鹽生植物生物炭改良鹽堿地前景探討

李俊哲 徐澤 劉昱彤 遲旭 穆婉瑩 王佳楠

摘要：我國具有豐富的鹽生植物資源，鹽生植物對鹽堿地具有改良和修復作用。大部分鹽生植物由于鹽分過高不宜直接還田，因此將其制成生物炭并進行一定的改性、脫鹽處理可實現鹽生植物的回收再利用。本文對鹽生植物制取生物炭的原理、過程、意義及其前景進行了綜述，為后續鹽生植物制取生物炭改良鹽堿地的研究與利用提供依據。

關鍵詞：生物炭;鹽堿土;鹽生植物

中圖分類號：X171.4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0093-04

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.015

Prospects of improving saline alkali land with halophyte biochar

Li Junzhe， Xu Ze， Liu Yutong，Chi Xu，Mu Wanying，Wang Jia'nan

（Nankai University Binhai College，Tianjin 300270，China）

Abstract：China is rich in halophyte resources.Halophytes can improve and repair saline alkali soil.Most halophytes are not suitable to be returned to the field directly because of the high salinity.After modification and desalination of halophytes， the halophyte biochar can be recycled.In this paper， the principle， process， significance and Prospect of halophyte biochar are discussed.This study provided the basis for the further research and utilization of halophyte biochar.

Key words：Biochar;Saline-alkali soil; Halophytes

背景

鹽堿地是我國廣泛分布的土壤類型之一，其所占土地總面積達3.6×105km2，占全國可利用土地面積的4.88%，并且每年約有10×104km2土地因鹽堿化而廢棄[1]。合理利用鹽堿地資源并對鹽堿地進行充分的改良和維護可以充分促進鹽堿地區的經濟和農業發展。據研究，在鹽堿地上種植鹽生植物可以改良鹽堿地并提高土壤肥力。根據趙可夫的調查研究，我國約有600種鹽生植物的存在[2]。鹽生植物在改良鹽堿地后植物體內鹽分含量將會升高，如果直接還田會導致土壤鹽分的增加。為了實現廢棄物循環利用，將此類鹽生植物經脫鹽處理后制取生物炭，可實現鹽生植物的還田再利用。生物炭對土壤的物理、化學、生物學和土壤作物生長都有著一定的改良效果，研究表明生物炭對鹽堿地也有著一定的改良效果[3]。因此將鹽生植物脫鹽處理并制取生物炭對鹽堿地改良和鹽生植物充分利用及固體廢棄物處理上均具有重要意義。

1? ? 鹽生植物制取生物炭的原理

全球的鹽生植物共有約1500余種，其中在中國已發現共有超過500種[4]。此類植物可以定義為在高含鹽量的生境中能生長并完成其生活史的植物[5]，通過吸收鹽堿土壤中的鹽分使得鹽堿土被改良，并且此類植物體內的鹽分含量隨著植物生長年限的不斷增長而增多。利用此類鹽生植物制取生物炭一方面是對此類植物的良好利用，另一方面“取之于鹽堿、用之于鹽堿”的模式對循環生態的發展有著重要的利用價值。

生物炭是由有機物在缺氧的條件下燃燒制備而成的，具有較大的比表面積、豐富的孔隙結構和官能團的物質。不同原料制備的生物炭其原料自身元素的含量、種類不同，受溫度、pH 值等的影響，生物炭中的元素含量也會有所變化。生物炭的pH通常呈堿性，但由于裂解溫度對pH的影響也可有酸性生物炭。本技術所用到的生物炭pH需要為酸性。其可利用于農田，在增加土壤養分、減少溫室氣體的排放和減少化學肥料的使用方面有重要的作用。在改良土壤的理化性質方面，它有調節土壤的pH值、緩解土壤的鹽堿化、增加土壤的持水能力、改善土壤的重金屬污染等作用[6]。生物炭具有豐富的孔隙結構和官能團，而鹽生植物制取的生物炭的酸堿性，與制取生物炭的熱裂解溫度和鹽生植物的種類有關。生物炭pH值范圍在5～12（平均為9.15）[7]，通過生物炭酸化處理的研究實例，豬毛菜在300℃的條件下制取生物炭時，酸性基團含量比原材料提升了39%[3]。當然，除了熱裂解使酸性基團產生變化外，還可以在生物炭制取過程中添加硝酸等多種酸性物質使生物炭進行酸化[8]。目前已有團隊通過對動物糞便或生長自鹽堿地的花生殼進行炭化和酸化處理得到酸性生物炭[8，9]。

大多數種類的生物炭表面帶有負電荷，它的陽離子交換容量要高于陰離子交換容量，因此這樣的生物炭吸附能力較弱。為了提高其吸附能力，通常會對生物炭進行改性。陳友媛將鹽生植物滸苔[10]經過簡單地粉碎處理后加熱至400℃，冷卻后得到原始的生物炭，對其使用H3PO4溶液進行改性，制成改性生物炭，可有效降低土壤堿性并吸附土壤中Na+，從而降低土壤鹽堿度。李三姍將蘆葦洗凈晾干后粉碎加熱至700℃使其熱解，用濃鹽酸改性[11]，也制成了同樣的改性生物炭。生物炭一方面可以增加土壤的肥力，減少空氣中碳含量;另一方面，生物炭對于不同種類的土壤效用不同。此外，生物炭作為隔鹽層在鹽堿土淋洗改良中的作用效果要優于傳統的礫石隔鹽層，因此，鹽生植物制取生物炭還可以應用在作為土壤隔鹽層對鹽堿地進行改良[12]。同時鹽堿植物制成的生物炭施用對鹽堿土的速效養分和酶活性都具有積極地影響效果，因此這方面的研究對鹽堿地的改良也具有十分重要的意義[13]。

2? ? 鹽生植物制取生物炭的原料和操作

生物炭的制備原料很多，秸稈、果殼、果皮等都可以制成生物炭，但目前利用鹽生植物制取生物炭的研究相對較少。本著循環經濟的原則，采用鹽生植物進行生物炭制備并直接還田，具有節能、高效、降低經濟成本的優點。由于鹽生植物耐鹽、稀鹽、泌鹽等特性，導致鹽生植物體內含鹽量較高，因此在生物炭制備過程中的脫鹽和改性處理技術至關重要。

目前鹽生植物制取生物炭主要依靠的技術是熱裂解技術，通過不同的裂解溫度，使其中所含有的酸堿基團的含量有所變化，使鹽生植物在制取生物炭的過程中保證其pH達到可起到改良鹽堿地效果的酸性。鄭浩的研究表明，采用慢速熱解法可保證在產量較大的條件下制備出適用于鹽堿地的生物炭。以鹽堿地生長的花生殼為例，可使用350℃熱解2h，這樣既可以確保其熱解時間充分，也可以保證其產量較大，并保留了其中的大部分養分。之后可使用酸性物質（如硝酸等）對制備生物炭進行轉型，并通過純凈水對pH進行調節，最終確保制備出的生物炭符合改良鹽堿地的基本特征[14]。

3? ? 鹽生植物制取生物炭的效果和影響

3.1? ? 對土壤成分的影響

生物炭對鹽堿土理化性質的改良主要體現在對土壤容重、水分、孔隙、土壤團聚體有機質和養分等方面的影響，同時具有固碳、保肥、儲存養分、促進種子的萌發和幫助植物生長發育、提高植物出苗率和促進幼苗生長等作用[15]。生物炭的多孔特性和低密性可增加土壤孔隙度，在一定程度上可改善土壤通氣性能[16]。其還可以降低土壤容重，提高土壤的持水能力和水穩性大團聚體的數量[17]，降低土壤板結程度，提高土壤養分含量，降低土壤鹽堿度[18]。生物炭還含有大量植物所需的營養元素及中、微量元素，為植物生長發育提供了養分，因此在提高土壤保肥性能方面具有很大優勢。另外生物炭的結構便于與重金屬離子結合，可有效去除土壤中所含有的重金屬元素[19]。

生物炭改善植物礦物營養的同時，還可改善鹽堿土地的微環境。其多孔結構可以為微生物提供良好的棲息地和繁殖條件，提高土壤中的生物酶活性，同時生物炭中所含的多種元素也為微生物提供了營養物質，提高了土壤微生物的數量、豐富度和群落結構[20]。

3.2? ? 對環境的影響

將耐鹽植物和廢棄物進行炭化制備生物炭不僅產出率高、效果明顯，還可有效提高農業廢棄物資源化利用。有研究表明，生物炭還田可減少溫室氣體的排放，添加量較低時抑制土壤水分蒸發，降低土壤表面反鹽度，提高洗鹽效果，縮短鹽分洗脫時間[3]。生物炭與腐菌劑配合施用可降低鹽堿土的水溶性鹽含量，與環保酵素配合施用可大幅度提高土壤脫鹽脫堿能力，降低土壤鹽堿化，提高土壤肥力[21]。生物炭與黃腐酸混合施用可加速土壤自然板結退化，抑制鹽分積累，對鹽堿土的耕地化改良很有利。在農業生產方面，生物炭與化肥按一定比例制成生物炭基肥，能較好地控制化肥施用量，提高作物產量，改善生長環境，對土壤起到保護作用，達到改良土壤的效果。

3.3? ? 對循環經濟的影響

鹽生植物制取生物炭提高了鹽堿植物和為改良鹽堿地而栽種的最終被廢棄的植物資源的利用率，減少了由于鹽生植物在改良鹽堿地后浪費、處理不當所帶來次生環境問題或回收方面的困難，是一種對環境友好的鹽堿地改良技術，同時也符合循環農業取之于地，用之于地的標準。

參考文獻

[1]楊勁松.中國鹽漬土研究的發展歷程與展望[J].土壤學報，2008（05）：837-845.

[2]趙可夫，周三，范海.中國鹽生植物種類補遺[J].植物學通報，2002（05）：611-613，628.

[3]岳燕. 耐鹽植物生物質炭特性及對鹽漬化土壤改良培肥的作用與機理[D].中國農業大學，2017.

[4]趙可夫，李法曾，樊守金，馮立田.中國的鹽生植物[J].植物學通報，1999（03）：3-5.

[5]Waisel Y.Biology of halophytes[M].New York and London：Academic Press，1972：395.

[6]劉瑩. 生物碳對土壤保水性的影響研究[D].河北工程大學，2020.

[7]桂利權，張永利，王燁軍.生物炭對土壤肥力及作物產量和品質的影響研究進展[J].現代農業科技，2020（16）：136-139+141.

[8]陳冠益，孫于茹，鐘磊等.一種適用于鹽堿地土壤的酸性生物炭肥及其制備方法[P]. 中國專利：CN110790607A， 2020-02-14

[9]王震宇，鄭浩，羅先香，陳蕾，夏陽.一種改良鹽堿土的酸性生物炭改良劑及其制備方法[P]. 中國專利：CN106381150A， 2017-02-08

[10]陳友媛，王翔宇，吳海霞，孫萍，吳丹.滸苔生物炭對濱海鹽堿土Na+的吸附遷移機制研究[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2019，49（S1）：85-92.

[11]李三姍，王楚楚，何曉云，等.改性水生植物生物炭對低濃度硝態氮的吸附特性[J].生態與農村環境學報，2018，34（4）：356-362.

[12]田飛，張楚涵，王國強，張金龍，張凱.生物炭隔鹽層在鹽堿土淋洗改良中的應用效果[J].水土保持學報，2020，34（02）：302-308.

[13]李少朋，陳昢圳，周藝藝，王婧.生物炭施用對濱海鹽堿土速效養分和酶活性的影響[J].南方農業學報，2019，50（07）：1460-1465.

[14]Hao Zheng，Zhenyu Wang，Xia Deng，Jian Zhao，Ye Luo，Jeff Novak，Stephen Herbert，Baoshan Xing. Characteristics and nutrient values of biochars produced from giant reed at different temperatures[J]. Bioresource Technology，2013，130.

[15]Ameloot N.， Neve S. D.， Jegajeevagan K.，Yidiz G.， Buchan D.， Funkuin Y. N.， Prins W， Bouckaert L.， Sleutel S. Short-term CO2 and N2O emissions and microbial properties of biochar amended sandy loam soils. Soil Biology and Biochemistry， 2013，57： 401-410 ameadment on soil enzyme activities by assay optimization， Soil Biology and Biochemistry 2011，43： 296-301.

[16]袁帥，趙立欣，孟海波，沈玉君.生物炭主要類型、理化性質及其研究展望[J].植物營養與肥料學報，2016，22（05）：1402-1417.

[17]Peake LR，Reid BJ，Tang X.Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils，Geoderma，2014，235-236;182-190.

[18]韓劍宏，李艷偉，姚衛華，張連科，余維佳，焦麗燕.玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質炭及其對鹽堿土壤理化性質的影響[J].水土保持通報，2017，37（04）：92-98+105.

[19]郭文娟，梁學峰，林大松，徐應明，王林，孫約兵，秦旭.土壤重金屬鈍化修復劑生物炭對鎘的吸附特性研究[J].環境科學，2013，34（09）：3716-3721.

[20]劉鴻驕，侯亞紅，王磊. 秸稈生物炭還田對圍墾鹽堿土壤的低碳化改良[J]. 環境科學與技術，2014，37（1）：75-80.

[21]劉澤霞. 生物炭和環保酵素聯合對鹽堿土改良效果的研究[D].內蒙古科技大學，2019.

收稿日期：2020-10-06

基金項目：2020年大學生創業訓練項目，項目編號：202013663052。

作者簡介：李俊哲（2000-），男，漢族，本科在讀;徐澤（1979-），男，漢族，副教授。

通訊作者：王佳楠（1981-），女，漢族，高級實驗師。