生物炭對土壤理化和微生物性質影響研究進展

唐行燦, 陳金林

?

生物炭對土壤理化和微生物性質影響研究進展

唐行燦1,2, 陳金林1,*

1. 南方現代林業協同創新中心, 南京林業大學生物與環境學院, 南京 210037 2. 山東農業大學資源與環境學院, 泰安 271018

生物炭是生物質原料限氧熱解制備的高度芳香化和富含碳元素的黑色固體物質。生物炭所具有的獨特的性質使生物炭在土壤改良方面具有很大的潛力, 已成為當前農業科學領域的研究熱點。但是, 生物炭的性質受原料和熱解溫度的影響。生物炭性質和土壤環境條件的差異可在較大程度上影響生物炭改良土壤的效果。因此, 必須根據土壤的主要障礙因子, 選擇合適的生物炭施加方案, 以期得到較好的土壤改良效果。綜述了近年來國內外有關生物炭對土壤理化和微生物性質影響的研究進展, 探討了生物炭改變土壤性質的機制和影響因素, 闡述了生物炭研究和應用中存在的一些問題, 從而為生物炭在農業領域的應用提供一定的思路。

生物炭; 土壤改良; 理化性質; 微生物性質

1 前言

生物炭是生物質原料限氧熱解制備的黑色固體物質。制備生物炭的生物質原料來源廣泛, 包括: 農作物殘體、林業廢棄物、禽畜糞便和骨骼、污泥和固體垃圾等有機廢棄物料[1]。制備生物炭的熱解方法分為: 快速、慢速、閃速、濕法、微波加熱熱解等, 它們在升溫快慢、熱解溫度和時間、最終產品分布上存在差異[2]。慢速熱解的特點是: 較低的熱解溫度(＜700 ℃)和較長的熱解時間, 可優化熱解條件增加生物炭的產率, 是生產生物炭的常用方法[2]。

通常, 生物炭容重小、多孔、比表面積大, 呈堿性, 富含碳元素并含一定量礦質養分, 具有優良的吸附特性和較強的抵抗土壤微生物分解的穩定性[3]。這些性質使生物炭可協調土壤空氣和水分的關系, 降低土壤酸度, 提高土壤養分含量并減少養分淋失, 在較長時間尺度上增加土壤生產力和可持續性, 位于亞馬遜盆地的黑色土壤“Terra Preta”就是例證[4]。近年來, 國內外很多學者在生物炭的制備、性質、生物炭在農業和生態環境領域的應用等方向做了大量的研究。生物炭的性質受生物質原料和熱解溫度的影響較大。比如隨著熱解溫度升高, 生物炭的孔隙度、表面積、灰分含量、pH、芳香度均增加, 而易分解有機碳含量降低[2, 5]。由于生物炭性質、施加量、土壤環境條件的差異, 有關生物炭對土壤性質影響的研究結果并不一致。因此, 國內外學者對大規模應用生物炭還存在疑慮。本文結合國內外相關的最新研究進展, 主要從生物炭性質和生物炭對土壤理化、微生物性質影響等方面作了總結, 以期對生物炭改良土壤的研究提供借鑒意義。

2 生物炭的性質

生物炭本身的性質是將生物炭應用于土壤改良的理論依據。生物質原料和熱解溫度可調控生物炭的結構和性質, 進而對生物炭改良土壤的效果產生重要影響。

2.1 生物炭的孔隙度、表面積、持水性

生物炭的孔隙度決定了生物炭的表面積大小。隨著熱解溫度升高, 生物炭中熱揮發性物質減少, 孔隙直徑和孔隙度增大[1], 生物炭表面積增加[6]。

通常低溫熱解制備的生物炭較高溫熱解制備的生物炭具有更強的持水性[7-8]。原因在于隨著熱解溫度升高, 一方面生物炭芳香化程度加深, 疏水性增強; 另一方面生物炭極性官能團數量減少, 親水性減弱[7-8]。

2.2 生物炭的pH

生物炭的pH在4—12之間, 一般呈堿性[3]。生物炭灰分中含有的鉀、鈉、鈣、鎂等礦質元素的氧化物或碳酸鹽溶于水后呈堿性[3]。通常生物炭的灰分含量越高, 生物炭的pH也越大[3]。比如, 相同熱解條件下, 禽畜糞便生物炭灰分含量較高, pH也較高; 木本植物生物炭灰分含量較低, pH也較低; 草本植物生物炭的pH和灰分含量介于禽畜糞便和木本植物生物炭之間[3]。生物質原料相同條件下, 隨著熱解溫度升高, 生物炭pH增加[9-10]。高溫熱解生物炭中堿性物質主要以碳酸鹽形態存在, 且隨熱解溫度升高, 碳酸鹽總量增加; 低溫熱解生物炭中堿性物質主要是生物炭含有的羧基和羥基等含氧官能團, 它們帶負電荷并能結合土壤溶液中的氫離子[9-10]。

2.3 生物炭的陽離子交換量(CEC)

熱解溫度過高或過低都會降低生物炭CEC[1]。生物炭含有的羥基和羧基等含氧官能團數量隨熱解溫度變化趨勢與CEC基本一致[1]。熱解溫度較低時, 生物炭的含氧官能團被形成和保留; 熱解溫度過高時, 含氧官能團被高溫破壞[11]。生物炭的CEC與表征含氧官能團數量的氧碳比之間也存在顯著正相關[7, 11]。這些含氧官能團所產生的表面負電荷使生物炭具有較高的CEC[11]。動物來源的原料[1]或發酵后的原料[12]制備的生物炭分別比植物來源的原料或未發酵的原料制備的生物炭具有更高的CEC。

2.4 生物炭的元素組成

生物炭富含碳元素, 生物炭的灰分中含有大量植物所需的營養元素, 其中水溶性營養元素能直接提高土壤中有效態營養元素含量[13]。生物質原料對生物炭中元素組成和含量有很大影響。比如, 禽畜糞便中多種礦質元素含量較高、碳含量較低, 木本植物中礦質元素含量較低、碳含量較高, 草本植物的礦質和碳元素含量介于禽畜糞便和木本植物之間[13]。這與以這三種原料制備的生物炭中礦質和碳元素含量高低順序相同[13]。有的生物炭中某幾種元素含量較高: 比如骨炭中磷和鈣元素含量較高[14], 污泥生物炭中鈣和某些重金屬元素含量較高[15]。隨熱解溫度升高, 生物炭中碳和礦質元素富集, 而氫和氧元素含量降低[5, 16]。氮素較特殊: 隨熱解溫度升高, 木材和秸稈生物炭中氮素含量呈先增加后下降的趨勢; 而禽畜糞便生物炭中氮素含量逐漸下降[1]。且生物炭中可被利用的有效氮含量很低[15]。

2.5 生物炭的土壤生物學穩定性

由于具有高度芳香化結構, 生物炭具有比其生物質原料高得多的生物學穩定性, 被認為是穩定的炭儲庫[17-18]。但微生物仍可將來源于生物炭易分解有機碳中的碳元素同化到自身結構中[17-18]。易分解有機碳包括未完全碳化的生物質和熱解過程中形成的揮發分在冷卻過程中凝聚到炭顆粒表面的物質, 既包括各種簡單的脂肪酸、醇類、酚類、酯類化合物, 又可能含有類似黃腐酸和胡敏酸的組分[4, 5, 19]。其它條件相同時, 易分解有機碳含量較高的生物炭在土壤中穩定性差, 分解速率快[16, 20-21]。易分解有機碳含量較高的生物炭包括新制備的生物炭(相對于老化后的生物炭)[20]、低溫熱解制備的生物炭(相對于高溫熱解生物炭)[21]、禽畜糞便生物炭(相對于木本植物生物炭)[1]。易分解有機碳在前2—60 d分解速率較快, 期間生物炭中2—20%有機碳被分解[4, 18]; 此后, 生物炭的分解速率迅速降低至幾乎為零[4]。

3 生物炭對土壤理化性質的影響

由于生物炭本身具有一系列獨特的性質, 施加生物炭必然改變土壤理化性質。普遍認為施加生物炭可改善土壤持水性和土壤結構, 中和酸性土壤, 增加土壤對養分的保持能力等。生物炭改良土壤理化性質的效果受到生物炭性質、施加量、土壤環境條件、生物炭與土壤反應的時間尺度等諸多因素的影響[22-25]。

3.1 生物炭對土壤持水性的影響

生物炭本身具有的親水性以及生物炭增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度, 導致土壤水分的滲濾模式、停留時間、流動路徑發生一定程度的改變, 在重力排水平衡上可以保持更多的水, 有更大的水截留潛力和表面積, 水分擴散率減少, 土壤的持水性增加[8, 26]。由于砂土對水分的保蓄能力較弱, 生物炭增加砂土持水性的效果較明顯[26]。但這種增加效應是有限的: 生物炭僅在一定施加量范圍內能夠增加砂土持水性, 而較高的施加量反而會導致土壤水分滲透率增加和土壤持水性下降[4]。這種現象在施加疏水性較強的生物炭的條件下表現的更明顯[4]。因此, 合理施用生物炭可以有效提高干旱地區砂土的持水能力, 這有助于提高作物對土壤水分和水溶性養分的利用效率。

3.2 生物炭對土壤團聚體的影響

培育或田間試驗均報道過生物炭改良土壤團聚體結構的研究[1, 27-28]。在團聚體形成之初, 生物炭的表面積和氧碳比等性質[28]以及醌基等官能團[1]影響生物炭與土壤有機無機復合體的結合過程。微生物分泌的有機膠結劑、菌絲對土壤顆粒纏繞、微生物對有機碳礦化等過程對土壤團聚體的形成和穩定有重要的作用[4]。如果生物炭改善土壤微生物性質, 將有利于團聚體形成和穩定, 從而增加土壤抗破碎能力和水穩定性。比如, 與對照相比, 黏壤土中施竹炭和木炭培育372 d后, 土壤微生物生物量和β-葡糖苷酶活性顯著增加, 同時大團聚體含量也顯著增加[27]。

生物炭對土壤團聚體結構改良效果的影響因素包括: 1)生物炭性質。粒徑較粗的生物炭限制土壤、微生物、生物炭三者之間的相互作用, 減緩大團聚體的形成過程[4]。而易分解有機碳含量較多的生物炭由于為微生物提供了易分解的碳源, 刺激了微生物生長, 因而能較好的改良有機質含量較低[27]和交換態陽離子含量較低[29]土壤的團聚體結構。2)土壤環境條件。質地粘重的土壤中施加生物炭通常可以增加大團聚體含量并降低微團聚體含量[30]。但是, 生物炭對有機質含量較低的粗質地土壤團聚體改良效果較差[28, 31-32]。就有機質含量較低的粗質地土壤而言, 應考慮將生物炭與其它有機物料配施以更好地促進團聚體形成和穩定[28, 31-32]。3)生物炭施加量及時間尺度。生物炭施加量較低[33]或土壤與生物炭反應時間較短[34]時, 團聚體粒級分布和穩定性的變化較對照常不明顯。

3.3 生物炭對土壤pH的影響

銨態氮肥的大量施用和酸雨沉降導致農業土壤pH顯著降低。土壤酸化不僅造成土壤肥力質量降低, 還能增強重金屬元素的活性。生物炭對有機質含量較低的酸性土pH增加效果明顯[1, 35]。原因在于: 1)生物炭本身的pH較高。2)生物炭中帶負電荷的羧基和羥基等含氧官能團, 可以結合土壤溶液中的氫離子, 降低氫離子濃度[9]。3)來源于生物炭的碳酸鹽和重碳酸鹽也能結合土壤溶液中的氫離子[10]。

隨著生物炭在土壤中反應時間的增加, 生物炭的pH呈下降的趨勢。比如, 在粉壤土中室內培育100天后, 松木和玉米青儲飼料400和600 ℃生物炭pH較新制備時降低了2.3—3.6[36]。在壤土中田間老化3年后, 堅果殼和木本植物500—550 ℃生物炭pH較新制備時降低了1.0—4.4[37]。這說明, 生物炭在短期內有利于緩解農業土壤酸化, 但是, 生物炭對酸性土壤pH值的持續調控效應還存在爭議, 需要長期定位試驗的進一步跟蹤監測。

3.4 生物炭對土壤CEC的影響

生物炭增加土壤CEC的原因在于: 1)生物炭本身的CEC較大。2)生物炭增加土壤pH, 土壤中可變負電荷數量隨之增加, 這也有助于增加土壤CEC[38-39]。比如, 高溫(>600 ℃)熱解生物炭的CEC較低, 但由于具有較大的比表面積和較高的pH, 施加該生物炭后, 土壤CEC仍顯著增加[39]。土壤CEC的增加意味著土壤養分保持能力的增加。相反地, 木本植物500 ℃生物炭, 施加量3和6%(w/w), 施入砂土培育91 d, 土壤CEC較對照無顯著變化[40]。這可能是生物炭的pH和CEC均較低所致[40]。

生物炭增加土壤CEC的效果與土壤環境條件有關。相對于CEC較高的堿性土, 生物炭能更顯著地增加CEC較低的酸性土的CEC[1]。生物炭在土壤中持續發生的緩慢氧化反應(也稱為生物炭在土壤中的老化過程)能夠通過生物炭表面含氧官能團的不斷生成而提高土壤CEC[1]。

3.5 生物炭對土壤吸持低分子量物質行為的影響

“Terra Preta”作為生物炭長期田間試驗的范例表明: 若將生物炭的合理施用作為當地農業制度中的一環, 生物炭能永久性地增加土壤吸持養分和低分子量有機物的能力[1]。由于具有較大的表面積和孔隙度, 較多的來源于羥基和羧基等官能團的負電荷, 生物炭不僅有效吸持各種鹽基陽離子和NO3?、PO43-/HPO42-/H2PO4?[41-42], 還對低分子量可溶性有機物(DOC)有較強的吸附能力[43-44]。吸附能力一方面與生物炭的pH、表面積、氧碳比、CEC等性質及土壤有機質含量和質地等環境條件有關, 另一方面與生物炭引起的土壤顆粒電荷和化學性質的改變有關, 可通過人為選擇原料和熱解條件在一定程度上加以控制[41-44]。在老化過程中, 生物炭表面活性位點不可逆地與土壤中某些物質結合, 導致生物炭吸附能力降低[1]。因而, 通過新制備生物炭的性質僅可在短期內預測生物炭的吸附特征, 但在較長時間尺度的田間環境下, 生物炭的吸持能力會發生難以預期的改變。

生物炭對重金屬和疏水性有機污染物也有較強吸附能力, 并降低土壤中污染物的生物有效性。生物炭對重金屬陽離子的吸附作用由弱到強依次為: 靜電吸附、專性吸附、沉淀作用; 生物炭對有機污染物的吸附可用二元模式描述: 動力學過程較快、非競爭的分配吸附和動力學過程較慢、競爭的表面吸附[4]。生物炭還能吸附導致植物發生連作障礙的化感物質[4]。

4 生物炭對土壤微生物性質的影響

生物炭與土壤微生物之間存在復雜的相互作用: 一方面, 如上所述, 生物炭可通過改善土壤理化性質, 間接增加微生物活性[1, 4]。另一方面, 生物炭具有的易分解有機碳組分、良好的孔隙結構、較強的吸持養分和水分的能力, 使生物炭成為微生物優良的棲息地[26, 45-48]。這些相互作用使得生物炭施入農田后極有可能對土壤微生物生物量、微生物群落結構、酶活性等土壤微生物性質產生調控作用, 從而影響微生物驅動的養分循環和養分形態轉化過程, 最終改變土壤肥力質量和功能。

4.1 關于生物炭成為土壤微生物良好棲息地的原因

關于生物炭成為土壤微生物良好棲息地的原因, 存在不同的假設。有研究報道生物炭的孔隙結構為細菌、真菌、原生動物等提供了良好的庇護場所, 使它們免遭天敵捕食或周期性干旱的影響[47-49]。與之不同的看法是: 生物炭平均孔隙大小(納米級)遠小于一般土壤微生物適宜生存的孔隙大小(微米級), 由于受空間制約, 土壤微生物無法定殖于生物炭孔隙中[4]。持這種看法的學者認為生物炭成為微生物棲息地的原因在于: 生物炭可有效吸附DOC、速效氮、鹽基離子等小分子物質; 且生物炭含有的養分可通過溶解和解吸而釋放, 這為微生物提供了豐富的營養物質[4]。

4.2 生物炭對土壤微生物生物量的影響

通常, 易分解有機碳含量較高的生物炭對土壤微生物生物量的直接影響(微生物直接利用生物炭含有的易分解有機碳和營養元素)和間接影響(生物炭通過改變土壤性質間接影響微生物)均較大, 能在短期內有效增加微生物生物量; 而易分解有機碳含量較低的生物炭則主要通過間接作用影響微生物生物量, 在短期內增加微生物生物量的效果不明顯[4, 39, 50-52]。若生物炭能消減土壤障礙因子和提升地力, 往往增加微生物生物量[33]。

但如果生物炭的碳氮比過大、易分解有機碳含量過高、土壤有效氮含量相對不足時, 生物炭中大量易分解有機碳產生的激發效應使土壤微生物對氮素產生強烈的生物固定, 這將導致作物因缺氮而生長受阻, 最終對土壤微生物生物量產生不利影響[19]。如果生物炭優先將土壤溶液中的水分、礦質養分、DOC吸持于生物炭的微孔中, 且難以釋放, 微孔的平均孔徑(<50 nm)小于大部分微生物, 會阻礙營養物質與微生物的接觸, 在短期內抑制微生物生長[1, 19]。比如木本植物高溫(≥600 ℃)制備的且養分含量較低的生物炭對有機質含量較低的粗質地土壤微生物生物量的影響常是負面的[33, 50, 53]。有機質含量較高的細質地土壤由于具有良好的緩沖能力, 可在一定程度上緩解這種生物炭對微生物的負面效果[1]。向土壤中同時施加堆肥或糞肥等有機物料, 增加微生物可利用性底物, 可緩解這種抑制作用[1]。另外, 生物炭在熱解過程中會殘留多環芳烴和二惡英等有毒物質, 某些生物炭中重金屬元素含量較高, 都會對微生物產生潛在的毒性[4]。

4.3 生物炭對土壤微生物群落結構的影響

生物炭可增加革蘭氏陽性菌[51]、革蘭氏陰性菌[45, 46]、真菌[18]、放線菌[46, 53]的生物量。不同微生物類群適宜生長的生境有所不同, 在特定土壤環境中施生物炭往往優先增加某一類或幾類微生物生物量[18, 51, 54]。生物炭對土壤微生物類群的影響與土壤環境條件有關, 各研究結論不一致。有研究表明土壤中施加生物炭后細菌群落結構的變化較真菌明顯, 生物炭可降低真菌與細菌生物量比值[45, 55]。原因在于: 1)生物炭調節土壤pH朝更有利于細菌生長的環境轉變[4]。2)相對于細菌, 真菌更難以在生物炭(尤其是裂縫含量較少的生物炭)中定殖[47]。然而生物炭還可通過改變土壤碳氮比的方式改變真菌與細菌生物量比值, 這又與生物炭的碳氮比[56]和施加量[17, 57]有關。如果土壤碳氮比成為影響土壤微生物生長的主要因素, 施加生物炭還可能增加真菌與細菌生物量的比值。比如Muhammad[57]在砂壤土中分別添加不同原料制備的生物炭培育90 d后發現: 土壤真菌與細菌生物量比值跟生物炭施加量、DOC與總氮比值、碳氮比均呈顯著正相關。對于養分貧瘠的土壤, 相對于革蘭氏陰性菌, 生物炭促進革蘭氏陽性菌生長的效果更好。原因在于: 生物炭中細菌可利用的易分解有機碳含量相對較少, 無法滿足革蘭氏陰性菌生長所需, 來源于生物炭的有機碳優先被革蘭氏陽性菌利用[17,57]。

生物炭對微生物群落結構的影響還與時間尺度有關。有學者認為微生物需要一些時間來適應施加生物炭(尤其是易分解有機碳含量較低的生物炭)后改變的土壤環境[33]。施生物炭后較短時間內, 革蘭氏陽性菌和陰性菌、真菌、放線菌生物量均低于對照; 而在后期, 生物炭較對照增加了這些微生物類群的生物量[33]。隨著生物炭在土壤中老化, 生物炭pH下降, 從而逐漸成為有利于真菌生長的環境[57]。此外, 微生物群落結構對生物炭的響應具有“濃度依賴型”的特征[45]。隨生物炭施加量增加, 土壤微生物群落結構與對照的差異越明顯[45]。

4.4 生物炭對土壤酶活性和微生物信號分子的影響

土壤微生物通過分泌酶來促進有機質的分解和養分的循環。生物炭對土壤酶活性的改變受生物炭、酶、酶作用底物三者之間相互作用的影響, 以往文獻報道并無統一結論[38, 51, 58-64]。生物炭活性位點可吸附或解吸酶及其作用底物[51,58,63]。吸附或解吸特征與生物炭孔隙度和表面積有關[51,58,64]。一方面, 生物炭對酶及其作用底物的吸附促進酶促反應的進行[4, 51]。另一方面, 具有較大孔隙度和表面積的生物炭吸附胞外酶及其作用底物的能力較強, 能阻礙底物與酶催化活性位點相結合并降低酶活性[51, 58, 64]。Ameloot[51]通過117 d的培育試驗發現: 施加700 ℃生物炭(表面積和孔隙度較大)導致土壤脫氫酶活性較對照下降了47%; 而施加350 ℃生物炭(表面積和孔隙度較小)后脫氫酶活性較對照增加了73%。

土壤微生物通過分泌信號分子使得相互之間存在一種識別和交流的通訊系統。隨著微生物生物量增加, 微生物分泌的信號分子濃度隨之增加, 當濃度超過閾值時, 反饋作用改變微生物的生理性狀, 抑制微生物的生長, 從而保持微生物之間的協調[64]。在瓊脂培養基中, 木本植物生物炭可以阻礙信號分子介導的革蘭氏陰性菌之間的交流; 與300 ℃生物炭相比, 施加700 ℃生物炭后這種抑制作用增大了10多倍[64]。這可能是生物炭對信號分子的吸附導致的; 且隨熱解溫度升高, 生物炭吸附能力增強。然而, 生物炭在土壤中會與多種有機、無機化合物發生相互作用。生物炭對微生物信號分子的吸附能力取決于生物炭空活性吸附位點的多少。Masiello[64]的結果暗示: 高溫熱解生物炭可能在一定程度上阻礙土壤微生物之間的信息交流, 且阻礙作用在有機質含量較低的土壤中表現的更明顯。

5 問題與展望:

將有機廢棄物料通過熱解炭化技術制備生物炭并作為土壤改良劑施入農田, 是改善耕作土壤理化和微生物學性質, 增加土壤生產力的一種新思路。但是, 對于我國廣泛的農業問題來說, 不僅要有效發揮生物炭在土壤改良方面的巨大潛力, 還要避免一系列不利影響。未來應該從以下幾個方面入手解決:

5.1 明確生物炭在不同土壤環境條件下的適用性

需要制定一個統一的生產生物炭的標準, 明確不同原料在不同熱解條件下制備的生物炭的性質, 預測生物炭在典型土壤環境中的效應。對特定的土壤環境條件, 需要綜合考慮生物質原料直接還田與生物質制成生物炭還田的效果。施加某種生物炭不可能改良所有土壤性質指標, 而且生物炭在不同土壤環境條件下的農用效應差異較大。所以在應用生物炭時, 應根據所要達到的目的和成本, 針對特定土壤主要障礙因子和區域環境條件, 選擇合適的生物炭種類和施加量。

5.2 通過不同尺度試驗明確生物炭在土壤環境中的生物地球化學行為

對于土柱模擬試驗、培育試驗和盆栽試驗, 通常將生物炭磨碎過2 mm或更小孔徑的篩子, 再與土壤混勻, 通過精細的試驗研究生物炭在土壤改良過程中發生的化學和生物反應機制。對于田間試驗, 生物炭被撒施到土壤表面, 通過耕作將生物炭與表層土混合。與實驗室水平的試驗相比, 田間試驗在氣候、施肥、耕作措施等方面存在較大差異, 這些差異足以在一定程度上掩飾生物炭對土壤性質影響的真實效果。將實驗室機理分析與田間試驗相結合, 既能明確生物炭影響土壤性質的機制又能與生產實際相近。

隨著生物炭與土壤接觸時間的增加, 生物炭在土壤中發生結構和性質上的變化, 生物炭與土壤之間逐漸建立化學交換和微生物活性的平衡。因為生物炭改良土壤性質的長期效應有別于短期效應, 所以需要通過長期定位試驗, 在不同時間尺度下, 跟蹤研究生物炭在土壤中的各種生物地球化學行為。

5.3 識別應用生物炭所帶來的潛在風險

由于具有高度穩定性, 生物炭可以在土壤中長期存在, 因而需要對有機廢棄物原料和生物炭進行必要的檢測和篩選, 加強生物炭的生態毒理學研究, 以避免施加生物炭帶來的一系列潛在的生態風險: 比如施加生物炭導致pH值和氨揮發較大增加、土壤碳氮比失調和有效氮含量降低、鹽基離子含量過高、生物炭中含有的有毒物質的釋放等。這些負面效果會對土壤生物區系產生不利影響, 甚至潛在威脅農業可持續發展。

5.4 加強生物炭與各種生物區系之間的相互作用

大型土壤動物的數量和活性對土壤性質和生物炭穩定性有很大影響。但目前除蚯蚓外, 施加生物炭對其它種類大型土壤動物影響的研究較少

5.5 降低生產生物炭的成本、實現副產品循環利用

制備生物炭的成本較高是生物炭大規模產業化推廣的很大障礙。因此, 一方面需要探索生產生物炭的新技術和設備, 研究大量收集有機廢棄物原料的合理方案, 提高生產效率。另一方面, 充分開發生物炭及其副產品的潛在應用價值。比如除直接用作土壤改良劑提高農業土壤生產力外, 還需以生物炭為基礎材料, 多元化開發, 生產炭基緩釋肥、微生物肥料接種菌載體材料、活性炭、育苗基質等衍生產品。收集制備生物炭過程中產生的木醋液和可燃氣等副產品, 并將其應用于生活能源和工業原料等領域, 提升生物炭的附加價值。

[1] Gul S, Whalen J K, Thomas B W, et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils: Mechanisms and future direc-tions[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 206(1): 46–59.

[2] Mohanty P, Nanda S, Pant K K, et al. Evaluation of the physiochemical development of biochars obtained from pyrolysis of wheat straw, timothy grass and pinewood: effects of heating rate[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2013, 104: 485–493.

[3] Lehmann J. Bio-energy in the black[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2007, 5(7): 381–387.

[4] Ameloot N, Graber E R, Verheijen F G A, et al. Interactions between biochar stability and soil organisms: review and research needs[J]. European Journal of Soil Science, 2013, 64(4): 379–390.

[5] Uchimiya M, Ohno T, He Zhongqi. Pyrolysis temperature-dependent release of dissolved organic carbon from plant, manure, and biorefinery wastes[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2013, 104: 84–94.

[6] Chen Baoliang, Yuan Miaoxin. Enhanced sorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by soil amended with biochar[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(1): 62–71.

[7] Spokas K A. Review of the stability of biochar in soils: predictability of O: C molar ratios[J]. Carbon Management, 2010,1(2): 289–303.

[8] Kinney T J, Masiello C A, Dugan B, et al. Hydrologic properties of biochars produced at different temperatures[J]. Biomass and Bioenergy, 2012, 41: 34–43.

[9] Chintala R, Mollinedo J, Schumacher T E, et al. Effect of biochar on chemical properties of acidic soil[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2014, 60(3): 393–404.

[10] Yuan Jinhua, Xu Renkou, Zhang Hong. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology, 2011, 102 (3): 3488–3497.

[11] Lee J W, Kidder M, Evans B R. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44 (20): 7970–7974.

[12] Inyang M, Gao Bin, Pullammanappallil P, et al. Biochar from anaerobically digested sugarcane bagasse[J]. Bioresource Technology, 2010, 101: 8868– 8872.

[13] Gaskin J W, Steiner C, Harris K, et al. Effects of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use[J].Transactions of the ASABE, 2008, 51(6): 2061–2069.

[14] Chen Shibao, Zhu Yongguan, Ma Yibing, et al. Effect of bone char application on Pb bioavailability in a Pb-contaminated soil[J]. Environmental Pollution, 2006, 139(3): 433–439.

[15] Hossain M K, Strezov V, Chan K Y, et al. Influence of pyrolysis temperature on production and nutrient properties of wastewater sludge biochar[J]. Journal of Environmental Management, 2011, 92 (1): 223–228.

[16] Huff M D, Kumar S, Lee J W. Comparative analysis of pinewood, peanut shell, and bamboo biomass derived biochars produced via hydrothermal conversion and pyrolysis[J]. Journal of Environmental Management, 2014, 146: 303–308.

[17] Farrell M, Kuhn T K, Macdonald L M, et al. Microbial utilization of biochar-derived carbon[J]. Science of The Total Environment, 2013, 465(1): 288–297.

[18] Steinbeiss S, Gleixner G, Antonietti M. Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 41(6): 1301–1310.

[19] Deenik J L, McClellan T, Uehara G, et al. Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformations[J]. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(4): 1259–1270.

[20] Smith J L, Collins H P, Bailey V L. The effect of young biochar on soil respiration[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2010, 42(12): 2345–2347.

[21] Bruun E W, Ambus P, Egsgaard H, et al. Effects of slow and fast pyrolysis biochar on soil C and N turnover dynamics[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2012, 46: 73-79.

[22] Knicker H. Pyrogenic organic matter in soil: its origin and occurrence, its chemistry and survival in soil environ-ments[J]. Quaternary International, 2011, 243(2): 251–263.

[23] Luo Yu, Durenkamp M, Nobili M D, et al. Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(11): 2304–2314.

[24] Nguyen B T, Lehmann J. Black carbon decom-position under varying water regimes[J]. Organic Geoche-mistry, 2009, 40(8): 846–853.

[25] Fang YunYing, Singh B, Singh B P. Effect of temperature on biochar priming effects and its stability in soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2015, 80: 136–145.

[26] Peake L R, Reid B J, Tang Xiangyu. Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils[J]. Geoderma, 2014, 235-236: 182–190.

[27] Demisie W, Liu Zhaoyun, Zhang Mingkui. Effect of biochar on carbon fractions and enzyme activity of red soil[J]. CATENA, 2014, 121: 214–221.

[28] Khademalrasoul A, Naveed M, Heckrath G, et al. Biochar effects on soil aggregate properties under no- till maize[J]. Soil Science, 2014, 179(6): 273–283.

[29] Liu Zuxiang, Chen Xiaomin, Jing Yan, et al. Effects of biochar amendment on rapeseed and sweet potato yields and water stable aggregate in upland red soil[J]. CATENA, 2014, 123: 45–51.

[30] Lu Shenggao, Sun Fangfang, Zong Yutong. Effect of rice husk biochar and coal fly ash on some physical properties of expansive clayey soil (Vertisol)[J]. CATENA, 2014, 114: 37–44.

[31] Busscher W J, Novak J M, Ahmedna M. Physical effects of organic matter amendment of a southeastern US coastal loamy sand[J]. Soil Science, 2011, 176(12): 661– 667.

[32] Awad Y M, Blagodatskaya E, Ok Y S, et al. Effects of polyacrylamide, biopolymer and biochar on the decomposition of 14C-labelled maize residues and on their stabilization in soil aggregates[J]. European Journal of Soil Science, 2013, 64(4): 488–499.

[33] Mitchell P J, Simpson A J, Soong R, et al. Shifts in microbial community and water-extractable organic matter composition with biochar amendment in a temperate forest soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2015, 81: 244–254.

[34] Zhang Qingzhong, Du Zhangliu, Lou Yilai, et al. A one-year short-term biochar application improved carbon accumulation in large macroaggregate fractions[J]. CATENA, 2015, 127: 26–31.

[35] Stewart C E, Zheng Jiyong, Botte J, et al. Co- generated fast pyrolysis biochar mitigates greenhouse gas emissions and increases carbon sequestration in temperate soils[J]. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5(2): 153–164.

[36] Heitkotter J, Marschner B. Interactive effects of biochar ageing in soils related to feedstock, pyrolysis temperature, and historic charcoal production[J]. Geoderma, 2015, 245-246: 56–64.

[37] Spokas K A. Impact of biochar field aging on laboratory greenhouse gas production potentials[J]. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5 (2): 165–176.

[38] Masto R M, Kumar S, Rout T K, et al. Biochar from water hyacinth () and its impact on soil biological activity[J]. CATENA, 2013, 111: 64–71.

[39] Wan Qing, Yuan Jinhua, Xu Renkou, et al. Pyrolysis temperature influences ameliorating effects of biochars on acidic soil[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2014, 21(4): 2486–2495.

[40] Basso A S, Miguez F E, Laird D A, et al. Assessing potential of biochar for increasing water-holding capacity of sandy soils[J]. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5 (2): 132–143.

[41] Kameyama K, Miyamoto T, Shiono T, et al. Influence of sugarcane bagasse-derived biochar application on nitrate leaching in calcaric dark red soil[J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1131–1137.

[42] Prommer J, Wanek W, Hofhans F, et al. Biochar decelerates soil organic nitrogen cycling but stimulates soil nitrification in a temperate arable field trial[J]. PLOS ONE 2014, 9(1): 1–16.

[43] Lu Weiwei, Ding Weixin, Zhang Junhua, et al. Biochar suppressed the decomposition of organic carbon in a cultivated sandy loam soil: a negative priming effect[J]. Soil Biology & Biochemistry,2014, 76: 12–21.

[44] Ventura M, Zhang Chaobo, Bald E, et al. Effect of biochar addition on soil respiration partitioning and root dynamics in an apple orchard[J]. European Journal of Soil Science, 2014, 65 (1): 186–195.

[45] Gomez J D, Denef K, Stewart C E, et al. Biochar addition rate influences soil microbial abundance and activity in temperate soils[J]. European Journal of Soil Science, 2014, 65(1): 28–39.

[46] Watzinger A, Feichtmair S, Kitzler B, et al. Soil microbial communities responded to biochar applica-tion in temperate soils and slowly metabolized13C-labelled biochar as revealed by13C PLFA analyses: results from a short-term incubation and pot experiment[J]. European Journal of Soil Science, 2014, 65 (1): 40–51.

[47] Warnock D D, Lehmann J, Kuyper T W, et al. Mycorrhizal responses to biochar in soil-concepts and mechanisms[J]. Plant Soil, 2007, 300 (1): 9–20.

[48] Quilliam R S, Glanville H C, Wade S C, et al. Life in the ‘charosphere’ -does biochar in agricultural soil provide a significant habitat for microorganisms?[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 65: 287–293.

[49] Jaafar N M, Clode P L, Abbott L K. Microscopy observations of habitable space in biochar for colonization by fungal hyphae from soil[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(3): 483–490.

[50] Luo Yu, Durenkamp M, Nobili M D, et al. Microbial biomass growth following incorporation of biochars produced at 350 ℃or 700 ℃, in a silty-clay loam soil of high and low pH[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 57: 513–523.

[51] 李飛躍, 汪建飛, 謝越, 等. 熱解溫度對生物質炭碳保留量及穩定性的影響[J]. 農業工程學報, 2015, 31(4): 266–271.

[52] Domene X, Mattana S, Hanley K, et al. Medium-term effects of corn biochar addition on soil biota activities and functions in a temperate soil cropped to corn[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2014, 72: 152–162.

[53] Prayogo C, Jones J E, Baeyens J, et al. Impact of biochar on mineralisation of C and N from soil and willow litter and its relationship with microbial community biomass and structure[J]. Biology and Fertility of Soils, 2014, 50(4): 695–702.

[54] 李明, 李忠佩, 劉明, 等. 不同秸稈生物炭對紅壤性水稻土養分及微生物群落結構的影響[J]. 中國農業科學, 2015, 48(7): 1361–1369.

[55] 張又弛, 李會丹. 生物炭對土壤中微生物群落結構及其生物地球化學功能的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(5): 898–905.

[56] Rousk J, Dempster D N, Jones D L. Transient biochar effects on decomposer microbial growth rates: evidence from two agricultural case-studies[J]. European Journal of Soil Science, 2013, 64(6): 770–76.

[57] Muhammad N, Dai Zhongmin, Xiao Kongcao, et al. Changes in microbial community structure due to biochars generated from different feedstocks and their relationships with soil chemical properties[J]. Geoderma, 2014, 226-227: 270–278.

[58] Santos F, Torn M S, Bird J A. Biological degradation of pyrogenic organic matter in temperate forest soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2012, 51: 115–124.

[59] Zimmermann M, Bird M I, Wurster C, et al. Rapid degradation of pyrogenic carbon[J]. Global Change Biology, 2012, 18 (11): 3306–3316.

[60] Bailey V L, Fansler S J, Smith J L, et al. Reconciling apparent variability in effects of biochar amendment on soil enzyme activities by assay optimi-zation[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(2): 296–301.

[61] wad Y M, Blagodatskaya E, Ok Y S, et al. Effects of polyacrylamide, biopolymer, and biochar on decomposition of soil organic matter and plant residues as determined by14C and enzyme activities[J]. European Journal of Soil Biology, 2012, 48: 1–10.

[62] 鄒春嬌, 張勇勇, 張一鳴, 等. 生物炭對設施連作黃瓜根域基質酶活性和微生物的調節[J]. 應用生態學報, 2015, 26(6): 1772–1778.

[63] Lammirato C, Miltner A, Kaestner M. Effects of wood char and activated carbon on the hydrolysis of cellobiose by β-glucosidase from[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(9): 1936–1942.

[64] Masiello C A, Chen Ye, Gao Xiaodong, et al. Biochar and microbial signaling: production conditions determine effects on microbial communication[J]. Environ-mental Science & Technology, 2013, 47 (20): 11496– 11503.

Review of effect of biochar on soil physi-chemical and microbial properties

TANG Xingcan1,2, CHEN Jinlin1,*

1.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 2. College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China

Solid carbonaceous biochar with highly aromatic structure and great stability is the product of thermal degradation of organic material in the absence of air. Soil amendment with biochar is evaluated globally as a means to improve soil fertility. However, the physical and chemical properties of biochar are highly dependent on feedstock type and pyrolysis temperature. The improvements of soil characteristics may be largely dependent on the properties of biochar and soil. Therefore, we must select the appropriate biochar according to the main obstacle factors of different soilin order to get a better effect of soil improvement. In this paper, we summarize the current status and knowledge gaps about the effect of biochar amendment on soil physi-chemical and microbial properties. Mechanism of the change of soil characteristics and its affecting factors after biochar amendment are highlighted so as to provide perspectives on application and promotion of biochar technology.

biochar; soil improvement; physi-chemical property; microbial property

X53

A

1008-8873(2018)01-192-08

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.026

2016-04-27;

2016-06-16

國家重點基礎研究發展計劃(2012CB416904); 江蘇省基礎研究計劃(BK20130973); 江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

唐行燦(1989—) , 男, 山東淄博人, 碩士, 主要從事生物炭的土壤生態效應研究, E-mail: txc7549349@126.com

陳金林, 男, 博士, 教授, 主要從事土壤生態學研究, E-mail: jlchen@njfu.edu.cn

唐行燦, 陳金林. 生物炭對土壤理化和微生物性質影響研究進展[J]. 生態科學, 2018, 37(1): 192-199.

TANG Xingcan, CHEN Jinlin. Review of the effect of biochar on soil physi-chemical and microbial properties [J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 192-199.