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生物质炭对土壤物理性质影响的研究进展
 [打印]添加时间:2019-09-05   有效期:不限 至 不限   浏览次数:10
   生物质炭在农业与环境中的使用已成为近期国内外研讨热门,有关生物质炭特性以及生物质炭对土壤化学、生物学性质和作物产量的影响,已经有一些综述,可是生物质炭对土壤物理性质影响的相关综述很少。本文对近10年生物质炭对土壤物理性质影响相关的研讨成果进行了整理剖析。研讨成果发现生物质炭能够下降土壤容重,进步土壤聚会体安稳性,添加田间持水量和土壤有用水含量,下降饱满导水率等。生物质炭影响土壤物理性质的首要原因是生物质炭具有较大的比外表积和孔隙度。此外,生物质炭与土壤矿质颗粒结合,并经过对土壤微生物活性和植物成长的影响直接影响土壤物理性质。生物质炭对土壤物理性质的影响与多种要素有关,如生物质炭原料、裂解温度、施用量和颗粒巨细,土壤质地和处理时刻等。关于生物质炭对土壤物理性质影响的长时间研讨很少,且缺少田间实验。因而,将来的研讨应愈加倾向于长时间田间条件下生物质炭对土壤物理性质的影响,并逐步发现生物质炭的效果机理,为实践的农业生产和生态治理供给科学依据。
 
  生物质炭是由生物质在高温低氧或无氧条件下裂解而成的固体物质,具有兴旺的孔隙结构,外表积比较大,具有亲水和疏水两层特性;外表有多种官能团,带有很多的正负电荷,具有吸附极性和非极性分子及阴阳离子的能力;生物质炭富含芳香碳,化学性质非常安稳,在土壤及环境中分化非常缓慢,半衰期几百至千年以上。越来越多的研讨成果标明,生物质炭是杰出的土壤调度剂,不只能够进步土壤肥力和农作物产量,并且能够改善农产品品质;施用生物质炭还能够大幅度扩展土壤碳库,是一种可行的碳封存与削减温室气体排放的举措,也是未来可继续绿色农业的发展方向之一。生物质炭在农业与环境中的使用已经成为当前国内外研讨的热门,已有不少学者总结剖析了近10~20年来生物质炭特性、生物质炭对土壤化学性质、生物学性质、作物成长发育的影响及生物质炭的固碳减排效果等,但现在关于生物质炭对土壤物理性质影响的综述非常有限。
 
  土壤物理性状是土壤功能的基础,首要经过土壤容重、孔隙度、聚会体组成、水分特征和热特性等表现,不同土壤物理特征参数并不是互相独立的,互相存在杂乱的联系。如土壤容重的改动将影响土壤孔隙度,然后影响土壤持水能力和导水特征,而聚会体安稳性高的土壤一般具有较低的土壤容重,具有较高的孔隙度。生物质炭对土壤物理性质的影响包含直接影响和直接影响。直接影响是指生物质炭自身特性对土壤物理性质的影响,如生物质炭容重低,孔隙度高,具有较强的持水能力,因而影响土壤相应的物理性质。而直接影响是指生物质炭经过促进作物成长、进步土壤微生物活性等然后促进土壤聚会体构成等影响土壤物理结构。
 
  本文经过剖析生物质炭对土壤容重、土壤聚会体、土壤水分特征和土壤热性质的影响,讨论生物质炭对土壤物理性质影响及差异的原因,并提出亟待解决的问题与下一步应展开的研讨方向。
 
  1生物质炭对土壤容重的影响及其机理
 
  土壤物理性质恶化是导致土壤肥力下降的重要原因之一,其间土壤压实最为常见,最直接的成果就是土壤容重进步,孔隙度下降,土壤通透性下降。生物质炭是多孔资料,虽然其容重因原料和裂解条件而异,但一般较低,为0.09~0.74 g·cm-3。越来越多的研讨成果标明,施用生物质炭能够下降土壤容重,但其效果随生物质炭品种和用量而异,也与土壤类型有关,其效果机理也不彻底相同。
 
  生物质炭下降土壤容重的直接原因是稀释效应,即由于生物质炭容重远低于土壤容重,因而生物质炭容重越低、施用量越大,土壤容重越低。Githinji报导在500℃下裂解1 h制备的花生壳生物质炭施用量每添加1%(v/v),砂质壤土容重下降2.4×10-3 g·cm-3;Alburquerque等发现向壤质砂土中添加小麦秸秆和橄榄树枝条制备的生物质炭7.5%(w/w)(容重别离为0.19 g·cm-3和0.66 g·cm-3),培育2个月后,小麦秸秆和橄榄枝条生物质炭处理的土壤容重别离为1.25 g·cm-3和1.45 g·cm-3。
 
  然而,施用生物质炭下降土壤容重,并不能彻底归结于生物质炭的稀释效应。Laird等向粉壤土中添加5 g·kg-1、10 g·kg-1或20 g·kg-1木质植物生物质炭,培育500 d后,土壤容重明显下降,但不同用量之间没有明显性差异,且土壤容重下降的幅度均大于生物质炭稀释效应所能解说的程度。Hardie等也发现向白浆土(容重为1.27 g cm-3)中添加47 t·hm-2木质植物生物质炭(容重为0.51 g cm-3),6个月后土壤容重下降到1.13 g·cm-3,即便除掉土壤中的生物质炭颗粒,土壤容重仍为1.17 g·cm-3,比原始土壤低近8%。上述研讨成果阐明除了生物质炭自身对土壤容重的稀释效应外,生物质炭还发挥着土壤调理剂的效果,如生物质炭经过改善土壤通气情况,坚持营养和水分,然后进步土壤微生物的数量与活性,增强菌体与矿藏质颗粒之间的互相效果,也增强微生物代谢产品聚会土壤矿藏质颗粒的效果,然后下降土壤容重。
 
  此外,生物质炭对土壤容重的影响与土壤质地、生物质炭颗粒巨细、时刻效应以及人为要素等有关。一般说来,土壤砂粒含量越高,容重越大,生物质炭对其影响也越大,这首要取决于生物质炭和土壤容重之差。如Herath等向两种容重不同的土壤(1.13 g·cm-3和0.75 g·cm-3)施入17.3 t·hm-2生物质炭,发现前者容重明显下降,而后者容重下降量很小。生物质炭颗粒越大,越简单下降土壤容重,由于小于0.5μm的生物质炭颗粒能够填充到土壤孔隙内,然后进步土壤容重;而0.5~500μm的生物质炭则能够添加土壤孔隙,然后下降土壤容重。生物质炭施用时刻越长,下降土壤容重的效果越弱,乃至添加土壤容重。Madari等发现施用木质生物质炭16 t·hm-2后立即测定土壤容重,其下降了0.1 g·cm-3,2年后生物质炭对土壤容重没有影响,而5年后生物质炭添加了土壤容重,作者认为是由于土壤黏粒(<2μm)也能够进入生物质炭的大孔隙中。此外,耕作会破碎生物质炭,减小生物质炭颗粒;还促进生物质炭及有机胶结物矿化,破坏聚会体,尤其是大聚会体,然后削弱了生物质炭对土壤容重的下降效果。因而,生物质炭能够经过直接效果或直接效果下降土壤容重,可是对土壤容重影响的效果与生物质炭的裂解原料、温度和施用量有关,也与土壤类型和施用时刻有关。
 
  2生物质炭对土壤矿藏质颗粒聚会效果及聚会体安稳性的影响与机理
 
  安稳的聚会体是土壤这个“拟生命体”的细胞,生物质炭对土壤聚会体的影响也是近期的研讨要点之一。不少研讨成果标明,生物质炭可促进土壤矿藏质颗粒聚会效果,尤其是促进大聚会体的构成,并且增强聚会体的安稳性。如Liu等向红壤中施用小麦秸秆在350~550℃下裂解而成的生物质炭40 t·hm-2 7个月后,土壤聚会体的均匀分量直径(MWD)添加了28%,可是施用20 t·hm-2则没有用果。Sun等发现施用6%草本植物生物质炭180 d后,黏土的聚会体均匀分量直径进步了21%,然而施用木本植物生物质炭则没有用果。Herath等比较了550℃和350℃下用玉米芯制备的生物质炭对粉壤土聚会体构成的影响,发现在有机质含量低的土壤上,前者的效果大于后者,但在有机质含量高的土壤上则相反。也有相反的报导,生物质炭对土壤聚会效果没有明显影响。Peng等在红壤中施用2 t·hm-2·a-1稻草生物质炭,没有检测到土壤聚会体安稳性发作改变。可见,生物质炭对土壤矿藏质颗粒聚会效果的影响,或许与生物质炭品种、施用量及土壤性质有关,现在尚没有构成一致的理论,还需求广泛的研讨。
 
  生物质炭促进土壤矿藏质颗粒聚会效果机理或许包含直接效果和直接效果两个方面。直接效果包含:1)土壤有机质在土壤聚会体构成进程发挥着重要效果,Zornoza等发现土壤聚会体安稳性与土壤慵懒有机碳含量呈正相关,在施用生物质炭的土壤中也是如此。2)由于生物质炭具有巨大的比外表积和很多负电荷,生物质炭能够进步土壤阳离子交换量,然后促进土壤聚会体的构成。3)生物质炭外表有羟基和羧基等多种官能团,带有很多的负电荷,也带有一定量的正电荷,能够经过静电引力直接与矿藏质颗粒外表的金属离子结合,亦或经过多价离子的键桥效果,将矿藏质土粒聚会在一起,构成具有水安稳性的聚会体。4)生物质炭外表阳离子(如Ca2+)还能够经过置换土壤黏粒外表的Na+等阳离子,然后阻止胶体分散,促使矿藏质胶体絮凝,构成胶团。
 
  生物质炭促进土壤矿藏质颗粒聚会的直接效果与土壤微生物和植物有关。虽然生物质炭富含慵懒芳香碳,但仍然含有一定量的易分化的有机物质,可作为微生物基质,施入土壤后可进步土壤微生物量,微生物细胞自身可作为胶结剂,将矿藏质土粒聚会在一起。Luo等报导生物质炭对土壤微生物群落结构也有明显的影响,不同微生物与矿藏质颗粒互相效果差异很大,对土壤聚会体构成的促进效果应也有区别。生物质炭由于C/N比较高,或许有利于真菌成长,然后促进聚会体构成。此外,生物质炭经过影响微生物的代谢产品,以及对植物根系成长与发育的影响,然后直接地影响土壤聚会体的构成。生物质炭能够促进作物成长,直接地进步土壤有机物质的投入,如根系及其分泌物,然后直接地进步土壤聚会体安稳性。
 
  3生物质炭对土壤水分的影响及其机理
 
  土壤水分运移和贮存在营养运送和植物成长进程中发挥着重要效果,土壤水分特征首要包含土壤持水能力(饱满含水量、田间持水量、萎蔫点持水量等)、饱满导水率、非饱满导水率和土壤水势等等。生物质炭对土壤水分特征的影响已经成为近期研讨的热门之一。现在已有关于生物质炭影响土壤水分特征的研讨多会集在生物质炭对土壤田间持水量、有用水含量和饱满导水率方面,而生物质炭对非饱满导水率和入渗率影响的研讨较少。生物质炭对土壤水分特征的影响包含直接影响和直接影响,直接影响首要是生物质炭自身的多孔性对田间持水量、有用水含量及饱满导水率影响等方面,而直接影响表现在生物质炭经过改善土壤团粒结构,进步土壤有机碳含量,促进作物根系成长等然后直接地影响土壤水分特征。
 
  3.1生物质炭对田间持水量和有用水含量的影响
 
  生物质炭具有多孔性并有较大的比外表积,因而能够经过添加生物质炭颗粒和水分之间的吸附力进步田间持水量。Laghari等发现向两种砂土中添加0 t·hm-2、15 t·hm-2、22 t·hm-2和45 t·hm-2生物质炭,培育8周后发现施用45 t·hm-2生物质炭别离明显进步了两种砂土田间持水量的33%和26%,而施用22 t·hm-2及以下的生物质炭处理并没有明显影响田间持水量。Karhu等报导添加9 t·hm-2生物质炭,壤土的田间持水量进步了11%。Lu等向黏土中添加2%、4%和6%生物质炭,培育180 d后,土壤田间持水量别离进步了12%、20%和31%,阐明生物质炭施用量与田间持水量呈正相关。可是也有个别相反的报导,如Major等发现施用20 t·hm-2生物质炭对黏土田间持水量没有明显的影响。可见生物质炭对田间持水量的影响与土壤质地、施用量有关。生物质炭进步砂土田间持水量的原因一方面是生物质炭自身持水能力强;另一方面是较小的生物质炭颗粒能够填充砂质土壤的大孔隙,添加毛细孔,然后添加田间持水量。生物质炭对黏质土壤田间持水量的影响相对杂乱。Lu等研讨标明生物质炭(施用量为2%、4%和6%)进步黏土田间持水量的原因或许与生物质炭添加了黏土孔隙度有关。可是向黏质土壤中添加少数(<1%)生物质炭也或许使生物质炭的孔隙被黏粒阻塞,然后导致生物质炭进步土壤田间持水量的能力下降或坚持不变。因而Blanco-Canqui主张应向黏土中施用很多生物质炭以进步田间持水量。
 
  土壤有用水含量一般指基质势为-33~-1 500 kPa土壤含水量之差,一般说来,土壤萎蔫点下降,或土壤持水量进步,土壤有用水含量也添加。生物质炭对土壤有用水含量的影响,不只与生物质炭品种及用量有关,并且还或许与土壤条件和实验时刻有关。如Peake等向8种不同土壤添加0.1%、0.5%和2.5%(w/w)的生物质炭,培育48 h后发现,生物质炭对土壤有用水含量的影响别离为-4.0%~13.4%、-9.8%~33.7%和0.3%~48.4%。Głąb等发现施用10 t·hm-2生物质炭不会明显影响土壤水分有用性,但施用高量生物质炭可进步土壤水分有用性。Burrell等报导秸秆生物质炭添加了土壤水分有用性,然而木条生物质炭则没有影响土壤水分有用性。Herath等报导添加11.3 t·hm-2和10.0 t·hm-2的350℃和550℃下制备的生物质炭,土壤有用水含量敏捷添加13%和10%,但培育295 d后,土壤有用水含量与对照没有差异。生物质炭能够添加土壤有用水含量的原因与生物质炭进步土壤田间持水量的原因相似,即生物质炭具有较大的亲水外表积和孔隙度,水分吸附在生物质炭外表,贮存在生物质炭孔隙内。
 
  3.2生物质炭对土壤饱满导水率的影响
 
  水分入渗首要取决于土壤水势和饱满导水率,而非饱满导水率是土壤水分再分布的重要参数。施用生物质炭能够下降土壤容重,明显也能够改动土壤孔隙情况,无论是对土壤水分入渗,还是水分再分布,理论上应有明显的影响,可是现在关于生物质炭对土壤水分入渗和非饱满导水率影响的研讨很少,而关于生物质炭对土壤饱满导水率的影响研讨较多,由于现有生物质炭实验多在室内培育条件下进行,饱满导水率比非饱满导水率简单测定。生物质炭对不同质地土壤的饱满导水率影响不一致,一般生物质炭能够下降砂质土壤的饱满导水率,而添加黏质土壤的饱满导水率。生物质炭下降砂质土壤饱满导水率的原因是生物质炭较小的颗粒能够阻塞土壤孔隙或与土壤无机矿藏结合削减土壤孔隙。Zhang等发现施用粉末生物质炭比颗粒生物质炭更能下降土壤的饱满导水率。而与砂质土壤不同,黏质土壤孔隙度低,施用生物质炭一般能够添加黏土孔隙度和饱满导水率。生物质炭的施用量和原料与土壤导水率也有关。Omondi等对76组数据进行了大数据剖析,发现施用高量生物质炭(80 t·hm-2)能够明显进步土壤导水率,但低量生物质炭对土壤导水率没有明显的影响。施用木质和动物粪便制备的生物质炭,土壤导水率别离明显进步了35.7%和6.6%,而草本植物生物质炭则对土壤导水率没有明显影响。
 
  总而言之,生物质炭对土壤水分特征的影响与生物质炭特性及土壤性质有关,可是现在对其机理还没有完好的知道,或许包含以下几个方面:
 
  1)生物质炭外表吸持水分:生物质炭外表具有亲水和疏水两层特性,二者的份额及亲水外表特性,在很大程度上决议了生物质炭施入土壤后,土壤水分特性的改变。大多数生物质炭外表有很多的亲水性官能团,具有比较强的持水能力,持水量是自身分量的10倍之多。明显,添加此类生物质炭,能够明显进步土壤持水性。可是如果生物质炭疏水外表比较大,则会增强土壤的斥水性,下降土壤持水性,简单发作径流,加剧土壤侵蚀。
 
  2)生物质炭孔隙吸持水分效果:生物质炭为多孔资料,含有很多的微孔(<2 nm)、中孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm),依据拉普拉斯规律公式:
 
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  式中:r为孔隙半径,P为不同孔径下的毛管力,γ为外表张力(0.073 N·m-1),θ为接触角度(<90°)。半径<10 nm孔隙所吸持的水分植物很难使用。不同生物质炭的孔性差异很大,吸持水分量及所吸持水分的有用性也不同,施入土壤后,对土壤吸持水分功能的影响也应不同。
 
  3)生物质炭颗粒阻塞效应:生物质炭是刚性颗粒状资料,大颗粒生物质炭能够添加土壤孔隙度,但小颗粒生物质炭或许会阻塞土壤孔隙,然后削减土壤孔隙。虽然其填充阻塞土壤的进程尚不清楚,可是阻塞效应仍被认为是生物质炭下降土壤导水率的首要原因。
 
  4生物质炭对土壤热性质的影响与机理
 
  土壤热性质在能量平衡方面扮演着重要的角色,是土壤温度的基础,首要受土壤容重、孔隙、含水量和有机质等要素影响。生物质炭直接或直接地影响到土壤这些性质,因而施用生物质炭的土壤,其热性质也发作改变。Zhang等报导施用4.5 t·hm-2和9 t·hm-2玉米秸秆生物质炭5年后,潮土热导率明显下降3.48%和7.49%,或许是生物质炭下降土壤容重所造成的。此外,生物质炭添加了近紫外光和蓝光(350~513 nm)的反射率,可是下降了近红外光(520~2 350 nm)的反射率,然后下降了土壤温度。刘志鹏等也发现生物质炭下降了土壤导热率、热容量和热扩散系数,由于生物质炭下降了土壤容重,添加了土壤孔隙度。可是,Usowicz等发现木屑生物质炭对草地和荒地土壤的热性质影响不一致,生物质炭明显下降了荒地土壤容重,添加土壤孔隙度,然后下降了土壤热导率,而对草地土壤并无明显影响。这阐明生物质炭对土壤热性质的影响,不只与生物质炭自身的特性有关,并且还与土壤质地有关,现在相关研讨非常欠缺,对不同生物质炭及不同施用量对不同土壤热性质的影响及其机理的了解很少。
 
  5研讨缺少与亟待解决的问题
 
  5.1研讨缺少
 
  生物质炭作为土壤调度剂的研讨方兴未已,也已取得明显的发展,但有关生物质炭对土壤物理性质的影响及其机理的研讨尚不充沛,并且在研讨内容和研讨办法上存在严峻缺陷,首要表现在4个方面:
 
  1)定性描述性的研讨为主,而定量研讨很少。现有的研讨大多是挑选一种或几种生物质炭,一个或几个用量,施用到某一个或几个不同类型的土壤,再定时检测土壤相关性质的改变,然后阐明生物质炭对土壤某些物理性质的影响,几乎没有关注生物质炭特性及其改变与土壤相关物理参数之间的定量联系,致使重复性研讨比较多,也就无法从个案研讨总结出遍及的规律性。
 
  2)单一学科、单一因子研讨较多,而交叉学科的综合研讨没有。现有的研讨首要涉及到土壤物理学某些参数,很少将土壤物理参数与化学及生物目标结合在一起,所用的研讨办法大多是传统的土壤物理研讨办法,研讨的深度和广度非常有限,解决的问题大多也比较浅薄。
 
  3)短期研讨为主,缺少长时间定位实验研讨。生物质炭非常安稳,在土壤可保存数百乃至上千年,在此期间,生物质炭必然发作很多改变,与土壤矿藏质、有机质的互相效果也或许改动;况且,与土壤化学安稳性不同,土壤物理性质一般改变比较缓慢。明显短期实验很难研讨生物质炭对土壤物理性质的影响,也很难了解其真实的进程与机理。
 
  4)以室内培育实验为主,田间实验成果缺少。现有的研讨大多为室内模拟实验,与田间实践情况差异非常大,底子无法与农业生产活动联络在一起,所取得的成果不或许解说真实田间条件下生物质炭对土壤物理性质影响的原因。
 
  5.2亟待解决的问题
 
  1)明确生物质炭特性与土壤物理参数的定量联系。生物质炭对土壤物理性质的影响在很大程度上首要取决于生物质炭自身的特性,其次与施用量及土壤某些性质有关。应在现有定性研讨的基础上,使用现代仪器剖析手段,结合计算机及信息技术,定量研讨生物质炭特性与土壤孔性、土壤水分及热性质之间的定量联系,要点研讨生物质炭与土壤水分及其运动之间的定量联系,建立数学模拟模型,然后为设计制造个性化的生物质炭供给参阅,以满足不同土壤及不同作物的需求。
 
  2)揭示生物质炭对土壤首要物理进程影响的机理。依据农业生产、生态环境建设与维护的需求,要点研讨生物质炭促进土壤矿藏质颗粒直接及直接效果的进程与机理;在土壤侵蚀严峻的区域,应大力展开生物质炭对土壤水分入渗进程影响的研讨,为削减地表径流供给科学依据;在干旱区域应着力展开生物质炭对土壤水分坚持及水分再分布进程影响的研讨,进步土壤水分使用功率;而在低温区域应展开生物质炭调理操控土壤热性质进程与机理研讨。
 
  3)探究生物质炭对土壤物理进程与土壤化学及生物进程互相效果的机理。土壤物理性质是土壤肥力的基础,土壤物理进程在很大程度上决议土壤化学及生物进程,应大力展开研讨,了解生物质炭是否能够“干涉”乃至调理操控首要土壤物理进程与首要土壤化学及生物进程的交互效果,以期定向地扩大或削弱这些互相效果,然后发挥生物质炭作为土壤调度剂的效能。