生物炭稳定性的影响因素与评价(2)

　　Fang等[26]的研究表明土壤类型和培养温度会对生物炭的稳定性产生影响，生物炭在20℃与40℃条件下培养，前者MRT明显高于后者且在粘土中高于在沙土中。粘土中SOC含量较沙土中SOC含量低，从而使生物炭在粘土中的稳定性高于在沙土中，进一步表明土壤中粘粒及矿物含量对土壤中生物炭的稳定性有重要影响。

　　生物炭具有温度敏感性（Q10），温度升高，生物炭分解速率加快，其稳定性越低[32].土壤pH值也会影响生物炭的降解，研究表明生物炭在较高pH的土壤中的矿化速率高于在pH较低的土壤中[33-34],高pH土壤中，微生物受到pH刺激提高了其生物量和生物活性。

　　Shneour通过在土壤中添加不同种类的生物炭进行培养发现经过灭菌处理的生物炭降解比未经过灭菌处理的低，从而证实了微生物参与生物炭的降解过程，并影响生物炭降解程度[35].

　　4评估生物炭稳定性的方法
　　
　　近年来已有一部分研究者以生物炭本身的物理结构变化为研究对象，通过离土实验来评价生物炭的稳定性。Harry等[36]将差示扫描量热法的最高温度作为生物炭热稳定性定量检测指标，提出利用新的稳定性系数R50（即生物炭与石墨炭50%氧化/挥发时的温度比值）评估生物炭的稳定性。

　　Enders等[37]指出利用挥发性物质含量和用无机碳修正的H∶C比值可以对生物炭的稳定性进行预测，而Spokas[38]的研究结果认为O∶C比值相对挥发性物质含量则能更准确的评估生物炭的稳定性。这些研究对生物炭稳定性的评估只是从生物炭本身的结构出发，并未考虑到生物炭在土壤生态系统中，土壤环境因素对其降解的影响，因而具有很大的局限性。因此，应综合考虑气候及环境因子对生物炭稳定性的影响，通过估算生物炭在环境中的存在时间来评价生物炭的稳定性，从客观上为生物炭在生态环境中应用提供更为直接的量化标准。

　　预测生物炭寿命不仅是评估生物炭稳定性重要手段之一，也是为生物炭在农业生态系统的应用提供更为直接的依据。生物炭寿命的预测需要对生物炭进行长期的培养并且了解其在矿化土壤中的稳定过程。研究生物炭寿命过程中实验方法与评价模型对生物炭寿命的评价有重要作用。现有研究表明预测生物炭寿命的实验方法主要有野外直接布点14C测年法[29]、实验室培养试验[27-28].

　　14C测年法又称放射性同位素断代法，是建立在14C的半衰期稳定的基础上，根据生物体死亡之后体内14C衰减的速率来估计年代。该方法简便易行，测量范围广，样品易得，能够提供生物炭的平均分解速率[32].尽管如此，14C测年法仍存在一些问题：

　　1）由于14C测年是从植物体死亡时间开始算起，而并非从生物炭产生时间开始，从而使对生物炭在环境中存在时间的预测与其实际存在时间产生较大差异；2）测年样品会因为周围环境和后期成岩等作用的影响而受到污染，从而导致样品的14C年龄与真实年龄之间产生差异[39];3）自然环境中的生物炭样品易受到土壤里的腐殖酸和富里酸等的污染从而使预测结果与实际值存在误差。

　　实验室培养试验主要是通过盆栽试验对培养期内生物炭的损失量评估生物炭的稳定性。培养期内生物炭的损失量可以通过培养期前后生物炭在土壤中的含量、土壤呼出气体CO2中14CO2含量以及δ13C-CO2（%）获得。土壤中黑炭的测定方法归纳起来大致可分为3大类：光学法，化学法和热学法[40].光学法主要是对黑炭的颗粒和形态学特征进行描述，因此，应用很不广泛，在土壤中应用受到很大限制。化学和热学方法的理论前提是认为土壤中黑炭组分比非黑炭组分有机碳的化学和热稳定性更强，在经过化学或热氧化处理后，土壤中易氧化的非黑炭组分被氧化掉，残留部分即为黑炭组分。
　　
　　目前使用最多的是化学法，一般是用酸解（HCl、HF等）或加热氧化（利用化学氧化剂如：重铬酸，硝酸，过氧化氢，高锰酸钾等在一定温度下进行加热氧化）土壤样品以获得含生物炭的样品，利用元素分析仪测定样品中生物炭含量。尽管化学法使用广，但其测定样品难获得且由于土样中含有碳酸盐、硅酸盐等物质用化学浸提剂浸提不易被完全消残，含有的蛋白质、脂类、糖类等物质在氧化过程中不易被完全氧化，这些物质可能部分存在于残留物中，而会对土壤中生物炭的分析结果造成一定偏差。土壤呼吸气体CO2中14C含量或δ13C-CO2（‰）获得生物炭损失量则是先利用同位素（13C、14C）标记法标记用于制备生物炭的生物质，其经过裂解产生生物炭，通过培养试验测定生物炭在土壤环境中的损失量，其中土壤呼吸气体CO2通量利用气相色谱仪等测定，δ13C可利用同位素质谱仪测定。

　　评价模型主要有一级动力学反应模型和双指数衰减模型[27,41].一级动力学反应模型与双指数评价模型均能给出生物炭分解速率的定量化信息，目前在生物炭稳定性研究上前者较后者使用更为广泛。生物炭的碳组分由易降解的脂肪族碳和相对稳定的芳香化碳组成，在降解过程中前期为易降解的脂肪族碳组分易矿化为CO2,而后期相对稳定的芳香族碳组分则降解缓慢，从而导致了生物炭降解速率的前后差异。一级动力学方程未能考虑生物炭在土壤中降解的异质性，其计算生物炭的降解速率为平均降解速率，从而使对生物炭后期（或长期）分解进程预测过高。
　　
　　双指数衰减模型考虑到生物炭降解的异质性，它较一级动力学反应模型能更好的描述生物炭在环境中降解动态，并能消除一级动力学反应模型对生物炭后期（或长期）分解进程的过高预测。但由于生物炭在试验环境中的培养时间较短，生物炭易分解的脂肪族碳和相对稳定的芳香化碳的降解速率很难准确计算，从而使双指数衰减模型对生物炭的稳定时间评估结果出现偏差。此外，双指数方程只是考虑生物炭本身的物理结构，而未考虑到微生物活性、土壤pH值、温度等环境因素对生物炭稳定性的影响，预测自然条件下生物质炭的稳定性仍有一定的局限性。

　　5结语

　　生物炭的稳定性使其炭化还田的理论依据，对缓解全球气候变化和修复污染土壤具有重要作用。现有研究表明生物炭在停留时间跨度大，从几年到几十万年，毫无疑问生物炭性质及其存在的环境条件必定引起其停留时间或半衰期的差异，但实验手段和评价方法亦与此有很大关联。生物炭寿命的研究大多停留在实验室阶段，具有一定的局限性。而评估生物质炭的稳定性时，不能仅仅在短时间培养中运用一级动力学方程对其平均停留时间或者半衰期进行推测，而应充分考虑它的异质特性。尽管已有研究人员利用双指数衰减模型对生物炭在环境中的稳定时间进行推测，但仍需要进一步改进。因此，急需野外实验与实验室试验相结合，采用多因子的评价模型对其进行预测。

　　目前有关不同类型土壤、轮作方式及气候条件对生物炭寿命的影响还缺乏研究，应积极展开相关方面的研究工作，从而为农业生物质资源有效利用和生物炭还田技术提供理论指导。

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