生物炭對作物的生長效應及機理研究進展

摘 要：不同生物質(zhì)類型和炭化條件所制備的生物炭，理化性質(zhì)的不同產(chǎn)生了不同的農(nóng)業(yè)應用效果。已有的研究結(jié)果表明，生物炭對作物生長的影響變異較大，既有促進作用，亦有抑制作用或沒有作用，這不僅與生物炭能提升土壤肥力、保持土壤容量、轉(zhuǎn)變微生物群落等有關(guān)，也可能是其本身含有的揮發(fā)性物質(zhì)對作物生長產(chǎn)生的直接效應。本文綜述了生物炭對作物的生長效應及可能的機理研究進展，為生物炭的科學制備標準提供了理論依據(jù)，同時也利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上更好地利用生物炭促進作物生長。

關(guān)鍵詞：生物炭；作物生長；效應；機理

中圖分類號：S342.1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733048

南美亞馬遜盆地黑土（Terra Preta）的發(fā)現(xiàn)及研究因其固碳作用而引起了人們的重視，生物炭可作為土壤改良劑提升土壤肥力，促進作物生長，減少溫室氣體排放等。國外研究者在生物炭理化特征、土壤肥力、作物效應、固碳減排等方面開展了系統(tǒng)的研究，也取得了一定的進展。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物炭資源豐富，生物炭農(nóng)用雖早有報道，但作用機理不清，已有報道的農(nóng)用效應也存在分歧。鑒于此，本文綜述了生物炭對作物的生長效應及機理研究進展，為生物炭的科學制備標準提供了理論依據(jù)，更好的地加以利用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，固碳減排。

1 生物炭

生物炭是生物質(zhì)在無氧或低氧環(huán)境條件下緩慢高溫分解得到的富含碳的有機物質(zhì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)資源均可以用來制備生物炭，如木質(zhì)、秸稈、禽畜糞便及其他廢料。C、H、O、N是其主要組成元素，多以高分子、高密度碳水化合物形態(tài)存在，能與Ca、Mg等礦物質(zhì)形成無機碳酸鹽[1]。生物炭的碳含量達40%～75%，且多以穩(wěn)定芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積狀態(tài)，其次含少量礦物質(zhì)和揮發(fā)有機化合物，呈堿性，不易被微生物分解。生物炭為典型的非石墨化碳結(jié)構(gòu)，多孔性、高比表面積和豐富的表面官能團。生物炭因其制備的生物質(zhì)來源和炭化條件不同，所制備的生物炭的理化性質(zhì)差異很大，因而產(chǎn)生不同的作物效應。

2 生物炭應用下的土壤肥力

生物炭因其本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)通過調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱等環(huán)節(jié)間接提高土壤肥力和生產(chǎn)力，可從土壤pH、電導率EC、陽離子交換量CEC和養(yǎng)分水平上體現(xiàn)。酸性土壤上施用生物炭，其含有的鹽基離子，如Ca、Mg、K、Na可以交換降低H離子及交換性Ag離子，從而提高土壤pH值。生物炭在環(huán)境作用下可氧化，能產(chǎn)生諸如羧基等類的官能團，顯著增大土壤CEC，提高土壤吸持和供給可交換養(yǎng)分的能力。生物炭的多孔性和高比表面積能吸附更多的養(yǎng)分離子，增加對養(yǎng)分離子的固持，減少滲漏和地表徑流引起的損失。此外，向土壤中添加生物炭還可以顯著提高大豆的固氮能力，在提升土壤肥力的同時增加對環(huán)境N的利用。

3 生物炭施用的作物效應

生物炭添加的作物效應隨生態(tài)系統(tǒng)變異較大，既有促進作用，亦有抑制作用或沒有影響[2]。但是，已有報道指出，生物炭對多數(shù)作物生長和產(chǎn)量有促進作用，如水稻、小麥、玉米、番茄、蘿卜等。巴西亞馬遜河流域氧化土上施入生物炭（11thm-2），經(jīng)過2a4個生長季后發(fā)現(xiàn)，水稻和高梁的產(chǎn)量增加了約75%。哥倫比亞熱帶草原氧化土連續(xù)4a的生物炭施用（20thm-2）后玉米產(chǎn)量提高了140%。在熱帶與亞熱帶地區(qū)土壤中施入生物炭除了可使高粱、大豆、玉米等作物增產(chǎn)外，還可顯著增加植株中的Mg、Ca含量，減少向土壤的流失。在我國南方的紅壤上施用生物炭，可使土壤pH提高0.1～0.46、CEC提高3.9%～17.3%、玉米生物量提高64%。在低肥力的土壤上，生物炭能顯著提高黑麥草的產(chǎn)量，增加幅度隨生物炭施用量的增加而增大；而在高肥力的土壤上，生物炭對黑麥草產(chǎn)量的影響不顯著，當生物炭施用量達到一定程度時甚至對黑麥草的生長產(chǎn)生了輕微的抑制作用。同樣在肥沃的Anthraquic Gleysols和較為肥沃的Humic Nitisols施用生物炭并沒有出現(xiàn)增產(chǎn)效果，甚至在Humic Nitisols上還出現(xiàn)減產(chǎn)情況。

生物炭與有機肥料或無機肥料配合施用的促進效果更佳，配合施用能夠增加玉米和花生的產(chǎn)量，使水稻產(chǎn)量提高8.8%～12.1%，玉米生物量提高146%。然而，生物炭對作物生長也存在抑制作用或沒有影響，尤其在生長初期，生物炭在一定程度上抑制玉米的生長。

4 生物炭對作物生長效應的可能機理

生物炭對作物生長的雙面性的研究主要從生物炭提升土壤肥力、提高土壤離子交換能力、改變微生物群落等土壤的間接作用進行闡述。間接作用是由生物炭施用誘導的土壤養(yǎng)分條件的變化引起的，在一定程度上與施用的土壤肥力狀況和土壤類型有很大關(guān)系。如在堿性鈣質(zhì)土壤上施用造紙廢物高溫熱解的生物炭后，小麥和蘿卜的干生質(zhì)量減產(chǎn)，而在酸性鐵質(zhì)土壤上施入該生物炭后，小麥和蘿卜的干質(zhì)量顯著增加。但是除了生物炭與土壤的間接作用以外，還可能存在生物炭不通過土壤介質(zhì)，而是直接作用于作物的直接效應。而這種直接作用效應，在過去一直沒有得到足夠的重視。一般生物炭用量較低時提高作物生物量，用量較高時降低作物生物量，這個劑量效應可能與生物炭的揮發(fā)性物質(zhì)含量有關(guān)。揮發(fā)性物質(zhì)是生物質(zhì)裂解過程中生成的，通常是酚、醛、醇、烯等多種物質(zhì)的混合體。不同的生物質(zhì)、不同的裂解條件得到的生物炭含有的揮發(fā)性物質(zhì)的組分相差很大，因此，揮發(fā)性物質(zhì)可能是生物炭影響作物生長的一個重要因素。

Peng等人利用水稻秸稈高溫熱解制備的生物炭施用于南方紅壤上，使玉米生物量增加了64%。張晗之等人采用小麥秸稈高溫熱解制備的生物炭施用于亞熱帶濕潤地區(qū)的水稻土上，生物炭對苗期玉米的株高有顯著的抑制作用，同樣條件制備的生物炭應用于微區(qū)試驗也沒有顯著提高水稻的產(chǎn)量。同是作物秸稈制備的生物炭，對玉米的生長效應卻是相反的，仔細比較分析發(fā)現(xiàn)所獲得的生物炭C：N比相差較大，前者的C：N較小，后者的C：N較大，生物炭的C：N與作物本身對C、N的需求是相對應的。如在無土培養(yǎng)體系下施用生物炭，番茄的株高和葉面積增加了，但花和產(chǎn)量沒有變化，而辣椒的生長和產(chǎn)量顯著增加。因此，生物炭的C：N可能是生物炭影響作物生長效應的另一個重要因素。

5 展望

生物炭對作物生長效應存在的差異原因和機理需要進一步的探索。生物質(zhì)材料來源不同及生產(chǎn)工藝缺乏系統(tǒng)界定，導致生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有確切的定義和標準，今后應加強對生物炭基本化學性質(zhì)的研究，制定生物炭的定義和標準。

參考文獻

[1]劉玉學，劉微.土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應[J].應用生態(tài)學報，2009，20（04）：977-982.

[2]謝祖彬，劉琦.生物炭研究進展及其研究方向[J].土壤，2011， 43（6）：857-861.

作者簡介：楊勇（1979-），男，安徽巢湖人，農(nóng)藝師，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)資源開發(fā)與利用。