生物質炭對土壤改良及農業生態效應響應的研究進展

王 政， 沈燕金， 敖金成， 夏時波

(1.廣西中煙工業有限責任公司， 廣西 南寧 530001； 2.云南省煙草公司 文山州公司， 云南 文山 663000； 3.云南農業大學 植物保護學院， 云南 昆明 650201； 4.云南綠盎生物科技有限公司， 云南 昆明 650212)

生物質炭(Biochar)是生物材料在低氧或缺氧環境下，高溫熱解產生的一類碳含量高、孔隙結構發達、吸附能力強和富含氧官能團的多功能材料[1]。因而農田施用生物質炭在改良土壤[2-5]、重金屬及農藥殘留污染土壤的修復[6-12]和促進作物增產[13-14]等方面具有較好的潛力。何緒生等[15]認為，以生物炭農業應用為核心，可以解決農業、能源、環境及氣候等多方面的問題，是一舉多贏的戰略。但生物質的起始成分和其轉化為炭的條件決定了生物質炭材料在孔隙率、表面積和表面化學性質方面[16]，以及木質素和礦物質含量不同，其熱穩定性及碳封存潛力也不同[17]。近年來，生物炭的生產及農業應用已引起許多國家的高度重視。魏春輝等[18-19]概述了生物質炭在農業上的應用，但對于生物質炭在農業應用上的最新研究進展，以及生物質炭對土壤酶活性、農藥殘留和重金屬污染的土壤修復、有害生物防控方面未見綜述報道。為農業生態環境治理及同類研究提供參考，從調控土壤化學性質及物理性狀、改善與提高土壤微生物生境及酶活性、去除與防控土壤農藥殘留/重金屬污染與有害生物和促進與提高作物生長及產量等方面概述了生物質炭對土壤改良及農業生態效應響應的研究進展，指出了未來生物質炭應用的研究方向。

1 調控土壤養分與理化性狀

1.1 土壤酸化

土壤pH與土壤養分的有效性[20]、重金屬的遷移轉化過程[21-24]密切相關，而土壤酸化是土壤質量退化和中國耕地面臨的主要問題之一。我國酸性土壤分布廣泛，遍及四川、廣東、廣西和湖南等14個省(區)，總面積達2.03×106km2，約占全國耕地面積的21%；且隨著工業的快速發展和人類活動的加劇，土壤酸化問題進一步加劇[25]。劉成等[26]基于整合分析方法(Meta-analysis)的研究表明，土壤質地和酸堿度是影響作物增產幅度的重要因素。土壤pH的升高可能是引起N2O排放量降低的重要原因[27]。因此，土壤pH調控成為提高土壤養分有效性及降低重金屬超標的重要措施。生物質炭一般呈堿性[28]，且草本植物生物炭的pH一般較木本類生物炭高[29-30]，施用生物質炭對土壤pH的調控機理是生物質炭的pH較高，尤其是秸稈生物質炭類pH較高[31]，施入土壤后可中和土壤中的H+[32]，有效地緩解土壤的酸化程度[2,32-33]。因而生物質炭對改良土壤酸性具有較好的應用潛力[34]，但生物質原料不同，對土壤pH的調控作用存在差異[35]。

1.2 土壤養分

1.3 土壤物理性狀

添加生物質炭能有效改善土壤物理性狀。容重增大、孔隙度減小和通透性下降等土壤物理性質變差是導致土壤肥力降低的重要原因之一[57]。生物質炭是多孔材料，容重一般較低(0.09～0.74 g/cm3)[58-60]，因而施入土壤后會起到“稀釋作用”，從而降低單位體積內土壤質量[61-63]，這與生物質炭的多微孔結構和較大的比表面積有關[62]，且其顆粒越大土壤容重越易降低[64]。生物質炭對土壤物理性狀的改良作用隨生物質炭原料類型和用量不同而不同，與土壤類型也有關，其作用機理也存在差異[57,65-66]。施用生物質炭對土壤容重存在“稀釋效應”，但也不能完全歸結于生物質炭的稀釋效應[67]。另外，生物質炭對土壤物理性狀的改善作用還體現在生物質炭促進土壤礦物質顆粒的團聚作用，尤其是促進大團聚體的形成，增加團聚體的穩定性[68-71]。

2 改善土壤微生物生境及提高土壤酶活性

2.1 改善土壤微生物生境

土壤微生物是土壤中物質循環和能量流動不可或缺的參與者[72]，也是土壤養分的“源”與“匯”[73]，決定土壤肥力的高低。由于生物質炭的多孔性和吸附性，施用生物質炭能有效提高土壤微生物活性及多樣性，改善土壤微生物菌群結構[74-78]，說明施用生物質炭是一種改善土壤微生物生境的有效農業措施。候建偉等[75]研究指出，施用秸稈生物質炭顯著增加16SrRNA基因的拷貝數，較對照增加43.1%～68.8%。連作棉田施用生物質炭根際土壤的Shannon指數呈升高趨勢[44]。陳義軒等[30]研究認為，生物質炭自身的特殊理化性質和土壤理化性質(酸堿度、土壤電導率、比表面積和孔徑等的變化)是導致土壤微生物群落變化的主要原因。但生物質炭對土壤微生物活性和群落結構組成的改變往往與試驗條件、生物質炭的性質、土壤質地及肥力水平等密切相關[79-80]。一方面，生物質炭的孔隙結構及水肥吸附作用有效改善土壤微生物的棲息環境，有利于細菌群落的繁殖[76]，并減少其生存競爭[81]。另一方面，生物質炭能降低土壤容重，從而改善土壤通氣條件，對土壤微生物細胞獲取養分[82]及微生物的轉移[83]產生影響。施用生物質炭4年后，旱地紅壤pH、生物質炭及微生物生物碳氮均隨生物質炭施用量的增加呈上升趨勢，土壤容重呈下降趨勢[84]。另外，生物質炭還可作為功能菌的載體，提高接種菌在土壤中的存活率[85]。可見，生物質炭對微生物的活性及其多樣性具有正效應，是改善土壤微環境的優良材料。

生物質炭對土壤酶活性具有間接調控作用。土壤酶主要來自于微生物、土壤動物和植物根系分泌物和植物殘體的分解物，在土壤-植物系統的養分循環中，土壤酶活性與施肥密切相關[86]，且在一定程度上能反映土壤的養分狀況、物質周轉和有機體生長代謝[87]。ZHU等[88]研究發現，生物質炭可改變土壤微生物的數量與活性，在提高土壤酶促反應速率的同時，增加酶-底物復合物的穩定性，從而提高土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。施用生物質炭顯著影響旱作花生單株根瘤固氮酶的活性，其在花期和結莢期分別提高30.5%和42.7%[89]。施用生物質炭可顯著提高新疆沙壤土壤酶活[90]，促進堿性磷酸酶和反硝化酶活性，降低β-D-葡萄糖苷酶和β-D-纖維雙糖苷酶活性[91]。說明，施用生物質炭對多種土壤酶活性具有調控效應，且存在差異。

2.2 提高土壤酶活性

需要注意的是，吸收液和閃爍液的配比是可以變化的，這取決于測量儀器和不同的化學試劑。在變更化學試劑或測量儀器之后都需要重新做配比試驗已選擇當前最合適的配比，以期取得最佳的校正，有效降低測量誤差。

3 去除土壤農藥殘留/重金屬污染及防控有害生物

3.1 農藥殘留

隨著我國農業的進一步集約化，農藥施用量及農藥殘留問題已引起廣泛關注。農藥殘留是土壤健康管理需要重點解決的問題之一，也是農業面源污染不可忽視的一環。生物質炭對土壤農藥殘留具有較好的吸附效果。邢澤炳等[92]研究認為，土壤中施用1%的檸條生物質炭即可對其中殘留的敵草隆產生顯著吸附效果。河岸帶土壤施用生物質炭可使乙草胺和阿特拉津的吸附容量顯著增大，從而降低乙草胺和阿特拉津的遷移性[93]。中國是世界上抗生素使用大國，其中畜用抗生素占52%[94]，然而抗生素進入人畜體內后僅有少部分被消化吸收，大部分以母體化合物的形式通過糞便等排除體外，進而對水體及土壤環境造成污染，對人畜健康構成潛在的威脅[95]，因而施用受抗生素污染的牲畜糞便作為肥料是土壤污染的重要來源之一。程揚等[6]研究指出，三椏苦藥渣生物質炭和玉米秸稈生物質炭對四環素的吸附作用均符合二級動力學方程(R2分別為0.954 0和0.835 5)，對水體和土壤中的四環素均有較好的吸附作用。生物質炭可以介導豬糞中抗生素的吸附，依據生物質炭的類型，混合糞肥可降低移動性和增強氯霉素類、氟喹諾酮類和磺胺類藥的生物有效性[96]，但熱解條件影響廢茶生物質炭對磺胺甲嗪的吸附效果[97]。總體看，生物質炭通過吸附作用及富集土壤微生物的分解實現對土壤農藥殘留的消減效應，降低作物的農藥殘留風險。

3.2 重金屬

在發明啁啾脈沖放大技術之前，激光脈沖的強度似乎是有限制的。增加功率可能會改變激光介質的光學特性，使光束扭曲，甚至損壞介質。這成為阻礙激光科學發展的主要問題，需要建造龐大的激光器，直到斯特里克蘭和穆魯改變了這種情況。

3.3 有害生物

適量添加生物質炭對植物病蟲害具有一定的防控和抑制作用。王光飛等[105]研究表明，木霉菌、曲霉菌、芽孢桿菌、假單胞菌和鏈霉菌是生物質介導下防控辣椒疫病的主要生防微生物。李成江等[29]研究不同種類生物質炭對植煙土壤微生物及根莖病害發生的影響時指出，施用生物質炭能較好地改善土壤微生物狀況及其對碳源的利用，減少青枯病和黑脛病的發生。國內外關于生物質炭對土壤病原菌的調控作用已有較多研究報道。研究結果認為，生物質炭對青枯菌(Ralstoniasolanacearum)[106]、灰霉病菌(Botrytiscierea)[107]、鐮刀菌(Fusarium)[108-109]和辣椒疫霉菌[110]的防控均表現出正效應，可能與生物質炭的施用改善了土壤微生態環境，提高了土壤微生物的活性和多樣性，且有利于生防菌的增殖及活性提高有關。關于添加生物質炭對土壤害蟲的影響報道較少[111-112]。可見，生物質炭-有害生物的關系尚不清晰，其作用機理及調控范圍亟待進一步深入研究。

4 促進作物生長及提高其產量

我國種植業化肥施用量2016年首次實現零增長[113]，說明我國的農業生產在高效、精準和循環發展方面已有質的提升，未來農業生產更加注重生產質量，而生物質炭可能會成為一種保障農業高效的重要手段。但原料不同，生物質炭組分及性質差異顯著，其材料種類和投入量均極顯著影響小麥和黃瓜根、莖的早期生長，且交互作用顯著[114]。增施生物質炭顯著提高辣椒的產量與產值，其增幅分別為17.91%～28.74%和20 351～29 700元/hm2，而且生物質炭和脲酶抑制劑配施，辣椒果實中的硝酸鹽含量降低6.32%～34.00%[115]。在溫室大棚土壤中添加一定量生物質炭可實現蔬菜優質高產[116]。復配木醋液的生物質炭基肥在促進植物生長方面具有很好的潛力[117]。劉成等[26]基于整合分析方法(Meta-analysis)研究指出，施用生物質炭可顯著提高作物產量，增產幅度平均為15.1%，其中旱地作物平均增產16.4%，水稻增產10.4%；土壤質地和酸堿度是影響作物增產幅度的重要因素。可見，生物質炭對作物的生長發育具有良好的促進作用，添加生物質炭能有效提高作物品質。由于增施生物質炭具有改善土壤結構和增強土壤的蓄肥保水能力，從而提高土壤養分含量和促進植物菌根生長作用，進而提高植物地上部分生產力[118]、作物產量[119-120]、土壤微生物量和根瘤菌量等[121]，達到提高作物品質的目的[122-123]。但關于其促生機理仍然缺乏足夠的了解[124]。

如其反是，則星辰凌犯，彗孛衝破，遂生刀兵，水旱流離，兇虋以致，死亡兆庶也。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷一，《中華道藏》30/532）

5 展望

近年來，國內外對生物質炭在農業上的應用研究表明，生物質炭施入土壤后，因為其穩定性而具有解除土壤板結、改善土壤理化性狀及微生物性狀、提高土壤肥力水平和酶活性，促進作物生長發育，降低土壤重金屬和農藥殘留含量，并在一定程度上對作物病蟲害具有調控作用。然而，目前生物質炭在農業上的應用研究仍存在不足，在以下幾個方面有待進一步深入研究。1) 我國氣候、土壤和作物類型較多，生物質炭作為一種新型多功能材料，其生態環境效應與原料來源、生產工藝密切相關，雖然在土壤生態效應方面開展了大量研究，但在實際生產中應用較少，可能應用成本較高是其主要限制因素，因此進一步探索生物質炭的長效和可持續利用機制是今后研究重點。2) 生物質炭對土壤病蟲害具有一定的調控作用，但功能型炭基肥開發及對土傳病害、作物害蟲的生殖與發育，以及植物抗逆性的調控機理仍需進一步深入探究。3) 生物質炭作為一種優良的新型緩釋材料，加快生物質炭基肥增效技術研究是未來主要的研究方向。