生物炭的制备及其在粮食生产中的应用

生物炭的制备及其在粮食生产中的应用

在巴西的亚马森河流域，有深层而肥沃的土壤，其中土壤被称为terraprota（葡萄牙语，黑土），其作物产量明显高于附近的其他土壤。经多学科专家研究结果表明,这种土是人为土,是前哥伦比亚印第安人为了增加土壤肥力而把各种垃圾烧成炭(生物炭)施入到土壤中,使得此区域土壤成为整个亚马逊流域中最好的土壤［1～4］。这种发现激发了人们对生物炭研究的兴趣,从而揭开了人们对生物炭研究的序幕。生物炭(Biochar)是在低氧和缺氧条件下,将农作物秸秆、木质物质、禽畜粪便和其他材料等有机物质经过高温热解而形成的产物,生物炭生产过程如图1所示［5］,除产生生物炭外还有一些其他化合物产生,它们的产出效率与热解温度存在一定的关系。生物炭的生产工艺相对简单,原料来源广泛,价格低廉。生物炭的产生条件(温度、原料、热解速度等)对其属性有很大的影响。如生物炭的粒径分布与原材料本身关系比较密切;生物炭的密度会随着热解温度和加热滞留时间的延长而增加;表面的一些化学性质如亲水性、疏水性和酸碱性等都会受到热解条件和原料的影响［5］。但是总体来说生物炭是含碳量丰富的多孔性物质,其容重小,比表面积大,吸附能力强,稳定性强,在自然条件下通常呈碱性。生物炭添加到土壤中可以增加土壤有机碳的含量,提高土壤有效性营养元素的含量,从而促进植物生长［5］。同时还可以改变土壤的物理、化学和生物学性质,因此,应用生物炭改良土壤受到越来越多的研究者的关注［6］。国际生物炭协会(InternationalBio-charInitiative,IBI)指出生物炭施加到土壤中具有农业应用价值和环境效益［7］。通过对相关文献的阅读,作者从生物炭对土壤理化性质的影响出发,综合描述生物炭的农用价值。1土壤微生物改性施用生物炭能够增加土壤的肥力,提高作物的产量［5，8，9］。生物炭促进作物增产主要通过改变土壤的物理、化学和微生物学性质来实现。本文重点关注了生物炭对土壤物理和化学性质的影响(图2)。如生物炭多孔性和表面积改变土壤容重、孔隙度和持水能力,生物炭固有元素改善土壤的化学特性,其活性表面将长期持续地影响土壤理化性质。1.1生物碳对土壤条件的影响1.1.1生物炭对粉砂土壤紧实度的影响生物炭的容重远低于矿质土壤,因此,将生物炭添加到土壤中可以降低土壤的容重［8］。在农学上,不同土壤容重会产生不同的农业效益。一般来说,拥有较高有机质含量的低容重土壤更有利于土壤营养的释放、养分的保留(化肥的存储)并降低土壤板结程度,有利于种子的萌发并节约种植成本［8］。因此,土壤施用生物炭可以降低土壤容重,提高土壤生产力。如Laird等［10］研究表明,同空白土壤相比,施用生物炭显著降低土壤的容重。Eastman［11］在粉砂土壤上施用25g/kg的生物炭,土壤容重从1.52g/cm3降低到1.33g/cm3。土壤的容重与土壤的紧实度密切相关,Soane［12］总结出有机质有可能通过以下几种机制来影响土壤的紧实度:1团聚体内部和颗粒间的结合力,土壤有机质中存在许多长链的分子,对矿物颗粒具有很好的约束力,通过这种作用可以改变土壤紧实度;2弹性(elasticity),土壤有机质在压缩情况下会表现出比矿物质土壤更高的弹性;3稀释作用,有机质容重明显低于矿物质土壤容重,加入有机质可以减小土壤紧实度;4菌丝、根、真菌菌丝和其他生物结合土壤基质改变土壤紧实度;5摩擦力,土壤颗粒和有机质之间有一种涂层能增加颗粒间的摩擦,可以改变土壤紧实度。生物炭对土壤容重的影响的研究还不多,但从上面提到的几种机制来看,生物炭对土壤容重的影响可能主要与稀释作用和摩擦力有关。生物炭弹性较低,土壤压实后不会随着生物炭的添加而得到有效恢复,但是可能通过一些直接或间接影响(土壤有机质和水文学的交互作用)来提高土壤紧实度。一些研究表明在土壤中加入生物炭后会使真菌土壤紧实度增长变快并使植物生产力提高,而根系和菌丝的发展也会对土壤的容重产生影响［13］。但是如果施加的生物炭碎裂成细小的颗粒进入土壤孔隙,会造成干土壤容重增加。因此,还需要对生物炭对土壤密度的影响机制进行更深入的研究。1.1.2生物炭对土壤理化性质的影响生物炭的孔隙分布、连接性、颗粒大小和颗粒的机械强度以及在土壤中移动等因素均可以影响土壤孔隙结构。具有多孔结构的生物炭应用到土壤中,能增加土壤的孔隙度,生物炭应用到土壤中对土壤微生物群落和土壤整体吸附能力都有益,不仅可以促进微生物的活动,也可以增加土壤孔隙度［8］。但是另一方面,生物炭的细粒子可能会堵塞土壤孔隙从而使水的渗透率降低［8］。然而,这种机制仍缺乏实验证据,因此,生物炭的孔径分布对土壤性质和功能所造成的影响仍然不确定。1.1.3线性1816土壤的保水性(soilwaterretention)取决于土壤孔隙的分布和连通性,而它在很大程度上受土壤粒径(纹理)、结构特征(聚集)和土壤有机质含量的限制［14］。生物炭高表面积也可以导致土壤持水力上升。当生物炭加入土壤时,土壤表面积增加,对土壤微生物群落和土壤整体的吸附能力都有益,随后会提高土壤的保水性［15］。Tryon［16］研究了生物炭对不同质地土壤中水分的影响:在沙土中加入生物炭会增加18%的土壤有效水,然而在肥沃的土壤中没有观察到这种现象,并且在黏质土壤中有效水含量随着生物炭的加入而减少。有研究发现活性炭95%的毛孔的直径小于2nm,尽管生物炭具有多孔性,但是植物可用有效水分取决于生物炭原料和加入的土壤质地［8］。在沙土中,存在于生物炭微孔结构中的水和可溶的营养物质可能随着土壤变干和土壤基质增加而出现,这说明在干旱期加入生物炭会增加土壤水的有效性。另一方面,生物炭会增加土壤的斥水性。土壤斥水性(soilwaterrepellency)是指某些土壤无法被水湿润的现象。水洒在斥水土壤的表面时,水珠滞留在地表,长时间不能入渗,它们抵抗湿润的时间从数小时到数周不等。如Briggs等［17］测量了在松林野火后的木炭颗粒的斥水性,发现在矿质土壤表面的木炭和枯枝落叶的斥水力有很大差别。水滴的渗透时间即1滴水渗透所花费的时间在前者中大于2h,在后者中却小于10s。生物炭是如何直接或间接影响土壤斥水性能的,是一个仍然需要进行大量研究的课题。1.1.4生物炭对土壤理化性质的影响从土壤剖面图片可以很明显地看出,高浓度的生物炭会加深土壤颜色。Briggs等［17］测量了添加生物炭后土壤颜色的变化情况,并发现其孟塞尔色度值随着生物炭用量的多少而产生变化,当生物炭用量为10g/kg,其孟塞尔色度值从5.5降到4.8,当生物炭用量为50g/kg,其孟塞尔色度值从5.5降到了3.6。Oguntunde等［18］发现施加生物炭的土壤的孟塞尔色度值为2.5(空白土壤为3.1)。土壤颜色深浅程度主要受以下因素影响:1添加生物炭之前土壤的颜色(孟塞尔色度值为1~9);2添加的生物炭的颜色(孟塞尔色度值为0~2);3土壤中生物炭量;4生物炭与土壤的混合程度(与生物炭和土壤颗粒的大小有关);5土壤表面粗糙度;6含有生物炭的土壤表面保水力的变化(潮湿土壤颜色偏深)。Post等［19］调查了26种颜色和质地不同的土壤对发射率的影响,发现孟塞尔色度值与土壤反射率呈线性相关。到达土壤表面的太阳辐射量(受太阳高度角、坡度和植被影响)和土壤的比热很大程度上控制了春季土壤升温的速率,从而影响出苗。土壤颜色和水分含量是决定土壤比热的主要因素。纯净水的比热大概是4.18J/(g·K),干土壤大约是0.8J/(g·K)。因此,尽管含有高浓度生物炭的土壤颜色很深,但如果生物炭同样增大了土壤的保水性,那么土壤升温的速率会因为高的含水量而大大减小［16］。这也暗示着低含水量的生物炭会引起土壤温度最大程度的上升。1.1.5生物炭对促进地位和对土壤水分稳定性的作用研究表明土壤中的动物群、微生物、植物根系、无机物(如氧化钙等)和一些环境属性如冻融交替、干湿循环、火灾等会促使土壤形成团聚体并保持其稳定性［9］。团聚体在土壤中可以减少由地表径流和风蚀引起的水土流失。因此对土壤团聚体的研究越来越多。生物炭加入土壤可以促进团聚体的稳定性,其机制和因素可能如下:1生物炭可以提高植物根系的生长速度,进而刺激形成团聚体(当更多的水分和营养被植物吸收时,根系可以长到生物炭的孔隙中);2生物炭可以加强生物活性尤其是细菌和真菌,它们与菌丝形成的根系系统有直接联系。因此生物炭的应用将会通过促进土壤团聚体的形成而增加土壤稳定性。目前,对生物炭通过这个机制来稳定团聚体还知之甚少,并且物理学家还没有尝试去证实这些物理化学和生物因素能够促进团聚体的形成,并保持其稳定性［9］。1.2生物碳对土壤结构的影响1.2.1生物炭对酸性土壤ph值的影响土壤中加入生物炭后,土壤pH值将会发生变化,这与添加的生物炭的种类与含量有关［20］。No-vak等［21］指出把核桃壳生物炭(pH值为7.3)加入到酸性土壤时,土壤的pH值会从4.8增到6.3。同样地,Hossain等［22］发现在土壤中加入来自污水污泥热解产生的生物炭(pH值为8.2)也会使土壤的pH值从4.3增到4.6。Chintala等［20］研究在酸性土壤和碱性土壤中分别加入玉米秸秆、柳枝稷、松木热解产生的生物炭,结果显示,3种生物炭加入酸性土壤后都会不同程度地增加土壤的pH值,并且随着用量的增加pH呈上升趋势,而加入到碱性土壤中,并没有产生多大的影响。与生物炭对酸性土壤的pH研究相比,生物炭对碱性土壤pH影响的研究相对较少。通过以上研究可以看出生物炭可以很好地调节酸性土壤的pH值。因此,生物炭被认为是酸性土壤一种很好的改良剂。生物炭改善酸性土壤的有效性不仅取决于生物炭本身的碱度还与生物炭形成过程中形成的碳酸盐(MgCO3,CaCO3)和有机酸根(-COO－)有关。碳酸盐含量随着产生生物炭热解温度的升高而增多,而有机酸含量却在低温热解时较多［23］。因此,中间温度热解产生的生物炭可能是酸性土壤较好的改良剂［22］。1.2.2体碳化过程中cec与环境的关系阳离子交换量(CEC)用来估算土壤吸收、保留和交换阳离子的能力。阳离子交换的来源是黏土矿物、有机物质和非晶矿物质。在热带地区,土壤的CEC通常很低。Gaskin等［24］研究了不同生物质(如松树皮、花生壳、锯末、松心片丸和硬木)在不同温度下制备的生物炭的CEC。如图3所示,除了松树皮外,所有生物质在400℃附近CEC值最高,对所有生物质来说,在温度超过420℃时CEC值最低,这是因为随着温度变化植物养分也在变化,但是很少有关于温度与CEC之间关系的研究。土壤有机质的阳离子交换量为150~300cmol/kg,与土壤有机质相比,来自热解的新鲜生物炭的CEC值很低。Chintala等［20］实验发现,生物炭无论加入酸性土壤还是碱性土壤,都能够提高土壤的阳离子交换能力,这可能是由于生物炭表面有很多阴离子。Hossain等［22］研究发现在土壤中加入生物炭可以增加40%的CEC。添加少量的生物炭会显著提高土壤中碱性阳离子的含量,这将会提高土壤养分。Li-ang等［25］报道随着土壤中有机质表面氧化程度的增加或者土壤表面阳离子交换位点的增加,土壤CEC值也会增加。Glaser等［26］表示,芳香族碳的氧化和羧基官能团的形成也可能是提高CEC值的原因。因此生物炭表面酸性物质随着生物炭老化将导致较高的阳离子交换量。1.2.3生物炭的盐浓度关于生物炭导电性和土壤施加生物炭的影响的文献是有限的,正如表1所示,用作土壤改良剂的生物炭的电导率(ElectricalConductivity,EC)在0.4~3.2之间,与其他的改良剂相比,生物炭的导电率低于家禽粪便和咖啡豆壳的,这说明这些物质的盐浓度高于烧焦的生物炭的盐浓度。植物生物炭在生物炭中有最低的导电率和pH值,绿色垃圾为原料的生物炭的导电率较高,可能是由于其K含量比较高。1.2.4生物炭的降解尽管植树造林通过光合作用来减少大气中碳的含量是一种可行的途径,但是植物碳又可能回到大气中,因此总碳的含量是不变的。但是,在土壤中添加生物炭能够使碳封存转换成碳负性［13，15］。Lal［29］认为土壤中碳的封存是将大气中的二氧化碳直接或者间接固定在土壤中的过程。碳在土壤中的固定即碳的封存能够改善土壤的结构,养分的利用率,减少温室气体的排放。因此在农业土壤中碳封存可以恢复降解的有机土壤。由生物质热解形成的生物炭中的碳主要以惰性的芳香环状结构存在［30］。因此生物炭的分解十分缓慢,据报告生物炭赋存时间可以达到上千年,因此它是一种有效的、可行的和可持续封存碳的方式［31］。生物炭还能够在土壤中长期储存碳,因此可以用作碳减排的材料［2］。生物炭本身碳含量非常高,在土壤中加入生物炭可以提高土壤有机碳的含量,其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。Kimetu等［32］报道,生物炭的碳损失远低于绿肥,生物炭的稳定性及稳定化作用大于绿肥类易解有机物。据报道,加入生物质炭的土壤的有机碳矿化量减少,且已存在的有机碳的稳定性上升。Lehmann等［33］提出生物炭作为土壤改良剂是一种可再生资源,可以代替化石原料的改良剂,还能够减少温室气体的排放。由此看来生物炭可以用作土壤改良剂,来改善土壤的性质。1.2.5生物炭对作物养分含量的影响研究表明:生物炭可以减少养分的淋失(特别是硝酸盐的淋失)和污染物在根际区的运移。养分淋失的减少可以提高养分的利用效率,并使得水分和养分保留在根际［8］。生物炭能够增加土壤内部的表面活性区域,降低了水分向根际下方的流失,从而增加了植物对水的使用效率,最终增加植物对养分的利用率来增强作物的增长［8］。生物炭长时间在土壤中停留能使有机物和农药更好地分解及降解。尽管如此,由于一些传送胶体污染物的生物炭在土壤中可以长期稳定存在,因此上述物质也许可以增加营养物质或者污染物的浸出［8］。在Laird的一篇论文中,生物炭处理的土样总N和有机碳显著增加,同时可提取态的P,K,Mg和Ca也增加了［10］。这些营养物质浓度的增加提高了植物根部对其吸收的可能性,从而降低这些营养物质淋失到地表水和地下水库的风险［10］。这些过程的纯影响应该是增加营养物质的利用率,减少了对肥料和石灰改良剂的需求。1.2.6生物炭对nh3和no3的吸附作用有机物由包含氨基酸、胺和氨基糖等结构的多种氮组成。当有机质热解时,这些结构凝聚形成杂环氮结构,这些惰性N不能直接用于植物生长。尽管某些生物炭(如粪肥)总N含量很高,达6.4g/kg,但是其矿化态氮(氨氮和硝氮)含量甚微,同土壤中矿质N相比可以忽略不计［34］。因此从供N角度来讲,生物炭能提高土壤有机氮含量,并不能直接提供植物生长的矿质氮。生物炭施入土壤改变N素的循环提高了N素的有效性,主要是通过改变N素的持留和转化来实现的:一方面利用其多孔特性和巨大的比表面积吸附持留N素物质,另一方面改变了土壤理化性质,直接或间接地影响N素周转过程中微生物多样性、丰度及活性,继而影响土壤N素物质循环［34］。研究表明生物炭对N素(NH3和NH4+)具有较强的吸附作用。生物炭对氨气(NH3)具有明显吸附作用,其吸附能力受原材料和制备温度的影响显著。Asada等［35］研究发现高温制备的生物炭不利于其对NH3的吸附作用,原因是随着热解温度的升高,生物炭表面酸性官能团数量减少,对NH3的反应能力减弱。Doydora等［36］研究发现,酸性生物质炭与畜禽堆肥混合施入土壤,可降低土壤NH3损失50%以上。最近Taghizadeh等［37］对生物炭吸附的N进行同位素标记实验,结果表明标记N在空气中是稳定不易挥发的,施入土壤又可以被植物所利用,植物叶片和根对吸附NH3利用率为20%~40%,这说明生物炭通过吸附NH3降低了N素损失的同时,还提高N素的利用率。Chen等［38］通过砂陪实验证实了生物炭对NH3/NH4+具有较强的吸附作用,可以降低土壤气态氨氮损失。但是生物炭的吸附作用只有在接近中性(pH=7或8)时才发挥出来。当pH=5时,由于生物炭添加降低了体系的酸度引起了氨氮的大量挥发,而当pH=9时,土壤的氨氮已经挥发了,生物炭作用微乎其微。因此生物炭对土壤氨态氮作用受pH的影响显著。Spokas等［34］总结了生物炭对NH3的吸附机理:1多孔结构对NH3吸附;2生物炭中羰基同氨形成酰胺化合物。同样的,生物炭的吸附实验也表明生物炭能明显吸附土壤溶液中的NH4+,降低土壤N素的流失和对附近水体的污染风险［38，39］。Sarkhot等［41］认为生物炭通过阳离子交换作用吸附NH4+,300℃硬木生物炭对NH4+吸附量为5.4mg/g,吸附的NH4+24h解吸量只有9%~22%。因此生物炭可以作为养殖场废水中NH4+的有效吸附剂。关于生物炭能否吸附NO3－目前的研究结论并不统一。值得注意的是,生物炭本身对NO3－的吸附能力有限,但是经过改性或者活化的生物炭却能显著增加其对NO3－的吸附作用［42］。如Chintala等［43］研究表明,经过浓HCl活化后的生物炭其比表面积和表面电荷有显著的提高,因此其吸附NO3－的能力也明显增强。有研究表明于生物炭为带负电荷的基团,其阳离子交换量要高于阴离子交换量,因此生物炭主要吸附阳离子而不能吸附阴离子［44］。除生物炭的吸附实验外,近年来通过淋溶实验表明,添加生物炭后对土壤N素的淋滤损失具有一定的控制作用［45］。Zhang等［45］通过70天的观察实验,发现在表层土添加0.5%的竹制生物炭后,可以减缓NH4+向深层土壤纵向迁移。在土柱淋溶实验当中,可以通过添加生物炭来减少由于淋滤而累积损失的NH4+,如添加生物炭的处理,在20cm深处的NH4+损失降低了15.2%。Kameyama等［46］的研究表明高温(800℃)生物炭更有利于NO3－的吸附,可以降低小麦根系NO3－的流失率,同时提高小麦对氮肥的利用率。Dempster等［47］田间实验表明,表层(1~10cm)添加25t/hm2的生物炭可以降低砂质土壤氨氮(14%)和硝氮(28%)的淋出。Sika等［48］的研究显示,同对照相比,生物炭(0.5%,2.5%,10%,w/w(生物炭质量/土壤质量))显著降低氨氮累积淋出量(12%,50%和86%)和硝氮累积淋出量(26%,42%和96%)。但是令人吃惊的是土壤交换性氨氮和硝氮却分别降低13%~49%和21%~79%。研究结果表明尽管生物炭降低土壤氨氮和硝氮的淋出,但是同时也降低土壤中可交换氮的含量,因此生物炭添加后土壤N素平衡或归趋亟需进一步研究。生物炭除了直接吸附NH4+/NH3,降低N的损失提高利用率外,生物炭加入土壤中还能够促进土壤中NH4+向NO3－-N转化,促进土壤N的转化提高了N的生物有效性［49］。这种现象可能有以下几种原因:1生物炭加入土壤能够吸附酚类化合物(能够抑制硝化作用),从而间接促进硝化作用［50］;2生物炭通过提高土壤氨氧化细菌的丰度间接促进NH4+向NO3－催化氧化［51］;3生物炭提高土壤中硝化细菌的活性,促进了硝化反应的进程［45，46］。值得注意的是,生物炭并不总能促进土壤N素的循环,有时没有作用,甚至有负作用。如Deenik等［28］研究认为生物炭含有的挥发性物质可以刺激微生物活动,从而导致土壤有效N降低,同时降低植物N素吸收,抑制作物生长,甚至施肥也会如此。Nelson等［52］研究认为,以20g/kg的比例向土壤中添加生物炭,则会使N的可利用性降低5~10mg/kg。Streubela等［53］研究表明在没有外源N添加时,随生物炭量增加作物产量迅速降低。在高浓度的生物炭时,即使添加外源N同样降低作物产量。只有在低生物炭量和外源N同时施入,生物炭才增加了作物的产量。究其原因可能是生物炭含有的高挥发性物质(酚类)刺激了微生物活动,出现了N固定,同作物竞争N造成了作物的减产。综上所述,尽管生物炭显示出通过吸附作用降低土壤NH4+/NH3的损失,有利于提高土壤N素的有效性,但是不同的土壤类型,生物炭性质均影响生物炭对土壤N素的作用,由于生物炭具有较高的C/N比,因此存在微生物固N作用的发生,进而降低植物对N的利用率。1.2.7生物炭对土壤p、有效p的影响P是植物生长所必需的大量养分元素,也是导致水体富营养化的关键元素。研究表明施加生物炭能够提高土壤中有效P的含量,同时提高作物产量［24，50］。与N不同,生物质中的P在热解过程基本被保留下来,并且大多以可溶性形式存在［54］。研究表明,生物炭本身含有大量的P并且有效性较高,输入土壤后可以显著增加有效P的含量［55］。假设生物炭含P量为0.3%,有效P含量为50%［56］,生物炭使用量为20t/hm2,经计算有效P施入量为30kg/hm2。由此可见生物炭直接施P效应不容小觑。除直接释放P外,生物炭还通过改变P的吸附和解吸来改变P的循环和有效性。生物炭能否直接吸附P,目前的研究结论并不统一。如Yao等［39］研究表明生物炭对P无吸附能力,Hale等［40］也得出了类似的结论,尽管生物炭淋滤后呈现对P的吸附。作者认为淋滤使得生物炭的比表面积和孔隙体积显著增加,同时空出些吸附点位增加了对P的吸附。Chintala等［20］研究却发现生物炭对P有吸附作用,其吸附能力的原料顺序依次是:玉米、柳枝、松木,而解吸能力与之相反。值得注意的是:在废水处理的研究中生物炭可以显著吸附P。但是这些生物炭一般经过了特殊处理,如负载铁或镁［57］,或者经过改性处理［58］。生物炭输入土壤后也可以影响土壤对P的吸附和解吸。如Chintala等［20］研究发现生物炭加入酸性土壤中降低了P的吸附增强了P的有效性;而在碱性土壤中,P的吸附能力增强,从而使有效P减少,这可能与碱性土壤含有大量的Ca和Mg等阳离子有关。Morales等［59］做了生物炭加入热带退化土壤中时对P的吸附和解吸,发现生物炭的运用降低了土壤吸附P的能力,可能与生物炭含有较高浓度的可溶性P有关。Parvage等［60］研究表明随生物炭施入土壤有效P的含量降低了,可能是因为生物炭增加了土壤0.3~0.7个单位pH值,pH值的变化会影响P的吸附和解吸。Makoto等［61］认为森林火灾残留的生物炭可能通过丰富的孔隙吸附土壤P素,抑制土壤P素流失和延长有效P的保留时间。Deluca等［62］则认为生物炭可以通过提高土壤pH和CEC来提高土壤P素的有效性,高的pH和CEC的生物炭加入土壤时,可减少铁和铝的交换量而增加P的活性。Mukherjee等［44］猜测生物炭通过表层阳离子桥键作用吸附土壤P素,进而影响P素的有效性。生物炭可以为微生物尤其是细菌提供一个良好的环境,使其矿化和溶解有机和无机磷,从而使这些P被植物利用和吸收［62］。许多研究已经报道,生物炭加入土壤后可改变微生物的活性,而背后的机制还不清楚。Warnock等［63］报道:生物炭通过多种机制可能影响土壤微生物对含P化合物的吸附。生物炭的多孔结构能够为生物提供栖息地,还有效地促进了营养物质的转换效率［64］。但目前还没有对生物炭与磷酸盐淋溶细菌交互作用的研究。综上所述生物炭输入土壤后,提高了土壤中有效P的含量,但其影响机理并不完全清楚。目前认为生物炭可能通过以下几个方面发挥作用:1生物炭灰分中P的含量比较高,加入土壤后会增加土壤中有效P的含量;2生物炭改变了土壤pH,CEC,表面电荷以及Fe,Al,Ca,Mg含量和形态,同时生物炭丰富孔隙体积和比表面积均可能影响P的化学行为和有效性;3通过影响微生物的活动将难以利用的P转化为无机矿物质P,被植物吸收利用。1.2.8生物炭对土壤微生物活动的影响土壤微生物需要有机质的C/N比值为25∶1。如果C/N比值小于25∶1,土壤有机质分解会加快;如果C/N比值大于25∶1,C多N少,微生物缺乏N素营养活动力就会减弱,造成有机质分解降低,甚至会出现同作物争夺N素造成作物减产。生物炭是一种含碳量高而含氮少的物质,具有较高的C/N比值(一般大于25∶1)。当土壤中加入一定量的生物炭时,有可能导致N的矿化后再固定反应,进而降低植物对N的利用率。但是由于生物炭主要由抗生物降解的有机碳构成,这种碳很难被矿化,因此即使生物炭C/N比值较高,N的矿化可能也难以进行［33］。考察生物炭对土壤微生物活动影响,除了要研究C/N比值外,还需要综合考虑生物炭中碳的组成和活性。这方面的研究对生物炭功能的发挥至关重要,但是目前对此却知之甚少［28］。亚马逊黑土中C/N比远高于附近的土壤,但是可利用的N素却比附近土壤高［6］。相反Dempster等［47］研究表明添加生物炭会降低土壤微生物炭。同时CO2释放降低以及N矿化量降低说明有机质降解降低。这些都说明生物炭添加不利于微生物活动,同时也降低作物的产量。一般来说,生物炭与氮肥配施时会取得更好的增产效果［65］。2生物炭对作物产量的影响使用生物炭可以促进种子萌发植物生长和提高作物产量(表2)。Chan等［65］报道在氮肥和生物炭一起使用时,萝卜的干物质量明显增加,这是生物炭与氮肥交互作用的结果,因为即使施用最高含量的生物炭(100t/hm2),而不施加氮肥时作物的产量也不会明显提高。所以生物炭和氮肥的交互作用对作物产量的影响更显著。Uzoma等［66］发现施加15和20t/hm2的生物炭时,与对照相比玉米的产量会增加150%和98%,这是由于生物炭中含有植物生长需要的营养物质。Major等［69］通过在哥伦比亚热带草原上对使用生物炭的土壤进行连续4年的观测,发现第一年玉米的产量没有显著增加,而在随后的第二、三、四年施用20t/hm2的生物炭,其产量分别增加28%,30%和140%,这是由于此地区缺乏植物需要的营养元素Ca和Mg,在土壤中加入生物炭后,随着土壤的pH增加,Ca和Mg等植物需要的营养元素增加,所以,作物产量上升。而有一些报道说生物炭对植物生长起抑制作用,如Asai等［70］认为如果不加入氮肥只是施加生物炭时作物的产量会降低。Gun-dale等［71］发现来自于实验室产生的松针和松树的生物炭对植物生长起抑制作用,而来自于野火产生的松针和松树的生物炭对植物生长起促进作用。Deenik等［28］发现含高挥发性物质的生物炭能抑制植物生长,减少N的吸收,增强了土壤呼吸作用。这意味着含高挥发性物质的生物炭在短期内不适合作土壤改良剂。总的来说由于生物炭的多孔结构、碱性和含有大量营养物质,其比较适用于酸性土壤的改良,可提高作物的产量［72］。然而,如果土壤pH值过大,生物炭添加则会导致植物的营养不良。制备生物炭时产生一些焦油和树脂等物质,这些物质附着在生物炭表面也能抑制植物生长［27］。3生物炭对环境的影响现在生物炭施用到土壤中的好处逐渐增多并引起大家的关注,但大家忽略了生物炭对土壤的潜在污染,这一领域是至关重要的。Collison等［73］曾表示如果将对土壤功能和水质有风险的生物炭应用到土壤中,将会对人类健康、环境、社会经济造成严重的影响。在生物炭的产生过程中含有污染物的原料和热解条件都有利于有害化合物产生。如慢速热解在温度低于500℃时是产生重金属、多环芳烃和其他种类具有消毒剂和抗生素性质的有机物［73，74］。生物炭中重金属含量与其制备原料中的含量有关。在热解有机废弃物(如活性污泥、制革废物等)产生的生物炭产品中一般都含有较高浓度的重金属残留［76，77］。Bridle等［78］报道指出由污水、污泥产生的生物炭中含有高浓度的铜锌铬镍等。Muralidhara等［79］发现在制革厂废弃物产生的生物炭中Cr的浓度占2%(干重);另一方面,最近发现家禽粪便、花生壳和松树在400~500℃之间产生的生物炭含有浓度相对较低的铝铬镍鉬,而通过家禽粪便生产的生物炭包含这些金属的浓度最高［24］。与此相反,家禽粪便产生的生物炭要比松木和花生壳产生的生物炭的锌铜铁浓度低［50］。生产生物炭的原料中的金属浓度往往决定了生物炭的安全利用率。Mchen-ry［80］通过将生物炭和常规化肥的使用做对比,初步数据表明,生物炭中的金属种类对环境的风险较小。事实上,如锌汞碘铅和镍等污染物所产生的环境风险需要一个高水平的生物炭使用率(250t/hm2)。由于生物炭具有对水体造成污染的重金属,因此生物炭对不同类型土壤造成的影响仍需要更大范