生物质炭在农业上的应用

中国农业信息网2016-12-20 12:11:49

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生物质炭在农业上的应用 1.农田施用生物炭为什么可以培肥土壤?土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一,它可以改善土壤团聚体和稳定性、水分入渗和保持、养分吸持和交换、支持微生物活动等。虽...

1.农田施用生物炭为什么可以培肥土壤?

土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一,它可以改善土壤团聚体和稳定性、水分入渗和保持、养分吸持和交换、支持微生物活动等。虽然生物炭的化学结构不同于有机质或土壤腐殖质,但是,生物炭与有机质或腐殖质一样可以改良培肥土壤。生物炭可以提高土壤有机碳含量水平,其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。土壤有机碳含量增高可提高土壤的C/N比,从而提高土壤对氮素及其他养分元素吸持容量,有利于通过配合施肥培肥土壤。

2.生物炭到底疏水还是亲水?

新鲜生物炭一般表现较强的疏水性,新鲜生物炭施入土壤后,土壤水入渗及初始导水率降低,水分饱和后则土壤饱和水导水率则有所改善。随着生物炭颗粒表面在土壤中的氧化及羧基基团增多,生物炭的亲水性会逐渐增强,其吸水能力和土壤持水量逐渐提高。

3.生物炭为什么有稳定土壤团聚体的作用?

生物炭促进土壤微生物、特别是VA菌侵染与活性,从而可能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。

4.生物炭酸碱性如何?

生物炭的酸碱性取决于生物炭原料及生产工艺,但是大部分生物炭显碱性。因此,生物炭施入土壤通常可提高酸性土壤pH值,这主要是生物炭中灰分含有更多的盐基离子,如钙,镁,钾、钠。盐基离子可以交换降低土壤氢离子及交换性铝离子水平,生物炭配合NPK化肥降低酸土可交换性铝更明显,从而提高土壤盐基离子如钙、钾、钠等的饱和度而导致土壤pH值增高,尤其是造纸污泥生物炭,其富含钙离子而显著提高酸性土壤的pH值。但对碱性土壤作用不显著。高温热裂解的生物炭比低温热裂解的生物炭中具有更少的酸性挥发物及更多的灰分,因而pH更高。因此,高温生物炭提高土壤pH比低温生物炭的作用更明显。高温生物炭是比石灰有益作用更多的土壤酸性中和剂。

5.生物炭的肥效是如何发挥的?

生物炭含矿质养分含量低,其直接养分作用是有限的。在大部分土壤上,生物炭对作物生长与产量的促进作用很少与其直接养分有关,大多与其对土壤物理、化学性质及微生物活性的改善的间接作用及对降低土壤肥料养分淋失作用有关。土壤pH影响土壤养分有效性,而土壤养分有效性变化则影响作物生长与产量。生物炭对酸性土壤和石灰性土壤pH影响不同,因而其肥效也会不同。生物炭对不同pH土壤的养分有效性及作物肥效的影响需要进一步研究。此外,生物炭释放乙烯,或消除异株克生化学物质,或诱导的植物系统抗性的作用也可能是生物炭的作物肥效差异的原因。由于生物炭的直接和间接作用,降低施肥量10%时,配施生物炭土壤仍可保持作物原有产量水平,生物炭与肥料配施能够减少化肥需用量。

6.生物炭做缓控释肥基质的特性如何?

用于肥料养分缓/控释的控释材料种类较多,然而目前的控释材料缺少补充土壤有机碳的功能,且大部分材料受资源制约、不可再生。生物质是可再生的,因而生物炭是可再生的,资源无穷。生物炭具有土壤改良和土壤固碳的作用,生物炭还可吸附和负载肥料养分,延缓肥料养分在土壤中释放和降低淋洗损失,是有益功能更多的肥料缓释的绿色控释材料。由于生物炭的化学官能团电离产生电荷,因而生物炭具有较高离子吸附交换量,生物炭可以通过静电吸附负载肥料养分离子。其次,其化学官能团较为活跃,如羧基、羟基,可进行化学反应,因此生物炭可通过化学反应负载特定肥料养分。最后,生物炭可以通过孔隙闭蓄和表面吸附吸持肥料养分。生物炭的pH是生物炭与肥料掺混或复合需要考虑到因素。

7.生物炭对重金属和有机污染物生物有效性有何影响?

生物炭具有较大的比表面积和微孔结构,表面官能团丰富,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。

8.生物炭的结构和基本特性如何?

生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧等,而且以高度富含碳(约70%—80%)为主要标志,可以视为纤维素、羧酸及其衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂各异的含碳物质构成的连续统一体,其中烷基和芳香结构是最主要的成分。从微观结构上看,生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成,X射线表明其具有乱层结构(turbostraticstructure)。生物炭表面多孔性特征显著,因此具有较大的比表面积和较高的表面能。表面极性官能团较少,主要基团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等,构成了生物炭良好的吸附特性。随着研究的推进,研究者还发现生物炭具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性。

9.生物炭改良土壤的机理?

生物炭能够增加土壤肥力,提高作物产量,是学者们通过观察大量实验现象得出的事实,但具体机理还有待探究,目前文献认为可能的原因有如下几点:首先,生物炭能够显著提高土壤pH、改变土壤质地、增大盐基交换量,从而引起土壤CEC增加。同时Lehmann等还认为由于生物炭含有丰富的芳环结构和羟羧基等基团,显著增加了离子交换的位点,其表面交换活性更高,因此施加生物炭之后,土壤的CEC水平显著提高,影响植物对营养元素的吸收效果。施用生物炭能够促进土壤有机质(SoilOrganic Matter,SOM)水平的提高,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SOM,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。如Glaser等认为,在热带地区,含有生物炭的土壤由于其高度的化学稳定性和生物稳定性,相较其它形式的有机质更难以在高温高湿环境下被分解,从而提高了SOM含量,成为其重要的“库”。另外,生物炭能够有效调控土壤中营养元素的循环。生物炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中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得到提高,生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移避免营养元素的淋失,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。生物炭能够通过调节硝化和反硝化过程避免氮素流失。此外,生物炭具有多孔和低密度的特性,施用后能改善土壤通气状况,降低厌氧程度,从而抑制反硝化作用。生物炭和其它有机或无机肥料配合施用,作物增产效果更佳。生物炭的多孔性和表面特性能够为微生物生存提供附着位点和较大空间,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,进而改善土壤肥力。最后,生物炭能改变有毒元素的形态,降低有毒元素对作物以及对环境的危害,有助于植株正常发育。许多学者认为,施用生物炭能显著增大土壤pH,由此降低Al、Cu、Fe等重金属可交换态的含量,与此同时增加Ca和Mg等植物必需元素的可利用性,一方面减轻了有害元素对作物生长过程中的伤害,另一方面增加了植物对营养元素的摄取,从而促进了植株的生长。

10.生物炭减排机理如何?

目前研究人员普遍认为,生物炭具有极高的化学稳定性、热稳定性和微生物稳定性。一方面,生物炭高度碳化且芳香环和烷基结构紧密堆积,这种化学稳定性机制可对碳素进行固定;另一方面,生物炭表面的有机结构通过稳定力作用与土壤中的矿物形成有机-无机复合体,即土壤团聚体,生物炭封闭其中,通过团聚体的物理保护作用降低土壤微生物对其分解的风险,从而保持稳定。生物炭的减排作用是通过降低土壤中有机碳的矿化作用的强度实现的.一般认为,土壤有机碳矿化是土壤释放CO2的主要途径,因此控制土壤有机碳的矿化作用能够有效降低大气中的CO2水平。

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