生物炭對土壤的影響及在草地生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

張 乾，李金升，趙天賜，楊曉蒙，王 堃,2，劉克思,2*

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193； 2. 河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河北 沽源 076550)

生物炭是由動(dòng)植物殘?bào)w在缺氧條件下，經(jīng)過緩慢高溫?zé)峤舛a(chǎn)生的一種難溶的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[1]。生物炭具有含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)[2]。生物炭的結(jié)構(gòu)決定了它有極強(qiáng)的吸附能力和抗氧化能力。近年來，其作為一種新興的功能材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注，常被用來作為土壤改良劑來改善土壤的通透性，吸附養(yǎng)分來保持土壤養(yǎng)分含量，提升土壤質(zhì)量和延緩?fù)寥劳嘶４罅垦芯恳驯砻鳎锾靠梢蕴岣咄寥婪柿3]，繼而促進(jìn)植物生長。目前，國內(nèi)外對生物炭在農(nóng)業(yè)土壤方面的作用進(jìn)行了大量的研究，但是關(guān)于生物炭在草地生態(tài)修復(fù)中的研究較少。基于此，本文總結(jié)了生物炭在對農(nóng)田土壤影響方面的研究進(jìn)展，同時(shí)搜集了目前國內(nèi)外有關(guān)生物炭在草地生態(tài)修復(fù)的一些應(yīng)用研究，并對生物炭未來在草地修復(fù)中的研究應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 生物炭對土壤的影響

1.1 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤的物理性質(zhì)包括：土壤容重、土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)等[4]。施用生物炭可以降低土壤容重，增加土壤的總孔隙度[5]。不同類型的生物炭對土壤容重和孔隙度的影響基本上都是積極的(表1)。究其原因可能是因?yàn)橥寥廊葜嘏c土壤緊密度緊密相關(guān)，生物炭體積密度小，粒徑小，質(zhì)地疏松，可改善土壤松緊度[6]。Soane[7]總結(jié)了土壤有機(jī)質(zhì)對土壤緊實(shí)度的影響機(jī)制：①土壤顆粒間的結(jié)合力作用，即土壤中腐殖質(zhì)和植物根系分泌的粘液可有效使土壤顆粒結(jié)合在一起；②有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)相比，具有更高的彈性；③通常情況下，單位體積的有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量低于礦物質(zhì)的質(zhì)量。④土壤有機(jī)質(zhì)與土壤顆粒間存在涂層增加了摩擦。生物炭對土壤容重影響可能主要與稀釋作用和摩擦力有關(guān)[8]。在影響土壤結(jié)構(gòu)上，生物炭可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，增加土壤微生物量，促進(jìn)微生物活動(dòng)，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)[9]。土壤團(tuán)聚體是由土壤顆粒和有機(jī)無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)結(jié)合而成的近球形疏松多孔的土團(tuán)，直徑在0.25～10 mm之間，具有較高穩(wěn)定性[10]。土壤團(tuán)聚體作為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基本單位，其穩(wěn)定性反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況[11]。生物炭一方面能與土壤顆粒形成土壤團(tuán)聚體和無機(jī)有機(jī)復(fù)合體[12]，另一方面，施用生物炭提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤微生物量[13]，而土壤有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)能增強(qiáng)土粒團(tuán)聚性[14]，微生物能產(chǎn)生更多分泌物促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用。

土壤的化學(xué)性質(zhì)包括：土壤pH、電導(dǎo)率(electrical conductivity,EC)、土壤陽離子交換量(cation exchange capacity,CEC)、土壤有機(jī)質(zhì)等。生物炭在改善土壤化學(xué)性質(zhì)方面有巨大的潛力。生物炭的pH值取決于生物質(zhì)原料[15]和生產(chǎn)工藝。不同的原料或生產(chǎn)工藝所生產(chǎn)的生物炭具有不同的特征。生物炭中含有大量的灰分元素，例如K、Ca、Mg等，這些元素都呈可溶態(tài)，因此當(dāng)生物炭施用土壤后會(huì)提高土壤pH。此外，生物炭中含有大量的有機(jī)官能團(tuán)(-COO-、-COOH、-O-、-OH等)，一般呈堿性[16]，能夠吸收土壤的H+。鑒于生物炭本身具有極高的CEC，因此生物炭的應(yīng)用對土壤的CEC產(chǎn)生顯著的影響[17]。Xu等[18]報(bào)道生物炭對低CEC和酸性土壤中的CEC改良特別有效。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要碳匯。生物炭中含有大量碳素，施用可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量的水平。相比于傳統(tǒng)的有機(jī)材料，生物炭是一種可以更加穩(wěn)定、更有助于提高土壤有機(jī)碳的材料。

表1 不同類型生物炭對土壤孔隙度、容重的影響Table 1 Effects of different types of biochars on soil porosity and bulk density

1.2 生物炭對土壤主要養(yǎng)分的影響

表2 不同類型生物炭對土壤N的影響Table 2 Effects of different types of biochars on soil N

磷在土壤中易被吸附，其可被植物利用的含量低[34]。這主要是因?yàn)榱椎挠行允艿絧H的影響，酸性土壤pH升高和堿性土壤pH降低都會(huì)影響土壤磷的有效性[35]。生物炭中的磷在熱解過程中主要以可溶性形式保留下來，生物炭的添加可為土壤提供有效磷素養(yǎng)分[8]。另外生物炭呈堿性，能提高酸性土壤的pH，進(jìn)而可改變土壤有效磷的活性。而且生物炭可通過減低土壤對磷的吸附、增加解吸提高磷的利用率，促進(jìn)解磷微生物活化，使難溶態(tài)磷轉(zhuǎn)化成可溶態(tài)磷[36]。整體來看，不同類型的生物炭添加對土壤中磷的利用、保持和活化具有積極的作用(表3)。

表3 不同類型生物炭對土壤P的影響Table 3 Effects of different types of biochars on soil P

1.3 生物炭對土壤微生物的影響

生物炭能對土壤微生物產(chǎn)生影響，其原因除了生物炭的多孔性和巨大的表面積，為土壤微生物提供了良好的棲息地外，還與生物炭富含豐富的碳、磷等營養(yǎng)素和微量元素，為土壤微生物的活動(dòng)提供了充足的養(yǎng)分有關(guān)[42]。同時(shí)，生物炭改變了土壤的理化性質(zhì)，具體表現(xiàn)為生物炭改變了土壤pH、CEC、水分、營養(yǎng)元素等，這會(huì)間接性的改變土壤微生物的酶活性、豐富度、群落結(jié)構(gòu)[43]。土壤酶活性可衡量土壤健康狀況[44]。脲酶活性反映了土壤氮供應(yīng)強(qiáng)度；蔗糖酶促進(jìn)了糖類水解、加速土壤碳循環(huán)；磷酸酶促進(jìn)有機(jī)磷酸化合物的分解；過氧化氫酶反映土壤腐殖化程度和有機(jī)質(zhì)積累程度[45]。土壤微生物量碳/微生物量氮(microbial biomass carbon/microbial biomass nitrogen,MBC/MBN)可表征微生物群落的結(jié)構(gòu)[46]。微生物量氮含量的增加表明土壤中有更多的氮素通過同化作用進(jìn)入微生物，通過減少NH3的揮發(fā)、NO3-淋失和反硝化作用，進(jìn)而減少氮損失[47]。Kolton等[48]在沙土中添加桉樹碎屑生物炭發(fā)現(xiàn)，植物根系細(xì)菌豐富度和種系多樣性增加，變形菌門細(xì)菌和擬桿菌門細(xì)菌減少。Shengyan等[49]研究表明，在不同有機(jī)質(zhì)土壤中生物炭對真菌影響差異較大。在添加生物炭后，土壤中子囊菌門真菌增加。而在低有機(jī)質(zhì)土壤中擔(dān)子菌門真菌減少，主要為糞殼菌綱和座囊菌綱真菌，但散囊菌綱真菌增加。

2 生物炭在草地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前對生物炭的應(yīng)用研究主要集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。草地生態(tài)系統(tǒng)相比較于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，植被類型、生態(tài)過程、環(huán)境條件和擾動(dòng)程度有很大的不同，有自身的特異性。草地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了凈初級(jí)生產(chǎn)物質(zhì)、碳蓄積與碳匯、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、水土保持和防風(fēng)固沙、改良土壤、維持生物多樣性等產(chǎn)品和服務(wù)功能[50]。鑒于生物炭在改良農(nóng)田土壤上的顯著效用，研究生物炭在草地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其是對退化草地的修復(fù)作用，對草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生產(chǎn)生態(tài)功能的提升具有深遠(yuǎn)影響。

草地退化主要表現(xiàn)為草地植被和土壤的退化。一般在退化草地上，植物多樣性指數(shù)和土壤中可利用性養(yǎng)分降低，微生物量和微生物活性減弱[51]。零星的研究已經(jīng)報(bào)道生物炭添加到草地上也能產(chǎn)生顯著的積極作用。例如(1)提升草地土壤的保水能力。Reed等[52]在草地中添加樹干生物炭后發(fā)現(xiàn)，土壤含水量增了20%。Gebhardt等[53]在半干旱草地添加闊葉樹生物炭研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量從31%增加到33%。這都得益于生物炭巨大的表面積，土壤中添加生物炭后，土壤表面積增加，提升了土壤微生物群落和土壤吸附能力，進(jìn)而提高土壤保水量[54]；(2)提升了草地土壤總的炭含量。Gebhardt等[53]在半干旱草地添加闊葉樹生物炭研究發(fā)現(xiàn)，可溶解有機(jī)炭含量從0.033±0.001 mg·kg-1增加到了0.060±0.003 mg·kg-1。Angst等研究得出，在草地施加生物炭后的土壤總炭含量從59.5±1.4 g·kg-1變?yōu)?04.0±18.1 g·kg-1。Yunying Fang等[55]在溫帶草原中添加桉樹生物炭后，發(fā)現(xiàn)三個(gè)不同試驗(yàn)地的有機(jī)炭含量分別從6.6 g·kg-1增加到19.1 g·kg-1，16.7 g·kg-1增加到32.1 g·kg-1，62.3 g·kg-1增加到86.4 g·kg-1。Bhupinder等[56]在草地中添加松木屑生物炭后，土壤0～10 cm的炭含量顯著增加，三個(gè)不同試驗(yàn)田分別從0.7%增加到1.9%，1.7%增加到3.2%，6.3%增加到8.6%；(3)增加草地土壤有效養(yǎng)分的含量。Reed等[57]研究發(fā)現(xiàn)，在草地中添加樹干生物炭后發(fā)現(xiàn)，可溶解的有機(jī)氮含量從0.005±0.000 mg· kg-1增加到0.011±0.001 mg·kg-1。銨態(tài)氮含量從0.362±0.073 μg·g-1增加到0.645±0.038 μg·g-1以上，硝態(tài)氮含量從5.727±0.930 μg·g-1增加到10.835±1.507 μg·g-1。Gayoung等[58]在不同草地土壤類型添加生物炭試驗(yàn)得出，老化的生物炭降低黏質(zhì)土壤總氮礦化率，但促進(jìn)了砂質(zhì)土壤的總礦化率。Laungani等[59]在草地添加枯落物生物炭后發(fā)現(xiàn)，草地總生物量增加，土壤中的氮含量顯著增加；(4)改變草地土壤微生物和酶的活性。Gebhardt等在[60]半干旱草地添加闊葉樹生物炭研究發(fā)現(xiàn)，纖維二糖苷酶活性增加了123%，葡萄糖苷酶活性增加了93%，磷酸酶活性增加了84%。Reed等[52]在草地中添加樹干生物炭后發(fā)現(xiàn)，添加生物炭增加了土壤微生物量。Pokharel等[61]在草地中添加木屑生物炭發(fā)現(xiàn)，在添加生物炭50天后，葡萄糖苷酶酶的活性發(fā)生變化。在添加生物炭第10天和第50天后，乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性發(fā)生變化；(5)提高草地生產(chǎn)力。Gebhardt等[60]在半干旱草地添加闊葉樹生物炭研究發(fā)現(xiàn)，植物地上生物量從0.063±0.010 g增加到0.085±0.016 g，地下生物量從0.036±0.008 g增加到0.061±0.014 g。Sonja等[62]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭促進(jìn)草地黑麥草生物量增加29%。董雙快等[63]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加能促進(jìn)蘇丹草生長，添加5～20 g·kg-1生物炭，蘇丹草根莖葉生物量均顯著增加。但黃超等[64]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭能促進(jìn)黑麥草的生長，然而高量施用生物質(zhì)炭(200 g·kg-1)導(dǎo)致土壤微生物生物量的下降,對黑麥草的生長產(chǎn)生輕微的抑制作用。這表明生物炭在草地上添加應(yīng)用還需要深入研究。

3 總結(jié)與展望

全球土壤健康和質(zhì)量的下降給生物炭的研究帶來了繁榮和機(jī)會(huì)，尤其在密切關(guān)系民生的農(nóng)田土壤上。本文重點(diǎn)總結(jié)歸納了生物炭對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤微生物的影響，同時(shí)也對生物炭在草地上的零星研究進(jìn)行了概述。考慮到生物炭的積極作用及農(nóng)田系統(tǒng)與草原系統(tǒng)的差異性，很有必要加強(qiáng)生物炭在草原系統(tǒng)的應(yīng)用研究，加快提升草原系統(tǒng)尤其是退化草地系統(tǒng)的生態(tài)和生產(chǎn)功能。但目前對生物炭添加在草地系統(tǒng)中的作用認(rèn)識(shí)還非常不充分，研究的水平很大程度上受著傳統(tǒng)觀念、研究方法等的限制。大部分研究都是模仿農(nóng)田的研究模式進(jìn)行研究，主要突出了草地上個(gè)別因子屬性的對生物炭添加的響應(yīng)，對草原本身的規(guī)律、特點(diǎn)等研究不足，以后在生物炭對草地系統(tǒng)的應(yīng)用研究上應(yīng)多關(guān)注以下方面。

(1)生物炭的類型和施用方法方面：生物炭是生物質(zhì)材料在無氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤舛傻母惶抗虘B(tài)物質(zhì)。生物炭的性質(zhì)受原材料、技術(shù)工藝、熱解條件等因素的影響。而且，生物炭的施用方法也會(huì)影響它的效用，目前這方面的研究在草地應(yīng)用中還很少見報(bào)道。不同的生物炭類型和施用方法對草地系統(tǒng)的影響是不盡相同的，但得出的結(jié)論都有利于我們對草原的管理，有利于提高生物炭在草地系統(tǒng)應(yīng)用的科學(xué)性。

(2)生物炭對草地生態(tài)影響方面：國內(nèi)外研究人員在生物炭對草地的保水能力、炭沉積、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、地上生產(chǎn)力等的影響提出了一些看法，但這些結(jié)果大部分都停留在表面現(xiàn)象上，對造成這種結(jié)果的內(nèi)在機(jī)制還挖掘不夠，未來的研究需要在這面加強(qiáng)。另外，在生物炭對草地植物組成、植物多樣性、植物群落、生態(tài)系統(tǒng)等的影響的研究卻很少,而這些方面從更大的尺度角度反映著草地的狀態(tài)，研究生物炭對它們的影響，能更清楚的評(píng)估生物炭添加對草地系統(tǒng)的利弊。

(3)生物炭對生態(tài)因子網(wǎng)絡(luò)影響方面：生態(tài)因子在生態(tài)系統(tǒng)中都不是孤立的，它們相互影響，互相作用，形成一個(gè)交叉的網(wǎng)狀脈絡(luò)，外來物質(zhì)的加入肯定會(huì)對存在的生態(tài)因子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)的影響，但如何影響，目前還未見相關(guān)報(bào)道，未來需要加強(qiáng)這方面的研究，通過了解生物炭對生態(tài)因子網(wǎng)絡(luò)的影響，可以更好的發(fā)揮生物炭這種新興的功能材料在草地生態(tài)和保護(hù)中作用。