生物炭堆肥作为土壤改良的新选择：应用于各种有问题的土壤

第一作者：Shixian Qian

通讯作者：Lei Qin，Cui Lai

通讯单位：College of Environmental Science and Engineering, Hunan University

论文DOI：/10.1016/j.scitotenv.2023.162024

成果简介

      近日，湖南大学环境科学与工程学院赖萃教授团队在国际权威期刊Science of The Total Environment上发表了题为“Biochar-compost as a new option for soil improvement: Application in various problem soils”的研究论文。本文收集了农学家和科学家所熟知和广泛研究的几种问题土壤中施用生物炭堆肥的数据，并总结了施用生物炭堆肥在常见问题土壤中的影响，旨在提高生物炭堆肥的实用性和可接受性，并促进其在土壤中的应用。同时，预测了生物炭堆肥在问题土壤改良中应用的前景、挑战和未来方向。

引言

      生物炭和堆肥等有机土壤改良剂因其环境友好性、效率和经济可行性而被广泛建议用于改善有问题的土壤，都能有效缓解问题土壤对植物生长或作物生产的限制，例如缺水、压实、肥力低和污染物毒性。生物炭可以延长堆肥在土壤中的停留时间，堆肥可以解决生物炭提供的养分不足的问题。使用生物炭改进堆肥最终有助于提高堆肥质量，包括营养价值、安全性和稳定性。生物炭在共堆肥过程后表现出修饰，例如表面官能团、营养成分、阳离子交换能力 （CEC）和抑制性芳香族化合物的量，这些变化有可能提高生物炭和堆肥在土壤改良中的效率。

      尽管对应用生物炭堆肥的一些优势有了初步的了解，但目前尚不清楚生物炭堆肥处理如何解决不同的土壤问题。生物炭堆肥的实际应用受到严重阻碍，人们更愿意坚持使用以前简单的生物炭或堆肥方法，而不是将两者结合起来。为了填补这一空白，本文重点研究了生物炭-堆肥与各种典型问题土壤相互作用的机制以及施用效果。由于土壤问题的多样性和问题土壤的明确定义，本研究中调查的问题土壤将根据三个具体特征进行分类和讨论：（i）气候带;（ii）非生物胁迫;（iii）污染物。这样做的目的是反映生物炭堆肥可以更方便直观地解决土壤问题的能力。此外，本文还简要回顾了生物炭与堆肥单独使用的影响、生物炭与堆肥/堆肥的协同机制以及当代生物炭-堆肥的结合方法。最后，确定了与生物炭堆肥和土壤改良相关的未来研究需求，以确保生物炭堆肥的广泛使用。

图文导读

1.生物炭改良剂对土壤的影响

图 1. 生物炭对土壤的主要影响：（a）生物炭对土壤性质影响的总结。（b）生物炭在土壤中固定重金属的主要机制（Tan et al.， 2015）。（c）生物炭吸附土壤中有机污染物的主要机制（Tan et al.， 2015）。

      由于生物炭的特殊性，施用生物炭后土壤的理化和生物性质会受到一定程度的影响（图 1a）。生物炭可以降低土壤容重并增加土壤孔隙度，提高土壤团聚体的容量和团聚稳定性，有效提高土壤的持水能力（WHC），并保留更多的水分，改善土壤质量，防止土壤退化。施用生物炭后，CEC、电导率 （EC）和 pH 值等常见土壤参数也发生了变化。此外，生物炭还可以用作植物和土壤微生物的养分来源。生物炭的添加增加了土壤中的有机碳 （OC）和矿物质养分，例如 N、P、K、Ca、Mg和 S。最重要的是，生物炭在降低土壤温室气体 （GHG）排放方面发挥着重要作用。生物炭是一种众所周知的土壤固碳工具，可以增强土壤碳汇，同时降低CO₂等温室气体的排放。

      生物炭独特的物理和化学性质使其能够将重金属捕获在土壤中，并通过多种途径降低其生物毒性（图 1b）。具体来说，生物炭可以通过静电吸附、官能团吸附、离子交换和金属配体表面络合来提高土壤金属离子吸附能力，通过提高土壤pH值和无机盐离子（如碳酸盐、磷酸盐）浓度，生物炭可以增加其表面金属离子的化学沉淀。对于土壤中的难降解有机污染物,生物炭可通过孔隙填充、疏水吸引、静电吸引、表面沉淀、氢键和 π-π 键（图 1c）吸附极性和非极性的有机污染物。

表 1.生物炭中污染物的最大允许浓度范围

      国际生物炭倡议 （IBI） 和欧洲生物炭证书（EBC） 对生物炭中重金属和有机污染物的含量定义了标准，如表 1 所示。通过使用严格低于污染物阈值的生物炭，可以大大降低将额外污染物引入环境的风险。

2.堆肥改良剂对土壤的影响

图 2. 堆肥改良农业土壤中生物和非生物土壤养分调节机制的概念说明。1：展示堆肥腐殖质如何通过功能亚基潜在地协调土壤中的养分， 2a：显示植物养分对堆肥吸附的潜在吸附地点和通过质子释放和竞争性吸附吸收植物的潜力，2b：展示堆肥如何参与竞争性吸附和从粘土吸附地点和矿物沉淀物中释放磷，2c：堆肥中逐渐的有机氮矿化有助于土壤中持续的氮保留和可用性，3：展示改善土壤特性之间的相互作用关系， 提高土壤养分保持和利用效率。

      事实上，堆肥更多地被认为是其肥料功能，而不是改善土壤的物理和化学性质（图 2）。一方面，堆肥大大增加了土壤有机质（SOM）、其他必需常量营养素（N、P、K、Ca、S、Mg等）和微量养分（Fe、B、Cl、Mn等）的含量。另一方面，堆肥添加在促进土壤养分循环过程中也有效。施用堆肥后，可以提高土壤CEC以限制阳离子渗透，从而增强土壤的养分保留能力。因此，堆肥是无机肥料的常见替代品。此外，使用堆肥作为土壤改良剂可以高土壤固碳效率、减少土壤温室气体排放。堆肥在固碳和减少温室气体排放方面具有一定的潜力，尽管这种潜力随着土壤碳饱和度的提高而趋于稳定。

图3. 通过堆肥或堆肥对污染土壤进行生物修复的主要策略和机制

      添加堆肥是修复重金属污染土壤的一种有效的方法（图 3）。堆肥还可以改变重金属在土壤中的流动性、生物有效性和毒性作用。堆肥依靠多种功能成分，包括腐殖质、微生物和溶解有机物 （DOM）来去除重金属。腐殖质物质由于其各种官能团可以与金属离子络合或直接与重金属反应。

表2. 堆肥中重金属和病原体指数的最大允许浓度范围

      大多数国家都对堆肥中重金属的含量设定了限制（表 2）。与对重金属阈值的明确限制相比，堆肥中有机污染物的建议仍然相对较少。

3.生物炭和堆肥在土壤上的联合施用

表 3. 将生物炭堆肥施用到土壤中的例子

      生物炭和堆肥已显示出其作为土壤改良剂的独特潜力，并且已经进行了更多的研究以将这两种材料结合起来，以期获得更高的效率（表 3）。

图 4.生物炭和堆肥联合施用土壤改良剂

      目前，有三种常见的将生物炭与堆肥结合生产和施用到土壤中的方法：（i）将生物炭和堆肥（最终产品）混合后立即将材料施用于土壤，无需孵育（B + C）;（ii）生物炭与生物质（如稻草、鸡粪）堆肥，可称为共堆肥，然后将堆肥混合物施用于土壤（BCing）;（iii）用生物质堆肥生物炭，然后去除堆肥并仅保留通过堆肥过程修饰的生物炭，然后将改性的生物炭施用于土壤 （BCed）。B + C 是一种组合方法，其中堆肥后添加生物炭并与堆肥产品混合，而 BCing 和 BCed 是通过在堆肥前添加生物炭制成的两种共堆肥产品（图 4）。

4.生物炭堆肥改良剂改善了各种问题土壤

      共堆肥水稻秸秆生物炭是所有改良剂中最有效的，也是唯一显示出正土壤碳平衡的改良剂（图 5a-c）.生物炭堆肥在缓解土壤干旱和促进植物生长方面显示出巨大的潜力，在相同条件下，生物炭堆肥的提高效率优于生物炭或单独堆肥。提高生物炭堆肥效率已成为近年来干旱土壤研究的热点，这种方法为未来的生物炭堆肥应用开辟了新的途径，未来的工作可以确定这些措施是否可以扩展到改善其他有问题的土壤。

图 5.（a）植物中的碳含量，（b）土壤碳平衡，（c）受生物炭、堆肥和共堆肥生物炭应用影响的双向生态模型（平均值±标准差）的估计值

结论与展望

1. .     对于气候区的问题土壤：生物炭堆肥可以降低土壤有机质矿化速率，满足热带土壤的高养分需求；可以改善温带土壤的养分和其他理化条件，对环境的影响小，潜在效益高（如碳封存）。

2.        对于非生物胁迫问题土壤：生物炭堆肥不仅直接改善了干旱土壤的持水力和土壤的其他理化条件，而且有效缓解了缺水引起的一些次生问题。

3.     对于有污染物的问题土壤：生物炭堆肥可以降低重金属迁移性和生物有效性，在修复受重金属污染的土壤方面比单独使用堆肥或生物炭更有效。

4.     土壤的实际成分很复杂，温度、降雨量和盐度等因素都会影响土壤的性质和功能。即使是同一大类中的不同土壤特性也会有所不同，对生物炭堆肥的反应也会有所不同，后续研究应进一步细化问题土壤的分类。

5.     实验经常使用较高的施用剂量来获得明显的结果，这不适合现场应用。生物炭堆肥的大量投入不仅会增加成本，还可能给土壤带来负担。生物炭堆肥的施用剂量应在现场进一步研究。

6.     原料、生产工艺、配比、组合方法、施用量、作物类型等因素均对生物炭堆肥效率有重大影响。生物炭堆肥的土地应用并不总是积极的，可能会带来一些风险。在实际应用之前，需要进行短期和长期盆栽试验以及田间试验，以充分评估生物炭堆肥的环境风险及其有效寿命。

7.     生物炭和堆肥的结合是一种有效修复污染土壤的策略。除了传统污染物外，生物炭堆肥对土壤中新污染物（例如PFAS、MPs）的影响需要进一步研究。

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编者注：以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考用，不用于商业用途。若上述理解有误，请以论文原文为准。