我国土壤酸化和盐碱化的分布及成因

我国土壤酸化和盐碱化的分布及成因

1生物炭的使用价值我国酸性土面约为2.044408hm2，碱性土面约为3.543808hm2，占全国耕地面积的21%。土壤酸化或土壤盐碱化本身是一个非常缓慢的自然过程。但近几十年来,为了养活众多的人口,我国农业生产的集约化程度不断提高,在单位土地面积上投入的化肥尤其是氮肥数量越来越大,加上全球气候变暖的影响,使得土壤酸化和盐碱化进程呈加速趋势。土壤酸化容易导致土壤环境质量和健康质量的降低,同时往伴随着盐基离子耗竭与养分淋失,造成土壤保蓄能力下降,从而对湖泊水体富营养化、水质变劣等起到推波助澜的作用;而对于盐碱化土壤,它们的盐分含量高,有机质含量低,容易削弱植物的蒸腾作用,抑制植物生长,甚至导致植物枯亡。盐碱化不但造成了资源的破坏和农业生产的巨大损失,而且还对生物圈和生态环境构成威胁。随着世界人口增长和土地退化的加速,世界各国高度重视酸性土和盐碱土改良、开发利用及保护。目前,施用石灰石或白云石被认为是防止土壤酸化同时也是提高养分含量的有效方法,此法在世界上获得广泛应用,其优点是可以较为快速地缓解或消除土壤酸化及其影响,但其副作用亦不容忽视,特别是会导致土壤有机质含量的下降,同时,大量使用石灰会增加农业生产成本并消耗宝贵的矿产资源;另一种常见方法是施用生理碱性肥料,一般是施用硝酸钾、草木灰,但硝酸钾极易淋失,在化肥用量过多和氮素过量的情形下,施用硝酸钾并不适宜,而产生草木灰要焚烧秸秆,这不符合生态环保原则。而改良盐碱土壤的技术一般分为物理措施、生物措施、化学措施三大类。物理措施中较常用的客土替换、水力淋洗等方式具有基础投资大,工程复杂等缺点;生物措施中远源杂交、基因工程培育耐盐种对技术要求高,经济投入大,且见效慢,周期长;化学措施即施用改良剂如石膏等,虽然见效快,但成本较高。有鉴于此,目前亟需一种新的环保、高效和经济的酸性土和盐碱土壤改良技术。近年的研究表明,农作物秸秆等农业废弃物也可改良土壤酸度和降低土壤含盐量,同时具有固碳和促进养分元素循环、减少生产中化肥施用等生态环境功能,但是直接使用农作物秸秆改良酸性土和盐碱化存在明显缺点,表现为秸秆在土壤中易被微生物分解,亦存在温室气体排放大幅度增加问题。如能将农作物秸秆经过改性和处理制备成性质相对稳定的改良剂,情况则会大为不同。这就为来自于农作物秸秆、果树枝条、禽粪等废弃生物质的生物炭的利用提供了客观需求。生物炭(Biochar)是在缺氧条件下由生物质高温裂解而形成的含有惰性有机碳的物质。生物炭在世界上尤其在应对气候变化方面和农业领域日益受到人们重视,是因为它具有以下几个优点:其一,生物炭富含稳定的碳元素,主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳构成,理化性质稳定,抗生物分解能力强,在土壤中可存在上百年甚至上千年而不被降解,施用后相当于把碳稳定地封存于土壤中,有助于减缓全球变暖。其二,生物炭具有较大的比表面积和微孔结构,吸附能力强,表面官能团丰富,一方面可降低土壤容重,促进土壤微团聚体的形成,改善土壤结构和水肥气热状况,可为土壤微生物栖息提供良好环境,有助于保护土壤中有益微生物和促进微生物繁殖;另一方面能对重金属和有机污染物产生吸附作用,从而降低污染物的生物有效性和环境风险。其三,生物炭含有植物生长所必需的大量和中微量元素,可为作物生长发育提供必要的养分补充,因而施用生物炭可相应降低化肥的用量。因此,科学家们相信,如果把有机废弃物制成生物炭并施入土壤,就可以将有机碳稳定地封存于土壤中,不仅是解决全球气候变化问题、缓减温室效应和保护环境的有效措施,也是将低肥力土壤变成“亚马逊式黑土”的重要手段。2生物碳对酸性土壤的改善2.1生物炭对作物生长的影响土壤的酸碱度由盐基离子所支配。生物炭中含有碱性物质,加入酸性土壤后这些碱性物质可以很快释放出来,中和部分土壤酸度,使土壤pH升高,一般能提高0.18~0.66pH单位。生物炭含有较多的钾钠钙镁等盐基离子,可以通过吸持作用降低土壤的交换性氢离子和交换性铝离子的水平。Yuan等把由9种植物材料低温热解生产的生物炭施入酸性土壤,结果加入生物炭的9个处理的pH均有所提高,生物炭的石灰效应与其碱度有关,并且土壤pH与生物炭碱度呈线性相关关系;而在生产生物炭的原料中,豆科植物生物炭相对于非豆科生物炭对酸性土壤改良有更大的石灰效应。Baronti等通过大田试验发现,当施用450g·kg-1阔叶树制成的生物炭后,其砂质土壤的盐基饱和度变为原来的10倍。不同质地的土壤,施用生物黑炭后土壤pH值从5.4增加到6.6。且pH升高幅度在粘土中比砂土和壤土要大。此外,高温生物炭是比石灰作用有益作用更明显的土壤酸性中和剂。高温热裂解比低温热裂解得到的生物炭中含有更少的酸性挥发物及更多的灰分,pH值更高,因此前者提高酸性土壤pH的效果比后者更好(见表1)。生物炭对作物生长的作用存在着争议,一些学者认为酸性土壤中添加生物质炭可以促进植物生长,并能显著提高作物产量。黄超等在红壤土中施用10、50和200g·kg-1生物炭种植黑麦草,产量分别增加7%、27%和53%。Chan等(Chanetal,2008)进行了酸性土壤(pH4.5)施用生物炭的萝卜盆栽试验,发现生物炭用量为10和50t·hm-2的处理分别比对照增产42%和96%。但也有研究发现生物炭对作物生长有负面影响。KishimotoandSugiura等采用火山灰土对大豆和玉米的田间试验表明,施用生物炭量分别为5和15t·hm-2时,大豆和玉米表现为减产。其原因可能是生物炭施用后提高了土壤pH值,从而降低了磷和某些微量元素有效性。邓万刚等在海南花岗岩砖红壤土上施用不同比例的生物炭(炭土比为0.1%、0.5%和1.0%),发现不同用量处理与对照相比,均降低了王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量,同时也造成两种草的品质下降。张晗芝等研究发现,在玉米苗期生物炭抑制了植株的生长发育,表现为添加量越大抑制作用越大,而随着玉米生长这种抑制效应逐渐消失。施入生物炭导致产量降低,可能是对pH值敏感的作物,或者是因为生物炭具有较高的C/N导致了氮固定,具体原因还需进一步研究。因此,生物炭的增产作用及适宜用量还需视农田作物类型、土壤类型和性质以及施肥情况而定。2.2生物炭对土壤养分及养分释放的影响热带和亚热带地区的酸性土壤由于有机质含量和土壤矿物的CEC较低,所以肥力水平低,不利于农业的可持续发展。热带地区丰沛的降雨加剧营养元素的淋失,但热带亚马逊黑土中营养元素的淋失量很低,这使人们认识到生物炭是提高热带土壤对营养元素保持能力的主要原因。一方面生物炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中的NH4+-N、NO3--N、K、P及气态NH3等不同形态存在的营养元素有很强的吸附作用。同时,施加生物炭之后土壤的持水能力和供水能力均得到提高。生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移而避免了它们的淋失,并在土壤中持续而缓慢地加以释放,相当于营养元素的缓释载体,从而达到保持肥力的效果。Laird等通过猪粪与生物炭混施试验发现,20g·kg-1生物炭处理较不施用的对照全N淋溶量减少11%,可溶性P淋溶量减少69%。此外,生物炭还能够延长养分的有效期。生物炭似乎成为解决土壤养分流失的重要措施。另一方面,生物炭表面带有负电荷,具有较高的CEC,生物质炭的CEC约为酸性土壤的10~20倍,可以提高土壤对养分离子钙、钾、镁和NH4+等的吸持能力,提高土壤的肥力,因此施用生物质炭可以提高酸性土壤的CEC,可以认为施用生物质炭提高土壤CEC是其提高土壤保肥能力的一个重要原因。还有研究发现,施用生物炭可以增加土壤有机碳、土壤有机质或腐殖质含量,从而提高土壤养分吸持容量及持水容量,进而提高养分的利用率。2.3生物炭对土壤养分含量的影响酸性土壤中铝毒害是限制农业生产中作物生长的主要因素之一,在酸性土壤中铝的交换量占土壤阳离子交换总量的20~80%,使得土壤中阳离子易于流失,使钾、钙、镁、钼、硼等营养元素缺乏,引起土壤肥力下降,从而影响植物生长。当把生物炭施入土壤中,它所含有的盐基阳离子与土壤交换性铝发生交换反应,使土壤交换性铝含量减少,交换性盐基阳离子含量增加,使土壤盐基性养分含量增加,特别是交换性钙和钾增加显著,从而提高土壤的肥力水平。土壤钙和镁含量的增加还能有效缓解铝对植物的毒害作用,这是因为钙和镁能够与铝离子竞争植物根表的吸附位,减少根表铝离子的数量。生物炭配合NPK化肥更能降低酸性土可交换性铝。2.4生物炭对土壤营养的影响重金属含量高也是酸性土壤的一个重要特征,这是由于锰、铬、镉等有毒金属离子在低pH值下溶解度升高,所以土壤酸化会增加重金属活性。在酸性土壤中施用生物炭后,利用生物炭的强吸附性,可以将土壤中的重金属离子有效固持,进而降低重金属的有效态含量,减少重金属对微生物的胁迫,也可以提高植物营养必需元素Zn、Fe等的活性。在铜、锌污染的红壤水稻土施用生物炭,土壤中有效态铜、锌含量明显下降,并且随着生物炭用量的增加下降幅度增大。因此,在酸性土壤中施用生物炭可以提高养分利用效率,减少有效矿物元素的淋失,降低重金属毒害,同时达到保护环境的效果。3生物碳对碱性土壤的改进效果在盐碱土中施加生物炭能有效降低土壤碱化度和水溶性盐总量,提高土壤中的土壤持水力、有机碳含量及微生物活性,从而获得改良盐土的效果。3.1生物炭对土壤理化性质的影响目前,对于生物炭改良盐碱土壤作用也存在着争议。王桂君等通过对不同程度盐碱化土壤添加生物炭进行实验室模拟研究,结果表明生物炭施用量越高,对中重度盐碱化土壤的改良效果越明显,特别是重度盐碱化土壤,施加一定比例生物炭可以有效增加小麦出苗率及促进幼苗生长;Uzoma等在生长在沙土上的玉米分别施用0、10t·hm-2、15t·hm-2和20t·hm-2,结果显示,玉米产量基本随着生物炭施用量增加而增加。有研究表明生物炭和其他改良剂(如家禽粪、木醋液)配合使用改良效果更好。但也有研究发现,生物炭对碱性土壤改良作用不显著,甚至还有一些负面影响,例如降低微生物活性和减少作物生物量及产量。因此施用生物炭前一定要认真评估当地土壤具体性质和生物炭类型。3.2生物炭对土壤理化性质的影响由于生物炭本身呈碱性,对盐碱土pH的降低不显著。盐碱土的碱化度通常比较高,生物炭能降低土壤的碱化度,一方面可能由于生物炭中交换性Ca2+/Mg2+浓度较高,能将土壤胶体吸附的Na+代换下来;另一方面,生物炭本身疏松多孔的性质,使土壤的总孔隙度增加,受到淋洗会带走更多交换性Na+,使碱化度降低;盐碱化导致土壤中N、K、P和其他元素减少。生物炭的孔隙结构能降低水分的渗滤速度,增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力。生物炭具有强大的吸附能力,它可吸附NH4+、NO3-等多种水溶性盐离子,具有良好的保肥和去污能力。此外,生物质炭本身的P和K含量也较高,这些P和K可以被作物利用,施用生物质炭可以直接增加土壤P和K素水平,提高作物的产量;生物炭具有很大的比表面积,可以使土壤保持更多的水分,施用生物炭可使土壤田间持水量增加近20%,同时生物炭较大的孔隙度,也使生物炭具有一定的吸水能力,尤其是氧化后的生物炭可提高沙质土壤的持水量,从而改善土壤持水能力,可减少水分蒸发,提高土温,改善土壤结构,降低土壤含盐量,提高出苗率及产量。3.3生物炭对盐碱土壤有机溶剂的影响由于土壤盐碱化,抑制了土壤的生草化过程和土壤有机质的累积过程,因而土壤有机质含量相对降低,从而影响到土壤的理化性质。农业秸秆基本不含重金属等有害物质,可以提高土壤中的有机质,提供必须的营养(例如N、P和K),重建土壤物理化学性质以及微生物种群和活性,提高土壤的入渗率,有利于盐渍土盐分的淋洗。因此也常被还田用于盐碱土土壤的改良,但是秸秆所含的有机碳相对活跃,会诱发土壤微生物的高效代谢和繁衍,导致输入土壤的有机质被快速降解。但向盐碱土中施入生物炭,可以提高土壤有机质、土壤的C/N、土壤对氮素及其他养分元素吸持容量,一方面生物炭能吸附土壤有机分子,通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成有机质,而有机质能够减少地面蒸发、改善土壤结构、利于盐分淋洗、延缓土壤返盐、中和土壤碱性、提高土壤养分、增强微生物和酶活性以及减少灌溉定额,同时,有机质本身具有较好的吸附力能够产生一定的缓冲作用。另一方面生物炭本身极为缓慢的分解有助于腐殖质的形成,通过长期作用促进土壤肥力的提高,再则生物炭施入土壤后,主要是因为生物炭具有部分易挥发物质和生物炭初期的表面官能团的氧化。但随着在土壤中存在时间的延长,表面钝化后的生物炭与土壤相互作用产生一种保护基质,增加土壤有机质的氧化稳定性,提高土壤有机碳的积累。另外,生物质炭较其他改良剂稳定,对土壤理化性质的改善可以持续较长时间,同时这也增加了土壤的固碳量,减少了温室气体排放。3.4生物炭对作物的作用生物炭对土壤中微生物的影响是当今生物炭研究中的一个热点问题。盐碱化土壤中由于含盐量高微生物活动受到抑制,固N菌、硝化菌很少,活性差,因而土壤中的氨化作用和硝化作用微弱,影响作物对养分的吸收。生物炭的孔隙结构及其对水肥的吸附作用使其可成为土壤微生物的良好栖息环境,保护土壤中有益微生物,促进微生物繁殖,这种变化还可能与土壤理化特性改善、养分有效性增加、生物炭自身提供养分等因素有关。由于生物炭表面结构的多样性,无论疏水性和亲水性物质,还是酸性物质和碱性物质,都能被生物炭所吸附。生物炭因其多孔结构,成为藻类、细菌、真菌、土壤动物的栖息场所,增加了土壤生物多样性,特别是对盐碱土改良起重要作用的微生物如硫氧化细菌、放线菌、AM真菌和光合细菌等,可提高有益微生物的繁殖能力及活性,增强泡囊丛枝菌根菌(VAM)对植物的侵染,同时调控土壤微环境的理化性质,影响和调控土壤微生物的生长发育和代谢,从而增加微生物对矿物分解及多糖分泌(如glomalin-球霉菌素),而多糖是土壤团聚体形成和稳定的重要物质,从而使生物炭有稳定或增加土壤团聚体之作用。生物炭巨大的表面积和水分保持能力,生物炭可以保持潮湿的空隙,这样就可以维持在干旱条件下微生物对水的需求。加入生物炭后,根际的微生物的丰度比土壤本体有较大的增加,微生物丰度越高,越有可能导致更强的矿化作用和生物炭自身的氧化作用,而微生物量越高越容易刺激这种氧化作用。此外,微生物呼吸释放的CO2可以提高作物附近的CO2浓度,在白天可增强光合作用,增加有机物的积累,在夜间可抑制呼吸作用,减少有机物的消耗,从而达到作物增产的效果。微生物的代谢可为作物的生长提供氮肥,减少氮肥的施用量。但生物炭施入土壤后很难被微生物利用,主要是生物炭表现出的高度的化学和微生物惰性。同时,由于其复杂成分中丰富的的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子,具有与土壤中的矿物质形成有机无机复合体的功能活性。正是由于团聚体的物理保护作用而降低了土壤微生物对施入生物炭的作用而土壤团聚体的碳保护能力恰恰是土壤自然固碳潜力的基础。4返回和期待4.1生物炭对盐碱土性质的影响生物炭近年来在温室气体减排、土壤改良以及污