黄土高原区域生物炭之土壤水动力效应

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1、黄土高原区域生物炭之土壤水动力效应第一章前言1.1生物炭的概念和性质从发现亚马逊黑土开始，人们展开了对生物炭研究。生物炭，又称生物质炭（biomass-derivedblackcarbon或biochar）是指在完全或部分缺氧和相对低温（<700℃）条件下通过热解将含碳丰富的有机生物质炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质（AntalMJandGronliM2003）。制备生物炭的原料广泛，主要以农业活动产生的有机废弃物如木屑、秸秆、果壳、畜禽粪便、水生植物和藻类等为主，产生于工业活动和城市生活中固体废弃物等也可以作为原料。制备生物炭的原材料种类、热解过

2、程中的氧气含量、热解时的温度和热解时间都对生物炭性质有较大影响。生物炭的元素组成主要有C、H、O等（张旭东等2003），其中C含量一般在60%左右，其次还包括灰分（如K、Ca、Na、Mg、Si等）。生物炭具有多芳香环和非芳香环结构的复杂结构，而且还含有许多脂肪族和氧化态碳结构物质（SchmidtMAetal2007）。生物炭通常呈碱性，这是由于生物炭中的矿质元素以碳酸盐形式（如Na、K）或以氧化物的形式（如Mg、Ca等）存在，这些物质溶解于水中呈碱性。热解温度对生物炭pH值影响较大，灰分含量随热解温度升高而增加，且pH值增大。Hossain等（2011）发现较

3、低温度下（300℃和400℃)制备的生物炭pH<7，较高温度下（700℃）制备的pH>7。生物质炭能够调节土壤pH，提高土壤的盐基饱和度，是比石灰更有益的酸性土壤中和剂。生物炭多由高度扭曲、紧密堆积的芳香环片层组成，扫描电镜下显示生物炭表面多孔性特征显著（LehmannJandJosephS,2009），因此生物炭比表面积巨大，表面能高。Kishimoto和SugiuraG（1985）估算结果认为400~1000℃生成的木炭，其表面积为200~400m2•g-1。其次，大量的负电荷聚集在生物炭的表面，使生物炭的特性之一就是具有高电荷密度，

4、并且生物炭表面具有丰富的官能团，包括羧基、羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，这些含氧、含氮、含硫的官能团使生物炭对于酸碱的具有缓冲能力，而且表现出一定的亲、疏水特性。其中羧基和羟基是生物炭表面带负电荷的主要原因，且随热解温度升高而减小，生物炭酸性基团减少，碱性基团增加，总官能团减少。生物炭的比表面积和表面负电荷，具有较高的CEC，可以吸附土壤中大量交换态阳离子，提高土壤的阳离子交换量。而且生物炭的CEC还与它的O/C比值相关，且CEC随生物炭的O/C比的升高而增加。因此，存在在土壤中的生物炭，随时间增加其表面含氧官能团增加，生物炭老化。Dool•kg

5、-1，而周边土壤为15cmol•kg-1。正因为具有这些性质，所以不论是在水中、土壤中或者是在沉积物中，生物炭都能够固定和吸附无机离子（如Zn2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+和NO3-等）及极性或非极性有机化合物。一般来说，生物炭被看做是一种惰性物质。它主要由单环和多环的芳香族化合物组成，具有相对较高的生物化学和热稳定性。而且生物炭含有丰富的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子，能够在土壤中形成有机-无机复合物和团聚体，通过物理保护作用，降低土壤微生物的对生物炭的分解作用（潘根兴等2007）。DavidALaird（2008）发现生物炭富集于小于53&

6、mu;m的土壤微团聚体中。Glaser等（2002）研究巴西热带土壤发现，生物炭被包裹于有机无机复合体中，所以不易被氧化和被微生物利用。因为不易被矿化，可长期保存于环境和古沉积物中，生物炭被认为是稳定的CO2储库（AnteFetal2004）。生物炭在土壤中的滞留时间由其矿化过程决定，生物碳矿化的过程取决于多种因素，如生物炭组成、化学性质、炭化条件、气候、土壤性质以及微生物等（ChengCHetal2006）。Kuzyakov等（2009）对黑麦草制备的生物炭的滞留时间进行试验分析，通过14C标记法研究发现在理想条件下，每年生物炭的降解速率是0.5%，但是在一

7、般自然条件下，生物炭在土壤中的滞留时间大约是2000年。根据Goldbe等（1997）的研究，目前普遍认为生物炭降解主要有三种机制：光化学裂解、微生物降解和无机分解。土壤中大颗粒生物炭逐渐分解成小颗粒，被光化学裂解过程氧化，或者随水分淋失到土壤剖面的下层，经过微生物作用转化成土壤有机碳（张旭东等2003）。Potter于1908年首先研究发现微生物能够氧化生物炭（ForbesMSetal2006）。Baldock等（2002）发现生物炭的降解速率与形成生物炭的热解温度有关。第二章生物炭对土壤饱和导水率的影响2.1引言土壤饱和导水率是指土壤水饱和时，即土壤所有的

8、大小孔隙都充满水时，单位土水势梯度下的