生物质炭对土壤环境质量的影响概述

AdvancesinEnvironmentalProtection环境保护前沿,2018,8(4),293-301PublishedOnlineAugust2018inHans.://doi.org/10.12677/aep.2018.84035文章引用:李明,安忠义,王浩,高卫民,吕小三.生物质炭对土壤环境质量的影响概述[J].环境保护前沿,2018,8(4):293-301.DOI:10.12677/aep.2018.84035ReviewofBiocharApplicationonSoilEnvironmentalQualityMingLi1,2*,ZhongyiAn1,2,HaoWang1,2,WeiminGao1,XiaosanLv31MCCHuatianNanjingEngineering&TechnologyCorporation,NanjingJiangsu2ZhongyeHuatian(Anhui)EnergySavingandEnvironmentalInstituteCo.,Ltd.,Ma’anshanAnhui3WuhuCountyEnvironmentalProtectionAgency,WuhuAnhuiReceived:Jun.19th,2018;accepted:Jul.4th,2018;published:Jul.11th,2018AbstractBiocharreferstothesolidcarbonmaterialsproducedfromslowpyrolysisofbiomassunderli-mitedoxygenconditionwhichishighlyaromatic,recalcitranttothephysical,chemicalandbio-logicaldecompositionprocesses.Alongwiththedevelopmentofcarbonizationtechnologyandthestablecarbonsequestrationofbiochar,itisrealizabletotransfertheagriculturalwasteintobio-charsforsoilameliorationandenvironmentprotection,whichhasattractedmoreandmorecon-cerns.Thispapersummarizedthepropertiesandstabilityofbiocharanditseffectsonsoilphysi-calandchemicalproperties,carbonandnitrogennutrientcyclingandmicrobialproperties,andanalyzedtheeffectsofbiocharonsoilenvironmentalqualityanditsapplicationpotentiality.KeywordsBiochar,SoilQuality,CarbonCycle,NitrogenCycle,SoilMicrobe生物质炭对土壤环境质量的影响概述李明1,2*，安忠义1,2，王浩1,2，高卫民1，吕小三31中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京2中冶华天(安徽)节能环保研究院有限公司，安徽马鞍山3芜湖县环境保护局，安徽芜湖收稿日期：2018年6月19日；录用日期：2018年7月4日；发布日期：2018年7月11日摘要生物质炭是各种生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化后的固态物质，具有高度的芳香性，物理、*通讯作者。李明等DOI:10.12677/aep.2018.84035294环境保护前沿化学和生物抗分解性。随着炭化工艺的日趋成熟和生物质炭稳定的碳封存效果，大规模转化农业废弃物为生物质炭以应用于土壤改良和生态环境保护成为现实可能，正受到越来越多的研究关注。本文概述了生物质炭的性质特点、稳定性，以及对土壤理化性质、碳氮养分循环和微生物学特性的影响，总结分析了生物质炭对土壤环境质量的影响及应用前景。关键词生物质炭，土壤质量，碳循环，氮循环，微生物Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言我国是农业大国，同时也是世界上农业废弃物产出量最大的国家之一；但目前我国农业废弃物的利用率仍然较低，不仅浪费资源而且严重污染环境。据统计，中国农业每年可产生各类作物秸秆生物量7亿多吨[1]；且随着作物单产的提高，秸秆总产量也将随之增加。因此，随着人们环境保护意识的增强和对再生资源利用的重视，尽快找到合理处置大规模农业废弃物的途径和技术显得十分重要。近年来，农业废弃物生物质热裂解炭化工艺技术日益成熟，产生的生物质炭具有比表面积大，孔隙结构发达，高度稳定性和较强吸附性能，以及富含多种有机官能团等特性。随着研究工作的深入，发现生物质炭对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化具有重要的影响[2]。潘根兴等[3]提出生物废弃物炭化还田的减废增汇方式应该列入优先发展的农业减排途径，其可能成为人类应对全球气候变化的一条重要途径。研究表明，这种转化技术获得的产物不仅可以保留多于50%能量的生物质碳，而且得到的生物质炭产品可以作为土壤改良剂施用到田间[4][5]。因此，全面了解生物质炭施用对土壤的环境效应，对农业废弃物的资源化利用、土壤有机碳库提升和肥力改良、以及作物生产力的提高，具有重要意义。2.生物质炭的元素组成及性质特点2.1.生物质炭的概念生物质炭(biochar)是植物生物质在完全或部分厌氧情况下，经热裂解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[6]，属于广义概念上黑碳的一种类型(blackcarbon)。常见的生物质炭包括木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭等，用于转化生物质炭的物料来源十分广泛，容易获取且价格低廉[7]，包括木屑、树皮、多种作物秸秆(作物茎叶、果壳、米糠)，能源作物柳枝稷，加工工业如制糖工业中甘蔗渣、制油工业中油菜饼和橄榄油的残渣等有机废弃物，造纸工业中的纸浆，畜禽养殖业废弃物以及城市污泥、生活垃圾等废弃物。生物质炭的生产工艺相对简单，可操作性强且易实现规模化，其一般生产过程如图1所示。2.2.生物质炭的元素组成生物质炭主要组成元素为碳、氢、氧、氮，并且碳的含量较为丰富，可以视为少量纤维素、羧酸及其衍生物、呋喃、脱水糖、苯酚、烷基烃及烯基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，其中芳香化结构和烷基是其最主要成分[4]。除C含量较高外，由于热解过程中养分的被浓缩和富集效应，生物质炭中的N、P、K、Ca和Mg等元素的含量也比来源物料要高。制备物料元素组成对生物OpenAccess李明等DOI:10.12677/aep.2018.84035295环境保护前沿Figure1.Flowchartandproductsofbiocharproductionthroughbiomasspyrolysis图1.生物质热裂解转化生物黑炭的基本流程与产物[3]质炭的元素组成和含量具有决定影响。研究也表明，生物质炭中营养元素的含量和制备前体物料中元素的含量呈直线相关关系[7]。如以畜禽粪便和堆肥为原料制备的生物质炭的营养元素含量一般都很高；而木质来源生物质炭组分中总C含量往往较高，但灰分、养分元素以及阳离子交换量都较低[7]。此外，热裂解温度很大程度决定炭化的产率和生物质炭的元素组成。以核桃壳为裂解原料，发现从200℃升至700℃过程中，生物质炭的C含量随裂解温度升高而富集增加，H和O的含量则逐渐降低。2.3.生物质炭的结构特性生物质炭具有丰富的孔隙结构，按照生物质炭孔径的大小可将其孔隙分为小孔隙(2nm)、微孔隙(2~50nm)和大孔隙(50nm)。随着裂解温度升高和保留时间延长，芒草生物质炭的表面变得更加扁平，孔隙结构变差，小孔隙增多，比孔容减小[5]。大孔隙可以增强土壤的透气性和保水能力，也为土壤中微生物提供生存和繁殖的空间[8]；小孔隙则可以影响生物质炭对土壤中养分的吸附和转移[9]。林晓芬等[10]在研究裂解温度对稻壳和树叶生物质炭影响时发现，提高裂解温度会导致生物质炭的塑性变形，抑制微孔的形成。生物质炭的孔隙结构能够减小水分的渗滤速度，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，如盐基阳离子和3NO−等[4]。生物质炭具有丰富的孔隙结构，因而具有较大的比表面积和表面能。物料类型和裂解方式对生物质炭的比表面积影响很大，有的只有0.7~15m2∙g−1，有的可高达几百个m2∙g−1。一般来说，随裂解温度升高，比表面积增加，如作物秸秆炭从300℃的116m2∙g−1增加到700℃的363m2∙g−1，北美黄松枝炭从200℃的2.3m2∙g−1增加到700℃的247m2∙g−1。罗煜等[5]对芒草生物质炭的研究也表明，高温生物质炭的颗粒更小一些，比表面积比低温生物质炭的显著高24%。但也有研究发现，有些材料如稻壳炭在裂解温度达到600℃~700℃时，其比表面积反而下降。生物质炭具有大量的表面负电荷以及较高的表面电荷密度，能够吸附固定土壤溶液中的无机离子和小分子有机化合物，从而影响土壤肥力状况。2.4.生物质炭的化学性质碱度(pH)和阳离子交换量(CEC)是生物质炭重要的化学性质。一般较高碱度的生物质炭均具有较高的CEC含量[4]。生物质炭的CEC含量很大程度上受前体物料组成的影响。生物质炭中的K、Na、Mg和P可以构成生物质炭表面的含氧基团，进而增加CEC含量；随着裂解温度的升高，往往CEC和pH值都会增高，但是合适的温度范围为450℃~550℃[2]。在裂解过程中，物料中绝大部分的矿质化合物会保留下来，而生物质炭的灰分含量取决于制备物料的类型。生物质炭较高的碱度特性主要是由于其灰分元素、碱性官能团、碳酸盐或者其表面负电荷的存在。生物质炭的碱度特性，使其可以被用作酸性土壤的改良剂来中和土壤酸度，提高土壤的pH值[11]。李明等DOI:10.12677/aep.2018.84035296环境保护前沿生物质裂解反应不仅形成多孔结构，而且由于化学键断裂，赋予生物质炭表面大量的官能团。傅里叶变换红外光声光谱(FTIR-PAS)分析显示这些官能团主要是羟基、羧基、内酯基、醌基和羰基等，这些官能团被认为是生物质炭具有良好吸附特性的化学基础[12]。生物质炭表面呈现出亲水、疏水和对酸碱的缓冲能力；既具有较高的阳离子吸附交换能力，也有阴离子吸附交换能力[9]。生物质炭结构上的这种双重吸附特性，使得其施入土壤后可以提高土壤的CEC能力[5]；其表面具有的疏水特性，使其对农药、多环芳烃等脂溶性物质也具有强烈吸附，可用于修复污染的土壤环境[5]。一般随着裂解温度的升高，生物质炭表面的-COOH和-OH等酸性基团含量减少，进而使得生物质炭表面所带的负电荷减少；而碱性基团数量往往会增加，官能团密度减少。3.生物质炭在土壤中的稳定性3.1.生物质炭的稳定性和短期降解过程由于生物质炭具有多环芳香结构，使其表现出高度的化学和微生物惰性，施入土壤后难以被土壤微生物利用，能在环境中存在千百年甚至上万年[13]。亚马逊TerraPreta土壤中含有大量的碳，通过14C测龄结果显示，其寿命甚至比该土壤中最老的有机质还长[14]。这主要取决于生物质炭复杂的多芳香环和非芳香环结构特性，其具有更高的化学和生物学惰性，从而某些条件下可以在土壤中稳定的存在上千年。利用红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)等手段发现500℃热解产生的水稻秸秆炭含有C=C、C=H等芳香化官能团，芳香化比例大于