生物炭對土壤肥力及作物產量和品質的影響研究進展

桂利權　張永利　王燁軍

摘要 ? ?生物炭是在厭氧或無氧條件下，由生物材料經高溫熱解產生的一類富含碳素、孔隙發達、比表面積巨大、高度芳香化、性質穩定的固態多功能材料。生物炭施入土壤具有改善土壤結構、增強蓄肥保水能力、提高土壤養分含量、促進植物菌根生長，進而提高作物產量和品質的作用。本文從生物炭的性質特征以及生物炭對土壤理化性質和養分、作物產量和品質的影響等方面綜述了生物炭對土壤肥力及作物產量和品質影響的研究進展，分析現有研究的不足，指出了未來生物炭應用的研究方向，為生物炭的推廣應用提供了參考。

關鍵詞 ? ?生物炭;土壤改良;理化性狀;土壤養分;作物產量;作物品質

中圖分類號 ? ?X712;S158 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0136-04

Research ?Advance ?on ?Effects ?of ?Biochar ?on ?Soil ?Fertility ?and ?Crop′s ?Yield ?and ?Quality

GUI Li-quan 1 ? ?ZHANG Yong-li 2 * ? ?WANG Ye-jun 2

（1 Xieyuda Tea Co. Ltd.， Huangshan Anhui 245900; 2 Tea Research Institute， Anhui Academy of Agricultural Sciences）

Abstract ? ?Biochar is a kind of solid multi-functional material with abundant carbon， developed pores， large specific surface area， high aromatization and stable properties， which is produced by high temperature pyrolysis of biological materials under anaerobic or anaerobic conditions. The application of biochar into soil could improve the soil structure， enhance the capacity of fertilizer storage and water retention， improve the soil nutrient content， promote the growth of plant and mycorrhiza， and thus improve the yield and quality of crops. This paper summarized the status and knowledge gaps about the characteristics of biochar and the influence of biochar on soil physical and chemical properties， soil nutrient and crop yield and quality. Finally， research direction was discussed， in order to provide reference for better use of biochar in agriculture.

Key words ? ?biochar; soil improvement; physical and chemical properties; soil nutrient; crop yield; crop quality

生物炭是在厭氧或無氧條件下，由農作物廢棄物、木材、植物落葉、畜禽糞便等生物材料經高溫熱解（通常<700 ℃）產生的一類富含碳素、孔隙結構發達、比表面積巨大、含氧官能團豐富、高度芳香化、性質穩定的固態多功能材料[1-2]。Lehmann[3]指出，將生物炭添加至土壤可減少CO2向大氣的排放，自此，關于生物炭的研究逐漸受到廣泛關注。生物炭含碳70%～80%，一般呈堿性，疏松多孔，具亂層結構，具有較高的表面能和良好的吸附性，被譽為“黑色黃金”[4]，在環境領域主要用來破解秸稈燃燒難題，減少面源污染，實現農業“碳封存”，在農業領域主要用來改良土壤結構[5]、提高土壤肥力[6]、修復重金屬及農藥殘留污染土壤[7-9]、提高作物產量和品質[10]等。生物炭主要種類有木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭、動物糞便炭等[11-12]，但生物質的制備原料、熱解溫度、熱解速度等差異決定了生物炭材料在孔隙結構、碳含量、比表面積、表面化學性質、pH值、灰分含量、持水性等方面[13]表現出非常廣泛的多樣性，其熱穩定性及碳封存潛力也不同[14]，進而使其擁有不同的土壤環境效應。因此，本文綜述了生物炭對土壤肥力及作物的影響研究進展，以期為生物炭在土壤改良和農業生產的廣泛應用提供參考。

1 ? ?生物炭的性質特征

生物質炭富含C、N、P、K、Ca等營養元素，通常含碳60%以上[15]，由大量高度扭曲、不規則堆積的芳香環組成，有明顯的孔隙結構，多孔、比表面積大、表面大量的負電荷及高電荷密度性能以及酚羥基、羧基、羰基基團等賦予其很強的吸附能力[16-17]，且生物炭具有熱穩定性、生物穩定性及化學穩定性，可為微生物生存繁殖提供空間，也可為土壤養分和污染物提供附著點。

生物炭的原材料和熱解溫度顯著影響生物炭的理化性質，進而影響其培肥能力和環境功能[18]：生物炭的原材料影響C/N比、灰分含量和石墨化程度，從而影響生物炭的陽離子交換量（CEC）和電導率（EC）;溫度主要影響孔隙結構、比表面積和吸附特性。袁 ?帥等[19]對已有研究進行統計，結果表明，生物炭的裂解溫度大都集中在200～800 ℃之間;生物炭全碳含量在30%～90%（平均64%），其中木質炭的含碳量最大，大多為40%～80%，其次是秸稈炭，在60%～85%，然后是殼類炭、糞污炭和污泥炭;灰分含量為0～40%（平均15.52%），灰分含量由大到小依次是污泥、糞污、秸稈、殼類和木質生物炭;生物炭灰分含有一定量的礦質養分，可以補充砂質土壤及養分貧瘠土壤的一些養分供應，一般污泥、畜禽糞便生物炭較其他類型生物炭養分含量更高;生物炭比表面積絕大多數在0～520 m2/g，殼類、秸稈、木質、糞污和污泥生物炭比表面積逐漸降低;生物炭pH值范圍在5～12（平均為9.15），秸稈、污泥、糞污、木質、殼類生物炭pH值中值逐漸降低;生物炭的CEC在0～500 cmol/kg（平均為71.91 cmol/kg）;相關性分析結果顯示，生物炭裂解溫度與生物炭碳含量、灰分含量、比表面積、pH值和CEC均成顯著正相關關系。

生物炭高度碳化以及芳香環和烷基結構緊密堆積的化學穩定性機制可對碳素進行固定，其表面的有機結構與土壤中的礦物形成有機-無機復合體，將生物炭封閉其中，從而保持了其穩定性。在生物炭的各方面特性中，穩定性直接決定其在固碳減排、與土壤交互作用以及影響作物生長發育等方面的應用潛力，是決定其農業和環境效益能否長久的關鍵基礎[20-21]。而生物炭穩定性受生產條件、生物質類型、土壤性質和氣候條件等方面影響[22]。

生物炭的穩定性因生物質原料類型的不同而存在差異。陳靜文等[23-24]以植物類（香蕉桿、玉米芯）、沉積物類（泥炭土、草海底泥）原料制備生物炭，發現沉積物類生物炭具有更高的熱穩定性，而植物類生物炭具有更高的化學氧化穩定性，表現為玉米芯生物炭>香蕉桿生物炭>草海底泥生物炭>泥炭土生物炭，可能是因為植物類原料木質素含量較高，其在高溫熱解時可能形成類石墨烯C結構，因而提高了生物炭的穩定性[25]。在麥秸、稻秸和松木屑這3種植物炭中松木屑生物炭的熱穩定性最好[26];在500 ℃制備條件下，竹片、山核桃殼和油菜秸稈生物炭的穩定性均優于稻秸生物炭[27];在350 ℃和650 ℃條件下生物炭的芳香化程度和穩定性為雞糞生物炭>稻秸生物炭>滸苔生物炭[28];在180、240、300 ℃條件下，豬糞生物炭較稻秸生物炭的芳香化程度更高，穩定性更強[29]。炭化溫度是影響生物炭穩定性的最關鍵因素，比停留時間對生物炭穩定性的影響更顯著[30]，隨著炭化溫度的升高，生物炭中纖維素和半纖維素含量逐漸降低[31]，甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）逐漸消失[32]，氫、氧含量降低，芳香化和石墨化加劇[31]，生物炭的礦化速率減小[33]，穩定性增強。郭小萌[34]利用西伯利亞鳶尾生物質為原料生產生物炭，發現隨著熱解溫度的升高，生物炭的產率降低，灰分增加，利于重金屬Pb富集和穩定化。生物炭在土壤中的穩定性也受到土壤特性和氣候條件等外在環境因素的影響[35]。Luo等[36]研究表明，生物炭在pH值為3.7土壤中的降解速率顯著低于pH值為7.6的土壤，但也有研究表明，生物炭的降解速率隨土壤pH值的增加（4.34～7.81）而降低[37]。Fang等[38]研究表明，土壤中黏粒和礦物含量對土壤中生物炭的穩定性有重要影響，在黏粒含量和黏土礦物含量較高的土壤中生物炭的穩定性較強。

2 ? ?生物炭對土壤理化性狀的影響

2.1 ? ?生物炭對土壤物理性質的影響

生物質炭化后具有較大的孔隙度和比表面積[39]。直徑小的生物炭可更好地與土壤顆粒結合，形成一定的微小團粒結構，提高水分子在土壤中的附著力，增加土壤含水量[40]。

生物炭還能降低土壤收縮程度，保持土壤的內部結構，提高土壤持水能力[41]。顏永毫等[42]研究表明，在黃土高原典型塿土、黃綿土、風沙土中添加生物炭，土壤田間持水量分別增加2.77%、3.09%、4.17%，顯著高于不施炭處理，且土壤田間持水量隨生物炭施用量的增加而增加[43]。Yu等[44]研究表明，在沙壤土中添加9%生物炭，可使土壤持水能力提高1倍，且土壤持水量隨施用量的增加而顯著增強。

生物炭體積密度小、粒徑小、質地疏松，施入土壤可改善土壤松緊度，降低土壤容重;生物炭多孔，且微孔形狀各異，數量較多，將其添加到土壤中，可以填充土壤大孔隙，使之分割成許多小孔隙，改變土壤孔隙度;生物炭添加到土壤中還會引發土體孔徑分布聚集過程的重組，進而改變土體的孔徑分布情況。在影響土壤結構上，生物炭由于其比表面積大和吸附作用強等特性，施入土壤后可與土壤有機質、微生物及黏土礦物等相互作用，具有促進土壤團聚體形成及起到穩定的作用;土壤團聚體的形成，反過來又促進了土壤微生物活動，從而改善土壤結構[45]。Oguntunde等[46]研究表明，施用生物炭可使飽和導水率提高88%，土壤容重降低9%，總孔隙率從45.7%增加到50.6%，為根系提供了良好的生長空間，有利于根系生長。

2.2 ? ?生物炭對土壤化學性質的影響

張 ?祥等[47]研究發現，施用生物炭可以顯著增加紅壤和黃棕壤pH值。生物炭是一種比石灰更有益的酸性土壤中和劑[48]，一方面是因為生物炭中含有大量的有機官能團（-COO-、-COOH、-O-、-OH等），本身大多呈堿性[19]，通過提高土壤堿基飽和，降低可交換鋁水平，消耗土壤質子而提高酸性土壤pH值;另一方面生物炭中灰分比例較大，含有鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子，可以通過降低土壤氫離子及交換性鋁離子水平，從而提高土壤鹽基離子如鈣、鉀、鈉等的飽和度進而增加土壤CEC，提高土壤pH值[49]。生物炭還能使部分穩定態元素變為激發態元素，增加土壤CEC。何飛飛等[50]研究表明，隨著生物炭施用量增加，土壤pH值、CEC值和持水量均升高。生物炭對土壤pH值的影響大小主要取決于生物炭的種類以及炭化溫度和炭化時間[51]。生物炭對酸性土壤和低陽離子交換量的土壤具有很好的改良效果[52]，對堿性土壤效果不明顯[53]。

生物炭中含有大量有機碳素，而且生物炭比表面積及多孔性促使生物炭吸附土壤有機質，催化小分子有機物聚合成土壤有機質，促進團聚體形成。此外，生物炭的生物穩定性促進土壤腐殖質形成，因而施用生物炭可以顯著提高土壤有機碳、有機質或腐殖質含量，土壤有機碳含量與生物炭用量成顯著正相關關系[54]。王 ?毅等[55]研究結果表明，同量小麥秸稈轉化為生物炭后連續還田能夠提高植煙土壤總有機碳和輕組有機碳含量，更有利于土壤有機碳的長期固存。高夢雨等[56]研究表明，連續多年施用炭基肥或生物炭均能明顯提高土壤總有機碳、游離態顆粒有機碳、閉蓄態顆粒有機碳含量，提升效果顯著優于投入等量碳素或等量氮磷鉀養分;連續多年施肥可以提高土壤中水溶性有機碳含量，但炭基肥與生物炭、氮磷鉀配施處理間無明顯差異。陸 ?暢等[57]研究發現，秸稈還田、秸稈+速腐劑還田提高土壤有機碳活性和碳庫管理指數的效果優于施用生物炭，有利于提升地力和改善土壤質量，而施用生物炭土壤有機碳穩定性較高，有利于土壤有機碳長期穩定固持。通常認為生物炭通過影響土壤微生物的生物量和群落組成影響了土壤有機碳的礦化，Chen等[58]研究表明，生物炭施用顯著提高了土壤水分庫容和pH值，影響了土壤細菌和真菌群落的組成和共生網絡關系，生物炭施用導致細菌和真菌網絡中關鍵類群的競爭性交互作用增強，導致生物炭的負激發效應。

3 ? ?生物炭對土壤養分的影響

生物炭本身含有N、P、K、Ca、Mg、S等礦質營養元素，特別是畜禽糞便生物炭具有較高礦質養分，施用后礦質營養元素可返還到土壤中，提高土壤養分以及生產力[59]。低溫熱解的生物炭具有很高的碳含量、碳氮比、堿性和鉀含量，而氮、磷含量較少;隨著溫度的升高，碳含量有減少的趨勢，而氮、磷、鉀和pH值有增加的趨勢[60]。土壤中施入生物炭可顯著增加植物生長必需的主要陽離子（K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu等）的可給態，提高土壤養分的有效性;同時生物炭具有高吸附能力、CEC及化學反應性，可作為肥料緩釋載體，延緩肥料養分在土壤中的釋放，增加對養分的交換吸附，減少營養離子的溶解遷移，降低肥料養分的淋失等損失，提高肥料養分利用率;生物炭還可以通過提高土壤有機碳含量，從而改善土壤保水保肥性能。

近年來，把生物炭作為土壤改良劑來減少養分淋失的研究日益增多。生物炭可去除或吸附土壤中某些影響硝化或反硝化作用的抑制劑，提高土壤氧氣量，從而抑制微生物反硝化作用，降低氮素損失[61]，提高土壤中硝態氮含量、全氮量，在酸性土壤、砂質土壤和氮素缺乏、有機質較低的土壤中效果更為明顯。徐建明[62]研究表明，生物炭可增加反硝化基因（nirK、nirS和nosZ）的豐度，從而增加N2O排放;隨著生物炭芳香化程度的增加或熱解溫度的升高，其N2O排放和反硝化基因減少，易礦化碳的去除也會使N2O排放和反硝化基因減少。整體而言，不同類型的生物炭施用在不同土壤中對土壤中氮的累積和利用呈現積極影響[63]。不同類型的生物炭添加對土壤中磷的利用、保持和活化也具有積極作用[63]。生物炭呈堿性，能改善酸性土壤的酸度，進而改變土壤有效磷的活性，而且生物炭可通過降低土壤對磷的吸附、增加解吸以提高磷的利用率，促進解磷微生物活化，使難溶態磷轉化成可溶態磷[64]。

4 ? ?生物炭對作物產量和品質的影響

趙海成等[65]研究表明，連年生物炭和秸稈還田主要通過顯著降低鹽堿土容重和pH值，提高土壤氮磷鉀含量和孔隙度，導致每穴穗數和穗粒數增加，從而實現了水稻增產;在相同還田量條件下，秸稈還田氮磷鉀的農學利用率和偏生產力提高幅度大于生物炭還田。劉 ?成等[66]研究表明，施用生物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%。單施生物炭促進作物增產的原因如下：一是施用生物炭可提高pH值、電導率、鹽基飽和度，減少活性鋁，增加有效P、K、Mg、Ca和Na，減少有毒元素，如重金屬Fe、Mn和Zn;二是生物炭可以作為濾膜，以可交換形態吸附帶正電或負電的礦物離子;三是生物炭具有很大的內表面積，可增加氧化時間，使氧化過程逐步進行，同時為養分的吸附和微生物群落的生存提供較大空間;四是增加土壤孔隙度和土壤持水性，促進植物和根系的生長，土壤通透性增加抑制了微生物的反硝化作用，從而增加土壤氮素的有效性[67];五是施炭促進原生菌根真菌的活性，從而促進作物生長。土壤質地和酸堿度是影響作物增產幅度的重要因素[66]。研究表明，生物炭對作物的影響不僅取決于生物炭的性質、用量，同時與生物炭的施用方式有關，生物炭的單施、混施或配施對土壤-作物系統均有一定的影響[67]。高夢雨等[56]研究表明，連續施用炭基肥對花生產量的提升效果最好，顯著高于等氮磷鉀養分和等碳量處理。王 ?峰等[68]研究顯示，生物炭對茶葉產量的影響因施氮量而異，在不施氮和減量化施氮條件下，配施生物炭處理茶葉產量增加8.82%和8.75%，而常規施氮條件下配施生物炭處理茶葉產量略有降低，但差異均不顯著。

但是，目前也有生物炭對作物產量無影響甚至降低產量的相關報道。陳 ?娟等[69]研究表明，生物炭改良技術有利于幼年茶苗的存活，但對幼年茶苗的生長沒有太大影響。江福英等[70]在茶園中施入0、8、16、32、64 t/hm2的生物炭，研究生物炭添加對茶樹生長的影響，結果表明，施用生物炭處理茶葉產量和3年茶葉平均產量分別比CK提高3.24%～13.49%和5.44%～17.05%，但結果不顯著。張晗芝等[54]研究表明，添加生物炭可抑制玉米生長，生物炭對玉米幼苗期的抑制作用可能是由于生物炭具有很高的碳氮比和部分生物炭分解導致氮的固定，降低了土壤有效氮，限制了植物對有效氮的吸收;還可能因為生物炭呈堿性，土壤pH值增加引起敏感植物產量下降，或是降低了P和某些微量元素的有效性。

屠娟麗等[71]研究了不同添加量的秸稈生物炭對馬鈴薯品質的影響，發現秸稈生物炭施用量為200 g/株為宜，與對照相比，馬鈴薯產量提高了38.5%，塊莖中淀粉、蛋白質和VC含量分別提高了13.5%、21.4%和30.5%。邵光成等[72]研究表明，漬水脅迫下生物炭添加可顯著提高水分利用效率，減少需水量，改善果實內部品質，使可溶性糖、可溶性固形物、有機酸和VC含量等內部指標顯著增加。陳麗美等[73]研究了竹炭與有機肥混施對火龍果產量和品質的影響，結果表明，竹炭與有機肥混施顯著增加了紅心火龍果總產量，施肥量以6%生物炭+有機肥22.5 t/hm2或45 t/hm2為宜;竹炭與有機肥混施增加了紅心火龍果中VC和花青素含量，而對可溶性蛋白含量影響不顯著。王 ?磊等[74]研究表明，茶園中施用生物炭能改善茶樹生長環境，促進發芽和茶葉生長，并提升茶葉品質，尤其以生物炭和有機肥配施效果最好。

5 ? ?展望

生物炭的廣泛應用是解決土壤和環境問題的有效途徑，可以改良土壤、提高農作物產量和品質，具有廣闊的應用前景。但是還存在以下不足：一是由于生物炭原料來源廣泛，且目前尚無標準的生產技術和工藝，導致生物炭性質存在巨大差異，進而影響土壤環境和增產提質效應。二是生物炭的應用效果不僅與生物炭性質有關，還受施用量、施用時間、土壤性質、氣候條件、配施肥料等因素影響，導致生物炭對土壤理化性質和養分的影響存在很多不確定性，尤其是對土壤水分的影響及長期效果還有待深入研究。三是生物炭對土壤有機碳激發和土壤微生物的影響機理較復雜，作用機制尚不清楚;生物炭、有機碳和團聚體的交互作用機制有待進一步研究。四是有關生物炭應用的研究以模擬和室內試驗為主，大規模的田間試驗較少，而且對生物炭性質和特征對全國不同生態區不同土壤的改良效果缺乏系統的、長期的研究。五是生物炭對植物養分狀況和產量的影響研究中，主要選擇農作物作為研究對象，對草地、灌木和森林的研究比較少;生物炭對作物產量的影響還受土壤酸度、作物的酸度敏感性等因素影響，生物炭對作物產量品質的影響機理研究也不夠深入。六是生物炭在土壤障礙和低產田改造方面的實際生產應用較少，生物炭施用成本較高是其主要限制因素。

針對生物炭的研究現狀，在今后的研究中應多關注以下幾個方面：一是生物質材料及炭化條件不同，生物炭性質及其施用效應存在差異，應積極開展生物炭生產標準化、系統化研究。二是加強長期田間定位試驗研究，針對生物炭對不同類型土壤、作物的作用進行全面長期監測，對土壤的長期培肥及作物增產效果進行長期驗證，相關研究也不應局限于實驗規律的總結，應根據不同土壤條件、氣候類型綜合考慮，深入微觀層面詳細分析現象形成的機理。三是加強生物炭對土壤有機碳激發的微生物機制研究以及生物炭、有機碳和團聚體的交互作用機制研究。四是生物炭作為一種優良的新型緩釋材料，應在分散式生物炭生產網絡基礎上，加快生物質炭基肥增效技術研究以及生物炭與肥料配施效應研究，開發生物質炭基肥和土壤改良劑，提高土壤肥力，實現農業和環境的可持續發展。

6 ? ?參考文獻

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基金項目 ? 黃山市科技計劃項目（2019KN-01;2017KN-16）;安徽省農業科學院科技創新團隊項目（2020YL056）;安徽省重點研究和開發計劃項目（1804a07020113）;國家茶產業技術體系土壤管理崗（CARS-19）、安徽省茶產業技術體系茶樹栽培崗（AHCYJSTX-1103）、安徽省科技重大專項（17030701049）。

作者簡介 ? 桂利權（1974-），男，安徽黃山人，農藝師，從事茶樹栽培和茶葉加工研究工作。

通信作者

收稿日期 ? 2020-04-26