生物炭在酸性土壤改良中的应用

刘怀优

（四川农业大学，四川成都 611130）

自然酸性土壤的形成与气候环境密切相关，在热带、亚热带地区，气候条件可以使土壤发生明显的脱硅富铝化作用，使土壤呈酸性[1]；一些微生物活动与植物的根系作用也会导致土壤酸化。有研究以豆科植物为例，发现植株吸收盐基离子后，为了土壤电荷平衡会释放质子，从而促进了土壤的酸化过程[2-3]。但是，自然酸化的过程是缓慢的，Huang等[4]通过实验表明，长期施用氮肥会加速土壤酸化过程。氮肥的增施提高了作物产量，但同时也促进了自然酸化过程中植株对盐基离子的吸收[5]，这无疑形成了正反馈形式的酸化循环。除了直接作用于土壤的人类活动以外，人类生活生产中的污染排放的加剧以及带来的酸沉降也是土壤出现加速酸化趋势的重要原因之一[6-7]。酸性土壤具有pH值低、盐基离子淋失严重、微生物多样性少等特点，大多作物都无法在酸性土壤环境中健康生长。人为因素造成的土壤酸化与酸化加剧，使农业的可持续发展雪上加霜，因此有效解决酸性土壤问题成为了世界范围内共同研究的课题。

生物炭是生物质在一定的高温下（无氧或缺氧条件下）热解产生的固体产物，具有多孔、含碳量高、比表面积大、通常呈碱性等特征，对酸性土壤具有一定的改良作用，受到了许多学者的关注。

1 生物炭的性质及制备工艺

生物炭的理化性质直接决定了其具备的功能，而生物炭制备过程中涉及的材料及时间、温度、含氧量等制备条件又直接决定了生物炭的理化性质。所以，受制备原料、制备条件等差异性影响，最终制得的生物炭必然存在十分明显的性质差异。

由表1可知，生物炭的性质与制备条件有一定关系，就有限的样本而言，这种性质在众多研究中重现性较好，具有一定的参考价值。程国淡等[8]的实验表明，低温热解的污泥生物炭pH值较低，而高温下pH值较高，这与徐亮等[9]对秸秆生物炭的研究结果相似，可见在不同原料条件下，制备温度对生物炭酸碱性的影响具有一定的一致性。制备时间对生物炭酸碱性的影响也表现出类似的一致性，即原料不同，但pH值随着热解时间的增加而上升，具有更强的碱性[10]。除此以外，生物粪便、污泥等原料制备的生物炭普遍比植物原料制备的生物炭碱性更低[11]，这些规律为不同生物炭的不同使用场景提供了一定的指向性，也为特定场景的特定生物炭制备提供了一定的参考方向。当然，生物炭的性质与制备条件的规律还需要大量的实验以及统计学的检验，才能有效说明其适用性。生物炭的制备原料来源广泛且大都是农林废弃物（秸秆、畜禽粪便、枯枝落叶等），因此这一方向的研究不仅是农业研究的关注点，同时也是许多环境科学研究的侧重方向之一，生物炭的应用领域也随着其研究的不断深入而逐渐扩展。

表1 原料、温度以及制备时间对生物炭部分基本性质的影响

2 生物炭对酸性土壤的影响

2.1 对酸性土壤水的影响

土壤水的含量影响着离子在土壤固液两相的分配情况，这也是测定土壤pH时应当注意水土比的原因。特别是在酸性土壤中，含水量的增加会使pH值有上升趋势。土壤物理结构对土壤的持水性有直接影响，生物炭比表面积很大，所以在土壤中施入生物炭后会使土壤比表面积增大，这在理论上有助于土壤持水力的提升。魏永霞等[12]发现生物炭对土壤持水率有明显且较持续的提升效果，且生物炭的添加显著提高了土壤的入渗能力。入渗能力主要取决于土壤的初始含水量和孔隙状况，而随着入渗的进行，入渗能力就主要受孔隙状况的影响，生物炭的多孔性正好为土壤的孔隙度状况提供了良好的改良条件，从而改善了土壤水的再分布状况。不过也有研究指出，生物炭对砂土的持水性有显著影响，但对壤土和黏土的影响却极为有限[13]。

2.2 对酸性土壤团聚体结构的影响

适当提高土壤团聚体数量可降低地表径流与风蚀造成的水土流失问题发生概率。团聚体结构也是调节土壤肥力最为理想的结构体。良好的土壤结构有利于提高土壤肥力，有机质含量较高，对酸缓冲效果明显，有利于改善土壤酸性。干湿交替、冷热更替等环境因素以及动物活动、植物根系作用、耕作等生物活动因素，均会促进土壤形成团聚体。生物炭施加后，土壤的容重降低，团聚体含量与稳定性显著增加[14]。虽然目前生物炭改良团聚体结构的机理研究较少，但生物炭对团聚体结构改善的效果得到了许多文献结果的支持[14-16]。

2.3 对酸性土壤pH值的影响

生物炭大多呈碱性，且碱性强度与制备原料、条件密切相关，其碱性特征在理论上具有缓解酸性的潜能。有大量的文献表明，施加生物炭后，土壤pH都得到了显著的改善，生物炭施加越多，pH提升效果越明显[17-20]。当然，生物炭对土壤酸性的改良效果除了和生物炭自身的pH存在关系外，还和生物炭生产过程中的碳酸盐与有机酸根形成的总量密切相关。虽然生物炭改良pH的微观机理比较复杂，但从宏观本质上讲，就是有效地降低了土壤中的活性酸，中和了潜性酸。相比石灰而言，生物炭作用更加温和[21]，这从一定角度上说明了生物炭替换石灰作为酸性土壤改良剂的优点。但实际上，生物炭受制备条件的影响，性质差异较大，施加用量就需要格外谨慎，一旦施用过量，改成过碱的环境，也会严重破坏土壤原有的结构，从而影响土壤质量。

2.4 对酸性土壤阳离子交换量的影响

与中和潜性酸思路不同，有研究发现，增加土壤的比表面积，提升阳离子交换量的方式对酸性土壤改良具有较好的效果，如有机肥的使用可以明显提高土壤的pH值和阳离子交换量[22-23]，而且同样具有比表面积大的特征。许多研究都报道了生物炭提升阳离子交换量的事实[17,24-26]。生物炭对土壤阳离子交换量的提升不仅体现在pH值变化的表观现象上，还有效地提升了土壤的酸缓冲能力，使土壤有了更大的缓冲容量，不仅解决了酸化问题，还有效缓解了外源酸性物质再次进入体系时的酸影响，这种缓冲能力可以有效提升土壤的抗酸害能力，维持土壤酸碱体系的稳定性[24-27]。

2.5 对酸性土壤交换性酸的影响

pH值反应的是土壤活性酸的强度，而土壤酸性改良的难易程度还要通过其储备的酸潜力来度量，交换性酸量是计算石灰对土壤酸度调解时的重要理论依据。不少研究也发现，生物炭的添加能够显著降低土壤交换性H+和Al3＋，有效减弱了活性酸的补充能力，对土壤的酸性改善明显[17,28-29]。此外，由于土壤酸化涉及H+的介入与阳离子交换作用，土壤表面的H+饱和度不断提高，当H+被土壤黏粒矿物吸附超过一定限度时，一些铝八面体晶体结构解体，使交换性Al3+大量出现[30]，由于酸性土壤中大部分都是交换性铝离子，而交换性氢离子占比较小，所以酸化土壤的铝毒害问题十分突出[31]。由此可见，生物炭对交换性酸的调节还有助于对酸化造成的铝毒害问题进行改善。

2.6 对酸性土壤养分的影响

有研究指出，施加生物炭有助于减少土壤内养分的淋失，也有助于养分及水利用率的提升[32]。我国化肥施用过度为土壤带来许多严重的后果，目前化肥的利用率不仅低下，盲目施肥和滥用化肥还造成了土壤的营养失衡，土壤结构的破坏使得土壤肥力反减不增，作物更无法保质保量，维持可持续发展[33]。就土壤酸化问题而言，氮肥的过度施加与盐基离子淋失密切相关，会造成土壤酸化加速[5]，为了改善这一现状，应当减少氮肥的施加，避免土壤酸化的继续恶化。氮肥减量后，提升氮肥的利用率就显得很重要。有研究表明，减少氮肥的施加，配施生物炭，可以有效提高氮素的利用率，减施氮肥并配施生物炭的植株的吸氮量显著高于常规配施氮肥和单纯减施氮肥植株的吸氮量[32]。从这个思路来看，生物炭在解决土壤酸化问题的同时，也为化肥问题提供了新的解决方向。

3 生物炭改良酸性土壤的机制研究

生物炭在宏观尺度上对酸性土壤的改良是多因素的，土壤-生物炭体系混合后，其比表面积的提升、碱性物质的增加、孔隙率的提升、容重的降低和土壤水的增加等均有一定的关系。从简单机理来看，生物炭内部的碱性物质含量较多，生物炭土壤混合体系在土壤水的作用下，会快速释放碱性物质将土壤中的酸性物质中和，从而提高土壤pH值，这种效果是最直观也是最容易被理解的。

但生物炭对酸性土壤改良的微观机制却不止于此，许多学者都认为生物炭对于酸性土壤的调节机理十分复杂，有些作用机制对酸性土壤改良的贡献并不大，因此找到生物炭对酸性土壤调节的主要机理是很有必要的。Shi等[34-35]认为生物炭中富含的碳酸盐、含氧官能团以及硅酸盐是改善土壤酸性的主要原因，而生物炭对土壤缓冲性能的提升，主要源于生物炭表面羧基质子化与碳酸盐溶解导致的阳离子释放。阳离子释放提升了土壤的阳离子交换量从而提升了缓冲性能。虽然微观机理方面的研究较少，且尚未完全理清，但这些微观层面机理的研究，有助于指导改善生物炭在土壤中酸性调控的表现，结合多学科的观点，对生物炭进行有目的的改性提升，可以达到最佳的应用效果。

4 结语与展望

一些喜酸植物也受到过度酸化带来的威胁，如茶树是一种典型的喜酸植物，但若茶树生长的土壤环境出现酸过度，也会对茶树的生长发育和农业生产带来严重影响，使其无法高质量的可持续发展[28-29]。茶树是一种嫌钙植物，不适合使用传统的石灰改良方法，Wang等[20]认为生物炭适合用于茶园酸化土壤的改良，其研究发现在生物炭用量增加时，土壤交换性酸显著下降从而使pH的上升率相对较小，生物炭对pH的提升相对温和，这说明生物炭对喜酸植物土壤改良有一定的优势，而生物炭在这方面的研究较少，因此未来的研究还可以侧重对此研究方向的关注。

生物炭体现出的优良性质是值得肯定的，但也有许多研究表明生物炭存在安全隐患，如李阳等[36-37]发现生物炭的施加对小麦幼苗造成了生理损伤，且在对生物炭的毒性研究中，培养方法不同，结果可能会恰恰相反。因此，生物炭施加进土壤后，生物炭对植株的毒性作用还需加强研究，并在实际运用中小心推广。

综上所述，生物炭出现的产品性质多样性使生物炭在具体改良问题上的推广还存在较大阻力，不同的生物炭性质差异较大，生物炭施加进土壤后的风险评估也就十分困难，其部分研究结果因原料不同出现的争议，还需要在进一步的研究中去统一解决。在研究过程中，广大学者应对生物炭的基本理化性质进行一个较为全面的测定，并明确选定生物炭对受试土壤引入的重金属等有害物质的累积数据，以期能在统计学的帮助下阐明生物炭的负面影响，这对生物炭的推广具有十分重要的意义。