生物炭对土壤性质的影响进展,本文是研究进展方面有关论文范文素材跟土壤性质和研究进展和影响研究进展类论文范文素材.
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摘 要：生物炭是生物质在缺氧的情况下,通过高温热解炭化,有机生物质内的油和气蒸发,产生的一类极度富碳产物.近年来,生物炭受到工业、农业、环境、能源等很多领域专家们的关注,是一种十分有价值的可再生资源.简述了生物炭的一些特性,总结了施用生物炭后对土壤环境及理化性质的影响,探讨了添加生物炭后土壤理化性质与土壤微生物群落变化之间的互相关系.从酶活性、微生物的群落结构、微生物丰度的角度分析了生物炭对微生物生态的影响.旨在更深入地了解生物炭,为生物炭的应用扎实基础,使其更具有多效性,价值性和科学性,并对生物炭在微生物及其他方面的研究进行了整理总结和展望.
关键词：生物炭；土壤理化性质；微生物
1 生物炭
1.1 生物质炭的定义
植物残体、动物粪便、有机废弃物等有机材料在热裂解装置中经过无氧或低氧热裂解,生物质内的油和气蒸发,得到生物炭.在制备生物炭的过程中,不同的原料、温度、热解速度等条件,对生物炭的固有性质有很大影响[1].在生物炭的生产过程中,除生成生物炭外,还会产生其他化合物,包括合成气和液态焦油.不同原料影响产出结果中各成分的含量,热解速度影响生物炭的产量,热解温度影响生物炭的产出效率[2].生物炭是极度富碳的物质,高度羧酸酯化,表面具有芳香化结构[3],具有较大的孔隙度和比表面积[4],其容重小,可溶性低,吸附能力强,通常认为,生物炭在自然条件下呈碱性,pH值一般为5～12,且相同原料所生产的生物炭的pH值会随着热解温度的增高而变大[5].生物炭具有原材料来源广泛、生产成本低、生态安全、无污染、可大面积推广等特点,具有很大的潜在价值,在很多领域上都被加以应用.在工业上,生物炭的应用减少了工业生产中的能源消耗和环境污染问题[6]；在农业上,生物炭的添加改变了土壤的物理结构和化学组成,对农作物的生长发育产生影响,这种影响不一定是正面的.在前人研究中,发现在土壤中添加生物炭后,番茄、菜豆等农作物产量增加[7].也有研究表明,施用生物炭对玉米等作物的生长有负面影响[8].
1.2 生物质炭的作用
土壤中添加生物炭,可以改善土壤理化性质,可以防治土壤中的重金属[9]和一些污染物质沉积,有利于土壤改良与修复.在土壤中添加生物炭,由于生物炭富含微孔,不但可以补充土壤的有机物含量,还可以有效地截留住水分和养分,提高土壤肥力[5].相关研究发现,不同原料和裂解温度所生产的生物炭不同,故对土壤重金属修复的效果不同,不同类型的土壤重金属对于生物炭的响应也是十分复杂的,从而呈现出互不相同的土壤重金属修复效果[9].生物炭还田,由于生物炭的几乎为纯碳,等于把碳封存进了土壤中,减少了二氧化氮和甲烷等温室气体的排放,这有利于减轻现今地球的温室效应[10.11].因此,生物炭具有很大的开发潜力.
生物质炭的作用已经得到普遍肯定.尤其在解决可持续发展和全球生态环境问题中.目前,很多国家已经开展了生物炭更广泛作用有关的系统深入的研究,在美国和英国有专门的“生物炭研究中心”,这些研究中心在关于生物炭方面的理论知识与操作技术研究方面都取得了一定进展[12].生物炭的综合利用有助于构建新型发展模式,追求低碳高效经济发展,对保障国家环境、能源、粮食安全等有是十分重大的意义.
2 生物炭对土壤理化性质的影响
生物炭对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用[13].土壤本身就是一个复杂多变,组成结构和功能相互关联的系统.同时,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,土壤既是微生物的天然培养基,其理化性质、内部环境又无时无刻不受着微生物的影响[14].
2.1 土壤孔隙度
土壤孔隙是土壤结构性的反映.是由固相土粒以不同方式排列和团聚后所产生的,这些固相土粒大小形状都各不相同.土壤的质地、排列方式、结构、有机质含量以及人为耕作管理措施都会影响土壤空隙本质[15].生物炭的密度较低,结构呈疏松多孔状态.据分析,大多生产的生物炭的密度范围为1.5～2.1 g/cm3,容重在0.05～0.5 g/cm3,这一数值是小于一般土壤的容重的[5].大量研究表明,加入生物炭后增加土壤孔隙度,降低土壤容重[16],又由于土壤孔隙度增加,土壤中的水分和空气条件变化[17],进而影响了土壤中的微生物的生长情况.
2.2 土壤酸碱性
土壤中加入不同种类与含量生物炭,土壤pH值都会出现不同幅度的变化.不同的pH值会影响土壤的阳离子交换量,从而会影响土壤的缓冲能力.生物炭被认为是一种酸性土壤很好的改良剂[18].生物炭改善酸性土壤,一个原因是其自身的碱度,其次是生物炭形成过程中产生的碳酸盐和有机酸根的作用,同时分析生物炭的灰分,发现其中含有很多的盐基离子,如钙、镁、钾、钠等,这些盐基离子可以降低土壤氢离子及交换性铝离子水平[19].添加少量的生物炭会显著提高土壤中碱性阳离子的含量,这将会增加土壤保肥能力,提高土壤养分[20].
2.3 土壤养分
生物炭含有一定量的矿质养分,土壤中添加生物炭可增加土壤中矿质养分含量[21].在高温高湿环境下,生物炭难以被分解,这能够提高土壤有机质含量,同时能够改变土壤中养分的生物可利用性[22],会导致生物群落结构发生相应的变化[23].生物炭加入土壤后,对土壤各种生物生存所需元素在土壤中的来源、含量、存在形态、转化过程和有效性都会产生一定程度的影响[22-24].
研究表明：生物炭可以减少养分的淋失和污染物在根际区的运移,使得水分和养分保留在根际,以此提高了养分的利用效率[20].土壤内部环境的活性及孔隙度影响了土壤中水分的运输,生物炭能够增加土壤内部的表面活性区域,增加了土壤孔隙度.对土壤中水分有截留作用[25],使水分不易向根际下方流失,增加了植物对水分的利用,又因为水分中含有大量矿质元素及其他养分,生物炭的添加也增加植物对养分的利用率.
3 生物炭与微生物
目前生物炭的研究已深入到土壤微生物生态的领域,关于生物炭对土壤理化性质的改良研究比较早[5].由于生物炭含碳量高,施入土壤会引起微生物的大量繁殖,因此生物炭可能会对土壤微生物群落结构和功能产生影响,由此而导致土壤结构和功能发生相应的变化,因此需要开展关于生物炭—土壤—微生物这样的一个统一连续体的研究[26].
生物炭的施用,将对土壤中的微生物群落结构组成产生影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程.生物炭对土壤微生物生长代谢过程有着十分复杂多变的作用机制,生物炭会影响土壤微生物的群落结构,同时也会改变细菌和真菌的丰度[21].生物炭改良土壤,真菌、细菌和古细菌种群在群落组成上有十分明显的变化,在多样性上也有变化.例如在顾美英等人的研究中提出,施用生物炭使新疆连作棉田根际土壤细菌和真菌数量都有所提升,提升幅度与根际土壤种类和施用生物炭量相关[24].阎海涛等人研究发现,生物炭在施用3日后对土壤DOC、pH和含水率这些主要环境因子都有显著的影响,这些因子的改变影响了土壤真菌群落的生态演替[27].和未添加生物炭的土壤相比,施加生物炭改良后的土壤细菌多样性增加,细菌多样性增加在属和种以及科等不同水平上都有所体现[28],但在乌英嘎等人的研究中表明,生物炭施用也可能导致土壤细菌多样性和均匀度下降.因为生物炭在促进新的细菌生长的同时,也抑制了原有某些细菌的生长[29].
3.1 酶活性
土壤酶主要来源于土壤中的微生物,酶活性与土壤微生物的数量和群落结构有关[30]；其活性引起的土壤代谢性能变化的研究,可以更好地揭示生物炭添加后对农业土壤中的微生态的影响[31].研究发现,在土壤中,生物炭可以吸附的某些酶基质,从而抑制了酶反应的进行[32].同时,不同的微生物群对不同的酶的影响互不相同,对不同酶的活性也有着不同影响[33],故导致施用生物炭后,在不同土壤中葡萄糖苷酶、脂肪酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰葡糖胺糖甘酶活性变化不一致[19].
3.2 微生物丰度
不同种类的微生物数量变化对生物炭的响应都有所不同,通过比较土壤不同种类微生物数量比值,反映了添加生物炭处理对农田土壤微生物群落组成结构的影响[30].
根据王晓辉等研究发现,生物炭之所以成为土壤微生物的良好生活环境,为土壤有益微生物提供保护,是由于生物炭的疏松多孔的特征和对土壤水分和养分的吸附作用.细菌能够吸附到生物炭的表面,使生物炭不易受土壤淋洗的影响.
生物炭的添加还能够促进土壤中的氮循环相关功能,对微生物的繁殖产生影响[34.35].生物炭显著提高了氨氧化古菌和氨氧化细菌群落的丰度[36].除了上述理由,还可能因为添加生物炭提高了土壤pH值,进而引起土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的丰度变化.
生物炭对细菌的保留能力,大多数是取决于其灰分、孔径和挥发物含量[37],生物炭的吸附作用的大小基本取决于孔隙度,一般微生物最佳附着的孔径大概是其大小的2～5倍,对于较大或较小的孔径,微生物的附着力都可能减小.
3.3 微生物群落结构联系
生物炭的添加能够改变土壤中养分,改变生物对养分的利用率,同时会导致生物群落结构发生相应的变化[29].土壤环境的改变例如营养物质、水分、pH值以及栖息环境等,都可能导致一些微生物群体迅速增殖成为竞争优势群落,也可能造成原优势群落衰退,从而引起群落组成变化,使微生物群落结构改变.例如生物炭无机氮含量低,可以为固氮菌在生物炭表面的植入提供有利条件,使其成为优势种群[38].在雷海迪的研究中,在杉木人工林土壤中单独添加生物炭或添加杉木凋落物和生物炭的混合物均可以使革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌比值显著增加[39].但在盖霞普的研究中,生物炭的施加对中性水稻土壤的对土壤微生物群落结构影响不显著,在一定程度上改善了中性水稻土养分状况,提高了土壤肥力水平[40].
4 总结展望
生物炭是一种新型可再生能源,也是唯一的可再生碳源.在农业、工业等方面都有很大的利用价值.生物炭影响土壤中微生物分布的改变,又因为微生物的生物地球化学功能,所以生物炭的影响范围进一步扩大,影响较小的有添加生物炭区域土壤有机污染物降解、生物生长发育,更多包括温室效应、岩石圈和大气圈碳氮循环等对生物地球化学过程产生重要影响.
虽然现今关于生物炭的研究已经到了微生物领域,但是还不够深入,还有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的研究,土壤微生物是十分复杂的整体,这个整体脆弱又顽强,它无时无刻不受着周边的环境影响,众多的生存条件,其中之一的任何一个条件不符合即可能带来死亡,同时,又可能带来新生.生物炭对微生物的影响是值得更加深入的研究的,生物炭对微生物直接作用,通过影响土壤理化性质对微生物间接作用,再考虑微生物之间的互相作用及其对土壤理化性质的反作用.因此,关于生物炭和微生物之间影响的研究注定是复杂又漫长的.也正因如此,这个问题才更值得去探讨解决.只有不断地去探索发现,才能了解生物炭的更多作用,开发出生物炭的潜力,使生物炭的应用前景更加广阔,同时也为整个人类带来更好的生活.
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