生物炭及其對土壤環境的影響

韓光明，藍家樣*，陳溫福，張 濤，詹先進，孟 軍，陳全求，黃 云，孫世清

(1.湖北省農業科學院經濟作物研究所/農業部長江中游棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，湖北武漢430064;2.沈陽農業大學，遼寧生物炭工程技術研究中心，遼寧沈陽110866;3.潛江市農業科學研究所，湖北潛江433100)

生物炭是在限氧條件下以及在低溫下熱解炭化得到的一種碳含量非常豐富、性質也非常穩定的物質，如以作物秸稈、木屑、動物糞便等為原材料生產的生物炭［1］。生物炭根據不同原生質來源分為木制炭、稻殼類炭、秸稈類炭和竹類來源的炭等［2－3］。由于研究年代不同，所使用炭的名稱也不盡相同。為了便于評述，將有關研究中所涉及的符合生物炭范疇的不同名稱統稱為生物炭。

土壤中加入生物炭后改善了有機質含量和土壤肥力，其耐降解的特性延長了碳在土壤中的降解時間，還有助于作物生長、土壤改良及修復污染、減少溫室氣體排放等作用。因此，近年來越來越多的學者開始研究不同熱裂解方式或來源于不同的生物質生產的生物炭，并且將其運用到修復障礙性土壤、改良土壤環境、提高作物產量等方面。我國生物炭的生產資源豐富，雖然在農業、土壤環境中應用的研究尚處于起步階段，但其在農業土壤環境中的應用越來越受到重視。鑒于此，筆者就生物炭特性、環境效應及其對土壤環境的影響機理等方面進行了綜述。

1 生物炭的基本特性及環境效應

1.1 生物炭的基本特性 生物炭表面多孔性特征顯著，具有大量的孔洞，空隙大小不一，小到納米，大到微米。生物炭這種孔洞結構有利于土壤微生物的生長。生物炭容重小，吸水、氣能力強，且帶有大量的表面負電荷以及高電荷密度的特性，能形成電磁場［4－6］，使得生物炭具有很好的吸附特性［7－8］，有助于植物對營養物質的吸收，還有助于吸附土壤中重金屬和有機污染物，降低農藥在土壤中的殘留［9］。在化學成分上，生物炭除含有豐富的有機碳外，還包括很多礦物質和無機碳酸鹽類，具有高度的芳香化、生物化學抗分解性和物理的熱穩定性［10］。由于原料、熱解溫度和制作工藝的差異，生物炭在結構、比表面積、含碳量、C/N等理化性質上表現出很好的多樣性。這也使其表現出不同的環境效應［11］。這對土壤生態系統有很好的調節作用，如調節作物產量、改良土壤、減輕溫室效應等。

1.2 生物炭的環境效應 生物炭施入土壤后將生物質固定的二氧化碳以生物炭形式固定于土壤，可以減少CH4、NxO等溫室氣體的排放［12］。生物炭對污染物有強烈的吸附作用，能有效地去除Cu2+等重金屬離子和除草劑及農藥等，有效地降低其對土壤環境的危害［13］。生物炭對提高土壤質量也具有一定的貢獻，能提高對土壤水分和土壤N+、N－等離子的吸附能力，增加土壤持水性能和養分有效性［14］。生物炭還可以提高土壤陽離子交換量［6］，進而增加土壤的保肥能力，提高肥料養分利用率［15－17］，也可以改變土壤微生物群落結構和豐度［18－19］，對土壤微生物的改變會影響營養循環和土壤結構，因此對植物的生長產生間接影響。向亞馬遜黑土中施入生物炭，將增加土壤微生物種群結構多樣性的變化和微生物數量［20］。生物炭制成的緩釋肥料可以延長肥料的作用時間，提高土壤對養分的吸附能力，減少淋溶損失［21－22］。

2 生物炭對土壤理化性質的影響

2.1 生物炭對土壤p H的影響 農業生產上每年大量化肥的施入致使鹽基離子流失，土壤酸化貧瘠，進而影響作物的正常生長。生物炭中K、Na等灰分元素呈可溶態，添加到土壤后提高酸性土壤的鹽基飽和度，從而降低土壤中交換性H+和 Al3+水平［23］，以提高土壤的 pH［24］。諸多試驗表明，施用生物炭可以提高土壤 pH［25－26］，提高土壤團聚性［27］。大田試驗表明，當以闊葉樹為原生質生產的生物炭450 g/kg施入土壤后，鹽基飽和度增加了10倍。在不同質地的土壤，施用生物炭后土壤pH升高的幅度有很大差異，pH升高幅度在黏土中比沙土和壤土中大。亞馬遜河流域用生物炭處理后，其 pH 提高了0.4 個單位［28］。袁金華等［29］試驗表明，加入稻殼炭在不同程度增加了紅壤和黃棕壤pH。Zwieten等［30］研究指出，施入10 t/hm2生物炭可以顯著增加土壤的pH。Novak等［31］研究指出，高溫熱解的生物炭能更好地提升土壤pH。

2.2 生物炭對土壤礦質營養的影響 生物炭在土壤中具有保持水分等作用，同時對土壤中營養元素有很好的調控作用。Glaser等［32］認為，生物炭表面氧化形成的羰基、酚基和醌基引起土壤陽離子交換量的增加，進而增加對陽離子的吸附。Novak等［23］研究發現，向土壤中添加2%的生物炭，67 d后土壤的pH、有機碳以及Ca、K、Mn、P含量明顯升高，說明生物炭對一些特定的元素(如Ca、K、Mn、P)具有很強的吸附性。生物炭施入土壤后吸附NO3－、NH4+，使得氨的揮發得到減緩，進而增強土壤的保肥能力。Glaser等［33］發現，在氮貧瘠的土壤中加入生物炭后，短期內作物的生長率會降低，其原因是施加生物炭后，土壤中C/N比提高，從而限制土壤氮素的利用度。Laird等［21］利用溫帶土壤研究了不同比例生物炭添加對營養元素淋洗的影響，發現生物炭的添加比例明顯影響濾出液中N、P、Mg和Si總量，隨生物炭添加量的增加而顯著降低。

張晗芝等［34］研究表明，生物炭(12、48 t/hm2)能顯著提高土壤全N、有機碳含量，但對土壤全P、有效P、pH沒有顯著影響。Zwieten等［30］研究表明，添加最高比例的生物炭能顯著增加沙土NO3-N含量，而降低NH4-N含量，增加速效磷含量和微生物活性。Taghizadeh-Toosi等［35］采用15N－同位素標記研究生物炭應用對土壤NH3-N含量的影響，發現添加生物炭能夠吸附NH3-N，顯著減少土壤中NH3的揮發。郭偉等［14］研究表明，華北高產農田連續3年施用生物炭，耕層土壤中堿解氮的質量分數雖有下降，但差異不顯著。Lehmann等［36－37］以室內培養試驗為基礎，但他們研究結果不同，生物炭通過陽離子交換吸附土壤中NO3－、NH4+，增加了土壤中有效氮含量。

3 生物炭對土壤微生物數量和種群結構多樣性的影響

3.1 生物炭對土壤微生物數量的影響 生物炭對土壤微生物數量的影響與生物炭的特征及土壤的基本性質有關［38］。生物炭表面多孔結構為微生物提供棲息場所，也提高微生物結構多樣性。孔隙結構小到1納米，大到幾十納米，甚至數十微米。生物炭疏松多孔的結構以及巨大的表面積能夠儲存水分和養分，成為微生物可棲息生活的微環境［39－40］，為特殊類群微生物的生長提供了溫床，從而促進土壤營養元素的循環。Knicker［41］指出，生物炭的高芳香烴結構易成為土壤微生物的棲息地，給土壤微生物生長提供場所和養分。這種變化還可能與土壤理化特性改善、養分有效性增加［33，42］、生物炭自身提供養分［11，43］等因素有關。一些研究者通過大田或室內培育試驗就不同材質生物炭施用于土壤對土壤微生物數量的影響進行了研究。

Castaldi等［44］田間試驗表明，添加木材生物炭(500℃熱解)3、14個月后土壤微生物量無顯著變化。Dempster等［45］室內培養試驗表明，添加不同量木材生物炭(0、5、25 t/hm2，600℃)后，高量生物炭與對照相比顯著降低了微生物量碳。匡崇婷等［46］采用室內培育試驗，研究添加生物炭對江西紅壤水稻土壤有機碳礦化和微生物生物量碳的影響，發現添加0.5%的生物炭處理土壤微生物生物量碳含量比對照高111.5% ～250.6%，添加1.0%的生物炭處理土壤微生物生物量碳含量比對照高58.9% ～243.6%。Lehmann 等［47］研究表明，新鮮生物炭施用后引起的土壤微生物響應會隨著時間進行而發生變化。

土壤微生物對環境變化的響應最敏感，對生物炭施用的響應快。施用生物炭對土壤微生物的影響，與施用其他有機質對其的影響差異較大。這是因為生物炭穩定性較高，并且缺少可利用的能量和碳源［48］。Wardle 等［49－50］在生物炭的長期應用效應中都發現了土壤微生物量的顯著提高。

土壤微生物量對生物炭的響應非常復雜，可能與生物炭來源(材料類型、熱解溫度和時間)、土壤肥力狀況及試驗時間等因素均有關系，其內在機制還需要進一步探討。

3.2 生物炭對土壤微生物種群結構多樣性的影響 土壤環境的改變包括土壤資源基礎(有效碳、氮和水)、非生物因素(pH、有毒元素)的改變、不同的生境。這些均會成為影響土壤微生物的主要因素，導致微生物組分和結構的變化。土壤中的特殊功能菌如根瘤菌、硝化細菌等對生物炭的施加更敏感［28，51－52］。Steinbeiss等［53］利用磷酸脂脂肪酸法研究生物炭施用對土壤中四類主要微生物的影響，發現來源自酵母的生物炭會促進真菌的生長，而來源于葡萄糖的生物炭主要促進革蘭氏陰性細菌的生長。土壤微生物群落結構和多樣性的變化從另一方面反映生物炭對土壤微生物組成的影響。

近年來，一些學者利用分子生物學和生物化學技術(如DGGE、T-RFLP和PLFA等)，研究微生物群落結構的變化對生物炭的響應。O’Neill等［18］采用16SrRNA技術檢測亞馬遜富碳土壤中微生物種群，發現應用生物炭可以提高微生物數量和細菌群落結構多樣性。Pietikainen等［54］采用PLFA技術研究生物炭施用對土壤微生物群落結構的影響，認為生物炭對總體微生物量的影響不大，而對其群落結構的影響較大，主要有利于個體較小而生長速度較快的微生物的生長。Kolton等［55］研究發現，施用生物炭后，細菌幾個不同的優勢屬的變化各不相同，有的屬增加，有的屬降低，但其變化都有助于植物生長和抵抗病害。

4 展望

人們越來越關注生物炭在土壤中所產生的作用，卻往往忽略了生物炭在生產和處理方式上對土壤和大氣造成污染。因此，要搞清其污染性與生物炭類型、安全應用比例的關系以及原料特性和熱解條件。另外，在生物炭生產過程中，需要仔細地對產生的大氣污染物進行定性和定量分析。這也為原料的開發和熱解條件的優化，進而處理這些污染物奠定良好的基礎。

在一定條件下，生物炭在土壤中起著碳庫的作用。然而，在集約化農業系統中并未發現生物炭長期滯留的現象。生物炭降解可能是由集約化農業措施(耕地、犁地和耙地)和重型機械的使用引起的，因而潛在地降低了其滯留時間。需要更深入的研究來闡述生物炭在不同土壤類型、不同氣候條件下的載荷能力，從而使生物炭在土壤中達到最大量，而不影響土壤的功能。此外，作物產量方面的重點應放在生物炭施用于土壤中域值的研究，不能影響土壤的物理性質，比如引起pH升高、田間持水量下降、產生疏水作用;或影響土壤的化學性質，如向已存在鹽漬化土壤中添加含鹽量高的生物炭;或影響生態系統的組成，如溶解的有機C進入地下水。因此，土壤中生物炭的載荷能力應該根據環境條件和生物炭的品質而變化，針對特定地點(土壤、地貌、水文和植被)的環境條件而變化。

由于土壤微生物在調控生態系統和土壤功能上起著重要的作用，生物炭添加到土壤中對土壤微生物的影響也是需要引起人們高度的重視。土壤具有較高的異質性，在進行科學合理的預測前需要對土壤物理、化學性質和生物學特性進行廣泛的研究，探究生物炭添加到不同氣候條件下原生土壤區的作用。

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