生物質炭土壤環境效應（簡體書）

前言
第一章生物質炭特性1
引言1
1.1生物質炭的定義2
1.2生物質炭的理化特性3
1.2.1生物質炭的物理特性3
1.2.2生物質炭的化學特性7
1.2.3生物質炭的微觀結構特性16
1.3生物質炭特性的影響因素27
1.3.1製備原料對生物質炭特性的影響27
1.3.2製備工藝類型對生物質炭特性的影響30
1.3.3製備工藝參數對生物質炭特性的影響31
1.4總結與展望35
參考文獻37
第二章生物質炭固碳效應42
引言42
2.1土壤生態系統生物質炭固碳潛力42
2.1.1土壤生態系統的碳捕捉與封存42
2.1.2生物質炭的固碳潛力44
2.2土壤生物質炭穩定性機制46
2.2.1內在結構的穩定性46
2.2.2空間阻隔46
2.2.3有機碳與礦物質表面相互作用48
2.3生物質炭非生物氧化特性與生物氧化特性49
2.3.1生物質炭的非生物氧化特性49
2.3.2生物質炭的生物氧化特性51
2.4影響生物質炭穩定性的因素54
2.4.1生物質炭的特性55
2.4.2土壤特性57
2.4.3生物學因素63
2.4.4環境條件66
2.5生物質炭固碳效應的預測與評價70
2.5.1生物質炭穩定性評價指標71
2.5.2土壤生物質炭的定量方法73
2.5.3生物質炭固碳效應的預測模型78
2.6總結與展望81
參考文獻83
第三章生物質炭與土壤溫室氣體排放90
引言90
3.1全球氣候變化與生物質炭91
3.1.1全球氣候變化91
3.1.2土壤生態系統溫室氣體排放對全球氣候變化的響應和回饋96
3.1.3生物質炭固碳減排特性可為減緩全球氣候變化做出的重要貢獻98
3.2生物質炭對土壤溫室氣體排放效應的影響100
3.2.1整合分析(metaanalysis)方法100
3.2.2生物質炭特性對土壤溫室氣體排放的影響103
3.2.3土壤特性129
3.2.4人為因素134
3.3總結與展望143
參考文獻145
第四章生物質炭與土壤碳迴圈151
引言151
4.1生物質炭對土壤有機質的貢獻機制152
4.1.1土壤有機質的組成及其影響因素152
4.1.2生物質炭對土壤有機質的直接貢獻153
4.1.3生物質炭遷移轉化對土壤有機質的影響157
4.1.4生物質炭改變土壤理化性質對土壤有機質的影響157
4.1.5生物質炭對土壤腐殖質的影響159
4.2生物質炭對土壤生物固碳作用的影響機制166
4.2.1生物質炭對植物固碳作用的影響166
4.2.2生物質炭對土壤微生物固碳作用的影響168
4.2.3生物質炭對土壤動物的影響173
4.3生物質炭對土壤有機質礦化作用的影響及其機制173
4.3.1生物質炭對土壤有機質礦化作用的影響173
4.3.2生物質炭對土壤有機質礦化作用的影響機制174
4.4生物質炭對土壤甲烷排放的影響及其機制180
4.4.1生物質炭對土壤甲烷排放的影響180
4.4.2生物質炭對土壤產甲烷的影響183
4.4.3生物質炭對土壤甲烷氧化作用的影響188
4.4.4生物質炭對土壤甲烷傳輸的影響191
4.5總結與展望193
參考文獻195
第五章生物質炭與土壤氮迴圈205
引言205
5.1生物質炭對土壤固氮作用的影響機制205
5.1.1土壤固氮作用的影響因素205
5.1.2生物質炭對土壤固氮作用的影響207
5.1.3生物質炭對土壤固氮微生物的影響208
5.2生物質炭對土壤硝化作用的影響機制213
5.2.1生物質炭對土壤氨氧化作用的影響機制213
5.2.2生物質炭對土壤亞硝酸氧化作用的影響機制222
5.3生物質炭對土壤反硝化作用的影響機制225
5.3.1土壤反硝化作用的影響因素225
5.3.2生物質炭對土壤反硝化作用的影響227
5.3.3生物質炭對土壤反硝化微生物的影響228
5.4生物質炭對土壤N2O減排效應的影響機制233
5.4.1生物質炭對土壤N2O排放量的影響233
5.4.2生物質炭對土壤N2O減排效應的作用機制233
5.5總結與展望239
參考文獻240
第六章生物質炭與土壤質量246
引言246
6.1生物質炭對土壤物理特性的影響247
6.1.1土壤物理特性與土壤質量247
6.1.2生物質炭對土壤容重的影響247
6.1.3生物質炭對土壤孔隙度和通氣性的影響247
6.1.4生物質炭輸入對土壤水分的影響248
6.1.5生物質炭輸入對土壤電磁物理特性的影響249
6.1.6生物質炭輸入對土壤顏色和溫度的影響250
6.1.7生物質炭輸入對土壤團聚體的影響251
6.2生物質炭對土壤化學特性的影響252
6.2.1土壤化學特性與土壤質量252
6.2.2生物質炭對土壤酸鹼性的影響252
6.2.3生物質炭對土壤陽離子交換量的影響253
6.2.4生物質炭對土壤養分元素的影響256
6.2.5生物質炭輸入對土壤有機質的影響264
6.3生物質炭對土壤生物學特性的影響269
6.3.1土壤生物學特性與土壤質量269
6.3.2生物質炭輸入對土壤微生物的影響270
6.3.3生物質炭輸入對土壤動物的影響277
6.4生物質炭對作物生長發育的影響279
6.4.1生物質炭輸入對作物養分吸收的影響279
6.4.2生物質炭輸入對作物生長發育的影響280
6.4.3生物質炭添加對作物產量的影響282
6.5總結與展望287
參考文獻289
第七章生物質炭與土壤氮磷流失控制298
引言298
7.1生物質炭對土壤養分的吸附作用299
7.1.1生物質炭對土壤吸附性能的影響299
7.1.2生物質炭吸附特性對土壤養分的影響299
7.2生物質炭對土壤氮磷物質轉化的影響302
7.2.1生物質炭的養分含量303
7.2.2生物質炭對土壤氮元素轉化的影響306
7.2.3生物質炭對土壤磷素轉化的影響308
7.3生物質炭對土壤氮磷養分淋溶的影響316
7.3.1影響土壤養分淋溶的一般因素316
7.3.2生物質炭影響土壤氮磷淋溶的內在因素318
7.3.3生物質炭影響土壤氮磷淋溶的外在因素320
7.3.4生物質炭對土壤氮磷淋溶的潛在影響機制327
7.4炭基緩釋肥與土壤氮磷流失控制328

7.4.1炭基緩釋肥的製備及緩釋效果329
7.4.2炭基緩釋肥對作物產量的促進作用332
7.4.3炭基緩釋肥對土壤養分流失的控制作用334
7.4.4炭基緩釋肥的效益335
7.5總結與展望338
參考文獻340
第八章生物質炭與土壤污染防治349
引言349
8.1生物質炭對土壤有機污染物的影響350
8.1.1土壤有機污染物污染現狀350
8.1.2生物質炭對土壤吸附固定有機污染物的影響351
8.1.3老化過程對生物質炭吸附固定土壤有機污染物的影響356
8.1.4生物質炭增強土壤對有機污染物的降解作用358
8.1.5生物質炭對土壤有機污染物的吸附降解機制359
8.2生物質炭對土壤中殘留農藥的影響361
8.2.1土壤殘留農藥現狀361
8.2.2生物質炭對土壤殘留農藥環境歸趨的影響362
8.2.3生物質炭對土壤殘留農藥歸趨的影響因素367
8.2.4生物質炭對土壤中殘留農藥生物有效性的影響370
8.3生物質炭對土壤重金屬的影響372
8.3.1土壤重金屬污染現狀372
8.3.2生物質炭對土壤中重金屬化學形態的影響372
8.3.3生物質炭對土壤中重金屬遷移性的影響376
8.3.4生物質炭對土壤中重金屬生物有效性的影響384
8.3.5生物質炭對土壤重金屬生物有效性影響的作用機制390
8.4總結與展望392
參考文獻393
第九章生物質炭的潛在環境風險404
引言404
9.1生物質炭製備過程的潛在環境風險404
9.1.1生物質炭製備工藝類型及其潛在風險405
9.1.2生物質炭製備過程污染物的潛在環境風險406
9.2生物質炭施用過程的潛在環境風險419
9.2.1生物質炭施用對大氣環境的影響419
9.2.2生物質炭輸入對土壤環境質量的潛在負面影響426
9.2.3生物質炭對水體環境的潛在風險444
9.3生物質炭經濟性分析——以水稻秸稈生物質炭為例445
9.4總結與展望450
參考文獻452

第一章生物質炭特性
引言
生物質是指具有生命的生物體利用大氣、水、土壤等提供的各種元素通過光合作用等合成途徑產生的各種有機體，即一切有生命的生物體生命活動過程產生的有機物質。從狹義上講，生物質可以指生物質廢棄物，主要包括農林業生產過程中除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質纖維素、農產品加工業下腳料、農林廢棄物及畜牧業生產過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質。生物質廢棄物分佈廣泛且可再生，一直以來都是潛在的能源和資源。隨著人類社會文明的發展，現代化農林畜牧業、農林產品與畜牧加工業及相關工業領域和日常生活都會產生大量的生物質廢棄物。我國18億畝1畝≈667 m2耕地上種植的各類農作物，年產秸稈總量約7億t，其中水稻、小麥和玉米等大宗農作物秸稈在5億t左右；我國年肉豬出欄量為6.61億頭，高速發展的集約化規模化畜牧業也產生大量的畜禽有機生物質廢棄物。這些低端甚至廢棄的生物質材料，處理不當往往導致嚴重的環境污染問題。
生物質炭(biomass.derived black carbon或biochar)是生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化得到的固態產物(IBI，2013)。2006年以來許多學者相繼在Nature、Science等世界著名科學雜誌上發表文章，強調生物質炭能夠切實鎖定和降低大氣CO2，生物質炭化還田可能成為人類應對全球氣候變化的一條重要途徑，呼籲加強對生物質炭人為輸入的土壤環境行為和環境效應進行研究(Marris，2006；Lehmann，2007a；Woolf et al.，2010；Sohi，2012)。至今，已有大量研究表明，生物質炭施入土壤生態系統後，不僅可以達到增強土壤固碳作用的目的，還可以改善土壤結構及理化性狀，具有提高土壤質量和肥力、提升作物產量的作用。生物質炭應用於能源領域，可成為替代燃煤、石油、天然氣等化石能源的清潔環保能源。進一步特殊加工形成生物質炭產品還可應用於退化耕地、退化草原、退化果園及新墾土地等障礙用地的生態修復與重建，以及汙水處理、水質淨化、面源污染和廢棄物處理等諸多領域。隨著生物質炭研究的不斷深入，其在全球碳生物地球化學迴圈、氣候變化和環境保護中的重要作用日趨體現。2013年4月18日，全球領先的專業信息提供商湯森路透(Thomson Reuters)旗下的智能財產權與科技事業部發佈《2013年研究前沿：自然科學與社會科學的100個學科領域》報告，將“生物質炭施用技術及其效應”(biochar amendment techniques and effects)列入十大領先研究領域中的100大重要研究前沿之一。因此，炭化生物質的資源化利用不僅成為低端有機生物質及其相關廢棄物高值化利用的新技術途徑，也成為土壤學、農學、地學、環境科學、生態學和大氣科學研究與應用的一個重大熱點(Lehmann et al.，2011；Sohi，2012)。
物質與材料的特性決定它們的功能，生物質炭也不例外。生物質炭的特殊功能取決於其自身特殊的物理、化學和微觀結構特性。較高的孔隙結構和巨大的比表面積決定了生物質炭具有良好的吸附性能，對養分物質和有機、無機化合物具有較強的固持能力；元素組成和養分特性則決定了生物質炭具有改良土壤、提升地力的作用；芳香化結構決定了生物質炭的穩定性及其固碳減排效應；而表面活性官能團的特性則會影響生物質炭與土壤之間的相互作用，並由此影響土壤生源要素的生物地球化學迴圈作用。因此，生物質炭特性的研究對生物質炭的推廣應用和衍生產品的開發具有舉足輕重的地位。
本章主要對生物質炭的定義和生物質炭的物理、化學與微觀結構學特徵及其分析方法進行概述。在此基礎上，重點探討製備原料、製備工藝和製備條件等因素對生物質炭特性的影響，並對未來生物質炭特性研究趨勢進行展望，以期為生物質炭特性的深入研究和生物質炭產品的大規模應用提供理論依據。
1.1生物質炭的定義
生物質炭(biomass.derived black carbon或biochar)是生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化得到的固態產物(IBI，2013)。生物質炭是一個既新鮮又古老的名詞。木炭作為一種典型的生物質炭類型在我國具有悠久的歷史。我國作為生產和燒制木炭最早的國家之一，早在商周時期就有木炭的使用記載，且在之後漫長的歷史歲月中，木炭起到了極其重要的作用，是我國從農耕文明進入青銅文明，進而步入鐵器文明的見證。唐朝白居易的《賣炭翁》流傳千古，正是反映我國古代使用生物質炭的盛況。最早木炭等生物質炭的應用主要與銅等金屬冶煉相關，或者單純作為取暖和供熱用，很少與土壤環境聯繫在一起。而對生物質炭在土壤環境中的應用報導最初見於對南美亞馬孫流域黑土Terra Preta的研究中。20世紀60年代荷蘭土壤學家Wim Sombroek在巴西亞馬孫流域進行土壤考察時，發現該地區有一種富含黑色物質的土壤，其有機質和氮、磷、鈣、鋅、錳等植物營養元素含量極其豐富，該類土壤被稱為Terra Preta，意思為印第安人的黑土壤(Moss，1967)。研究表明，該類黑色物質就是生物質炭，它已在土壤中保存1000多年，在維持土壤生產能力和肥力中一直發揮著重要作用。
由於生物質炭的相關研究起步較晚，初期缺乏國際上統一的名稱和標準，不同研究者對生物質炭的稱呼不盡相同，如生物質炭、焦炭(char)、木炭(charcoal)、黑炭(black carbon)、生物炭、生物碳和生物質焦等。隨著對生物質炭的廣泛關注，越來越多的研究者試圖規範統一對生物質炭的定義。國際生物質炭協會(International Biochar Initiative，IBI)對生物質炭的定義作了如下表述：生物質炭(biochar)是生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化得到的固態產物，它可以單獨或者作為添加劑使用，能夠改良土壤、提高資源利用效率、改善或者避免特定的環境污染，以及作為溫室氣體減排的有效手段(IBI，2013)。這一概念更側重於在用途上區分生物質炭與其他炭化產物。生物質炭的製備方法與工業生產中木炭的製備方法相似，但因應用目的不同，生物質炭製備溫度多為300~700℃，主要用於土壤生態系統中，以實現土壤改良、碳固持為目的的一類熱解產物，是一個較新的概念，在最近幾年有較快發展。而木炭的製備方式和使用更為寬泛，在金屬冶煉、繪畫、水處理、化工行業早已廣泛應用。
對於涉及生物質炭的其他術語，也有其專屬的含義。黑炭包含的範圍最為廣泛，包括一切經不完全燃燒或高溫分解產生的固態殘留物。這類物質碳含量高、化學組成複雜且以芳香化結構為主。黑炭的來源主要有3種：一是生物質的不完全燃燒，二是煤、石油、天然氣等化石燃料的不完全燃燒，三是巖石中石墨炭的自然風化。黑炭的形成主要通過燃燒直接產生固態產物，同時揮發分的凝聚也會形成高度石墨化組分。焦炭與木炭通常可以通用，但通常焦炭的炭化程度不及木炭，文獻中研究野外生態系統中火災所產生的固態產物較常採用焦炭的稱呼。
生物質炭的土壤環境效應越來越受到關注。目前，人們已對生物質炭在土壤生態系統的固碳效應、生物質炭對溫室氣體的減排效應、生物質炭對土壤碳迴圈的影響、生物質炭對土壤氮迴圈的影響、生物質炭對土壤的改良效應、生物質炭對土壤氮磷元素流失控制、生物質炭對土壤污染的防治及生物質炭的潛在環境風險進行了細緻的研究，相關內容將在後續章節逐一展開論述。上述生物質炭的諸多功能歸根結底取決於生物質炭的特性。因此本章重點介紹生物質炭的物理、化學及微觀結構等特性，並對其影響因素進行分析論述。
1.2生物質炭的理化特性
1.2.1生物質炭的物理特性生物質炭的物理特性相對較為直觀，主要包括孔隙結構與比表面積、機械強度、堆積密度等。生物質炭的土壤環境效應與其物理特性密切相關。礦物和有機質組成的差異構成了某種土壤獨特的物理結構特性。生物質炭作為一種外源物質，其多孔性和顆粒結構對土壤物理結構特性有直接影響，土壤物理結構的改變還會影響土壤的化學和生物學特性，這些影響最終都會累積作用於植物的生長。因此，瞭解生物質炭的物理特性至關重要。
1. 孔隙結構與比表面積
根據國際純粹與應用化學協會(IUPAC)的定義，孔徑小於2 nm的稱為微孔，孔徑大於50 nm的稱為大孔，孔徑為2~50 nm的稱為介孔，也稱中孔。生物質炭是一類孔隙發達的材料，孔徑隨原料和製備條件的不同呈現明顯差異(圖1.1)。如圖1.2所示，