生物炭在土壤中反应的研究外文翻译资料

 2022-12-23 14:59:40

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csiro出版

www.publish.csiro.au/journals/ajsr 澳大利亚土壤研究杂志，2010,48,501-515

生物炭在土壤中反应的研究

SD Joseph ，M.Camps-Arbestain ，Y.Lin ，P.Munroe，CH Chia，J.Hook ，

L. van Zwieten ，S.Kimber ，A.Cowie ，BP Singh，J.Lehmann，N.Foidl，

RJ Smernik and JE Amonette

摘要：生物炭，土壤，微生物和植物根部之间的相互作用可在施用于土壤后的短时间内发生。然而，这些相互作用的程度，速度和含义还远未被理解。该综述描述了生物炭的性质，并提出了将生物炭加入土壤后可能发生的反应。这些包括溶解 - 沉淀，吸附 - 解吸，酸 - 碱和氧化还原反应。注意在孔隙内发生的反应，以及与根，微生物和土壤动物的相互作用。对在澳大利亚Ferrosol中风化1年和2年的生物炭（来自鸡舍，绿色废弃物和造纸厂污泥）的检查提供了本综述中描述的一些机制的证据，并提供了对分子尺度反应的见解。这些相互作用是生物炭和特定位点的。因此，需要进行适当的实验试验 - 结合生物炭类型和不同的气候条件 - 来确定这些反应在多大程度上影响生物炭作为土壤改良剂和碳封存工具的潜力。

附加关键词：表面电荷，热解，氧化还原，土壤改良，土壤碳，碳固存，土壤有机质，生物炭 - 土壤矿物。

前言

生物炭是一种富含碳的固体材料，通过在氧气限制的环境中加热生物质而生产，并且旨在作为螯合碳（C）和维持或改善土壤功能的手段添加到土壤中。已知生物炭，土壤，微生物和植物根之间的相互作用在施用于土壤后的短时间内发生（Lehmann和Joseph）2009).然而，这些相互作用的程度，速度和影响仍远未被理解，并且需要这种知识来有效评估生物炭作为土壤改良剂和C螯合工具的使用。最近的研究表明在土壤中发生的相互作用的类型和速率（例如吸附 - 解吸，沉淀 - 溶解，氧化还原反应）取决于以下因素：（i）原料组成，特别是总百分比和特定的

矿物组分的组成;（ii）热解工艺条件;（iii）生物炭粒度和输送系统;和

  1. 土壤特性和当地环境条件。

高温热解（gt; 5508℃）产生通常具有高表面积（gt; 400m2/ g）的生物炭，因此，非常顽固地分解（辛格和考伊2008），是良好的吸附剂（Mizuta et al.2004;利马和马歇尔2005).低温热解（lt;5508C），另一方面，有利于C和更多的恢复营养素（如N，K和S）在较高温度下逐渐丧失（Keiluweit等。2010).预计具有较低凝聚C结构的低温生物炭在土壤中比高温生物炭具有更高的反应性，并且对土壤肥力有更好的贡献（Steinbeiss等。2009).事实上，盆栽和田间试验表明，高矿物灰生物炭在某些情况下，在低于500℃的温度下生产

copy; CSIRO 2010 10.107 半 0004-9573/10/070501

比在更高温度下产生的更顽固的生物炭更高的作物产量（Chan et al.2008).基于这种更高的反应性，低温生物炭与矿物质和污泥混合，以平衡修正的营养成分，盆栽和田间试验的结果现在进入科学文献（Chia et al.2010).但是，在180-350℃的温度下操作窑时必须确定最佳加热速率和浸泡时间，然后在生产过程中采用，以避免产生浓度足够高的化合物，如酸性醛等植物或苯酚（Bridgwater和Boocock2006).

本文回顾了目前对生物炭在土壤中反应的理解，并报道了生物炭在土壤中（澳大利亚Ferrosol）进行了1 - 2年的田间试验的最新发现。由于生物炭 - 土壤相互作用预计对低温生物炭更强烈，因此这项工作重点关注它们;但是，某些方面适用于其他生物炭。

生物炭的性质

在温度lt;5508℃下生产的生物炭，特别是那些灰分含量高的生物炭，具有复杂的表面和

内部特性导致与土壤成分的复杂相互作用（Shinogi等。2003;阿蒙特和约瑟夫2009).低温生物炭主要是无定形C结构，其芳香性低于高温生物炭（McBeath和Smernik）2009;Keiluweit等。2010).生物炭的形态类似于母体材料的形态;例如，木质生物炭具有管胞的外骨骼，而鸡粪生物炭具有异质结构，包括烧焦的种子残留物，头发，蛋白质，消化食物，垫料和矿物质。孔结构，尺寸分布，体积和总表面积是原始生物质原料的性质以及工艺条件的函数（Downie等人。2009;Keiluweit等。2010).大多数物理，电气和化学性质随着最终热处理温度和时间的增加而变化，直到达到大部分碳以石墨形式存在的点（Antal和Groslash;nli）2003).随着热处理温度的升高，碳晶格中的一些金属可以挥发（例如K在-408℃开始），灰相改变它们的形态（从晶体结构转变为无定形结构，反之亦然，例如二氧化硅）或化学成分通过分解，氧化或还原（Wornat等.1995;Bridgwater和Boocock2006).

生物炭的pH和电导率取决于矿物组分的含量和组成（也称为灰分），而这又取决于原料的类型和生产生物炭的工艺条件（Chan）和许2009;辛格等人.2010).生物炭的营养成分也很大程度上受原料类型和热解条件的影响（Singh等.2010生物炭中营养素的可用性与所涉及的元素相关的键的类型有关（De Luca et al.2009;姚等人。2010).磷主要存在于灰分中，具有pH依赖性反应和控制其溶解的螯合物质的存在（De Luca et al.

2009).生物炭中的钾通常可供植物使用（Amonette和Joseph2009).相反，生物炭的氮可用性已经显示出很大的变化取决于热解的最终温度，加热速率，在最终温度下保持的时间和原料的类型（Amonette和Joseph）2009).虽然一些研究人员已表明N的可用性较低（Gaskin等。2008;姚等人。2010并且表明N主要以杂环N存在，其他人已经观察到来自鸡垃圾生物炭的大量氮的可用性（Chan等人2008），主要在生物炭表面发现硝酸盐。

存在于生物炭的C结构内的矿物组分在结构有序性的范围内不同（Yao等人.2010）和电气和磁性。石原（1996)

据报道，在lt;3008℃，300-8008℃和gt; 8008℃下碳化的木炭分别充当绝缘体，半导体和导体。矿物之间的界面

相和非晶C可以具有高缺陷结构，包括纳米级孔（图2）。1），可以优先发生反应。生物炭颗粒表面在土壤中的高反应性部分归因于存在一系列反应性官能团，其中一些是pH依赖性的（Cohen-Ofri等.2007;阿蒙特和约瑟夫2009;程和莱曼2009;Keiluweit等。2010).

储存和掺入的方法

如果生物炭与潮湿空气接触，生物炭颗粒的初始风化可能会在储存过程中发生（Boehm.2001).这种现象称为“老化”

1000纳米

图1.在350℃下生产的鸡粪生物炭的明视场TEM图像。较浅的灰色相是无定形碳;小白色区域是毛孔;黑暗相是碳酸钙。碳酸盐相包含由位错壁组成的低角度晶界。（资料来源：康奈尔大学生物炭;新南威尔士大学新南威尔士大学图片。）

由于暴露的C环氧化，具有高密度的p电子（Contescu等.1998）和自由基（Montes-Moraacute;n等人.2004).如果生物炭与可分解的混合

有机材料，如堆肥，储存过程中的风化反应（例如C氧化，矿物成分溶解）得到增强（Yoshizawa等.2007;迪亚斯等人.2010).

生物炭掺入土壤的方法可能会改变生物炭的结构和粒径，这可能会影响矿化速率，如野火炭所见（Nocentini等。2010）和持水能力。与其他方法相比，耕作导致更大的土壤机械扰动，例如深带或直接钻井。用生物炭修正的土壤机械扰动已被证明可以在破碎后数周内促进生物炭分解（Kuzyakov等。2009).这些作者认为，聚集体的破坏和天然有机物暴露于微生物攻击促进了生物炭的共代谢分解。迄今为止使用的大多数常用方法（使用旋转犁，深带进行扩散和结合）涉及到

将大量生物炭（gt; 5吨/公顷）加入土壤中，深度为60-100毫米（Blackwell等。2009;Major等人。

2009a).

生物炭放入土壤时的初始反应

概观

很少有研究确定生物炭风化和在生物炭施用于土壤后的最初几周内发生的反应（Singh和Cowie.2008;Kuzyakov等人.2009).生物炭在添加到土壤之前可能已经开始老化，一旦它被掺入土壤中，其持续老化的速度部分受到水分条件的控制和温度。

系统。由于p-电子的路易斯碱性，生物炭颗粒周围的pH也会最初增加（Contescu等.1998然后随着酸性官能团的形成而减少

在生物炭表面上（Cheng et al.2006;程和莱曼2009).在高灰分生物炭中，碱性盐引起的pH增加可能大于表面氧化引起的pH降低，即使在较长时间范围内也是如此（Nguyen和Lehmann）2009).

随着时间的推移，生物炭中存在的一些有机化合物可以释放到溶液中;例如，在金合欢（Acacia saligna）生物炭（在400℃下生产，热处理时间为30分钟）和低温下生成的生物炭 - 矿物复合物的沥滤液中检测到一系列生物聚合物和低分子量化合物（Henderson，unpubl）数据;图2).释放的有机化合物的量和类型高度依赖于生物炭特性和环境条件。检测到100年前木炭沉积在土壤孔隙水中的稠合芳环结构，

80

BMC 10times;稀释

A. saligna 10times;稀释

LMW中性

项目：Biochar 210409

奥尔德乌夫德

生物大分子

Humics积木

LMM酸和HS

75

70

65

60

55

50

相对。信号响应

45

40

35

生物炭衍生的CO2 的直接演变

在最初的2周内观察到了土壤（Singh和Cowie2008;Hilscher等。2009;Kuzyakov等人。2009）经过修正后，随着时间的推移会逐渐呈指数下降（辛格和考伊2008;Kuzyakov等人。2009).与矿物风化一样，水的存在将在溶解，水解，碳酸化和脱碳，水合和氧化还原反应等过程中起主要作用，影响土壤中生物炭的风化，以及与土壤生物群的相互作用。这些反应发生的速率取决于反应的性质，生物炭的类型和pedoclimatic条件。这些反应在下面讨论。

溶解 - 沉淀反应

可溶性盐和有机物的溶解和浸出

30

25

20

15

10

5

0

图2。

0 20 40 60 80 100

保留时间以分钟为单位

液相色谱 - 有机碳检测（LC-ODR）

存在于生物炭中的化合物将是最早的反应之一，特别是如果土壤湿润并且有降雨事件（Shinogi等人。2003;Major等人。2009b).可溶性盐（例如K和Na碳酸盐和氧化物）的初始溶解可以在生物炭颗粒周围的水膜中产生pH增加。然而，在浸出环境中，随着这些盐从系统中消失，pH将趋于降低;这种减少的程度取决于浸出的强度和酸的缓冲能力

来自在400℃下产生的金合欢生物炭的不同有机分子的光谱以及该生物炭与粘土，鸡砂和碳酸钙的混合物在220℃下烘烤6小时。（来源：来自Anthroterra Pty的生物炭; LC-ODR R Henderson UNSW博士。）定义：生物聚合物，蛋白质和多糖;腐殖质，结构和分子量与腐殖酸和富里酸的标准相似;积木，腐殖质的氧化产物;LMW酸和腐殖质，低分子量腐殖质和小酸，例如羧酸;低分子量中性，不带电的小有机物;OND，有机氮检测;UVD，紫外线检测。

在混合硬木森林的火灾事件中。这与Kuzyakov等人的研究结果形成对比。没有检测到来自与土壤混合的黑麦草生物炭中的 14C标记的黑色C残留物的任何溶解的有机C的存在。

无机化合物的沉淀反应可能是重要的，特别是在经受润湿和干燥循环且具有最小浸出的土壤中。随着土壤变干，溶液中的离子活性增加。一旦离子活性产物达到饱和点，就形成新的沉淀物。这些过程在小孔内增强，例如生物炭中存在的那些，因为他们有缓慢的水渗透。这将反应产物浓缩在溶液中，从而促进沉淀（Lasaga1998).在酸性土壤中，一层铁（氢）氧化物或氧化铝可沉积/沉淀在生物炭的一部分上（参见下面的部分：多年观察到的变化）。在钙质土壤中，在生物炭的表面和孔隙中观察到非常低的Fe和Al氧 - 氢氧化物积累（N.Foidl等，未发表数据），其主要是碳酸盐的存在。

氧化还原反应

分解有机碎屑可以被视为电子泵，为土壤系统中存在的更多氧化物质提供电子（Chesworth2004).已经转化为生物炭的生物质在大多数表层土壤的氧化条件下仍然是热力学不稳定的（图2）。3;

1.2

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