【《利用生物质灰固碳进行农业生产的研究文献综述》3100字】

利用生物质灰固碳进行农业生产的研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u32145利用生物质灰固碳进行农业生产的研究文献综述 195911.1生物质灰的利用现状 1209681.2可溶性无机碳（DIC）对作物生长的作用 3213381.3利用生物质灰固碳的可行性及种植优势 41.1生物质灰的利用现状生物质能的利用缓解了化石能源不断消耗以及其带来的环境污染问题，同时对于控制全球气候变暖、实现碳减排起到关键性作用，生物质发电、产热等替代传统能源的应用技术规模不断扩增（姜月等2017）。在我国，农作物秸秆产量每年超过9亿吨，其中50%以上的秸秆通过就地焚烧或作为家庭燃料、工业原料等方式处理，每年生物质灰产量约为5.8亿吨（牛立亭2019）。如果这些生物质能工程的副产物的去路问题得不到很好的解决，无疑是限制生物质能发展的重大隐患。表1-3常见生物质灰用途分类一览表Table1-3Commonbiomassashuseclassificationlist分类具体用途文献来源土壤改良剂促进土壤团聚体形成，提高耕地储水、保水性改良酸性土壤调节pH减少病虫害增加速效K、速效P的吸收改善土壤微生物群落（Naikooetal2017）（孙云娟等2011）（陈龙等2011）（黄容等2013）（谷健云等2016）（Saarsalmietal2004）作物肥料提供作物生长营养元素提升土壤肥力改善作物品质（Liuetal2017）（Carlaetal2016）（Kristaetal2016）建筑材料提升水泥抗压性、抗腐性提升混凝土强度、稳定性、耐久性和抗渗性制备空心砖、玻璃、石膏板等（王付兰2014）（Moraesetal2015）（Zerbinoetal2011）（李泽良等2013）（Titeetal2006）吸附剂制备新型活性炭磷酸盐吸附剂亚甲基蓝吸附剂废水有机物吸附剂（Leivaetal2007）（Novaisetal2076）（饶文龙2015）（Kauretal2016）（Maniqueetal2012）其他用途增强陶瓷产品的吸水率、抗压强度等性能减轻陶瓷产品的重量热裂解催化剂降噪材料、耐火材料添加剂（Kizinievicetal2016）（姚奎等2017）（周旻等2016）（Bragaetal2017）（Jimenezetal2017）值得注意的是，生物质灰本身就是很好的作物肥料，含有K、Ca、N、P、C、Mg等营养元素，还有植物生长的微量元素，如Fe、Zn、Al等（Demirbasetal2009，Liuetal2017）。生物质灰中含有6%~12%的钾元素，且90%以上为水溶性钾，主要以K2SO4、KCl和K2CO3形式存在,可以被植物直接吸收利用（艾雪竹等2017）。除此之外，生物质灰还可以作为添加剂、吸附剂、催化剂、建筑材料等用途（详见表1-2）。但是未经处理的生物质灰，尤其是生长周期较长的树木灰，可能含有Pb、Hg、As、Cd等重金属等（袁金华等2011），如果处理不当，无疑是巨大的隐患。因为生物质灰含量巨大，缺乏统一管理机制，国内目前多是填埋处理，但由于灰特性的复杂性，不经过任何处理便直接应用或者填埋处理、随处堆积不仅造成土地面积浪费，造成土壤碱化，而且还不能排除灰中重金属元素（Cd、As等）和有机有毒物质（多环芳烃，二噁英等）的影响，可能对环境造成威胁（陈德翼等2011）。在一些西方发达国家，生物质灰仍被视作有害垃圾处理（Chenetal2016.）。如何高效、绿色处理和利用生物质灰也是生物质能发展亟需解决的关键性问题。1.2可溶性无机碳（DIC）对作物生长的作用在某些地区，由于大气CO2浓度的增加，植物的叶片气孔部分甚至完全关闭，以防止水分流失，导致光合抑制，从而大大降低CO2的吸收和固定性能（Fordhametal2001）。在这种情况下，CO2应该通过其他途径输送到植物中，以减轻气孔关闭对CO2同化活性和光合固碳的负面影响（杭红涛等2015）。在喀斯特地貌中，受到干旱与盐胁迫，植物可以通过根部吸收碳酸氢盐生成CO2进行光合作用（吴沿友等2011）。DIC主要包括CO2、HCO3-、CO32-三种状态，其组成比例通常受到pH影响，CO2会随着pH升高减少，但是HCO3-伴随pH升高增多（窦艳艳等2008）。在碱性条件下，HCO3-对DIC的影响占主导地位，一些碳酸氢盐可能在根部分解产生CO2和水，根中产生的CO2可以转移到茎和叶中进行光合作用，是植物的DIC首选利用形式（NewmanetAl1999），产生的水可以缓解干旱胁迫。而CO32-对DIC影响较小，因为其不是主要的无机碳来源。有研究证明，植物可以利用空气中的CO2进行光合作用，也可以利用碳酸酐酶（CarbonicAnhydrase）,CA将HCO3-储存在体内进行光合作用，这种碳同化活动不仅扩大了光合作用的CO2来源，而且为植物的生长提供了额外的好处（吴沿友等2011）。碳酸氢盐能够被作物吸收利用，如碳酸氢盐能够抑制病原真菌（刘宝玉等2012），并直接减少化学农药的使用（USEPA1998）。合适浓度HCO3-在弱酸性营养液中，能极大促进植株根系及地上部分对铁、磷、钾、锌、锰等矿质元素的吸收，影响对砷的吸收量（崔骁勇等2000）。当HCO3-与NH4+-N均以高浓度共存时，可明显减弱两者单独存在时对菜豆生长的抑制作用，缓解对方的毒害作用，且以NH4+-N为主要氮源时，HCO3-含量增多也有利于植物吸收钾、钙、磷等元素（薛晓磊2013）。此外，利用CO2和利用HCO3-的两个过程是互不干涉、交替进行的（邢德科2012）。HCO3-和NH4+-N会抑制植物生长发育，而当高浓度的两种离子共存时会大大降低抑制，减少各自对植物造成的危害。另一方面，碳酸氢盐可能会造成土壤盐渍化，从而危害植物生长发育（刘正祥等2015）。1.3利用生物质灰固碳的可行性及种植优势如上所述，碳酸氢盐的引入对于碳固定以及作物生长具有诸多益处，因此有必要寻找合适的载体将CO2转化为HCO3-作为植物栽培的肥料。显然，这种载体应该具有一定的CO2吸收能力，并且对植物的植物毒性低。生物质灰是生物质热化学反应后的副产物，质轻粒小呈碱性（Vassilevetal2013），具有固碳潜质（袁金华等2011）。如果使用生物质灰固碳，原料充足且价格低廉，且随着固碳之后生物质灰的pH大幅下降有利于作物生长。因此，利用生物质灰固碳用于作物种植肥料施用，将CO2固定在生长周期相对较短的大规模种植作物中为CO2减排提供一条有希望的途径。图1-1碳含量在各生态区含量分布Fig.1-1Distributionofcarboncontentineachecologicalregion注：Pg应用较多的重量单位，表示1015g，即十亿吨。Note:PGisthemostcommonlyusedunitofweight,representing1015g,i.e.1billiontons.此外，生物质灰作为一种疏松多孔的材料，具有较强的吸附能力，能够吸附高于自身质量198%~368%的水分（Novais2016)，用于种植实验有利于土壤保水。我国的甘薯种植常年遭受干旱胁迫，水资源成为制约甘薯产量的重要因素之一（张辉2014）。干旱问题威胁全球耕地安全，全球约40%的陆地面积为干旱、半干旱、易干旱、半湿润区（Manueletal2013）。中国的广义干旱区域占比国土面积近一半，这些区域生态脆弱、降水稀少（苏培玺等2018），水分对其制约性和影响力十分重要（Eamusetal2015），因此，如果可以利用固碳后的生物质灰改良土壤性质，提升土壤保水能力，前景十分巨大。将生物质灰用于碳固定，并用于种植实验，不仅对于作物生长、品质提升有促进作用，同时也将一部分空气中的C从气体形式转变成DIC的碳汇形式富集到土壤中，这种方法也符合缔约方大会第二十一届会议（COP21）启动的一项计划，该计划的目标是每年将全球土壤碳储量增加0.4%（Minasnyetal2017），以补偿人为造成的全球温室气体排放。土壤总含碳量是大气含碳量的3倍多，比地球上所有植物（620Pg）和大气（820Pg）的碳量之和还要多（图1-1）。所以可以预知，土壤碳含量的轻微波动都会显著的影响大气CO2浓度，进而影响全球气候变化。有学者认为农业生产中的CO2排放可分为土壤排放与生产资料排放，其中土壤排放影响因素多样，主要与温度和湿度有关，而生产资料排放受到肥料以及农药施用影响（尚杰等2015）。尽管复合肥施用下对于植株作物生长有利，但是会导致土壤的固碳能力弱，例如以豆类为基础的生物质肥料对土壤固碳效应远超过复合肥（Bhardwaj2019）。土壤是很好的再生资源，但是在遭受破坏性自然条件或者人类不合理利用后，土壤肥力将大打折扣，造成土壤质量的退化。只有科学耕种，注重土壤营养补