生物炭改良土壤機(jī)理及其在我國(guó)熱區(qū)應(yīng)用前景綜述

趙秋芳 趙青云 王輝　 王華 莊輝發(fā) 魚(yú)歡 朱自慧

摘 要 近年來(lái)，生物炭在農(nóng)業(yè)廢棄物的有效利用、土壤改良、環(huán)境修復(fù)等方面發(fā)揮著重要作用，日益受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。眾多研究結(jié)果表明：生物炭可以通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤養(yǎng)分有效性，提高土壤酶活性，調(diào)控土壤微生物環(huán)境，進(jìn)而改良土壤，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。本文從生物炭對(duì)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、酶活性和土壤微生物的影響等方面，綜述生物炭改良土壤的機(jī)理。同時(shí)結(jié)合我國(guó)熱帶亞熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，從原材料供應(yīng)和土壤環(huán)境條件等方面，分析生物炭在我國(guó)熱帶亞熱帶地區(qū)的應(yīng)用前景，為生物炭的廣泛利用及熱帶亞熱帶地區(qū)土壤改良提供理論參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 生物炭 ；土壤理化性質(zhì) ；土壤養(yǎng)分 ；土壤酶活性 ；土壤微生物

分類(lèi)號(hào) S154.4

生物炭通常是指由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等生物質(zhì)或其它生物質(zhì)廢棄物在厭氧或者無(wú)氧條件下，低溫（<700℃）熱解形成的固體生物材料[1-3]。生物炭最早起源于19世紀(jì)巴西亞馬遜河流域，被稱為“印第安人黑土壤”。2007年第一屆國(guó)際生物炭會(huì)議上將其命名為 “biochar”，在我國(guó)也將其翻譯為生物質(zhì)炭，或者生物焦，屬于黑碳（black carbon）的一種。目前常見(jiàn)的生物炭包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭和畜禽糞熱解炭。研究表明生物炭一般呈堿性[4]，具有有機(jī)碳含量高[2]，豐富孔隙度和較大的比表面積[5-7]。近年來(lái)，生物炭在土壤改良和增匯減排方面的作用受到農(nóng)業(yè)、環(huán)境和能源方面研究者的廣泛關(guān)注，被譽(yù)為“黑色黃金”[8]。有關(guān)生物炭在提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)及污染土壤修復(fù)等方面的作用日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。生物炭的廣泛應(yīng)用，可能成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境污染治理的重要途徑。本文主要從生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和土壤微生物的影響等方面綜述生物炭改良土壤的作用機(jī)理，同時(shí)分析生物炭在我國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)的應(yīng)用前景，以期為生物炭在土壤改良及我國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)的廣泛應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)包括容重、孔隙度、持水性。生物質(zhì)炭化以后，保留了原有生物質(zhì)的良好孔隙結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙度和比表面積[9]，施入土壤，可以增加土壤孔隙度，降低土壤容重，并有效的固持土壤水分，增加土壤含水量[10-12]。Oguntunde等[13]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，飽和導(dǎo)水率提高了88%，總孔隙率從45.7%增加到50.6%，土壤容重降低和通氣孔隙提高為根系提供了良好的生長(zhǎng)空間， 有利于根系生長(zhǎng)。顏永毫等[14]研究表明，黃土高原典型塿土、黃綿土、風(fēng)沙土添加生物炭，土壤田間持水量平均增加2.77%，3.09%，4.17%，顯著高于不施炭處理。生物炭以9%的比例施入時(shí)，使沙壤土的土壤持水能力提高1倍，且隨著施用量的增加，土壤持水量顯著增強(qiáng)[15]。Asai等[16]研究結(jié)果，也表明生物炭能夠提高土壤含水量以及降水等滲入量。

1.2 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響研究主要從土壤陽(yáng)離子交換量，土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)等幾個(gè)方面進(jìn)行的。生物炭施入土壤可以提高土壤pH[17-18]，提高土壤陽(yáng)離子交換量[19]，增加土壤有機(jī)碳含量[20]。生物炭一般為堿性，施入土壤后可提高酸性土壤pH。這主要是由于生物炭的灰分含有更多鹽基離子，如鈣，鎂，鉀，鈉。這些鹽基離子可以交換土壤氫離子及交換性鋁離子，提高土壤鹽基離子如鈣、 鉀、鈉等的飽和度，進(jìn)而增加土壤陽(yáng)離子交換量，提高土壤pH[18，20]。Zhang等[21]發(fā)現(xiàn)，添加10和40t/hm2生物炭，土壤pH分別增加0.2和0.4個(gè)單位，Jones等[22]添加50 t/hm2生物炭，土壤pH增加0.3個(gè)單位。Peng等[23]發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)土壤pH的影響大小主要取決于生物炭的炭化溫度和炭化時(shí)間。何飛飛等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH、CEC值和持水量（WHC）均隨生物炭施用量增加而升高。陳紅霞等[25]在華北平原高產(chǎn)農(nóng)田3年定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，施用生物炭顯著降低了0～7.5 cm土層容重，增加了0～15 cm 土層的陽(yáng)離子交換量。Laird等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后陽(yáng)離子交換量提高了20%，且隨炭量增加而提高。張祥等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以顯著增加紅壤和黃棕壤有機(jī)質(zhì)和pH。游東海[28]在石灰性土壤上添加生物炭能增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，而且效果是秸稈直接還田的2～3倍。生物炭含有大量的碳，施入土壤可以增加土壤有機(jī)碳含量，土壤有機(jī)碳含量增高可提高土壤C/N比，從而提高土壤對(duì)氮素及其他養(yǎng)分元素吸持容量[29]，有利于通過(guò)配合施肥培肥土壤。

2 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的作用可以概括為兩個(gè)方面。一是生物炭本身含有N、P、K、Ca、Mg、S等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，施用后礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素可返還到土壤中，提高土壤養(yǎng)分以及生產(chǎn)力[30-31]。Major等[32]4年連續(xù)試驗(yàn)表明，施用生物炭可以提高土壤pH和有效鈣、鎂含量。黃超等[10]研究結(jié)果表明，施用生物炭明顯提高低肥力紅壤的速效磷、速效鉀和有效氮含量，增加土壤保肥能力。另一方面，生物炭施入可以提高土壤養(yǎng)分的有效性，降低養(yǎng)分淋失。Lehmann等[33]研究表明，生物炭施入土壤，顯著增加植物生長(zhǎng)必需的K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu等主要陽(yáng)離子的可給態(tài)，提高土壤養(yǎng)分有效性。另外，生物炭具有很強(qiáng)的吸附作用，可以吸附土壤中水溶性離子，減少營(yíng)養(yǎng)離子的溶解遷移，使其緩慢持續(xù)釋放，避免營(yíng)養(yǎng)元素的淋失。Kei等[34]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)銨離子有很強(qiáng)的吸附性，可以降低氮素?fù)]發(fā)，減少養(yǎng)分流失，從而提高土壤肥力。鄭浩等[35]研究表明，土壤中添加蘆竹生物炭可以減少 N 的淋失，增加土壤 N 的持留，增強(qiáng) N 的生物有效性。周志紅等[36]研究也表明，施用生物炭可以大幅度降低氮素的淋失作用，但對(duì)不同土壤類(lèi)型的作用有差異，以50和100 t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)施入生物炭，黑鈣土氮素淋失分別降低29%和74%，紫色土降低41%和78%。在酸性土壤和砂質(zhì)土壤上，生物炭對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的吸附作用更明顯，能夠在一定程度上避免肥料流失，延長(zhǎng)供肥期，利于作物生長(zhǎng)[37-39]。

3 生物炭對(duì)土壤酶活性和微生物的影響

生物炭同時(shí)影響土壤酶活性和土壤微生物。研究表明，生物炭施用會(huì)促進(jìn)與N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤酶活性。Jones等[22]報(bào)道連續(xù)3年施用生物炭（50 t/hm2）農(nóng)田反硝化酶活性顯著高于對(duì)照。施用生物炭一定程度上能增加土壤磷酸酶活性[40]，黃劍[41]研究也表明，生物炭大幅度提高土壤中轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶活性。

生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，可以保持空氣和水分，為土壤微生物聚集、生長(zhǎng)與繁殖提供良好的環(huán)境，減少微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)[42]。另外，生物炭含碳量大，在培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)生降解，可為微生物提供充足的碳源，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，提高微生物生物量[43-44]，改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)[40]。Steinbeiss 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭明顯增加土壤中真菌和革蘭氏陰性菌的生物量。Prayogo等[46]也發(fā)現(xiàn)，添加生物炭增加土壤細(xì)菌生物量，顯著增加革蘭氏陰性菌和放線菌的豐度。王曉輝等[47]研究表明，添加生物炭顯著增加設(shè)施栽培退化土壤中的氨氧化古菌與氨氧化細(xì)菌和nirK的豐度，提高土壤的硝化潛勢(shì)。韓光明等[48]設(shè)施菠菜土壤添加生物炭，根際細(xì)菌、真菌、放線菌及氨化細(xì)菌、好氧自生固氮菌和反硝化細(xì)菌等功能性細(xì)菌的數(shù)量均有增加。

4 生物炭在熱帶地區(qū)的應(yīng)用前景

4.1 制備生物炭的原料豐富

熱帶地區(qū)水熱資源豐富，種植作物生物量大，農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物較多，隨意丟棄或焚燒，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。將農(nóng)業(yè)廢棄物制備成生物質(zhì)炭還田，可以有效減少農(nóng)田CO2排放，減少環(huán)境污染。廢物利用，變廢為寶，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

4.2 熱帶亞熱帶地區(qū)土壤問(wèn)題嚴(yán)重，生物炭可以改善土壤問(wèn)題

熱帶亞熱帶地區(qū)分布的主要土壤類(lèi)型為磚紅壤，赤紅壤，紅壤，黃壤，燥紅土，紫色土和水稻土等。這些地區(qū)雨熱同期，且高溫多雨，礦物風(fēng)化和土壤淋溶作用強(qiáng)烈。土壤鐵鋁含量高，易于硬結(jié)，物理性質(zhì)較差；土壤酸性較強(qiáng)，且有下降趨勢(shì)，容易產(chǎn)生毒害；有機(jī)質(zhì)分解迅速，補(bǔ)充不及時(shí)，易造成土壤質(zhì)量下降；礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)快，且土壤自然肥力不高[49]。大量研究表明，生物炭可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤pH，有機(jī)碳庫(kù)含量，提高土壤養(yǎng)分含量，廣泛應(yīng)用于熱帶和亞熱帶地區(qū)，可以解決制約熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要土壤問(wèn)題，有利于熱帶農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 熱區(qū)肥料利用率低，施用生物炭可以提高肥料利用率

熱帶和亞熱帶地區(qū)，有機(jī)質(zhì)的快速降解及淋失，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，陽(yáng)離子交換量低，土壤養(yǎng)分貧瘠，生產(chǎn)力低下，而極低的養(yǎng)分利用有效性和生產(chǎn)成本的增加大大限制了無(wú)機(jī)肥料的使用。熱帶地區(qū)氣候溫度較適合作物生長(zhǎng)，一年四季均可以種植作物，特別是冬季果蔬的種植，施肥量大，同時(shí)熱區(qū)的降雨量大，容易造成肥料的大量淋失，增加肥料用量，提高生產(chǎn)成本，造成環(huán)境污染，不利于發(fā)展熱帶和亞熱帶地區(qū)高效安全農(nóng)業(yè)。

生物炭的施用可以延緩肥料的釋放速率，減少養(yǎng)分淋失，提高土壤養(yǎng)分有效性，以及土壤的保水保肥能力，提高肥料利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本，防止環(huán)境污染，具有較大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益，在我國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)有較大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

綜上所述，生物炭是通過(guò)改善土壤物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分，土壤酶活性，增加土壤微生物生物量，進(jìn)而改良土壤，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。同時(shí)生物炭的廣泛應(yīng)用是解決熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑，可以促進(jìn)熱帶和亞熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是目前，我國(guó)熱帶和亞熱帶地區(qū)有關(guān)生物炭應(yīng)用的研究不多，而且僅限于模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，大規(guī)模的田間試驗(yàn)較少，以及針對(duì)不同原材料生物炭的施用效果差異研究不足，應(yīng)加大生物炭的田間應(yīng)用范圍和廣度的研究力度，廣泛開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，將生物炭應(yīng)用與熱帶地區(qū)土壤改良，變廢為寶，綜合開(kāi)發(fā)，促進(jìn)生物炭在熱帶地區(qū)的廣泛應(yīng)用，提高土壤質(zhì)量，減少環(huán)境污染，為熱帶農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

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