内容简介
在自然因子和人为干扰等影响下土地资源面临退化，限制了社会经济与生态环境的可持续发展。如何合理有效地改良和利用退化土地资源受到广泛关注。本书概括了土壤改良剂的主要类别，着重分析了生物炭和有机肥两种生物质改良剂的特征和作用结了生物炭和有机肥的使用对土壤理化状、土壤微生态环境、土壤污染修复及作物生长和产量的作用，同时结合研究实例探讨了不同改良剂的施加效应及作用机制。 本书可作为从事退化土壤修复及恢复生态学相关研究工作的科研人员和研究生的参考书。
目录
前言第1章 绪论 1.1 生物炭 1.2 有机肥 1.3 炭基肥第2章 生物炭和有机肥与土壤理化质 2.1 生物炭与土壤理化质 2.1.1 生物炭与土壤物理质 2.1.2 生物炭与土壤化学质 2.2 有机肥与土壤理化质 2.2.1 有机肥与土壤物理质 2.2.2 有机肥与土壤化学质 2.3 生物炭和有机肥联合施加对土壤理化质的作用 2.4 生物炭和有机肥对土壤理化质的影响实例 2.4.1 研究区概况 2.4.2 材料与方法 2.4.3 土壤理化质和养分的月际变化 2.4.4 土壤理化质的年际变化 2.4.5 土壤理化指标的主坐标分析 2.5 生物炭和有机肥改善土壤理化质的作用机制第3章 生物炭和有机肥与土壤微生态环境 3.1 生物炭与土壤微生态环境 3.1.1 生物炭与土壤细菌和真菌 3.1.2 生物炭与土壤动物 3.1.3 生物炭与土壤微生物群落 3.2 有机肥与土壤微生态环境 3.3 生物炭和有机肥联合施加对土壤微生态环境的作用 3.4 生物炭和有机肥联合施加对土壤细菌群落的影响研究实例 3.4.1 材料与方法 3.4.2 生物炭和有机肥对土壤细菌群落的影响 3.4.3 土壤细菌与环境因子相互关系 3.5 生物炭和有机肥改善土壤细菌群落的作用机制 3.6 生物炭和有机肥联合施加对沙化土壤真菌群落的影响实例 3.6.1 材料与方法 3.6.2 不同处理土壤真菌OTU分布 3.6.3 土壤真菌群落多样及结构组成 3.7 生物炭和有机肥对土壤真菌群落的影响机制 3.8 生物炭和有机肥联合施加对土壤丛枝菌根真菌群落的影响实例 3.8.1 材料与方法 3.8.2 土壤丛枝菌根真菌OTU分布差异比较 3.8.3 作物丛枝菌根真菌侵染率 3.8.4 土壤丛枝菌根真菌多样及群落结构组成比较 3.9 生物炭和有机肥对土壤丛枝菌根真菌群落的影响及机制第4章 生物炭和有机肥与土壤污染修复 4.1 土壤污染与修复 4.1.1 土壤污染与污染物 4.1.2 土壤污染的危害 4.1.3 土壤污染修复技术 4.2 炭化材料与土壤污染修复 4.3 生物炭与土壤污染修复 4.3.1 生物炭与土壤有机污染 4.3.2 生物炭与土壤无机污染 4.3.3 生物炭与污染土壤生态修复 4.4 有机肥与土壤污染修复 4.4.1 有机肥与有机污染 4.4.2 有机属污染 4.5 生物炭与有机肥在土壤污染修复中的潜能第5章 生物炭和有机肥与作物 5.1 生物炭与作物 5.1.1 生物炭与作物生物量和产量 5.1.2 生物炭与作物根系生长 5.1.3 生物炭与作物光合作用 5.2 有机肥与作物生长及产量 5.3 生物炭和有机肥与作物生长及产量 5.4 生物炭和有机肥对作物生物量及产量的影响实例 5.4.1 材料与方法 5.4.2 不同生作物生物量及生物量分配 5.4.3 作物数量状的拟合关系 5.4.4 作物产量状指标比较 5.4.5 作物花期开花动态比较 5.4.6 作物叶片生理参数的比较 5.4.7 生物炭和有机肥对作物生长和产量的影响机制参考文献彩图
摘要与插图
第1章 绪论
人类的工农业生产活动、资源开采以及城市扩张是对生态系统产生影响的主要因素（Hannah et al.，1995），人类对土地的不合理及粗放式利用引发了土地的退化问题，对退化土行合理有效的修复和改良是目前面临的重要课题。土壤改良剂能有效改善土壤理化质以及养分元素状况，作用于土壤微生态环境而提高土壤的生产力。关于土壤改良剂的研究和应用对土壤退化、提高土地生产力具有重要的理论和现实意义。
土壤改良剂按其原料来源可分为天然改良剂、合成改良剂、天然 -合成共聚物改良剂和生物改良剂。其中，天然改良括无机物料和有机物料。目前，土壤改良剂的施用量、施用方式、施用时间还没有统一的标准，部分土壤改良剂存在产生二次污染的问题，此外单一土壤改良剂存在改良效果不或有不同程度的负面影响等情况。以天然材料（是工农业废弃物）为原料研制新型能土壤改良行退化、低产土壤的改良是目前土壤改良剂研究的热点。将不同改良剂配合施用，是生物改良剂与工农业废弃物配合施用可能会产生更好的效果，但不同改良剂配合施用的方法、改良效果和改良机理有一步研究。同时，如何加强土壤改良剂对土壤物理、化学、生物学特的改良也是研究者应关注的问题（陈义群和董元华，2008）。
在南美洲亚马孙地区，有 350多公顷的前哥伦比亚时期形成的类似黑土的改良土壤，被称为亚马孙“黑土”（Terra preta de Indio），由于有机质和养分元素（如氮、磷、钙等）含量高，其肥效持续时间长。亚马孙“黑土”的改良过程是用炭化有机质材料与生物质废弃物（粪便和骨头等食余发酵的有机肥）混合，经微酵转化，形成类似生物炭-有机肥的基质（Glaser，2007）。
1.1 生物炭
“黑土”形成的关键是炭化有机材料（如 biochar，有机质含量大于 35%）的大量施入。“biochar”是“bio-charcoal”的简写，在 2007年澳大利亚召开的届生物炭研究和应用会议上得到了统一的命名。国内将其译为生物炭、生物质炭、生物质焦等，大多译为生物炭，为方便起见，本书统一采用“生物炭”一词。生物炭是有机物质（含碳的植物组织，如农业废弃物、枯枝落叶）在高温下缺氧燃烧（炭化）的产物（Preston and Schmidt，2006；Schmidt and Noack，2000）。生产条件（如温度、时间、压力和原料类型等）的不同决定了不同产物的含量和特征不同。生物炭是粉状颗粒化的木炭，是活炭的生产原料之一，三者在质和特征上具有相似，均属于黑炭。黑炭涵盖了生物质从略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质。一般认为，黑炭是有机物不燃烧产生的具有较高热稳定的焦炭（char）、木炭（charcoal）、烟灰（soot）和高度聚集的多环芳烃物质。当温度低于 600℃时，产生的主要是木炭，颗粒的粒径在 2～500μm；当温度高于 600℃时，产生的主要是黑炭，多以球粒状态存在，粒径一般小于 1μm（张红文等，2013）。目前为止，还没有明确生物炭的化学组成。Fischer和 Glaser（2012）认为，它应该是指在连续的裂解过程中形成的一类化合物（图1-1）。因此，需要对生物炭有一个范围界定。Schimmelpfennig和 Glaser（2012）根据 100种不同原料和生产条件生产的生物炭样品，建议生物炭的氧碳比（O/C）小于 0.4，氢碳比（H/C）小于0.6。生物炭有机部分具有较高的含碳量，主要由芳香类化合物构成。当这些碳环层状结构之间排列得很整齐时，则称为石墨，但是在温度不是很高的情况下形成的仍是生物炭，不会有石墨的形成（张红文等，2013）。
图1-1 材料裂解过程和生物炭结构
生物炭含碳率高、孔隙度高、比表面积大、理化质稳定（图1-2和图1-3）。生产生物炭的材料可以是农业废弃物、森林废弃物或锯末等富含碳的植物质。而且不同材料生产的生物炭，其理化质存在很大的差异。热解中的高温促使给料中的聚合分子产生芳香族和脂肪族化合物，从而产生一种稳定的大气二氧化碳潜在吸收剂和有益土壤的改良剂（Lehmann，2007）。黑炭的强稳定使其在土壤中能稳定存在 100年到上千年，而不被微生物降解。
图1-2 具多孔的花生壳生物炭扫描电镜照片（Kammann et al.，2011）
图1-3 竹子生物炭扫描电镜照片（Schneider et al.，2011）
工业上生产的炭质产品种类很多，不同生物质材料以及炭化条件不同，使得对生物炭的界定较困难。目前仍没有一个明确的标准来区分生物炭和其他类似的炭化材料，由于所有这些物质都是从加热富含碳的物质获得的，它们之间的差异较小。表 1-1比较了常见炭化材料的生产条件及内涵（孙航等， 2016）。
表1-1 常见炭化材料的生产条件及内涵
年来，随着粮食、环境和固碳减排需求的不断发展，生物炭的内涵逐渐与土壤管理、农业可持续发展和碳封存等相联系（陈温福等，2013）。生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有 60%以上的碳元素（表 1-2），含有的其他元素主要有氢、氧、氮、硫等（Goldberg，1985）。生物炭的元素组成与制炭过程中的炭化温度密切相关，具体表现为在范围内，随炭化温度的升高，碳含量增加，氢和氧含量降低，灰分含量也有所增加（Schmidt and Noack，2000）。生物炭的可溶极低，熔沸点备极强的吸附能力和能力。在制炭过程中，原料的细微孔隙结构被完好地保留在生物炭中，使其具有较大的比表面积。生物炭的多孔、巨大比表面积及羧基基团赋予生物炭强吸附能力，使其具有较大的阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）。与生物炭质的不均一相比，生物炭的 pH波动相对较小，大部分为中或偏碱。Chan和 Xu（2009）综述了不同材料生产的生物炭的 pH，发现其值在 6.2～9.6，均值为 8.1。低 pH的生物炭多由植物残体和树皮为原材料制得；较高 pH的生物炭由牲畜粪便为原材料获得。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化质稳定是生物炭固有的特点，也是生物炭能够还田改土、提高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础（陈温福等，2013）。
表1-2 几种典型生物炭的理化质
注：EC（electric conductivity）表示土壤电导率， TOC（total organic carbon）表示土有机碳， TN（total nitrogen）表示土氮，C/N表示土壤碳氮比，全书同
1.2 有机肥
有机肥是富含有机质的原料经过多种微生物分解和发酵后的产物。经过微生物作用的堆肥产物中的致病菌和植物种子可以得到有效清除，因此，利用堆肥技术可以有效地将有机废弃物转化为相对稳定的腐殖质，经堆肥后的有机肥可以作为土壤改良剂或有机肥料（Wu et al.，2017）。有机肥的使用有着的历史（Akhter et al.，2015），但是关于堆肥的生物学过程的科学研究几十年才见报道。
堆肥方式有多种，根据需要可以使用小型的家用反应器，中型的在农田使用的反应器，也可以使用大型的行规模化生产的仪器。但是，不管哪种工艺技术，堆肥基本的生物、化学和物理学质都是一样的。堆肥过程中需要考虑的因素有堆肥材料的选择和调整、堆肥基质的降解能力、湿度的控制、空气含量、能衡以及分解和稳定过程等（Fischer and Glaser，2012）。
有机肥的堆肥过程可以分为四个阶段：中温—高温—降温—腐熟。每一阶段持续的时间与原料的配比、含水量、孔隙度、微生物种群的质量和组成有关（Neklyudov et al.，2006）。在中温阶段，富含活有机碳的基质被喜中温环境（一般 15～40℃）的细菌、放线菌和真菌快速代谢。由于需要氧气的参与，此过程产生热。将堆肥材行翻拌可以暂时降低其温度，但翻拌后使微生物可利用的材料增加，加速了分解过程，使温度再次升高。在高温阶段，温度能升高到 40℃以上，主要菌群是放线菌和嗜热细菌，如芽孢杆菌。当材料中的易利用碳减少后，温度逐渐降低入降温阶段。真菌继续分解剩余的、较难降解的木质素和纤维素。放线菌对分解和冷却反应中腐殖酸的产生起重要作用。后的腐熟阶段温度降到 25℃以下，好氧微生物的氧气摄取率降低。此阶段难降解的有机物质继续被分解，而且，中型和大型土壤动物开始参来。此阶段的微生物能够代谢植物毒素，对有机肥的熟化和植物病原菌的有益。因此，后一阶段能够提高有机肥的质量。腐熟后有机肥的碳氮比为 15～20，pH较高。肥料中含有大量的植物可利用的 NO3 .以及有机碳等养分（表 1-3）。此外，肥料的气味降低。重要的是，原料的有机质稳定化，含有大量稳定的碳质化合物。因此，有机肥施用后，能影响土壤生物、化学和物理质以及土壤的可持续利用途径。
1.3 炭基肥
施加生物炭对土壤理化质也可能无影响或产生负面影响（Busscher et al.， 2010）。生物炭中的碳多为高分子芳香结构，较难被植物直接吸收，使其供作物直接吸收的养分含量很少，单独施加可能不会很大程度上提高特定土壤的养分元……