生物炭对土壤肥力与环境质量的影响机制与风险解析

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摘要：生物炭作为土壤改良剂和促进作物生长的应用价值已经被很多研究证实。该文综述了生物炭在改善农业土壤质量和作物生长中的应用研究进展，系统阐述了生物炭在提高农业土壤有效水含量，增加土壤矿质元素利用效率，...

摘要：生物炭作为土壤改良剂和促进作物生长的应用价值已经被很多研究证实。该文综述了生物炭在改善农业土壤质量和作物生长中的应用研究进展，系统阐述了生物炭在提高农业土壤有效水含量，增加土壤矿质元素利用效率，缓解土壤酸化，降低土壤重金属生物有效性和提高农作物产量与质量方面的重要作用与微观机制。特别地，该文强调了生物炭应用于农业生态系统过程中可能引起的多环芳烃、重金属等污染物富集以及氮素根系吸收量下降等不可忽视的潜在问题，并对今后的重点研究方向进行了系统分析总结，以期为生物炭在提高土壤肥力质量与环境质量中的安全与高效利用提供科学参考。关键词：土壤；环境影响；作物；生物炭；农业安全引言生物炭在农业领域的应用源于19世纪南美洲亚马逊盆地黑土的发现，而对于生物炭的系统研究和大规模开发则是在全球环境危机、农业危机与能源危机日益凸显的背景下开始的，其中，农业是生物炭应用最广泛和较成熟的领域。由于中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，年排放量达到40多亿t，合理利用各类农业废弃物制备生物炭有利于控制农业环境污染，实现农业废弃物资源化利用，解决废弃生物质弃置、焚烧、随意排放的环境问题；不仅如此，以各类农业废弃物为前体制备的生物炭在修复农业土壤重金属和有机物污染方面表现出重要潜力。大量理论研究与实践应用表明，生物炭有利于提高土壤肥力，促进农作物生长，增加作物产量，此外，生物炭制备过程可产出焦油、裂解气、木醋液等副产品，有利于实现农用生物炭生产过程中能源的循环利用，提升生物炭的附加价值。因此，农用生物炭的开发利用对于提高农业土壤生产力、资源化利用农业废弃物以及提供可再生生物能源均具有重要意义。1生物炭的概念和性质生物炭是生物质在有限供氧的密闭环境中于相对较低的温度条件下(<700℃)热解生成的一类富含碳素(C%≥60%)、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态物质。与传统木炭不同，“生物炭”强调其在农业生产和生态环境领域的功能与应用。由于具有芳环化的大分子结构，生物炭在土壤中具有较高惰性和抗降解性。根据14C标记实验估算，生物炭在土壤中的平均存留时间可长达2000a，半衰期约为1400a。不仅如此，生物炭通常具有较为发达的孔隙结构和丰富的表面官能团（表1，图1），这使生物炭能够有效提高土壤阳离子交换量(CEC)和持水性，减少矿质元素流失，提高矿质元素利用效率，对农田氮(N)、磷(P)流失引起的水体富营养化具有重要控制作用。另外，由于含有大量矿质灰分（以K、Ca.Na.Mg为主）和丰富的离域7c电子，生物炭大多呈碱性(pH值>7)，并且随热解温度的升高碱性增强。一般地，与木基生物炭相比，动物粪肥基生物炭的无机灰分(N，P，K，S，Ca，Mg，Al，Na，Cu等)总量和水溶性含量较高（表1），叶类基生物炭居中。低的温度条件下(<700℃)热解生成的一类富含碳素(C%≥60%)、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态物质。与传统木炭不同，“生物炭”强调其在农业生产和生态环境领域的功能与应用。由于具有芳环化的大分子结构，生物炭在土壤中具有较高惰性和抗降解性。根据14C标记实验估算，生物炭在土壤中的平均存留时间可长达2000a，半衰期约为1400a。不仅如此，生物炭通常具有较为发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，这使生物炭能够有效提高土壤阳离子交换量(CEC)和持水性，减少矿质元素流失，提高矿质元素利用效率，对农田氮(N)、磷(P)流失引起的水体富营养化具有重要控制作用。另外，由于含有大量矿质灰分（以K、Ca.Na.Mg为主）和丰富的离域π电子，生物炭大多呈碱性(pH值>7)，并且随热解温度的升高碱性增强。一般地，与木基生物炭相比，动物粪肥基生物炭的无机灰分(N，P，K，S，Ca，Mg，Al，Na，Cu等)总量和水溶性含量较高，叶类基生物炭居中。