我国农业生产中每年都产生大量的农作物秸秆等农业废弃物,虽然其中有部分已经通过直接还田、用作牲畜饲料或农村居民的燃料等方式得到处置,但仍然有约20%的秸秆直接就地焚烧,对环境造成污染。另一方面,我国南方的热带和亚热带地区分布有大面积的酸性土壤,铝毒和肥力低是这类土壤上作物生长不良和产量不高的主要原因。施用石灰是改良酸性土壤的传统而有效的方法,但石灰的大量使用会增加农业生产成本并消耗宝贵的矿产资源,因此需要开发新型改良剂来缓解土壤酸度。近年来的研究表明,农作物秸秆等农业废弃物可以中和土壤酸度,改良酸性土壤。但直接将农作物秸秆等施入土壤中,由于其易被微生物分解,所以改良效果不能长久。　　 生物质炭是有机物质经过热解形成的一种不完全燃烧产物。生物质炭一般呈碱性,具有提高酸性土壤pH值和降低土壤酸度的潜力。生物质炭含有丰富的C及作物所需的N、P、K、Ca、Mg等营养元素,可以提高土壤肥力。生物质炭具有很高的稳定性,在土壤中不易被微生物分解,因此用作酸性土壤改良剂可以产生多方面的有益效果。但目前生物质炭呈碱性的原因及其对酸性土壤的改良机制还不清楚。　　 为此,本文选择十种农作物残余物,包括豆科的大豆秸秆、花生秸秆、蚕豆秸秆、豌豆秸秆和绿豆秸秆及非豆科的油菜秸秆、小麦秸秆、稻草、稻糠和玉米秸秆,采用厌氧热解的方法制备了相应的生物质炭。探讨了生物质炭呈现碱性的原因及对红壤酸度的改良机理,研究结果可为农业有机废弃物的资源化利用和酸性土壤的改良提供参考。本研究主要开展了以下四方面的工作:　　 (1)选择了五种豆科的农作物秸秆(大豆秸秆、花生秸秆、蚕豆秸秆、豌豆秸秆和绿豆秸秆)及五种非豆科的农作物残体(油菜秸秆、小麦秸秆、稻草、稻糠和玉米秸秆)于350℃下用厌氧热解的方法制备了相应的生物质炭。研究结果表明,碳酸盐和有机阴离子是生物质炭中碱性物质的主要存在形态,豆科物料来源的生物质炭的碱性要强于非豆科物料来源的生物质炭的。室内培养实验表明,十种生物质炭均能提高土壤的pH值、增加土壤的交换性盐基阳离子含量,同时能降低土壤的交换性酸和交换性铝的含量。豆科物料来源的生物质炭对土壤pH值和交换性盐基阳离子含量的提高幅度及对土壤交换性酸的降低幅度均大于非豆科物料来源的生物质炭的。农业废弃物来源的生物质炭不仅可以降低土壤的酸度,还可以增加土壤的肥力。　　 (2)选用油菜秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆和花生秸秆四种农作物秸秆,采用厌氧热解的方法分别于300、500和700℃下制备了生物质炭,研究了热解温度对生物质炭性质的影响,以确定生物质炭改良剂的最佳制备温度。结果发现,生物质炭的碱性和pH值均随制备温度的升高而增加。生物质炭的X射线衍射图谱和碳酸盐含量的分析结果表明,生物质炭中含有一定量的结晶方解石和白云石,生物质炭的碳酸盐总量和结晶碳酸盐含量均随制备温度的升高而增加。碳酸盐是高温条件下制备的生物质炭中的主要的碱性物质,也是酸碱滴定过程中500和1700℃生物质炭出现强缓冲区间的原因。傅里叶转换红外光声光谱和动电电位的分析结果表明,生物质炭表面含有羧基和酚羟基等含氧官能团,它们的含量随生物质炭制备温度的升高而减小。以阴离子形态存在的含氧官能团是低温下制备的生物质炭中的碱的主要存在形态,它对生物质炭总碱度的贡献随制备温度的升高而减小。生物质炭表面的有机阴离子是生物质炭表面负电荷的主要来源,也是生物质炭具有很高阳离子交换量(CEC)的主要原因。生物质炭表面带可变负电荷,负电荷的数量随介质pH的升高而增多。用红壤酸度进行的室内培养实验表明,生物质炭对土壤pn值和交换性盐基离子含量提高的幅度随热解温度的升高而增大;对土壤的交换性酸、交换性铝和活性铝含量降低的幅度也随热解温度的升高而增大。生物质炭对红壤酸度的改良效果随热解温度的升高而增强。虽然生物质炭对土壤酸度的改良效果随温度升高而增加,但随温度升高生物质炭的产率下降,制备难度增加,综合考虑建议500℃为制备生物质炭改良剂的最佳温度。　　 (3)选择了油菜秸秆、稻草、大豆秸秆和豌豆秸秆,在350℃下制备生物质炭,通过室内培养实验比较了农作物秸秆及由它们制备的生物质炭对红壤酸度的改良作用。实验过程中分别设置1%和2%两个秸秆和生物质炭添加量水平,整个培养实验持续90天。结果表明,在1%加入量水平下,稻草和油菜秸秆的改良效果与它们的生物质炭相近,但在2%加入量水平下,稻草炭和油菜秸秆炭的改良效果优于稻草和油菜秸秆的。在1%和2%两种加入量水平下,大豆秸秆和豌豆秸秆对红壤酸度的最终改良效果均远小于它们的生物质炭的。有机物料和生物质炭对红壤酸度改良效果的差异主要是由于它们的改良机制不同造成的。非豆科类的油菜秸秆和稻草主要通过抑制土壤残留铵态氮的硝化和自身所含的碱性物质起到改良土壤酸度的作用;豆科类的大豆秸秆和豌豆秸秆在改良实验前期由于有机氮的矿化和自身所含的大量碱性物质使土壤pH显著提高,但在改良实验后期,由于大量铵态氮的硝化反应释放质子,抵消了其对土壤酸度的改良效果,导致90天培养结束时其改良效果很小。生物质炭对红壤酸度的改良效果主要依赖于其中碱性物质的含量,由于两种豆科物料制备的生物质炭的含碱量高,它们表现出对红壤酸度很好的改良效果,特别在2%的加入量水平下,能将土壤pH提高1个单位以上。添加四种秸秆及由它们制备的生物质炭均能提高土壤交换性盐基阳离子的含量和盐基饱和度,降低土壤的交换性酸和交换性铝的含量,生物质炭在这方面的效果要优于它们的原料。研究表明,添加四种作物秸秆对土壤CEC没有显著影响,但由于生物质炭的CEC是土壤CEC的10～20倍,所以添加生物质炭显著提高了土壤的CEC,因此添加生物质炭可以增强酸性土壤保持Ca2+、Mg2+、K+和NH4+等阳离子的能力,从而能提高土壤的保肥能力。　　 (4)为了考察生物质炭对红壤酸度较长时间的改良效果,以玉米秸秆为原料,分别在200℃、300℃、500℃和700℃下制备了生物质炭,用室内培养实验考察了这些生物质炭对红壤酸度的影响,并与玉米秸秆本身的改良效果进行比较。研究结果表明,在持续一年的培养时间内,生物质炭均表现出对红壤酸度很好的改良效果,特别是500℃和700℃下制备的生物质炭。365天培养实验结束时,加入4个温度下制备的生物质炭的土壤相对于不加生物质炭的对照土壤来讲,它们分别将土壤的pH值提高了0.24、0.46、0.92和1.65个单位。玉米秸秆使土壤pH提高了0.29个单位,与200℃下玉米秸秆炭的改良效果相近。添加生物质炭不仅提高了土壤的pH值,还增加了土壤的交换性盐基阳离子含量、阳离子交换量和盐基饱和度,降低了土壤的交换性酸、交换性铝和活性铝的量。这些结果进一步说明,玉米秸秆及玉米秸秆炭在一年的时间期限内对红壤酸度均有显著的改良效果,可以用于红壤酸度的田间改良。　　 (5)田间小区的试验表明,花生秸秆炭和油菜秸秆炭均能显著提高油菜的产量。与对照小区相比,施入3.75和7.5tha-1两个水平的花生秸秆炭小区的增产幅度为50.3%和67.4%;施入7.5tha-1水平的油菜秸秆炭小区的增产幅度为90.9%。