符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式。但牲畜糞便含水量大，做有機(jī)肥需要烘干，經(jīng)過調(diào)查，烘干費(fèi)用在有機(jī)肥的生產(chǎn)成本中占到15%左右。我們用剛出爐的熾熱的生物炭與濕的牲畜糞便混合先使一部分水分氣化，然后再干燥；生物炭的多孔結(jié)構(gòu)使與糞便混合干燥過程中傳熱性能提高，減少了能量的消耗，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)品也更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

27、生物炭多孔，利于微生物生長(zhǎng)和繁殖，可以縮短發(fā)酵時(shí)間、提高發(fā)酵質(zhì)量；木醋液具有殺毒作用，可以殺死寄生蟲卵；所以兩者可以說(shuō)是有機(jī)肥的“黃金搭檔”。生物炭和木醋液本身也含有很高的有機(jī)質(zhì)，這對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升也很有幫助，符合現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)對(duì)肥料的要求22。5.2炭基有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥模式 生物炭與市面銷售的各種化肥進(jìn)行摻混（主要是為了滿足各種農(nóng)作物對(duì)氮、磷、鉀等各種元素的需要）造粒，制成新型的炭基有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥料（表2），其中NPK的總含量15%，有機(jī)質(zhì)的含量30%。表2 炭基有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥料的配方Table 2 The fertilizer formula of carbon-based

28、organic - inorganic compound 項(xiàng)目名稱生物炭木醋液粘合劑尿素磷酸二銨硫酸鉀肥禾谷類及葉菜類45%3%2%45%5%果樹類及果蔬類45%2.5%2.5%35%5%10% 農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、增產(chǎn)離不開化肥，但作物對(duì)化肥的吸收利用率是有限的，目前中國(guó)農(nóng)業(yè)的科學(xué)施肥不是很普遍，由此造成的化肥流失、土壤板結(jié)和水體污染等十分嚴(yán)重。生物炭與化肥摻混造粒后，化肥與生物炭緊緊結(jié)合在一起，可以減少化肥的流失，緩釋肥效，從而提高化肥的利用率，減少化肥的用量。農(nóng)田多處的田間試驗(yàn)表明，農(nóng)田土壤施用生物炭達(dá)到1公頃20噸時(shí)，大約可以減少10%的化肥施用量；在殘留化肥量較多的農(nóng)田土壤中，當(dāng)季甚至可以不

29、用化肥只用生物炭就可達(dá)到高產(chǎn)的效果?；实纳a(chǎn)需要耗費(fèi)大量的煤、石油、天然氣等不可再生能源，所以間接上也節(jié)約了大量的化石能源，對(duì)環(huán)境也更有利?；适寝r(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基礎(chǔ)而且是最重要的物質(zhì)投入，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本(物資費(fèi)用加入工費(fèi)用)中占25以上，占全部物資費(fèi)用(種子、肥料、農(nóng)藥、機(jī)械作業(yè)、排灌等費(fèi)用)的50左右。國(guó)家、地方和農(nóng)民都為此付出了很大的代價(jià)：農(nóng)民每年為購(gòu)買化肥要支付1400億元(按耕地面積計(jì)算，每年平均每公頃在購(gòu)買化肥方面為1005元)；國(guó)家和地方每年為進(jìn)口化肥支付35億美元外匯；全國(guó)為增加化肥生產(chǎn)能力，每年投入160億元；每年為生產(chǎn)化肥消耗能源6545萬(wàn)噸標(biāo)煤，占全國(guó)能源生產(chǎn)總量的522

30、,23。由此可見提高化肥利用率，減少化肥使用量具有重要意義，而這恰恰歸功于生物炭。5.3改良土壤的模式 生物炭的強(qiáng)吸附性可以吸附大氣中的一部分水分和減少降雨時(shí)雨水的流失，最大量的將雨水吸附到它所在的可耕層，供作物的生長(zhǎng)需要，使缺水干旱缺水地區(qū)的土壤能夠長(zhǎng)出植被，防止沙漠化。木醋液（表3）作為生物炭生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品，每噸生物質(zhì)能夠產(chǎn)生250kg左右，數(shù)量巨大，如不安全適當(dāng)?shù)奶幚?，?huì)造成二次污染。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)木醋液可以用來(lái)改良鹽堿土壤。上海市農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)將木醋液原液稀釋50倍，對(duì)崇明地區(qū)大棚內(nèi)鹽堿土改良進(jìn)行試驗(yàn)（表4），結(jié)果表明土壤的PH值平均降低了1.84，EC值（可溶性鹽含量）平均降低了

31、0.69。據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地的面積為9.5438億公頃，其中我國(guó)為9913萬(wàn)公頃，所以利用木醋液來(lái)治理鹽堿土壤的前景和意義都非常巨大。表3 木醋液的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The test data of wood vinegar liquid木醋液PH密度（20）g/m³揮發(fā)酚%有機(jī)酸%總有機(jī)質(zhì)含量%原液4.70.9981.13.87.9濃縮液2.61.1895.919.147.0表4 土樣處理前后的值和值的對(duì)比Table 4 The contrast of PH value and EC value before and after soil s

32、amples treatment項(xiàng)目處理前處理后原1原2原350-150-250-3土量(g)10.0010.0010.0010.0010.0010.00水量(ml)505050505050值7.767.657.835.965.925.84值1.861.921.791.221.191.09試驗(yàn)結(jié)果：土壤的PH值平均降低了1.84，EC值平均降低了0.69。5.4土壤重金屬污染治理的模式 土壤重金屬污染是由于廢棄物中重金屬在土壤中過量沉積而引起的土壤污染。污染土壤的重金屬主要包括汞、鎘、鉛、鉻和類金屬砷等生物毒性顯著的元素，以及有一定毒性的鋅、銅、鎳等元素。主要來(lái)自農(nóng)藥、廢水、污泥和大氣沉降等，

33、如汞主要來(lái)自含汞廢水，鎘、鉛污染主要來(lái)自冶煉排放和汽車廢氣沉降，砷則被大量用作殺蟲劑、殺菌劑、殺鼠劑和除草劑。過量重金屬可引起植物生理功能紊亂、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，鎘、汞等元素在作物籽實(shí)中富集系數(shù)較高，即使超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，也不影響作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量，此外汞、砷能減弱和抑制土壤中硝化、氨化細(xì)菌活動(dòng)，影響氮素供應(yīng)。重金屬污染物在土壤中移動(dòng)性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，通過食物鏈進(jìn)入人體后，潛在危害極大24,25。大量的生物炭施入被污染的土壤后，利用生物炭的強(qiáng)吸附性，可以將土壤中的重金屬離子有效固持，降低重金屬的有效態(tài)含量，減少重金屬對(duì)微生物的脅迫。6、生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用價(jià)值分析 物質(zhì)的用途

34、是由物質(zhì)的特定形狀決定的，而物質(zhì)的結(jié)構(gòu)則決定了物質(zhì)的性質(zhì)。生物炭的上述特點(diǎn)使其用途變得非常廣泛。生物炭可以大范圍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、環(huán)保、衛(wèi)生、保健等諸多領(lǐng)域。但用農(nóng)作物秸稈等廢棄物制成的生物炭，由于其灰分含量高，主要作用體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)決定其通氣性和透水性特別好；容重小，表面積大決定其吸水、吸氣能力強(qiáng)，有利于保水保肥；生物炭除含有大量高分子碳水化合物之外，還含有多種礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，提高土壤肥力，為可以為作物生長(zhǎng)提供所需的營(yíng)養(yǎng)元素；生物炭還可以用于調(diào)節(jié)土壤的酸堿度和水、肥、氣、熱狀況。此外，生物炭還可以改善微生物生存環(huán)境，為重要微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供有益條件。微生物呼吸釋

35、放的CO2可以提高作物附近的CO2濃度，在白天增強(qiáng)光合作用，增加有機(jī)物的積累，在夜里抑制呼吸作用，減少有機(jī)物的消耗，從而達(dá)到作物增產(chǎn)的目的；微生物的代謝可以提供源源不斷的氮肥供作物生長(zhǎng)，進(jìn)而減少氮肥的使用量，這個(gè)代謝過程對(duì)整個(gè)環(huán)境的影響非常大，因?yàn)榈梳尫诺腘2O對(duì)溫室效應(yīng)的影響要比CO2高出300多倍。生物炭施入土壤以后利用自身超強(qiáng)的吸附性像海綿一樣把土壤中作物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)元素吸附在它周圍，一是防止流失；二是可以達(dá)到緩釋的效果，從而提高肥料的利用效率。木醋液是生物炭的主要副產(chǎn)品之一，呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量豐富，滲透性強(qiáng)，與葉面肥或農(nóng)藥混合使用可以有效提高兩者的利用率，減少農(nóng)藥和化肥使用量，

36、從而減少殘留，使農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)有所提高。生物炭與木醋液的這些功能和特點(diǎn)，決定它在農(nóng)業(yè)上的用前景廣闊。7、發(fā)展與展望 近來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭方面的研究迅猛發(fā)展，生物炭在環(huán)境領(lǐng)域的效應(yīng)也有一定研究證實(shí)，但無(wú)論從宏觀層面還是微觀視角來(lái)看，仍有許多問題有待于我們?nèi)ニ伎己徒鉀Q。 在宏觀層面，縱觀目前相關(guān)研究，在一些關(guān)鍵問題上還存在一定爭(zhēng)議，這與生物炭的選材、制備工藝條件及其應(yīng)用的土壤環(huán)境等因素密切相關(guān)，也是一些研究結(jié)果相?；驘o(wú)法重復(fù)的主要原因，同時(shí)也增加了同類、共性研究的對(duì)比分析、評(píng)價(jià)難度。因此，制定行業(yè)或?qū)I(yè)性制炭、用炭、測(cè)炭標(biāo)準(zhǔn)及分析方法和評(píng)價(jià)體系就成為未來(lái)生物炭相關(guān)研究的必然選擇。在溫室氣體排放領(lǐng)域

37、，生物炭的主動(dòng)減排效應(yīng)仍有待于更多的試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證，需要在大尺度、寬范圍條件下的穩(wěn)定的、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，也需要對(duì)生物炭固碳減排潛力、效益進(jìn)行綜合分析、評(píng)估，明確生物炭在碳排放領(lǐng)域的作用、地位和前景。而在“農(nóng)田碳匯”和環(huán)的試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證，需要在大尺度、寬范圍條件下的穩(wěn)定的、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，也需要對(duì)生物炭固碳減排潛力、效益進(jìn)行綜合分析、評(píng)估，明確生物炭在碳排放領(lǐng)域的作用、地位和前景。 大自然賜予人類賴以繁衍生息的環(huán)境，但人類對(duì)自然的過度消費(fèi)和破壞卻使環(huán)境難以為繼，令我們不得不承受來(lái)自大自然的嚴(yán)酷懲罰。生物炭這一新興技術(shù)在促進(jìn)“炭一碳”轉(zhuǎn)化過程中，實(shí)現(xiàn)了“豐饋?zhàn)匀?、物境和諧”的美好愿景。“窮

38、田惡水”還是“沃土藍(lán)天”?絕不僅僅是生存的需要，更是一種歷史的選擇和責(zé)任!保護(hù)生態(tài)環(huán)境刻不容緩，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。 8、參考文獻(xiàn)。1畢于運(yùn)，高春雨，王亞靜等，中國(guó)秸稈資源數(shù)量估算J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,25(12)，211-217.2Shrestha U,Traina S J,Swanston(W. Black carbon's properties and role in the environment:A comprehensive review JSustainability, 2010, 2(1) ; 294-320.3萬(wàn)仁新.生物質(zhì)能工程M.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，

39、1995.4吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.5全順子,李宗鐵等.神奇的木醋液和木炭粉M.吉林:延邊大學(xué)出版社,2007:7-10,73-76.6張阿嬌,潘根興,李戀卿.生物黑炭及其增匯減排與改良土壤意義J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2009,28(12):2459-2463.7 Verheijen F， Jeffery S，Bastos A C，et al Biochar application tosoilsCInstitute for Environment and Sustainability，Luxembourg，20108 Zeelie A Effec

40、t of Biochar on Selected Soil Physical Properties ofSandy Soil with Low Agricultural SuitabilityD Stellenbosch:Stellenbosch University，20129 Laird D A，F(xiàn)leming P，Davis D D，et al Impact of biochar amendmentson the quality of a typical midwestern agricultural soilJ Geoderma，2010，158( 3) : 443-44910 Eas

41、tman C M Soil Physical Characteristics of An Aeric Ochraqualf Amended with BiocharD Columbus: The Ohio State University， 201112 Soane B The role of organic matter in soil compactibility: A review of some practical aspectsJ Soil and Tillage esearch，1990，16( 1) : 179-20113 Steiner C，Teixeira W G，Lehmann J，etal Long term effects of manure，charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soilJ Plant and Soil，2007，291(