生物质炭在我国蔬菜地应用的研究现状与展望
是生物质在限氧环境中经过热化学转化产生的固体物质，它在土壤改良、和碳封存等方面具有广阔的应用前景。文章针对我国蔬菜地面临土壤酸化、土壤次生盐渍化、面源污染和等问题，通过查阅和汇总生物质炭在我国蔬菜地的应用文献，总结和分析了生物质炭在我国蔬菜地的应用现状，深入挖掘其在影响蔬菜地土壤理化性质、温室气体排放、面源污染和重金属迁移等方面的效应及其影响机制。
研究表明，生物质炭可提高土壤阳离子交换量、增加土壤中含氧官能团的数量、减小土壤容重等、从而减缓养分的流失，改善土壤理化性质，促进蔬菜增产;生物质炭可减弱重金属在土壤中的生物有效性和可迁移性，钝化其在土壤中的迁移。然而，不同制备工艺的生物质炭性质差异较大;生物质炭在不同区域不同蔬菜地土壤应用时出现结果不一致;缺乏生物质炭的负面效应报道等问题。
因此，今后的研究方向应在蔬菜地进行区域间生物质炭的横向对比研究;将短期与长期蔬菜地定位试验相结合进行纵向比较研究;降低生物质炭的成本、识别其潜在风险，为推广生物质炭在我国蔬菜生产领域的应用、建立可持续农业发展模式具有重要意义。
前 言
生物质炭是生物质在限氧或无氧条件加热分解而获得的含碳量丰富的固态物质。众多的研究结果表明生物质炭在农业生产方面具有广阔的应用前景。国内外的研究涵盖了生物质炭提高作物产量、改良土壤性质、提高发酵产物肥效、固定重金属在土壤中迁移和减少温室气体减排等方面的研究。
蔬菜地是特殊的旱地农业生态系统，其具有高施肥量、高复种指数、高经济效益、高频度农事操作等特点。针对我国蔬菜地土壤出现的退化现象，研究表明生物质炭能够增加蔬菜地土壤有机碳含量，有效减少N2O 排放;也可作为改良剂对酸化土壤、黏重土壤以及盐渍化土壤进行改良。生物质炭在蔬菜地生产领域的应用研究日益受到关注，有必要成为改良蔬菜地土壤的措施之一。
本文从生物质炭对蔬菜地土壤环境的影响及其作用机制两个方面出发，重点阐述了近年来我国蔬菜地应用生物质炭的研究进展，总结和分析了生物质炭在提升蔬菜产量和品质、减缓温室气体排放、削减面源污染和钝化重金属迁移等方面的机理机制，以期为改良蔬菜地土壤性质、提高氮肥利用率、削减菜园面源污染和减缓温室气体提供理论基础。
1 生物质炭的性质及其影响因素
生物质炭含有稳定的碳元素，其中碳主要由芳香烃、单质碳或具有类石墨结构的碳构成。这样的表面结构特性决定了它具有较高的化学稳定性和生物学稳定性。生物质炭具有丰富的表面微孔结构，比表面积较大，吸附能力较强，对重金属、无机物、有机污染物具有较高的亲和性，能较强地吸附它们并影响其在土壤中的迁移、降低其在土壤中的生物可利用性或减少其流失。生物质炭可为作物生长提供养分补充，在农田土壤改良，发酵调控等方面具有改善作用。
不同的炭化原料、炭化工艺产生的生物质炭性质差异较大，而生物质炭在农业方面的效应与其特性密不可分。生物质炭特性的影响因素，主要包括炭化原料、热解温度和热解停留时间。
1.1炭化原料
同样的热解温度条件下，不同的炭化材料制备的生物质炭性质不同。600 ℃条件制备的木质生物质炭、草秆生物质炭、棉花秸秆生物质炭和葡萄藤生物质炭产量相比，木质生物质炭和草秆生物质炭的产量16.1%(wt/wt)较高，而葡萄藤生物质炭的产量8.5%(wt/wt)较低(表1)。生物质炭的产量指风干生物质热解炭化后的干重，主要与生物质中的纤维素和木质素含量有关。同样的温度条件下，不同来源生物质炭的灰分含量变化较大，秸秆类生物质炭的灰分含量较高22.2%~35.1%(wt/wt)，而木炭和竹炭的灰分含量较低3.8%~5.0% (wt/wt)。一般来说，木本科的生物质炭含碳量较高，矿质养分较少;畜禽粪便和草本植物生产的生物质炭含碳量较低，矿质元素含量较高。
1.2热解温度与热解停留时间
一般来说在热解过程中随着温度的升高，生物质炭的产量会逐渐降低、生物质炭的比表面积和孔隙结构会变得更加丰富。已有研究表明，污泥生物质炭的产量由300 ℃时的64.3%(wt/wt)下降到900 ℃时的 42.2%(wt/wt);而比表面积由300 ℃时的4.9 m2/g 增加到900 ℃时的34.2 m2/g (表2)。生物质炭表面的-COOH、-COH 和-OH 等含氧官能团逐渐增多，由此产生的表面负电荷使得生物质炭具有较高的阳离子交换量(CEC)。热解温度越高，生物质炭的pH 越高，这是由于热解过程中会产生大量灰分，其中的矿质元素溶于水后呈碱性所致。
生物质炭具有复杂的孔隙结构，其孔径大小决定其比表面积。而生物质炭的孔径大小与热解停留时间也有关系。当热解停留时间为20~30 min 时，生物质炭的平均孔径相对于停留时间10 min 时的孔径尺寸提高了4.8%~8.5%(表3)。灰分含量也会随着热解停留时间的延长而增加。Tan 等分析结果表明热解停留时间为20 min，生物质炭的灰分含量为7.0% ;停留时间为60 min，其灰分含量增加至15.7%。这是由于热解停留时间长，易于有机物质挥发而残留更多的灰分。