生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在限氧環(huán)境中經(jīng)過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的固體物質(zhì)，它在土壤改良、污染土壤修復(fù)和碳封存等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。文章針對(duì)我國(guó)蔬菜地面臨土壤酸化、土壤次生鹽漬化、面源污染和土壤重金屬污染等問(wèn)題，通過(guò)查閱和匯總生物質(zhì)炭在我國(guó)蔬菜地的應(yīng)用文獻(xiàn)，總結(jié)和分析了生物質(zhì)炭在我國(guó)蔬菜地的應(yīng)用現(xiàn)狀，深入挖掘其在影響蔬菜地土壤理化性質(zhì)、溫室氣體排放、面源污染和重金屬遷移等方面的效應(yīng)及其影響機(jī)制。
研究表明，生物質(zhì)炭可提高土壤陽(yáng)離子交換量、增加土壤中含氧官能團(tuán)的數(shù)量、減小土壤容重等、從而減緩養(yǎng)分的流失，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)蔬菜增產(chǎn);生物質(zhì)炭可減弱重金屬在土壤中的生物有效性和可遷移性，鈍化其在土壤中的遷移。然而，不同制備工藝的生物質(zhì)炭性質(zhì)差異較大;生物質(zhì)炭在不同區(qū)域不同蔬菜地土壤應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)結(jié)果不一致;缺乏生物質(zhì)炭的負(fù)面效應(yīng)報(bào)道等問(wèn)題。
因此，今后的研究方向應(yīng)在蔬菜地進(jìn)行區(qū)域間生物質(zhì)炭的橫向?qū)Ρ妊芯?將短期與長(zhǎng)期蔬菜地定位試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行縱向比較研究;降低生物質(zhì)炭的成本、識(shí)別其潛在風(fēng)險(xiǎn)，為推廣生物質(zhì)炭在我國(guó)蔬菜生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用、建立可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式具有重要意義。
前 言
生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在限氧或無(wú)氧條件加熱分解而獲得的含碳量豐富的固態(tài)物質(zhì)。眾多的研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外的研究涵蓋了生物質(zhì)炭提高作物產(chǎn)量、改良土壤性質(zhì)、提高發(fā)酵產(chǎn)物肥效、固定重金屬在土壤中遷移和減少溫室氣體減排等方面的研究。
蔬菜地是特殊的旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其具有高施肥量、高復(fù)種指數(shù)、高經(jīng)濟(jì)效益、高頻度農(nóng)事操作等特點(diǎn)。針對(duì)我國(guó)蔬菜地土壤出現(xiàn)的退化現(xiàn)象，研究表明生物質(zhì)炭能夠增加蔬菜地土壤有機(jī)碳含量，有效減少N2O 排放;也可作為改良劑對(duì)酸化土壤、黏重土壤以及鹽漬化土壤進(jìn)行改良。生物質(zhì)炭在蔬菜地生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究日益受到關(guān)注，有必要成為改良蔬菜地土壤的措施之一。
本文從生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜地土壤環(huán)境的影響及其作用機(jī)制兩個(gè)方面出發(fā)，重點(diǎn)闡述了近年來(lái)我國(guó)蔬菜地應(yīng)用生物質(zhì)炭的研究進(jìn)展，總結(jié)和分析了生物質(zhì)炭在提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)、減緩溫室氣體排放、削減面源污染和鈍化重金屬遷移等方面的機(jī)理機(jī)制，以期為改良蔬菜地土壤性質(zhì)、提高氮肥利用率、削減菜園面源污染和減緩溫室氣體提供理論基礎(chǔ)。
1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其影響因素
生物質(zhì)炭含有穩(wěn)定的碳元素，其中碳主要由芳香烴、單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)成。這樣的表面結(jié)構(gòu)特性決定了它具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性。生物質(zhì)炭具有豐富的表面微孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，吸附能力較強(qiáng)，對(duì)重金屬、無(wú)機(jī)物、有機(jī)污染物具有較高的親和性，能較強(qiáng)地吸附它們并影響其在土壤中的遷移、降低其在土壤中的生物可利用性或減少其流失。生物質(zhì)炭可為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分補(bǔ)充，在農(nóng)田土壤改良，發(fā)酵調(diào)控等方面具有改善作用。
不同的炭化原料、炭化工藝產(chǎn)生的生物質(zhì)炭性質(zhì)差異較大，而生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)方面的效應(yīng)與其特性密不可分。生物質(zhì)炭特性的影響因素，主要包括炭化原料、熱解溫度和熱解停留時(shí)間。
1.1炭化原料
同樣的熱解溫度條件下，不同的炭化材料制備的生物質(zhì)炭性質(zhì)不同。600 ℃條件制備的木質(zhì)生物質(zhì)炭、草稈生物質(zhì)炭、棉花秸稈生物質(zhì)炭和葡萄藤生物質(zhì)炭產(chǎn)量相比，木質(zhì)生物質(zhì)炭和草稈生物質(zhì)炭的產(chǎn)量16.1%(wt/wt)較高，而葡萄藤生物質(zhì)炭的產(chǎn)量8.5%(wt/wt)較低(表1)。生物質(zhì)炭的產(chǎn)量指風(fēng)干生物質(zhì)熱解炭化后的干重，主要與生物質(zhì)中的纖維素和木質(zhì)素含量有關(guān)。同樣的溫度條件下，不同來(lái)源生物質(zhì)炭的灰分含量變化較大，秸稈類生物質(zhì)炭的灰分含量較高22.2%~35.1%(wt/wt)，而木炭和竹炭的灰分含量較低3.8%~5.0% (wt/wt)。一般來(lái)說(shuō)，木本科的生物質(zhì)炭含碳量較高，礦質(zhì)養(yǎng)分較少;畜禽糞便和草本植物生產(chǎn)的生物質(zhì)炭含碳量較低，礦質(zhì)元素含量較高。
1.2熱解溫度與熱解停留時(shí)間
一般來(lái)說(shuō)在熱解過(guò)程中隨著溫度的升高，生物質(zhì)炭的產(chǎn)量會(huì)逐漸降低、生物質(zhì)炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加豐富。已有研究表明，污泥生物質(zhì)炭的產(chǎn)量由300 ℃時(shí)的64.3%(wt/wt)下降到900 ℃時(shí)的 42.2%(wt/wt);而比表面積由300 ℃時(shí)的4.9 m2/g 增加到900 ℃時(shí)的34.2 m2/g (表2)。生物質(zhì)炭表面的-COOH、-COH 和-OH 等含氧官能團(tuán)逐漸增多，由此產(chǎn)生的表面負(fù)電荷使得生物質(zhì)炭具有較高的陽(yáng)離子交換量(CEC)。熱解溫度越高，生物質(zhì)炭的pH 越高，這是由于熱解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量灰分，其中的礦質(zhì)元素溶于水后呈堿性所致。
生物質(zhì)炭具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔徑大小決定其比表面積。而生物質(zhì)炭的孔徑大小與熱解停留時(shí)間也有關(guān)系。當(dāng)熱解停留時(shí)間為20~30 min 時(shí)，生物質(zhì)炭的平均孔徑相對(duì)于停留時(shí)間10 min 時(shí)的孔徑尺寸提高了4.8%~8.5%(表3)。灰分含量也會(huì)隨著熱解停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。Tan 等分析結(jié)果表明熱解停留時(shí)間為20 min，生物質(zhì)炭的灰分含量為7.0% ;停留時(shí)間為60 min，其灰分含量增加至15.7%。這是由于熱解停留時(shí)間長(zhǎng)，易于有機(jī)物質(zhì)揮發(fā)而殘留更多的灰分。
2 我國(guó)蔬菜地存在的問(wèn)題
我國(guó)蔬菜的播種面積和產(chǎn)量分別占世界的43%和49%。2015 年我國(guó)蔬菜的播種面積為2.2×107 hm2，占我國(guó)耕地總面積的13.2%，其中設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)到5.8×106 hm2。蔬菜地氮肥施用量通常是蔬菜生長(zhǎng)所需量的6~8 倍，是常規(guī)大田的幾倍甚至10 倍以上，氮素的高投入導(dǎo)致低下的氮肥利用率和大量的土壤氮素殘留。如曹兵等對(duì)番茄菜地進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示番茄地的氮素利用率為16.4%~28.8%，氮素在土壤中的殘留率為37.0%~37.5%，損失率為34.2%~46.0%。
設(shè)施蔬菜地環(huán)境封閉、缺少降雨的自然淋溶，施用的大量礦質(zhì)肥料殘留在土壤耕層。設(shè)施菜園溫度較高，土壤水分蒸發(fā)量較大，土壤上層水分消耗快、下層水分和地下水向上運(yùn)移致使鹽分被水帶至表層，加速了鹽分在土壤表層的積累。設(shè)施蔬菜地濕度也較大，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)易被破壞，通透性變差、不利于鹽分向下滲透。此外，設(shè)施土壤溫度高，也會(huì)加速原生礦物的風(fēng)化、促進(jìn)鹽基離子的釋放，最終加劇了設(shè)施蔬菜地的土壤次生鹽漬化。土壤在物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為耕作層變淺、土壤板結(jié)、透水透氣性下降;在化學(xué)性質(zhì)方面表現(xiàn)為土壤酸化、Ca2+ 和NO3- 含量顯著增加。對(duì)于蔬菜來(lái)說(shuō)，土壤次生鹽漬化使植株矮小、發(fā)育遲緩、產(chǎn)量降低。
蔬菜地土壤中過(guò)多的硝酸鹽使蔬菜積累大量硝酸鹽，人類食用這些蔬菜會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生危害。蔬菜地的氮素通過(guò)徑流遷移和N2O 排放進(jìn)入環(huán)境，引發(fā)蔬菜地的面源污染和溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題。曾招兵等研究表明廣州市郊菜地總氮的年徑流損失量高達(dá)321 kg/hm2，占氮肥投入量的14.0%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)設(shè)施蔬菜地土壤的N2O 排放占農(nóng)田土壤N2O 總排放的20%。因此，降低蔬菜地的氮素以地表徑流遷移、滲漏、N2O 排放途徑而損失，已經(jīng)成為我國(guó)蔬菜地生產(chǎn)亟需解決的重大問(wèn)題。
隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量重金屬污染物通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤，從而引起蔬菜地土壤重金屬超標(biāo)。土壤重金屬污染主要與施入化肥和畜禽糞便有機(jī)肥等密切相關(guān)。何夢(mèng)媛等報(bào)道，連續(xù)4 年施用豬糞顯著增加了耕層土壤中Cu 和Cd 含量，與對(duì)照相比，增幅分別為43.9%~118.6% 和28.2%~44.9%。重金屬污染成為影響人類生活質(zhì)量、威脅人類健康的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。程家麗等報(bào)道了我國(guó)各主要大中城市郊區(qū)的蔬菜均存在重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，包括Pb、Cd、Hg、Cu 和As。井永蘋等研究表明，設(shè)施蔬菜地土壤重金屬含量隨著蔬菜地的使用年限的增加而加重，棚齡16~20 年和21~25 年的土壤Cu 含量較棚齡1~5 年的Cu 含量增加19.2% 和25.4% ;棚齡16~20 年和21~25 年的土壤Cd 含量較棚齡1~5 年的Cd 含量增加2 倍?？偠灾?，栽培年限、輪作方式和土壤特性均對(duì)土壤中重金屬的積累產(chǎn)生影響。
因此，如何在保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)并改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的前提下對(duì)重金屬中輕度污染蔬菜地土壤進(jìn)行修復(fù)從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的高效、安全和可持續(xù)發(fā)展也是當(dāng)前亟待解決的課題之一。
3 生物質(zhì)炭在我國(guó)蔬菜地的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化性質(zhì)和蔬菜品質(zhì)的影響
生物質(zhì)炭的添加緩解了土壤酸化。如酸化菜地土壤種植小白菜，小麥秸稈生物質(zhì)炭的添加減緩了土壤pH 下降;紅壤中施加10% 的稻殼生物質(zhì)炭栽培芥藍(lán)，紅壤pH 有所提高。設(shè)施蔬菜地土壤次生鹽漬化的主要離子為NO3- 和Ca2+，生物質(zhì)炭的混施改善了土壤的次生鹽漬化。農(nóng)明英等以生菜為供試作物，與不施肥不施生物質(zhì)炭的對(duì)照處理相比，小麥秸稈生物質(zhì)炭的添加有效降低了土壤的全鹽、NO3-和Ca2+ 含量，降低幅度分別為23.9%、45.2% 和23.9%。杜衍紅等研究表明稻殼生物質(zhì)炭的添加相對(duì)于施肥而不施生物質(zhì)炭的對(duì)照處理，土壤速效氮含量呈10% 的降低趨勢(shì)。生物質(zhì)炭的添加改善了土壤的物理性質(zhì)。由于生物質(zhì)炭密度小，可降低土壤容重和調(diào)節(jié)土壤孔隙度。劉玉學(xué)等研究表明水稻秸稈生物質(zhì)炭和竹炭的添加均降低了菜地土壤的容重。生物炭表面的官能團(tuán)具有親水性，可以提高土壤持水量。何飛飛等研究表明蕹菜盆栽試驗(yàn)結(jié)束后、土壤持水量隨生物質(zhì)炭的施入量增加而增大。當(dāng)生物質(zhì)炭的投加比例為干土重的2%~10%，土壤持水量可增加5.0%~36.5%。生物質(zhì)炭的添加也改善了土壤的化學(xué)性質(zhì)。杜衍紅等在紅壤中施加10% 的稻殼生物質(zhì)炭，栽培芥藍(lán)后土壤CEC 提高了214.3%，土壤中有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量也有顯著提高。程效義等以連作15 年的設(shè)施土壤為研究對(duì)象，以黃瓜為供試作物，施加40 t/hm2 的玉米秸稈生物質(zhì)炭可顯著改善土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性。
生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜產(chǎn)量的影響，涵蓋了葉菜類、茄果類和塊根類等蔬菜;生物質(zhì)炭的類型包括了秸稈生物質(zhì)炭(小麥秸稈生物質(zhì)炭、水稻秸稈生物質(zhì)炭和玉米秸稈生物質(zhì)炭等)、稻殼炭、竹炭以及幾種生物質(zhì)配比制備的混合生物質(zhì)炭。劉玉學(xué)等研究表明水稻秸稈生物質(zhì)炭和竹炭對(duì)小青菜的生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，以配施氮肥不施生物質(zhì)炭的處理為對(duì)照，當(dāng)生物質(zhì)炭施加量為40 t/hm2 時(shí)，小青菜的總糖含量分別提高31.2% 和19.5% ;青菜中硝酸鹽含量分別降低15.0% 和16.4%。黃連喜等連續(xù)16 個(gè)月定位多茬蔬菜(上海青—油麥菜—生菜)輪作的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與施等量復(fù)合肥而不施生物炭的對(duì)照處理而言，5 t/hm2 的小麥秸稈生物質(zhì)炭促進(jìn)蔬菜增產(chǎn)15.6%~124.3%。武春成等通過(guò)黃瓜桶栽試驗(yàn)表明，與施肥而不施生物質(zhì)炭的對(duì)照相比，5% 的玉米秸稈生物質(zhì)炭促進(jìn)黃瓜增產(chǎn)25.0%，黃瓜的可溶性糖含量提高了23.8%、硝酸鹽含量降低了23.1%。這些研究表明，正是由于合理地添施生物質(zhì)炭增加了土壤孔隙度和土壤持水性、改善了土壤物理性狀，促進(jìn)了蔬菜根系生長(zhǎng);降低了氮素在土壤中的淋失、提高了土壤中有效磷、鉀、鎂和鈣含量，促進(jìn)了蔬菜對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用;提高了原生菌、真菌等的活性，為微生物群落的生存提供了較大空間;生物質(zhì)炭表面豐富的羧基和酚羥基等含氧官能團(tuán)，使陽(yáng)離子交換活動(dòng)更加活躍，土壤CEC 得以提高。因此，生物質(zhì)炭的添加在改善土壤性質(zhì)的同時(shí)，促進(jìn)了蔬菜增產(chǎn)和品質(zhì)提升。
3.2生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜地溫室氣體排放的影響
目前，生物質(zhì)炭添加對(duì)蔬菜地CO2 排放的影響沒有一致的定論，有研究表明促進(jìn)CO2 排放，也有研究認(rèn)為抑制CO2 排放。何飛飛等在紅壤中栽培蕹菜，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭(水稻秸稈和花生殼混合制備的生物質(zhì)炭)促進(jìn)了土壤中CO2 的排放，增加幅度為4.1%~85.1%。賈俊香和熊正琴以玉米秸稈生物質(zhì)炭和菜心為研究對(duì)象，也得出了生物質(zhì)炭促進(jìn)CO2 排放的結(jié)論，累計(jì)CO2 排放量增加了74.8%~109.2%。陸扣萍等研究表明，一次性施入20 t/hm2 豬骨生物質(zhì)炭可使空心菜—小青菜輪作的土壤中CO2 排放量增加12.9%~13.3%，而一次性施入20 t/hm2 竹炭，致使土壤CO2 排放量減少了9.2%~15.7%。這可能由于豬骨生物質(zhì)炭、秸稈生物質(zhì)炭含有較多的灰分，向土壤中帶入了較多的易分解有機(jī)碳以及無(wú)機(jī)養(yǎng)分，為微生物提供了碳源，所以增加了土壤中CO2 的釋放。由此可見，生物質(zhì)炭的炭化原料對(duì)CO2的排放產(chǎn)生出不同的結(jié)果：木本科來(lái)源的生物質(zhì)炭(木炭、竹炭)由于碳含量較高而灰分含量較低，在土壤中的固碳能力優(yōu)于禾本科炭化原料制備的生物炭(秸稈生物質(zhì)炭、稻殼生物質(zhì)炭等)。實(shí)際上，即便生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤中CO2 的排放，排放的CO2 僅占生物質(zhì)炭總量的0.1%~0.8%。添加生物質(zhì)炭并未對(duì)蔬菜地的CH4 排放產(chǎn)生影響。
在我國(guó)蔬菜地，關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)N2O 排放影響的研究報(bào)道較多，空心菜、小青菜、番茄、黃瓜或茄子等蔬菜地施入竹炭或水稻秸稈生物質(zhì)炭后，土壤N2O 累積排放量均呈減少趨勢(shì)。生物質(zhì)炭減少土壤N2O 排放的原因主要有：1)生物質(zhì)炭可能增加土壤對(duì)NH4+ 的吸附，減少硝化作用底物的濃度，從而抑制硝化過(guò)程中N2O 的排放;2)生物質(zhì)炭可能通過(guò)提高土壤中N2O 還原酶(nosZ)相關(guān)基因的豐度，促進(jìn)N2O 還原為N2 釋放到大氣，直接減少了土壤N2O 的排放;3)也有研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭的C/N 比(7~400)較高，容易引起土壤氮固持，抑制了土壤N2O 排放。在蔬菜地高硝態(tài)氮背景下，生物質(zhì)炭配施有機(jī)肥模式可大大降低菜地土壤N2O 的排放。陳晨等在莧菜、空心菜、菜秧和香菜輪作條件下，單施氮肥顯著增加了N2O 的累計(jì)排放量，增幅為31.2%~116.4% ;單施秸稈生物質(zhì)炭也增加了N2O 排放。但綜合考慮了氮肥和秸稈生物質(zhì)炭(20~40 t/hm2)的協(xié)同作用后，蔬菜地土壤的N2O 累計(jì)排放量減少了1.6%~24.4%。易瓊等研究也表明在有機(jī)肥部分替代化肥氮的模式中，生物質(zhì)炭能有效抑制菜地土壤N2O 的排放，降低幅度為38.8%。
3.3生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜地面源污染的影響
氮和磷是蔬菜所必需的大量養(yǎng)分元素。由于氮磷肥的大量施用，未被蔬菜利用的氮磷養(yǎng)分殘留于蔬菜地表層土壤，在降雨或灌溉條件下，氮磷養(yǎng)分易發(fā)生淋溶損失。例如，施入土壤的肥料中大約有30%~50% 的氮素發(fā)生了淋溶損失，致使地下水中氮素含量超標(biāo)。蔬菜地地表徑流中氮素遷移主要以硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)為主。通過(guò)添施生物質(zhì)炭削減我國(guó)蔬菜地面源污染中氮、磷流失的研究相對(duì)較少。
土壤—水體中氮磷等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與遷移是造成蔬菜地面源污染的主要原因。生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后，微生物對(duì)其表面進(jìn)行氧化，促進(jìn)土壤中含氧官能團(tuán)的增加、CEC 的提高、疏水性的降低，從而減緩了養(yǎng)分的流失。對(duì)于氮素來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)炭能夠吸附土壤中未被作物利用的氮素，主要是NH4+ 和NO3-，延緩其在土壤中的釋放。而土壤中磷素淋溶作用很小，一般情況下，土壤吸附固定磷的能力很大，磷素在土壤中很難移動(dòng)。土壤中磷素的淋失主要與土壤類型、土壤富磷程度、施肥措施、農(nóng)業(yè)耕種、水文條件和土壤質(zhì)地有關(guān)。生物質(zhì)炭能否直接吸附磷，目前的研究結(jié)論并不統(tǒng)一。而經(jīng)過(guò)改性處理(負(fù)載鐵或鎂)的生物質(zhì)炭可以顯著吸附磷。生物質(zhì)炭可能促進(jìn)酸性土壤外源磷的有效性，增加土壤電導(dǎo)率，降低土壤磷酸酶活性;生物質(zhì)炭也可能提高土壤pH，直接吸附土體中的Al3+、Fe3+ 和Ca2+ 等離子，從而間接提高土壤磷素的有效性，最終影響土壤對(duì)磷的吸附和解吸。
3.4生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜和土壤中重金屬含量的影響
針對(duì)蔬菜中Cd 累積程度而言，劉阿梅等推薦栽種蘿卜的最佳松木生物質(zhì)炭的投加量為土壤干重的10%~20%。土壤中添加3.0 mg/kg 重金屬Cd 的背景下，不加生物質(zhì)炭處理中的蘿卜根中Cd 含量為0.48 mg/kg ;而添加生物質(zhì)炭處理的蘿卜根中Cd 含量降低為0.28 mg/kg，降低幅度為41.7%。吳繼陽(yáng)等以污泥生物質(zhì)炭為改良劑，在污染土壤中種植小青菜，結(jié)果表明按照風(fēng)干土重5%的投加比例可使小青菜可食部位的Cd 含量降低14.8%。劉沖等將水稻秸稈生物質(zhì)炭(風(fēng)干土重的1.5%~3.0%)添加到污染土壤中，供試作物油麥菜的地下部Cd 含量和地上部Cd 含量分別降低了47.6%~57.2% 和26.1%~31.9%。對(duì)于土壤中Cd 累積程度而言，王艷紅等在土壤中混入25 g/kg 的稻殼生物質(zhì)炭栽培生菜，土壤中醋酸銨提取態(tài)Cd 含量和弱酸提取態(tài)Cd 含量分別比對(duì)照污染土壤降低了17.9% 和10.4%。劉旭東等在土壤中添加10 t/hm2 的水稻秸稈生物質(zhì)炭栽培生菜，土壤中有效態(tài)Cd 降低了45.0%~62.0% ;添加20 t/hm2 的水稻秸稈生物質(zhì)炭，土壤中有效態(tài)Cd 降低幅度更為明顯，達(dá)66.0%~89.0%。
生物質(zhì)炭對(duì)土壤中重金屬Cd 的鈍化機(jī)制主要包括提高土壤pH 和對(duì)Cd 的固持作用。生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后可增加土壤pH，從而會(huì)影響土壤中重金屬的水解平衡。當(dāng)土壤中的重金屬離子以金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽的沉淀形式存在，即降低了其在土壤中的移動(dòng)性;生物質(zhì)炭的表面官能團(tuán)在土壤中與重金屬離子結(jié)合，形成的金屬配合物會(huì)固持與特定配位體有較強(qiáng)親和力的重金屬。生物質(zhì)炭進(jìn)入重金屬污染的土壤后，主要通過(guò)調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)以及與重金屬發(fā)生靜電、沉淀、絡(luò)合等作用，促進(jìn)土壤中重金屬失活。最終，生物質(zhì)炭的添加降低了重金屬在土壤中的生物有效性和可遷移性，阻控了重金屬由土壤向蔬菜的可食部分運(yùn)移富集，降低了蔬菜產(chǎn)品中的重金屬含量，減弱了重金屬污染的危害。
4 展 望
生物質(zhì)炭為提高蔬菜品質(zhì)、減少蔬菜地污染排放提供了可靠途徑和有效措施。為加深生物質(zhì)炭對(duì)蔬菜生產(chǎn)影響機(jī)制的理解、推廣其在我國(guó)蔬菜生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究方向。
(1)明確生物質(zhì)炭在不同蔬菜土壤環(huán)境條件下的適用性。由于生物質(zhì)炭種類的多樣性和不同地域氣候條件和耕作制度多樣化等因素，生物質(zhì)炭的應(yīng)用效果存在差異。加強(qiáng)各因素間的相關(guān)性研究，了解生物質(zhì)炭在蔬菜地環(huán)境的影響機(jī)制，進(jìn)行區(qū)域間橫向?qū)Ρ妊芯?，?duì)生物質(zhì)炭的合理化應(yīng)用具有重要意義。
(2)開展生物質(zhì)炭在蔬菜地應(yīng)用的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。生物質(zhì)炭應(yīng)用技術(shù)實(shí)施的不同年限對(duì)蔬菜地環(huán)境的影響程度不同，將短期與長(zhǎng)期定位試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行縱向比較研究，對(duì)于揭示生物質(zhì)炭在蔬菜地環(huán)境的長(zhǎng)期影響效果、探索生物質(zhì)資源化利用有效方式以及建立可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式有重要意義。
(3)降低生物質(zhì)炭的生產(chǎn)成本。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于生物質(zhì)炭的理論研究基礎(chǔ)逐漸加強(qiáng)，制備生物質(zhì)炭的設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用正在陸續(xù)大面積地推廣。降低生物質(zhì)炭的生產(chǎn)成本，可以有效促進(jìn)生物質(zhì)炭的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。此外，也應(yīng)該綜合考慮生物質(zhì)炭應(yīng)用與配肥技術(shù)、生物技術(shù)、耕作措施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)，對(duì)優(yōu)化蔬菜地生態(tài)環(huán)境、增加社會(huì)效益具有重要意義。
(4)識(shí)別生物質(zhì)炭的潛在風(fēng)險(xiǎn)。施加生物質(zhì)炭導(dǎo)致土壤C/N 失調(diào)、鹽基離子含量過(guò)高，而且生物質(zhì)炭中含有的有毒物質(zhì)會(huì)釋放，這些負(fù)面效果可能會(huì)影響土壤生物區(qū)系，最終致使蔬菜減產(chǎn)。應(yīng)加強(qiáng)生物質(zhì)炭的生態(tài)毒理學(xué)研究，對(duì)客觀評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭的作用、提高蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)、促進(jìn)設(shè)施蔬菜地的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
來(lái)源:農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué) 作者:張繼寧 等
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