土壤改良的历史展望

1.2土壤改良的历史展望

在亚马逊流域的现代的和古代的居住点都发现人为土是用很多装着木炭小袋子来使土壤肥沃，这样的区域面积大概为6000-18000km2。大量的科学文献一致认为，这些都是土著居民埋在不同深度的，埋这些装着木炭的小袋子可以追溯到10000年前。

图1.4 亚马逊流域和欧洲人为土的分布

欧洲最早的人为土可以追溯到3000年前的德国的叙尔特岛，那里的人们用泥炭地和丛生的荒野中的有机物料才使土壤变的肥沃。欧洲人为土区域面积最大的时候是3500 km2，它们形成于中世纪，那个时候荷兰、比利时北部和德国西北部像亚马逊的人们一样改造那些养分贫瘠、干燥且沙化的土壤。

人为土作为一个广阔的单一的区域是稀有的，如果不是罕有的，那么可以解释成是因为高人口密度和粮食需求而相关联的环境因素引起的，如存在把大量的泥炭紧密堆集在邻近的养分贫瘠且保水能力弱的沙土上。更多接近于定居点的普通的小规模的人为土，是人们“永久地”用来处理那些有机废弃物的必然结果或者是土壤状况。很多人为土并没有在欧盟的分布地图中出现，因为欧亚大陆的土壤地理数据库用的是1:1000000这种小比例尺的，比例尺写于地图的底部。然而，很多欧洲大陆上小范围的人为土已经被报道，如苏格兰、爱尔兰、意大利、西班牙和俄罗斯西北部。基于他们的一些信息，可以假设欧洲同样存在其他形式的人为土，只是缺少数据。

图1.5 比较热带和温带的人为土。左边的图显示的是一个添加了木炭到养分贫瘠且高风化高淋溶后形成的肥沃的亚马逊黑土的剖面(最左边那副图是由布鲁诺.格拉泽提供)；右边的这个剖面是欧洲的肥沃的草皮土壤，那是在荷兰人们向自然形成的养分贫瘠的砂质土里面加入泥炭和粪肥而形成的。

尽管肥沃的欧洲和亚马逊流域的人为土提高了他们的农业生产情况，但是欧洲的草皮人为土和亚马逊流域的人为园艺土还是存在很大的差异的。草皮是来源于荷兰词汇“Plag”，它的意思是除去表面有机的表土层，包括了那些种植草本（草坪或者石南属植物）容易由人为园艺土转化成菜园土的。这些名字的区别反应在组成成分上，如草皮人为土是在中世纪前期是通过添加表层有机物料和泥炭，到了中世纪后期是混合粪肥，然而人为园艺土是由很多有机无机物料的加入

而形成的，分类相当广泛，有动物骨骼、木炭、陶瓷碎片等。是什么使得亚马逊黑土与人为园艺土相比要多出那么高比例的炭？据推测，那些炭是被故意地被应用于土壤的，如不只是要烧焦而是要清扫和焚烧森林。

1.3相似问题的不同解决方法

人们目前面临的挑战是两种不同的环境（热带雨林vs温带气候下的大量的敞开的或部分砍伐的森林），从某种意义上来说相似点是都要在自然条件下低养分和低保水力的土壤上种植作物。可以推测出到底是什么原因使生活在那个时期的人们要向土壤中添加木炭。除了供应有效的有机物料以外，合理的解释可能与不同的相对价值的有机物料和差异较大的有机质在土壤中的停留时间相关。简而言之就是，欧洲的寒带气候条件下，微生物的降解速率比热带地区慢很多，导致了有机物料在土壤中更长的停留时间。难以降解的泥炭和草皮添加到土壤意味着增加了土壤的保水保肥能力，更长时间的维持了其投资价值。然而在热带地区土壤中，如果需要得到投资价值回报的话，需要投入更多量的难降解的有机物料。可以把炭化的有机物料作为一个可行的方法来达到这个目的。当然，在那个时期，木材和木炭同样也在被生产。然后，这些材料的其他用途可能更有价值，如把木材拿到居住的地方焚烧供暖，木炭可以拿来获得足够高的温度然后从矿石中提取金属。

因为人为土的区域面积相对较小，目前很多人为土的位置还不被知道或承认。欧洲存在着一些形成于不同历史时期的小范围的人为土是可能的，就是那些比人为草皮木炭含量很多的地方。可能鉴别和研究这些遗址（包括年代序列）可以提供更有价值的信息关于木炭对环境因素的作用承在欧洲盛行。

1.4生物炭和高热产生的炭黑

一种类似于生物炭的全世界土壤中都存在的物质被发现于制造木炭的大火中（或者高热产生的炭黑，正如它每次被提及），有些地方土壤中总有机碳的含量高于亚马逊黑土。Preston and Schmidt (2006)的一篇综述表明，没有植被覆盖的区域的土壤总有机碳中炭黑的含量变化范围是1%到80%。例如，在美国，从5种长期的农业土壤的调查来看，土壤总有机碳中炭黑的含量变化范围是10%到35%。(Skjemstad et al., 2002)。Schmidt et al. (1999)德国的黑钙土（始成土、淋溶土、森林草原土、黑钙土和灰色土）总有机碳中炭黑的含量变化范围是2%到45%

（其平均值是14%）。

图1.6炭黑的地位和性能（引用于Preston and Schmidt, 2006）

然而，炭黑是被野火重复的灼烧而成的生物炭材料这个也是要被考虑进去的（也就是，连续烧焦的生物材料形成了炭黑和石墨），生物炭的组成和性能跟炭黑有很大不同。两个主要的可能的因素是原料和热解条件。在野火中，原料是在地面上的生物材料（有时会是泥炭和根系），而对于生物炭任何理论上的有机原料都可以用，包括木材、秸秆和鸡粪。在热解炉中，热解条件可以选择和控制，包括最高温度和高温持续时间，但是随着温度增加速度的加大，热解炉中蒸汽的含量也在增加，如KOH，激活和氧化条件。