生物炭對農田土壤微生物生態的影響分析

摘 要 當今，隨著社會科學技術逐步發展，環境污染愈加嚴重，使社會各界人士普遍關注生態問題。近年來，新型的土壤改良劑生物炭的出現受到了國內外科學技術領域人士的廣泛關注。圍繞生物炭展開討論，分析生物炭對農田土壤微生物生態的影響。

關鍵詞 生物炭；農田生態系統；影響分析

中圖分類號：S154.3 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.17.052

隨著溫室氣體二氧化碳的增加，逐漸變暖的氣候成為國內外各界人士重點關注的問題。近年來，國內外圍繞生物炭對農田土壤微生物生態系統的影響發表了多篇文章。本文通過文獻等的收集與整理，分析生物炭對農田土壤微生物生態系統的影響。

1 生物炭的概述

1.1 生物炭的定義

生物炭與一般的木炭不相同，其最根本的區別在于含碳量的多少、生物炭則是一種含有碳元素極高的木炭。生物炭理論的基礎就是生物質，需要在低氧甚至是無氧的條件下，將木材、玉米稈或草等植物或動物置于高溫環境下進行燃燒，從而形成這種含碳量極高的生物炭。與生物炭有關的一個制作過程稱作“碳負性”，指的是將燃燒得到的生物炭埋入地下。由于生物炭的含碳量極高，幾乎接近于純碳，因此將生物炭埋入地下可以維持長時間不消失，這就相當于把木炭保存在土壤里面。這樣一來，生物炭可以通過本身存在的微孔將有機物含量過渡給土壤，并且可以生物炭可以有效防止水分及養料的流失，從而提高土壤質量，提高農業生產率。

1.2 生物炭的生產方式

從前，人們主要是利用木炭來生火，而木炭的利用率相對較低，故人們常常只需要通過農作物在缺氧的環境下燃燒來制造木炭就可以滿足日常的需求。但如今，隨著時代的發展，木炭的運用領域逐漸廣泛，傳統制作生物炭的方式已經無法滿足當代社會的需求。

目前，生物炭的生產方式主要是通過高溫分解制造及變廢為寶兩種方式。其中高溫分解制造指的是在缺氧的環境下，將有機物處于500～600 ℃的高溫下進行有控制的分解。通過對分解速度的控制，可以得到含量不同的生物炭，合成氣以及生物油。在高速條件下分解出的生物炭占20%，合成氣占20%，生物油占60%；而在低速的條件下則可以分解得到50%的生物炭及少量的生物油。此外，英國的相關研究所認為，通過合成氣的運轉，可以將產出的能量增加到所需能源的3～9倍。變廢為寶作為社會上另外一種生物炭的生產方式，它指利用一些如種子殼，糞便等動植物的廢料，或人們生活中的生活垃圾等廢棄物品來制作木炭。另外，甲烷會隨著這些廢料自行腐爛而產生，而甲烷是一種對溫室效應影響比二氧化碳還要嚴重20多倍的溫室氣體。因此，利用這些廢料生產生物炭可以進一步減少社會環境中的溫室氣體，可達到緩解全球變暖危機的作用。

2 生物炭對農田土壤微生物生態系統的影響

2.1 生物炭對土壤基本理化性質的影響

雖然生物炭是一種含碳量極高的木炭，但在實際上可以提供給作物的養分卻不多。而生物炭真正對作物起作用的方式是通過自身改變土壤的物理性狀以及結構，從而改善土壤的性質，進而提高土壤的質量，作用于作物。生物炭主要是通過影響土壤的pH值、有機質的含量、持水能力作用于土壤。

2.1.1 土壤的pH值

土壤的酸堿度作為反映土壤的重要指標，極大影響了土壤的肥沃程度及作物的成長。生物炭的灰分中含有許多如鈣、鎂、鉀等鹽基離子。因此，將生物炭埋入土壤之后，通過一定的化學反應，降低土壤中的氫離子及鋁離子的水平，提高土壤的酸堿度，防止過酸的土壤性質妨礙作物無法正常成長。研究表明，大部分的生物炭偏向堿性，并且現代生產生物炭的方式大多是通過高溫分解，而在這種方式下生產出來的生物炭含有較多的灰分，進一步抑制了生物炭中酸性物質的揮發，提高土壤的酸堿度。由此可見，生物炭可以很好地解決由于土壤酸化或者鹽基離子流失導致的問題。

2.1.2 土壤有機質

由于土壤有機質可以改善土壤團聚體以及穩定性，提高土壤對養分的吸收以及交換；同時，可以促進微生物在土壤中的運動，因此有機質的存在對土壤有重要的作用。而生物炭除了具有高度芳香化的結構外，還具有比其他有機碳更高的生物化學和熱穩定性等。其主要的理論依據是由于生物炭具有較高的穩定性，在高溫高濕的環境下都不會被分解，將生物炭埋在土壤中可以通過其對土壤有機物的吸附和催化來提高土壤中的有機質含量的同時，提高有機質的穩定性。此外，生物炭在進入土壤之后，經過一系列的沉降風化等作用形成土壤碳庫的重要組成部分之一，由此可見生物炭可以有效地保存土壤有機質。

2.1.3 土壤水分

水分對于任何生物的重要性是有目共睹的，其在土壤中含量亦對土壤有著重要的作用。土壤的質地及該地區的降水率決定了土壤中水分含量的高低，而這兩種決定因素都屬于自然條件。因此，需要通過人工改善土壤質量以保證土壤中水分的充足性，生物炭在提高土壤水分方面發揮了很大作用。生物炭可以通過本身在土壤中的氧化并且增加羧基基團，增強親水性，從而有效防止土壤中水分的流失，特別是在根際區內的水分更為充沛。此外，生物炭的物理性質會改變土壤空隙的大小及分布情況，提高土壤中水分的保存量。研究表明，生物炭能夠有效保存土壤水分的這一特性在沙質土壤中的效益更為顯著，而不沙質土壤的持水能力又相對較弱。另外，由Dugan的實驗表明，當生物炭在土壤中的添加量為5 t/hm2時，土壤的持水能力能夠達到最佳狀態。

2.2 生物炭對土壤微生物生態的影響

土壤中的微生物作為土壤中可以活動的生物體，其存在的客觀性對土壤產生重要的影響。微生物不同于土壤的理化性質，對周圍環境的變化更加敏感，能更為及時地提供相應的信息暗示生態系統的變化。而生物炭對于土壤中微生物的影響主要是通過影響土壤中酶的活性以及微生物的豐度和群落結構作用于微生物。

2.2.1 土壤酶活性

土壤中的動物、植物的根系及微生物細胞分泌物等是土壤酶的重要來源，土壤酶的活性則體現了土壤中發生的生物化學反應的強度及反應的方向。另外，酶的活性還能夠改變土壤的代謝性能。研究表明，土壤的理化性質與酶的活性呈正比例的關系，而生物炭對土壤的理化性質有很大的改善作用，從而進一步影響土壤酶的活性。此外，土壤中生物炭含量的高低同樣對酶的活性有影響，其最適宜的添加量大約為12t/hm2。

2.2.2 微生物的豐度以及群落結構

首先，由于生物炭本身表面的多孔性，增加了土壤中微生物的棲息地點，降低了微生物之間由于生存空間不足而引發的生存競爭，從而有效促進微生物的繁殖，增加微生物的豐度，且細菌可以利用生物炭的吸附作用而避免受到土壤的淋洗，從而有效保存了土壤中細菌的數量。

其次，過高或者過低土壤的有效養分的比例都不利于土壤微生物的生存，從而引起不同微生物群體的生存競爭，改變土壤中的微生物群落結構。因此，對于土壤理化性質的掌握需要更為嚴謹。生物炭在土壤中發揮的硝化作用有利于固氮菌的生存以及繁殖，使之成為土壤中的優勢群落。

研究表明，不同微生物群對生物炭的反應不盡相同。例如，將利用燃燒玉米稈而得的生物炭埋入土壤中之后，土壤中的微生物群落相對較少。因此相關人員可以根據具體情況利用生物炭改變土壤中的微生物豐度以及群落結構，從而幫助作物的茁壯成長。

3 結語

迄今為止，中國仍然是世界上的農業大國，利用廢料來制造生物炭這一新途徑為我國提供了廢物利用的新思路，且生物炭對能夠有效緩解日益嚴重的全球氣候變暖問題。隨著生物炭的研究，有關人士發現其對農業方面的重壓作用，通過影響土壤的理化性質及土壤中的微生物進一步提高農產品的產量及質量。因此，相關人員可以根據生物炭對農田生態系統的影響，控制生物炭的使用量，促進我國農業的進一步發展。

（責任編輯：趙中正）