生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展

    王慧娟 邓扬悟 汪江萍 黄金

    

    【摘? ?要】 生物炭是一种由农林废弃物等物质在无氧或低氧的环境下经高温裂解得到的含碳量很高的固体物质。因其具备原料来源广、比表面积大、孔隙发达、稳定性强等特征而得到了越来越多的关注，现已成为土壤环境修复领域的研究热点。文章综述了近年来生物炭在土壤固碳方面的国内外相关研究进展及机理分析，展望了生物炭在土壤修复领域的推广应用前景。

    【关键词】 生物炭;土壤修复;固碳

    Advances in the application of biochar in soil carbon sequestration

    Wang Huijuan? ?Deng Yangwu? ?Wang Jiangping? ?Huang Jin

    （Jiangxi Ionic Rare Earth Engineering Research Co.，Ltd/National Engineering Research Center For Ionic Rare Earth? ?341000）

    [Abstract] Biochar is a kind of high carbon solid material obtained by pyrolysis of agricultural and forestry residues under the condition of no oxygen or low oxygen. Because of its wide source of raw materials， large specific surface area， developed hole structure and strong stability， biochar has become a research hotspot in the field of soil environmental remediation attracting increasing attention.In this paper， a literature review on the recent research progress and mechanism analysis of biochar in soil carbon sequestration， soil physical and chemical properties improvement， soil heavy metal contamination remediation and soil organic pollutants treatment was conducted. The application prospect of biochar in soil remediation was forecast to provide reference for the widespread and application of biochar in soil remediation.

    [Keywords] biochar; soil remediation; carbon sequestration

    我国是农业大国，而土壤是进行农业生产的基础，土地资源的可持续利用是现代农业持续发展的前提。

    目前，生物炭在土壤环境修复方面的应用主要包括土壤固碳、土壤理化性质的改良、土壤重金属污染修复以及土壤有机污染物的治理。生物炭是指農林废弃物等在无氧或限氧的条件下，经高温热解制备的一类含碳量高，比表面积大的高度芳香化的固体物质，为黑炭的一种。由于生物炭具有原料来源广、比表面积大、孔隙发达、稳定性强等特征而被广泛应用于各行各业。生物质在土壤固碳、土壤改良、污染物吸附等领域的应用得到了较好的效果，现已成为环境科学领域研究的热点。

    生物炭表面含有丰富的孔隙结构，这种结构有利于土壤微生物的生长[1]，同时其含有的基团主要有羧基、酚羟基、内酯、羰基等，这些基团的存在构成了生物炭良好的吸附特征，可以吸附水、无机离子（铜离子、铅离子、汞离子等）以及极性和非极性有机化合物，同时还可以促进植物对营养元素的吸收。

    由于生物炭主要由环芳烃和烷基组成，从而使其稳定性极高。这也使它能在土壤中稳定存在几百年甚至上万年，在其长期提升土壤有机质的同时将碳源固定在土壤中达到缓解温室效应的目的，因此，生物炭在固碳方面的应用研究得到了广泛的关注。

    1? 生物炭固碳的机制

    有学者对各类生物炭的矿化规律进行了评估，通过模型证明生物炭在100年的时间里只有3-26%的碳被矿化，且各类生物炭的半衰期在102到107年之间，验证了生物炭无可替代的固碳效果[2]。Lehmann团队关于生物炭能够减少大气CO2气体排放的概念模型中说到植物经历正常的生长吸收CO2最后残体返回土壤被矿化分解成CO2返回大气中，整个过程大气C的削减量为0，该循环过程为碳中性[3]。如果将植物残体热解成生物炭后，被热解后的植物残体中只有大约50%C被转化成生物能返回大气中;而另外50%C被转化成高稳定性的生物炭放回土壤中，生物炭中有5%左右的C被分解成CO2返回到大气中去，从而使整个循环过程为碳负性。循环的次数越多，大气CO2的削减量就越大。因此，将植物残体热解成生物炭后施于土壤是将大气中CO2不断固定在土体中的一种可行的方法。

    除CO2外，CH4也是造成全球变暖的关键物质。他的增温潜力在100年时间尺度上是CO2的25倍。LIU等的研究发现，添加生物炭可减少水稻土壤CH4的排放，其中添加水稻秸秆生物炭的水稻土壤比未添加生物炭的相比，CH4的排放量减少了91.2%[4]。Feng等通过研究生物炭减少土壤CH4排放的机理发现，生物炭的存在，可以促进甲烷氧化菌的生长，使其成为土壤中的优势菌种，从而达到抑制CH4的排放。

    2? 生物炭固碳的影响因素

    生物炭对土壤的修复，主要通过改变土壤的理化环境，以及微生物群落来达到改良土体的目的。土壤和生物炭两者相互影响，近而对土壤的微生物群落结构以及固碳效果产生影响。土壤的含水率、温度等因素也会对碳的矿化产生影响。有学者对生物炭固碳的影响因素进行荟萃分析，发现固碳效果是各种因素共同作用的结果。表1为各因素对生物炭固碳效果影响分析总结。

    利用生物炭将C固定在土壤中是当前比较有前景的固碳减排技术。上文综述了当前生物炭在固碳方面的相关研究进展，在今后的研究中，我们还需对土壤固定碳的各影响因素以及田间试验条件下不同的室外作业条件对生物炭在减少土壤CO2排放方面的影响进行深入探讨。同时，土壤在生物炭和植物体系的共同作用下其固定c的效果与作用机理也需进行进一步的研究。通过对各影响因素和作用机理的研究，为生物炭在固碳减排方面的应用推廣提供可行的依据。

    3? 研究展望

    生物炭种类多样，其在土壤环境修复方面的应用技术还未成熟。修复过程主要通过降低土壤污染物的生物有效性来达到修复土壤的目的，通过研究其对污染物的吸附规律和机理，探索生物炭在土壤中的环境行为。将生物炭推广应用于土壤修复领域还需很多工作要做。要让生物炭对土壤的修复达到最佳的效果，就必须知道其对污染物的吸附机理。现有的吸附机理分析只要以性质分析和过程推测为主，缺少直接的定性和定量手段。在未来的研究工作中，需要我们从以下几个方面开展生物炭对土壤环境修复的研究。

    采用先进的表征技术，直接通过实验手段准确揭示生物炭修复土壤过程，进一步探索生物炭修复土壤的影响因素。同时还应该探索生物炭的生态环境效应，包括对土壤理化性质、土著微生物群落和土壤在利用价值的影响。

    通过结合生物炭与植物、微生物修复等技术，实现土壤修复的高效治理。，在应用与推广方面应该加大其他配套技术研究，如何高效、低成本生产生物炭，如何储存、运输生物炭以及完善土壤数据库，从而能够在农业和环境领域因地制宜使用生物炭。

    生物炭种类繁多，制备工艺各不相同，而生物质原料、热解温度、保温时间及制备工艺对其特性的影响巨大，所以完善生物炭分类体系，明确不同条件下制备的生物炭的突出特性，是非常必要的。

    参考文献：

    [1] 陈温福，张伟明，孟 军，等. 生物炭应用技术研究[J]. 中国工? ? ? ?程科学，2011，13（2）：83-89.

    [2] Chen W F， Zhang W M， Meng J， Xu Z J.? Researches on bio? ? ? ? ?char application technology[J]. Engineering Science， 2011， 13? ? ? ?（2）： 83-89.

    [3] Zimmerman A R. Abiotic and microbial oxidation of labora? ? ? ?tory-produced black carbon（biochar） [J].Environmental? ? ? ? ? ? ?Science & Technology，2010，44：1295-1301.

    [4] Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature，2007，443：143-? ? ? ? ? ?144.