生物炭對酸性土壤環(huán)境效應的影響

生物炭對酸性土壤環(huán)境效應的影響

生物碳是在厭氧或氧氣的條件下對活著的生物進行熱分解產(chǎn)生的一種豐富的碳氫化合物，包括高碳和高熱值以及無法無害的固體生物燃料。這是碳在環(huán)境中的一種非常穩(wěn)定的形狀。它的生物降解率和氧化率很慢。因此，它可以存在數(shù)千年。由于溫度、氣流速度、壓力、加熱時間和生產(chǎn)原因，產(chǎn)品的質(zhì)量也非常不同。在土壤中添加生物碳不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量，而且可以減少污染土壤的生態(tài)破壞，減少殘余生物資源的回收，從而實現(xiàn)良好的效果。此外，生物碳在獲取原材料和碳排放方面具有重要地位。當前對生物炭可以改善土壤環(huán)境多歸結(jié)于提高酸性土壤的pH以及通過對營養(yǎng)物質(zhì)的吸附改善土壤環(huán)境,然而生物炭還可以改變土壤中的生物群落的組成和豐度,這些改變可以影響營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)以及土壤結(jié)構(gòu),進而間接提高植物產(chǎn)量,對此,當前有較少的實驗和總結(jié).而且生物炭的強吸附作用對于去除環(huán)境中的有機和重金屬污染物具有良好的效果,還可以保持肥力,減少流失和農(nóng)業(yè)面源污染.本文主要從生物炭的典型性質(zhì)方面入手,探討生物炭對土壤環(huán)境的影響機制,并對最新的研究結(jié)果進行歸納總結(jié),提出了未來的研究方向,以期對將來的研究提供幫助.1生物碳土壤的環(huán)境效應1.1生物炭對土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分的影響生物炭添加到土壤之后可以保持土壤中的N、P和K等營養(yǎng)元素,增加土壤的持水量,還可以減小水分的滲濾速度,減少營養(yǎng)元素的流失.Laird等做的生物炭養(yǎng)分淋洗試驗表明,生物炭加入到美國中西部典型農(nóng)業(yè)土壤中可以持續(xù)降低該土壤的養(yǎng)分淋洗量,因此認為生物炭是減少養(yǎng)分淋洗的良好土壤改良劑.(1)作物從土壤中收獲以后,可以帶走大量的營養(yǎng)物質(zhì),這會導致土壤結(jié)構(gòu)的退化,陽離子交換量(CEC)和有機質(zhì)的減少,土壤保水保肥能力的降低,以及生產(chǎn)力下降等一系列土壤退化現(xiàn)象.生物炭是生物質(zhì)熱解生成的,含有大量的N、P、Ca、Mg、S等營養(yǎng)元素,施用生物炭后可返還到土壤中,提高土壤養(yǎng)分以及生產(chǎn)力.(2)生物炭具有巨大的比表面積和表面官能團,能強烈吸附土壤中溶解態(tài)的NH4+、NO3-和PO43-,并可有效降低農(nóng)田土壤氨的揮發(fā),從而顯著減少N、P等營養(yǎng)元素的流失,降低化肥的施用量.研究發(fā)現(xiàn),生物炭能顯著提高土壤全N、有機C質(zhì)量分數(shù),土壤全N、有機C質(zhì)量分數(shù)與生物炭用量為顯著正相關.生物炭與礦質(zhì)肥配施效果更佳,以華北平原高產(chǎn)農(nóng)田3年定位試驗為基礎,研究了生物炭與礦質(zhì)肥配施對土壤容重、陽離子交換量(CEC)和顆粒有機質(zhì)組分中C、N含量的影響.結(jié)果表明,生物炭提高了土壤的CEC,以及土壤顆粒中有機質(zhì)組分C、N.(3)生物炭對土壤N含量的提高除生物炭對它的強烈吸附外還與其可以改善土壤通氣,抑制厭氧細菌的活性,從而抑制硝化反應,減少氮氧化物的排放有關.有實驗證明,在稻田試驗中單一施用生物質(zhì)炭可使N2O的排放量減少21%—28%,而生物炭與氮肥的配合施用N2O的排放可以減少到40%—51%.因此生物炭和氮肥配施對提高土壤氮素的效果更加顯著.Rondon等研究表明,向土壤中添加生物炭還可顯著提高大豆的固氮能力,從而有效地減少土壤對化學肥料的需求量.(4)生物炭可以通過對N、P等營養(yǎng)元素的強烈吸附將它們固定在土壤的表層,提高作物利用率,減少損失量,進而減少農(nóng)業(yè)面源污染.含黏粒的土壤,土壤含水量的變化會導致土壤容積的改變,濕脹干縮,從而影響土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量.土壤在干燥收縮過程中,表面下陷,出現(xiàn)裂隙,水分和溶質(zhì)通過裂隙被優(yōu)先運移到下層土壤和地下水,生物炭可以限制土壤的收縮,從而有效地保水保肥.(5)施用生物炭從兩方面能夠提高土壤有機質(zhì)含量:(1)生物炭吸附土壤中的有機分子,通過表面催化活性促進有機分子的聚合形成土壤有機質(zhì),(2)生物炭本身極為緩慢的分解有助于腐殖質(zhì)的形成,通過長期作用促進土壤肥力的提高.在熱帶,由于生物炭高的化學和生物穩(wěn)定性,在高溫高濕環(huán)境下更不易分解,可以提高土壤有機質(zhì)的含量.1.2生物炭對有機污染物的生物吸附隨著對生物炭研究的不斷深入,人們不斷發(fā)現(xiàn)生物炭對有機污染物吸附比其它天然碳存在形式高出幾個數(shù)量級,是有機污染物的超級吸附劑.早在五十多年前,便有研究發(fā)現(xiàn)添加少量的生物炭即可使有機污染物的吸附容量大大增強,當添加量超過0.05%時,吸附作用主要由生物炭來完成.生物炭對有機污染物表現(xiàn)出強烈的吸附,可以對它們的環(huán)境行為產(chǎn)生強烈影響.生物炭對疏水性有機污染物(如PAHs、PCBs、PCDDs、農(nóng)藥等)的吸附主要包括表面吸附和分配作用兩種方式,還有一些微觀作用機制.低的熱解溫度下制備的生物炭,有機物含量較多,分配作用是主要的作用機制.隨著熱解溫度的升高,生物炭的孔隙度和表面積逐漸增大,而有機成分含量逐漸減少,表面吸附逐漸成為吸附的主要形式,生物炭表面具有大量含氧官能團(如羧基、酚羥基、酸酐等),可以與有機物形成穩(wěn)定的化學鍵,如生物炭富含的π電子,可作為電子供體與接觸的污染物的電子受體物質(zhì)發(fā)生π-π電子作用,通過這種特殊作用強力吸附在生物炭上.表面飽和吸附量與吸附劑的比表面積呈良好的線性關系,孔隙度決定表面面積,因此隨著熱解溫度的增加,表面吸附逐漸趨于主導地位.Kasozi等研究了在不同溫度下生產(chǎn)的生物炭對鄰苯二酚的吸附,結(jié)果顯示隨著熱解溫度的升高吸附量逐漸增加,在鄰苯二酚濃度低的土壤中,吸附量與生物炭的比表面積直接相關,表明表面吸附的主導地位.但是其實大部分的生物炭并非完全炭化,因此對有機物的吸附是兩種機制共同作用的.除此以外,還存在其它一些微觀吸附機制會對吸附產(chǎn)生影響,如孔隙作用,即物質(zhì)進入生物炭的微小孔隙后,被阻隔而無法自由出入,尤其是對于大分子物質(zhì).Nguyen等便利用這個原理來解釋了天然木炭對芳香性有機物的吸附.有機污染物在生物炭上的吸附都是非線性吸附,也可能是由于生物炭表面不同吸附位點的表面結(jié)構(gòu)、能量和飽和程度不同等原因,土壤中碳含量的增加可以引起對污染物的最大吸附容量和非線性程度逐漸增強.生物炭對不同有機物的吸附強度和解吸遲滯程度不僅取決于生物炭本身的性質(zhì),還與有機物的親疏水性、分子大小、環(huán)境的pH以及共存可溶性有機物的濃度等有關.生物炭多呈疏松多孔形態(tài),大分子有機物可能受到空間位阻的影響,很難進入生物炭內(nèi)部空間,從而導致生物炭對該類有機物的吸附能力下降.水分子可以與生物炭表面含氧官能團進行氫鍵結(jié)合,與有機物競爭,也是影響生物炭吸附有機物的重要因素.除此之外,有機物的濃度也會對吸附產(chǎn)生影響.例如,Chen研究發(fā)現(xiàn),隨著萘酸濃度的升高,700℃桔皮生物炭對其吸附量逐漸超過200℃的生物炭,吸附量變?yōu)樽畲?由于極性化合物可以通過電子供體-受體作用強烈吸附在生物炭上,因此生物炭對極性有機化合物的吸附性要強于非極性化合物.而且生物炭可以為有機物提供疏水位點,通過范德華力吸附疏水性強的有機物,且對平面結(jié)構(gòu)的疏水性芳香化合物有更強的吸附能力.這是由于非平面有機物由于其空間位阻,阻礙了與生物炭的接觸,Bornemann等研究也已證實.共存有機物的存在也是不容忽視的,當西瑪津和莠去津兩者共存時,兩者會產(chǎn)生競爭,導致生物炭對兩種有機農(nóng)藥吸附能力都降低.生物炭對有機污染物的吸附會受到外界環(huán)境條件的影響,如吸附環(huán)境的溫度,楊磊等研究發(fā)現(xiàn)竹炭對甲醛的吸附會隨溶液溫度的升高而增加,溫度升高導致分子運動加快是主要的原因.另外,環(huán)境pH也可以影響吸附作用,但對不同酸堿性的有機污染物的影響不同,有研究發(fā)現(xiàn)莠滅津在生物炭上的吸附量會隨著水溶液pH的升高先增強后降低,先增強這可能是由于莠滅津的存在形態(tài)隨pH的增大而改變的原因,而當pH值繼續(xù)增加時,生物炭表面聚集大量負電荷,導致降低對莠滅津的吸附.生物炭作為外源有機質(zhì),可以影響土壤的理化性質(zhì),提高土壤CEC、pH值,增強土壤的保水性,有利于團聚體的形成,從而加強了土壤對有機污染物的鎖定,降低了土壤中自由態(tài)有機物的濃度,從而影響環(huán)境中有機污染物的遷移轉(zhuǎn)化并降低其生物有效性.如Oleszczuk等發(fā)現(xiàn),對土壤施用生物炭后可以顯著降低土壤孔隙水中溶解性多環(huán)芳烴的濃度,在廢水污泥中施加生物炭可降低孔隙水中PAHs的濃度,降低率可達到56%到95%.花莉等利用溫室盆栽實驗,發(fā)現(xiàn)在土壤中加入生物炭后,PAHs由污泥-土壤體系中轉(zhuǎn)移到植株中的量明顯減少,含炭堆肥污泥處理中PAHs在黑麥草中的累積量比普通污泥相應處理降低了27%—34%.有機物被生物炭吸附之后能減少與微生物的接觸,大大降低被微生物的降解,從而延長有機物的降解時間,增加了在土壤中的滯留時間.Jones等發(fā)現(xiàn),生物炭能強烈吸附西瑪津并降低微生物的活性,從而能夠降低西瑪津的生物降解速率并使其很難隨水遷移,并且生物炭可以在土壤長期存在,因此生物炭可以減少有機污染物對環(huán)境的危害和通過食物鏈危害人類的危險.另一方面,生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),能夠為微生物提供附著場所,促進了降解菌的生長繁殖,從而降低了土壤中有機物的生物有效性.生物炭在環(huán)境中雖然相對穩(wěn)定,但有機物卻會不斷“老化”.為研究這種變化導致的吸附的不同,余向陽等采用室內(nèi)模擬試驗,測定添加生物炭的土壤中敵草隆的吸附量隨時間的動態(tài)變化.研究結(jié)果表明,生物炭增強了土壤對農(nóng)藥等有機污染物的吸附容量和吸附強度,隨著農(nóng)藥在土壤中“老化”時間的延長,大量殘留農(nóng)藥仍可被牢固吸附.生物質(zhì)炭對土壤殘留農(nóng)藥的吸附一方面可降低農(nóng)作物受土壤的污染,降低土壤殘留農(nóng)藥的生態(tài)毒性;但另一方面將會降低土壤施用農(nóng)藥的生物活性,延長農(nóng)藥在土壤中的停留時間.因此,向污染土壤中添加生物炭已經(jīng)成為降低有機物污染的重要途徑.1.3生物炭對重金屬的生物吸附和固定效果生物炭可以保護吸附的有機物不被生物降解,從而增加它們的持久性,而重金屬不會被生物降解,它對重金屬的作用表現(xiàn)在與重金屬離子的絡合、靜電吸附等作用從而降低它們的生態(tài)危害.首先,生物炭不僅可以直接吸附鎖定土壤中的重金屬離子,還可以通過影響土壤的pH值、CEC、持水量等理化性質(zhì)減少土壤中重金屬的生物有效性.生物炭可以不同程度地提高土壤pH,隨著pH的升高,土壤中重金屬離子形成金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽而沉淀;還可以增加土壤表面活性吸附位點,增加土壤對重金屬離子的吸附.Novak等研究證實了這一點,他們在土壤中施用生物炭,降低了滲濾液中Zn的濃度,這可能是由于土壤pH改變的原因.Uchimiya等的研究也表明,生物炭的輸入引起的土壤pH升高會促進土壤中的Cd和Ni的固定.Fellet利用果樹枝干制成的生物炭來修復礦井殘渣污染土,發(fā)現(xiàn)生物炭不僅可以增加土壤的pH和CEC,還能降低Cd、Pb和Zn的生物可利用性.Cao等利用動物糞便在不同的溫度下制成生物炭對重金屬進行吸附,發(fā)現(xiàn)生物炭的表面積雖然小于活性炭,但是它對Pb的吸附量是活性炭的6倍.究其原因有二,一是可能是由于生物炭富含P可以與Pb形成不溶的磷酸鹽的形式,從而降低它的活動性.另一方面,生物炭富含π電子基團和含氧官能團,能直接從溶液中吸附Pb2+.其中84%—87%的對Pb2+吸附通過前者完成.Glaser等也有研究表明,土壤中的生物炭表面可部分被輕度氧化形成羰基、酚基和醌基,提高土壤CEC.因重金屬的性質(zhì)不同,生物炭對土壤中不同重金屬的固持呈現(xiàn)不同的效果.生物炭表面帶有大量的負電荷,表面電荷密度很大,金屬離子能與生物炭的表面電荷產(chǎn)生靜電作用,從而影響其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化.在熱解溫度較低時制備的生物炭,比表面積和孔隙率很小,物理吸附較弱,表面含氧等極性官能團較多,與金屬離子之間產(chǎn)生的靜電引力較強,因此其對重金屬的吸附主要依靠靜電引力.隨著溫度的升高,生物炭表面含氧官能團的數(shù)目下降,芳香化程度升高,孔隙度增加,比表面積逐漸增大,靜電吸附逐漸變小.安增莉等發(fā)現(xiàn)4種生物炭對Pb(Ⅱ)的吸附容量為RC300>RC400>RC500>RC600,表明300—600℃范圍內(nèi),低溫條件下制備的生物炭對重金屬離子有更強的吸附能力.生物炭表面官能團(特別是含氧、磷、硫、氮的官能團)可以與金屬離子形成特定的金屬配合物,這種反應對于可以與生物炭表面與特定配位體進行特異性結(jié)合的重金屬離子在土壤中的固定非常重要.佟雪嬌等研究稻草炭對Cu(Ⅱ)的吸附,發(fā)現(xiàn)在較低pH條件下Cu(Ⅱ)在稻草炭表面主要發(fā)生靜電吸附,在較高pH條件下Cu(Ⅱ)主要發(fā)生專性吸附或形成表面沉淀.生物炭比土壤有機質(zhì)對陽離子的吸附能力強,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.林愛軍等研究發(fā)現(xiàn),土壤施加骨炭后,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)和交換態(tài)Cd的濃度也得到降低.Lehmann等將生物炭施加到熱帶土壤中的研究發(fā)現(xiàn),植物生長所需的K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu等主要陽離子的生物可給態(tài)顯著增加.有研究表明,赤泥和骨炭可以影響污染土壤中Pb、Cd、Zn、Ni等重金屬的化學形態(tài)和生物有效性,降低移動性.在用活性炭處理污染土壤時,污染物之間呈現(xiàn)競爭關系,而施用生物炭處理時這種競爭很微弱.無論在單一污染還是在復合污染中,生物炭都能降低Pb和Cd的酸可提取態(tài)含量,因而降低重金屬的生物有效性,對重金屬表現(xiàn)出很好的固定效果.生物炭的熱解溫度越高,固定效果越好.Pb在復合污染中的固定效果優(yōu)于單一污染,而Cd的固定效果與此相反.這是因為復合污染中Pb、Cd之間存在對生物炭吸附點位的競爭,而生物炭對Pb的吸附速率和吸附親合力均大于Cd.生物炭對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,降低土壤污染對植物的基因毒性,對于修復土壤重金屬污染具有很大的潛力.As作為陰離子型重金屬是土壤中普遍存在的一種污染物,由于其毒性較大而引起人們的普遍關注.與其它陽離子金屬不同的是,它通常以氧化物的陰離子形式存在,而且它的活性隨著土壤pH的升高而升高,As可以與土壤中的Fe、Al以及Mn的氧化物結(jié)合位點結(jié)合.由于生物炭可以提高土壤pH,增加土壤中C的含量,因此表現(xiàn)出對As污染土壤修復的巨大潛力.Beesley等的研究表明,生物炭除了對As的表面吸附之外,還可以顯著的影響滲濾液中As的濃度.Namgay等發(fā)現(xiàn),施用生物炭之后土壤中可提取態(tài)的磷酸砷的含量增加.還指出,增加孔隙水中As的濃度并不能增加植物葉中As的濃度.對于如Se、Sb和Cr等其它陰離子元素,生物炭對它們的影響可能是相似的.郝曉偉等研究顯示,赤泥促進土壤中As從結(jié)晶鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)向?qū)Ｐ晕綉B(tài)和殘渣態(tài)的轉(zhuǎn)化,骨炭促進了土壤中As從結(jié)晶鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)向?qū)Ｐ晕綉B(tài)和非專性吸附態(tài)的轉(zhuǎn)化.3個月后,土壤中生物可利用性As含量隨著赤泥和骨炭用量的增加而顯著增加.因此,添加生物炭可以增強土壤中As的移動性,提高對人體的健康風險.1.4生物炭對土壤持水性和ph的影響在土壤中添加生物炭后,有大量實驗證明可以增加植物的生物量和產(chǎn)量.為了更準確地了解作物產(chǎn)量和生物炭施用之間的關系,Jeffery等對大量實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),在土壤中施加生物炭可以對作物的產(chǎn)量產(chǎn)生影響,影響波動范圍很廣,大約從-28%到39%,作物產(chǎn)量提高平均可達到10%.生物炭對植物生長的影響主要可以歸結(jié)為以下幾個方面:生物炭的施用不僅可以提高土壤中碳的含量,還可以改善土壤條件.生物炭可以改變土壤的抗張強度、流體力學特性以及土壤中氣體的運輸能力.當生物炭的抗張強度小于土壤時(例如粘土含量較高的土壤),生物炭的添加可以減小土壤的抗張強度,增強對土壤營養(yǎng)成分的利用以及更利于種子的發(fā)芽,而且可以更有利于無脊椎動物在土壤中的運動.生物炭有較大的表面積和孔隙度,可以增大土壤的表面積、增加土壤的保水保肥的能力,從而促進植物更充分地吸收水分,減少水的損失.如Glaser等發(fā)現(xiàn),生物炭因為具有較大的比表面積因此可以增加土壤含水率.Laird等對美國愛荷華州農(nóng)場的土壤研究發(fā)現(xiàn),生物炭的應用能明顯增加土壤的持水量(大于15%)和土壤的比表面積(大于18%),這對于改善持水性較差的砂質(zhì)土的性狀尤其有效.生物炭普遍具有較高的pH,可以改善酸性土壤的pH.例如,Oguntunde等報道,土壤施用生物炭后pH、電導率以及可交換態(tài)的Ca、Mg、K和Na以及有效P均有所升高,糧食產(chǎn)量以及生物量增加91%和44%.生物炭對植物的作用與土壤的酸堿性有關,施用在酸性和中性土壤中可以顯著提高作物產(chǎn)量,但對于堿性很強的土壤作用不大.據(jù)統(tǒng)計當土壤呈酸性,其促進作用可提高到14%;在中性土壤中可達到13%.這主要是因為生物炭提高土壤的pH,進而提高CEC,增加了土壤中可利用的營養(yǎng)成分.有研究證明了此結(jié)論,將生物炭加在施肥的堿性鈣質(zhì)土上,減少了小麥和蘿卜的干質(zhì)量,而施加在施肥酸性鐵質(zhì)土上,顯著增加了小麥和蘿卜的干質(zhì)量.研究表明,生物炭對粗糙以及中性質(zhì)地的土壤具有提高作物產(chǎn)量的作用.據(jù)統(tǒng)計,粗糙的土壤質(zhì)地產(chǎn)量提高可達10%,中等質(zhì)地可達13%.這主要是生物炭通過降低土壤密度,影響到土壤中的土水關系、植物根的生長以及土壤動物群落的生長.由于生物炭的密度較低而且含有微孔,有利于保水保氣.生物炭的密度一般在0.09g·cm-3到0.5g·cm-3之間,遠遠低于土壤密度.生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分具有一定的鎖定和持留作用,能降低土壤養(yǎng)分的淋溶與流失.如Ding等通過實驗室實驗研究發(fā)現(xiàn),以竹子為原料生產(chǎn)的生物炭施入砂質(zhì)粉土能影響土壤的氮貯存.Lehmann等的研究也發(fā)現(xiàn),生物炭具有固碳、貯存養(yǎng)分和提高土壤肥力的能力.但實驗時間短,生物炭是否有固N的能力需要長時間的研究.Rondon等研究表明,向植被退化的Savanna土壤中添加生物質(zhì)炭,可顯著提高普通大豆的生物固N能力.這些特性使生物質(zhì)炭能夠有效降低農(nóng)田土壤N、P等養(yǎng)分流失,提高作物產(chǎn)量,并減少化肥施用量,降低農(nóng)田養(yǎng)分流失對水環(huán)境造成的污染.生物炭與肥料配施,增產(chǎn)效果會有所降低,如Zhang等實驗證明,生物炭施用在未使用肥料的土壤中產(chǎn)量可增加12%—14%,而施用在使用過氮肥的土壤中則相對增加8.8%和12.1%.生物質(zhì)炭可為土壤微生物的生長與繁殖提供良好的環(huán)境,影響土壤中的微生物活性,群落結(jié)構(gòu)以及功能的多樣性,從而影響作物產(chǎn)量.例如,有實驗證明在土壤中施加生物炭可以增加對N的固定,增加植物可用N的量,從而提高作物產(chǎn)量.最近發(fā)現(xiàn),在牧場當中施用生物炭可以降低反芻動物尿液中N2O的釋放.但也有少量研究表明,生物炭不能提高作物產(chǎn)量,甚至抑制植物的生長.如Asaih等研究發(fā)現(xiàn),生物炭對作物產(chǎn)量的提高沒有促進作用.張晗芝等則認為,在玉米苗期,由于生物炭的加入對玉米的生長有一定程度的抑制作用,隨著玉米植株的生長,生物炭的抑制程度逐漸減小,生物炭對玉米幼苗期的抑制作用可能是由于生物炭具有很高的碳氮比和部分生物炭分解導致氮的固定,降低土壤的有效氮,限制了植株對有效氮的吸收;也可能與生物炭的高pH有關.1.5生物炭對微生物的影響土壤微生物的種群數(shù)量以及多樣性對土壤以及生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要的作用,它可以影響土壤結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、營養(yǎng)循環(huán)、透氣性、土壤水的有效性和抗病能力以及碳的存儲能力等.生物炭對土壤的影響除上述討論的因素之外,還包括對土壤的生物群落的組成和豐度的影響,從而影響土壤的營養(yǎng)循環(huán)和土壤的結(jié)構(gòu),間接影響植物的生長.生物炭可以通過影響土壤中的根際細菌和真菌直接影響植物的生長.生物炭對微生物豐度的影響可能有以下幾種機制:(1)改善土壤的理化性質(zhì),生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及其對水肥的吸附作用使其可成為土壤微生物的良好棲息環(huán)境,同時提高養(yǎng)分有效性,為微生物的生存提供良好的環(huán)境.如周期性干旱會對微生物的生長造成壓力,造成它們的休眠或死亡,生物炭大的比表面積可以保水,為微生物的生存提供水分,這種效應也可能是由于生物炭降低了表面張力,調(diào)節(jié)了pH以及對自由基的吸附.也有研究發(fā)現(xiàn)隨著炭類物質(zhì)施入量的增加,微生物的基礎呼吸作用、微生物生物量、微生物功能均呈線性增加.(2)生物炭吸附的有機化合物,可能會成為微生物的食物,進而增加微生物的豐度,也可能會吸附對微生物不利的物質(zhì),保護它們的生長.Kasozi等曾有實驗證明,像鄰苯二酚這種對微生物有毒害作用的有機物,可以強烈吸附在較高溫度制成的生物炭上.在土壤中添加木屑制成的生物炭可以增加菌根在與蘆筍異株克生中的優(yōu)勢,增加數(shù)量,這主要是因為生物炭吸附了植物排異產(chǎn)生的芳香酸.(3)生物炭多孔的性質(zhì)以及對溶解性有機碳的吸附可以為微生物提供棲息地,還可以保護微生物躲過“捕獵者”.對此,雖然沒有大量的證據(jù)可以有效證明,但是從生物炭和微生物的孔隙大小分布以及從視覺的角度可以證實這個猜測.但是,至于生物炭對微生物的這種保護是在孔隙內(nèi)部還是生物炭表面,尚需實驗證明.(4)細菌可以吸附在生物炭的表面增加生物炭的穩(wěn)固性,這可以增加細菌的豐度,但是對于真菌的影響不大,這主要是因為真菌的菌絲使真菌的可移動性降低.細菌對生物炭的固定主要通過幾個方面:絮凝,表面吸附,共價結(jié)合,細胞的交叉聯(lián)合,聚合物的密封,基質(zhì)的誘捕.(5)生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)可以為菌根和細菌這些有益的微生物提供生存和繁殖的場所,促進了特殊類群土壤微生物的棲息生長.施用生物炭的土壤以及廢水中微生物的繁殖率均增加.同樣,在生產(chǎn)甲烷作為能源的容器中加入生物炭可以增加厭氧細菌以及纖維素水解細菌的豐度.生物炭可以改變微生物的生物量,但是這種改變對于不同的物種以及功能群影響不同,同時,生物炭又可以改變土壤環(huán)境(如營養(yǎng)組成、pH、水分等),這就會導致土壤中優(yōu)勢菌群發(fā)生改變,從而改變?nèi)郝浣M成和結(jié)構(gòu).有研究發(fā)現(xiàn)亞馬遜黑土中,細菌的數(shù)量以及物種的數(shù)量較未添加生物炭的土均有顯著增加.另有研究表明古生細菌和真菌多樣性顯著降低,說明不同的物種對生物炭的反應不同.Anderson等為研究生物炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及土壤理化性質(zhì)的影響進行了一系列實驗,用生物炭后土壤中某些微生物如慢生根瘤菌科、生絲微菌科、放線菌和高溫單孢菌科的豐度增加超過5%,而鏈霉菌科的豐度下降11%,微單孢菌科的豐度也減少7%.近年來,一些生物炭在緩解氣候變化的作用在于它可以減緩微生物的降解,從而減緩碳以二氧化碳的形式的釋放到大氣中去.生物炭引起的生物群落的變化還可以影響土壤和總有機物質(zhì)的循環(huán),以及影響其它溫室氣體如N2O以及CH4的釋放.在施用生物炭的污染土壤和廢水中,其微生物的繁殖速度加快,微生物的數(shù)量也會降低,可能是由以下原因造成:(1)土壤中水分以及營養(yǎng)物質(zhì)的增加,造成對微生物的需求減少;(2)土壤環(huán)境的改變,生物炭可以改變土壤pH;(3)高含量的礦物質(zhì)和有機質(zhì)對真菌的有害作用,例如高鹽、高重金屬含量;(4)生物炭可以吸附有機碳和有機營養(yǎng)物質(zhì),影響其可利用性.在生物炭對微生物的作用中,不同溫度以及不同原材料制成的生物炭對微生物的影響也會有所不同.Chan等發(fā)現(xiàn),在土壤中施用450℃下制成的生物炭可以提高微生物的生物量,而在550℃下制成的蒸汽活化的生物炭對其沒有明顯作用.這可能是由于450℃下提供的棲息地更為舒適.也有研究發(fā)現(xiàn),活性炭對微生物生物量的增加效果不如生物炭明顯.目前,人們對于生物炭對微生物的影響多集中在處于生物鏈最下端的細菌和真菌,對于廣泛的微生物群來說研究甚微,而且對于影響機理有什么尚未明確,需要進一步的研究.1.6土壤生物對生物炭的影響土壤生物作為土壤環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分,土壤生物是土壤食物鏈中的重要組成,對于底層微生物的行為可以產(chǎn)生影響,另外,土壤生物(如蚯蚓)可能會影響生物炭本身以及它的運輸,最后,土壤生物對生物炭中有毒的反應值得探究.但人們對于此方面研究甚少,本文主要以3種動物分別討論生物炭的影響.1.6.1生物炭對關于植物的影響蚯蚓被譽為生態(tài)系統(tǒng)的工程師,是因為它在有機物的降解、營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)以及水文學等方面有重要的作用.有研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓可以食用生物炭,在土壤中放入黃頸透鈣蚓發(fā)現(xiàn),它可以食用生物炭,還可以將生物炭磨細混入土壤中.蚯蚓對生物炭的喜好與土壤類型有關.利用蚯蚓的行為進行試驗發(fā)現(xiàn),蚯蚓對比對照土更喜歡添加過生物炭的澳大利亞紅壤,但是如果將紅壤換成其它類型的土壤(Calcarosol)結(jié)果卻不一樣.同時也有事實證明這些蚯蚓可以將這些生物炭顆粒推開,避免食用.為了驗證這個實驗結(jié)論,Chan等在實驗室條件下模擬試驗,發(fā)現(xiàn)赤子愛勝蚓并沒有避開生物炭修復的土壤,或者說它們更加偏愛這種土壤,而且對550℃的生物炭的偏好超過450℃制成的生物炭.這或許是因為這些試驗用的生物炭皆是經(jīng)篩之后的,粒徑較小,而土壤中大批量施用生物炭選用生物炭粒徑不應過小,以免引起粉塵過多.而大粒徑的生物炭對蚯蚓的毒性尚待考察.生物炭對于蚯蚓的作用尚未完全清楚,主要有以下幾個猜測:生物炭進入蚯蚓體內(nèi)后可能起到一個磨碎食物的作用,類似于鳥類的砂囊.也可能是蚯蚓以吸附在生物炭表面的微生物和微生物分泌物為食.也有人提出可能是由于蚯蚓食入微生物幫助體內(nèi)酶的消化,或者是因為生物炭可以幫助排毒或者調(diào)節(jié)pH.蚯蚓和生物炭的雙重作用可以提高土壤肥力,從而提高作物產(chǎn)量,可能與上文提到的生物炭可以幫助蚯蚓消化有關.有研究表明,當生物炭和蚯蚓同時加入土壤中,較之單獨加入其中一種,土壤中的無機N含量顯著增加,同時,水稻作物的生長和產(chǎn)量也顯著提高.這可能是由于蚯蚓內(nèi)臟中的微生物含量較高,在生物炭存在時含N的酶活性更高.生物量越大,酶的活性越高,就會增加內(nèi)臟中有機物對N的釋放.或者是吸附在生物炭上的一些物質(zhì)能夠阻止N礦化和硝酸化.蚯蚓的生物擾動作用對于生物炭在土壤剖面的遷移有重要的作用.Major等觀察到在蚯蚓在有生物炭的部分比較活躍,且它的洞穴里面顏色比周圍要深.由于生物炭的強吸附性,可以吸附土壤中有毒物質(zhì),降低它們的生物有效性,從而有利于蚯蚓的生存.如宋洋等研究發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭可顯著降低蚯蚓對氯苯的生物富集因子(P<0.05),表明生物質(zhì)炭能降低土壤中有機污染物的生物有效性,但高污染殘留存在潛在的環(huán)境風險.但是對此也有不同的結(jié)論,如Fagervold等和Gomez-Eyles等發(fā)現(xiàn),在污染土壤中施用生物炭后可以顯著降低赤子愛勝蚓的體重.然而,在這兩個實驗中均沒有發(fā)現(xiàn)蚯蚓油脂含量的下降,說明蚯蚓在試驗階段正常飲食.有機物可能會被吸附在生物炭中從而降低了它們的生物有效性,至于體重的降低可能是由于食用了吸附有毒物質(zhì)的生物炭.生物炭對蚯蚓的影響可能與原材料有關,不同種類的蚯蚓對生物炭的反應是不同的.Liesch等發(fā)現(xiàn)鳳梨碎片制成的生物炭對蚯蚓沒有毒性,而家禽糞便制成的生物炭在施用超過67.5mg·ha-1便會造成100%的死亡.可能是因為家禽糞便制成的生物炭的高pH、高鹽、高銨.對這種生物炭進行淋洗之后發(fā)現(xiàn)毒性減緩.1.6.2.線蟲與生物炭的關系目前關于線蟲對生物炭的反應研究非常少.Matlack曾經(jīng)做過一個觀察實驗沒有發(fā)現(xiàn)線蟲數(shù)目和生物炭之間的關系.其它關于線蟲與生物炭關系的直接實驗并未查到.但有實驗發(fā)現(xiàn),將土壤暴露在燒紙木炭過程中產(chǎn)生的煙環(huán)境下,可以增加土壤中線蟲的數(shù)量,跳蟲的數(shù)量和多樣性,以及螨蟲的數(shù)量,這表明了生物炭熱解過程的冷凝物與土壤生物的關系.1.6.3活性炭對微生物的生物炭作用目前,關于生物炭對微小節(jié)肢動物的影響研究也非常少.通過研究在富含生物炭的森林土中的微小節(jié)肢動物的排泄物發(fā)現(xiàn),這些生物可以消化處理生物炭.但對于研究是否屬偶然行為,生物炭被消化以后對于動物的作用均有合理解釋.有猜測可能是它們消耗真菌的菌絲來占據(jù)生物炭.微小節(jié)肢動物作為真菌能量食物鏈中的上端,隨著真菌生物量的增多,數(shù)目也會增加.但是對于此猜測尚未有實驗證明.由于生物炭對非極性以及弱極性有機污染物(例如,PCB、PAH等)以及有機農(nóng)藥的強烈吸附,進而降低它們的生物有效性.對于生物炭對微小節(jié)肢動物的影響無可用數(shù)據(jù),但是活性炭的作用有據(jù)可依.McLeod等和Millward等研究發(fā)現(xiàn)活性炭可以降低多種土壤生物對污染物的生物可利用性,例如河蚌,多毛類(如刺沙蠶)和片腳類動物.2生物碳土壤環(huán)境效應機制的分析2.1生物炭的特點生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)可以增強土壤對易淋失營養(yǎng)成分的吸附能力,還可以減小水分的滲濾速度,提高土壤保水保肥能力.生物炭的孔隙度會隨著制備溫度的升高而增強.生物炭的孔隙按孔徑的大小可分為小孔隙(<0.9nm)、微孔隙(<2nm)和大孔隙(>50nm).大孔隙可以為微生物提供生存繁殖的場所,還可以提高土壤的通氣性和保水保肥.小孔隙可以影響生物炭對分子的吸附和轉(zhuǎn)移,從而影響土壤對污染物以及營養(yǎng)物質(zhì)的固定和吸附.生物炭具有巨大的比表面積.據(jù)報道,將竹材和椰子殼在850℃高溫下熱解1h后,發(fā)現(xiàn)竹炭比表面積高達370m2·g-1,而椰子殼炭則為410m2·g-1.生物炭的孔隙度決定了生物炭表面積的大小,生物炭因其疏松多孔的孔隙結(jié)構(gòu)具有很大的表面積,其吸濕能力比土壤有機質(zhì)高1到2個數(shù)量級.Glaser等研究發(fā)現(xiàn),含黑色碳豐富的土壤表面積是周圍土壤的3倍,土壤持水量也相應增加18%.因此,在大孔隙或粒徑較粗土壤中施用生物炭可以增加土壤的保水能力.另外,當生物炭與土壤接觸后,由于對有機物或者礦物質(zhì)的吸附,表面積和孔隙大小會改變,或者是由于二價物質(zhì)的礦化引起空隙的阻塞.這些性質(zhì)的改變會影響其對重金屬和有機物的吸附,也會影響微生物的可利用的表面能和空隙空間.2.2生物炭的zeta電位生物炭表面富含羧基、羰基和羥基等含氧、含氮、含硫官能團,且?guī)в写罅控撾姾珊洼^高的電荷密度,具有很大的CEC.生物質(zhì)炭表面的羧基和羥基是其表面帶負電荷的主要原因,含氧官能團使生物炭表面呈現(xiàn)出親水、疏水和對酸堿的緩沖能力.Zeta電位是膠體剪切面上的電位,是表征膠體分散系穩(wěn)定性的指標,它數(shù)值的大小和正負符號反映了膠體的表面電荷狀況,生物炭的Zeta電位數(shù)值與體系pH呈負相關,說明—COOH和—OH的離解增加了生物炭表面的負電荷數(shù)量.隨著熱解溫度的升高,生物炭表面的羥基和羧基官能團數(shù)量減小,使得生物質(zhì)炭表面所帶的負電荷減少.新制備的生物炭在空氣和水中暴露一段時間后,經(jīng)過微生物促進的表面氧化作用,其表面含氧官能團增加,CEC會增大.2.3生物炭的性質(zhì)生物炭含有一定量的堿性物質(zhì),一般呈堿性.原料不同制成的生物炭的性質(zhì)不同,pH值的范圍為4到12,通常具有高礦物質(zhì)成分的生物炭pH高.熱解溫度越高,生物炭pH也就越大.這可能是由于生物炭表面富含大量的羧基和羥基等含氧官能團,它們在高pH下以有機陰離子的形態(tài)存在,有機陰離子是生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的一種存在形態(tài),含量隨制備溫度的升高而減小.生物炭的堿性也可能是由于生物炭中有碳酸鹽晶體的生成,碳酸鹽是生物炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài),生物炭中碳酸鹽總量和結(jié)晶碳酸鹽含量均隨制備溫度的升高而增加.隨著時間的變化,生物炭的pH也會發(fā)生變化.Lehmann等發(fā)現(xiàn)由像樹木制成的生物炭的pH值1年之后從4.9降到了4.7,而玉米秸稈制成的生物炭pH值從6.7升高到了8.1.pH的降低可能是由于碳氧化成羧基引起的,而升高可能是由于生成堿性礦物質(zhì)的原因.2.4熱解溫度和溫度對生物炭性質(zhì)的影響熱解溫度升高可以增加生物炭的炭化程度,增加生物炭的表面積,減少無定形有機物的含量和表面官能團.有報道已經(jīng)證明,熱解溫度越高,制成的生物炭對有機物的吸附能力越高,可以降低有機污染物的生物的利用性.Chen等對不同熱解溫度生物炭的表面面積進行了檢測,發(fā)現(xiàn)不同的熱解溫度得到的生物炭具有不同的比表面積,高溫度制成的生物炭具有更高的污染修復能力.還發(fā)現(xiàn)當熱解溫度超過400℃時,隨溫度升高比表面積下降,這可能是微孔壁的坍塌造成的.馮小江等在熱解溫度分別為450、600、750℃條件下制備棉稈炭、稻草炭、玉米稈炭,它們比表面積的平均值分別為219、119、173m2·g-1.陳寶梁等研究表明,生物炭隨熱解溫度的升高,有機質(zhì)含量逐漸減少,其芳香性也急劇增加,極性指數(shù)則急劇降低,比表面積則