生物炭對作物生長發育和土壤環境效應的影響綜述

胡建宇 鄭恩楠

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

東北黑土區面積遼闊，土地肥沃，具有諸多優點，特別適合大豆等作物的生長，是重要的資源[1,2]。目前由于人類過度開發，使得土壤肥力下降、土壤板結、產量下降，威脅國家糧食安全與發展，并且施用肥料常會帶來重金屬污染，危害人類生活及身體健康[3]。黑土的形成過程極為緩慢，每3～5個世紀才能形成0.1m的黑土層，2020年，習主席強調要保護好黑土地，使之造福人民。因此保護黑土刻不容緩[4]。

中國作為世界農業大國，秸稈年產量龐大，但沒有得到比較好的利用，過去人們常常通過焚燒秸稈的方式恢復土壤肥力，但是焚燒會對環境造成較大污染；采取秸稈直接還田的方式，由于東北地處嚴寒，分解緩慢，影響來年的作物生長。隨著陳溫福原始“秸稈炭化還田”理念的提出，極大地推動了生物炭的應用導向，通過缺氧環境低溫炭化秸稈的方式制得生物炭，可以改良土壤，促進土壤肥力，實現作物高產的目標。

在改良黑土的諸多舉措中，生物炭具有明顯的優勢，既可以增強土壤儲水能力，又能減少地表徑流，提高透水性，減少黑土侵蝕，緩解土壤重金屬污染，實現安全持久地提高肥料利用率和產量，成為近年來研究的熱點[5]。因此，本文通過對近年來生物炭的研究，在生物炭對土壤和作物以及微生物群落結構的改良方面進行分析。

1 國內外研究現狀

1.1 生物炭的性質

生物炭是在低于700℃的供氧氣有限的密閉環境下熱解生成的一類性質穩定、含碳量>60%的固態物質[6,7]。在農業方面的應用起源于亞馬遜河流域，早期被稱之為Terra preta，指的是在土壤中發現的高有機碳、高肥力物質，多表現為較高pH。生物炭在施入土壤后，氮磷鉀等元素釋放，可以提高土壤的堿性[8]。疏松多孔的結構有利于黑土水穩性與持水性的提高。但生物炭的類型與土壤屬性也影響著土壤持水能力。生物炭的吸附性可以減少肥力流失，為作物生長提供養分，達到土地改良的作用[9]。Tryon等[10]報道生物炭具有持水性是因為覆蓋的親水基因。生物炭的自身結構與施加量和施肥時間都影響著自身的儲水性能[11,12]，同時生物炭比較穩定，能較長時間不被降解[13]，并把碳元素長期固定在土層中，達到封存碳的作用[14]。有研究表明，在理想情況下，生物炭可以存留2000a[15]，因此生物炭在改良土壤時能發揮更大的經濟效益，也能節約人工，達到一次施加多年利用的效果。生物炭作為含碳量高，比表面積大，孔隙結構發達的黑色土壤改良劑[16-19]，有利于改善土壤板結的問題，同時疏松多孔的結構能促進微生物的群落結構的完善。生物炭來源廣泛，木本植物炭與草本植物炭是兩大巨頭[20]。生物炭的元素組成和性質與生物炭原材料關系比較大[21-23]，有研究顯示，木本植物生物炭碳含量高于草本植物，但礦物質元素低于草本植物[24]。不同原材料與不同工藝生產制作的生物炭具有不同的物理和化學屬性，更高的溫度制得的生物炭其孔隙率更大，具有更強大通透性，同時堿性更強，修復酸性土壤的效果更好。低溫制得的生物炭有效養分含量更高。根據不同的農業需求采取不同的生物炭進行對應的改良能更加經濟合理地改善土壤生態系統。

1.2 生物炭對土壤肥力的影響

在土壤肥力方面，生物炭發揮著重要的作用，并且可以提高作物產量[25-27]。我國是農業大國，大豆占據重要的糧食地位，可單位面積產量令人堪憂。要解決作物產量的問題，土壤肥力是關鍵因素[28]，農田添加了生物炭基肥以后，土壤含碳量顯著改變，不僅能降低土壤水溶性有機碳的流失，也能加劇土壤有機質的礦化過程。同時達到固碳補碳的作用，大豆的產量與土壤肥力綜合指數呈現良好的線性關系[29]，而生物炭還可以顯著增加土壤生產力[30]，吸附固定重金屬。生物炭相對常用肥料具有顯著的優勢，其可以做到一次施加有效發揮6～7a的作用[31]。不同的土壤改良劑對土壤理化性質與作物生長也不同[32]。有研究得出，生物炭會改變土壤內部環境的垂直分布，土壤全氮、電導率、pH在不同深度差異顯著，均表現為隨著深度的增加而減小，土壤真菌和細菌分布隨土壤深度增加而降低[33]。作物的生長發育與土地理化性質及微生物的分布有著重要的關系[34]。有研究表明，生物炭可以顯著降低土壤中活性鋁等有害的物質對作物的毒害作用。同時生物炭制作為基肥后，顯著降低了土壤中的氮素釋放量，有利于作物干物質的積累。

1.3 生物炭對土壤保水性的影響

由于生物炭在土壤理化性質的改良中可以發揮巨大的作用[35,36]，能夠改善微生物的群落結構，并且促進水稻等重要糧食作物的生長發育[37]，提高土地生產力[38]，成為近幾年環境、生態、農林等領域的研究熱點。因此許多研究者對生物炭在土壤持水保水上進行了大量研究。

諸多研究表明，生物炭不僅在土壤保水能力上有較大的促進作用，在作物的生長發育方面也有顯著的促進作用。在東三省，溫度低導致秸稈分解速度慢，而將其轉化為生物炭可以增加秸稈的利用率[39,40]。在持水方面，生物炭也發揮著重大作用[41-43]。在生物炭疏松多孔的結構下，土壤產生海綿效應，提高土壤的保水性，在田間持水量的初級上發揮著巨大作用。王丹丹等[44]研究表明，土壤持水性與生物炭施加量為正相關關系。卜巧珍[45]研究表明，生物炭對土壤飽和導水率的顯著降低作用，可以截留更多水分在土壤上層[46]。同時，施加生物炭可以增強土壤的抗侵蝕能力，保持水土，降低降雨過程的泥沙量和地表徑流。但過量的生物炭則會對土壤保水性產生不利的影響。

1.4 生物炭對作物生長發育的影響

作物生長受到生物炭的顯著影響，在土壤中施加生物炭抑制大豆前期的生長發育，抑制作用在后期逐漸減小，同時施加生物炭處理后大豆干物質重顯著提升，但施加過多會反作用抑制大豆生長[47]。不僅是大豆，玉米的研究也得到相同結論，生物炭施加會抑制玉米前期生長，但玉米發育后期抑制效果會慢慢消失，得出生物炭對作物發育后期有促進作用[48]。生物炭還田比秸稈還田的增產效果好，生態效益和經濟效益更好，作為土壤改良劑的脫硫石膏，在不同施加深度的情況下對土壤的改良效果與棉花的生長效果不同[49]，生物炭礦質含量低，因此生物炭對作物一般是間接的增益效果，生物炭提高土地生產力一般是通過土壤環境的調節與對作物生長的促進作用[50-52]。

大量試驗表明，生物炭施加不僅能增加土地生產力，在提升作物品質上，也能發揮積極作用。與氮肥配施能夠增加籽粒產量，提升籽粒蛋白氮、不飽和脂肪酸與氨基酸的含量[53]，由于生物炭疏松多孔，可以降低容重，增加土壤孔隙率，增加土壤的通透性，因此生物炭可以改善根系的外在環境，對根系周圍養分的供應產生增益效果，使得根系活力增強，對養分有更好的吸收效果[54,55]。不僅有利于普通農田的作物生長，也有利于作物在重金屬污染、鹽堿化、干旱化土壤中的生長。但也有部分研究指出，施加生物炭會對作物產量與生長動態產生降低趨勢而不是促進趨勢[56]。生物炭優勢諸多，但過量施加也會對作物的生長產生消極的影響。有研究表明，過量施加生物炭會讓水稻各種指標呈現出下降趨勢。不同的生物炭與不同的生產工藝也會帶來不同的作用效益，可以根據預期目標選擇合適生物炭達到最大的經濟效益，由于生物炭對養分的吸附作用，可以緩解土壤肥力流失帶來的作物生長養分不足的影響。

1.5 生物炭施加深度對土壤的影響

生物炭施加在不同深度對土壤基質吸力的影響不同，對水分特征曲線的影響也不同[57]，普遍認為，土壤的孔隙率和所處環境決定土壤水分特征曲線，土壤中水的滲透能力與傳導能力受到生物炭疏水性的限制[58]。由于土壤容重受到深度的影響，在細質土壤中，生物碳顆粒會產生更大的孔隙率，增加不飽和的水流動和土壤含水量[59,60]。有試驗得出，生物炭改變了土壤內部環境的垂直分布，土壤全氮、電導率、pH在不同深度差異均顯著表現為隨著深度的增加而減小，追其原因，生物炭的施加極大增加了土壤孔隙度，造成土壤氮素隨著深度的增加表現為淋溶和生物炭對土壤陽離子逐層吸附。土壤真菌和細菌分布隨土壤深度增加而降低。

1.6 生物炭對土壤微生物的影響

在農林等方面，對于植物的生長發育，土壤微生物發揮著重要的作用[61]，生物炭本身的特性可以改變土壤微生物群落結構[62]，為微生物提供適合的生存環境，增加微生物豐度[63]，增加土壤生物多樣性[64,65]。生物炭有利于微生物存活的易分解氮源和碳源，這是生物炭初期土壤微生物活性及數量較高的原因[66];由于生物炭的多孔結構，能更好地儲存水分和肥力[67]。生物炭施于農田后，改變了土壤的內部結構，更加適合微生物生存，導致微生物對此有正反饋響應，促進土壤修復和作物生長，同時生物炭的吸附作用也能吸附更多的營養物質，保障微生物的營養供應。丁俊男[68]研究表明，生物炭可以提高土壤酶活性，增加土壤中細菌與真菌重量，同時增加微生物量碳。Gomez等發現，微生物豐度隨著生物炭施加比例增加而增加[69]。有研究表明，在大豆前期根部細菌真菌放線菌對生物炭的響應也不相同，只有細菌會增加，而放線菌和真菌變少，而作物的生長發育與土地理化性質及微生物的分布有著重要的關系[60]。此外，有報道稱低溫條件制取的生物炭可以促進微生物生長繁殖[70]。

2 生物炭的前景

秸稈生物炭緩解了秸稈焚燒帶來的污染，在促進作物生長發育、改良土地環境、修復重金屬污染、增加土壤微生物群落結構等方面具有良好的性能。應該進行生物炭的普及，但我國農村分散、集中建設熱解裝置運輸成本較高，同時為改良生物炭性能添加的材料成本較高，所以，為了更好地研究和實際應用，可以加強移動快速熱解技術與廉價符合材料的制備[71]。近年來，國內對生物炭改良農田的研究越來越多，不僅在東北黑土的改良中有較為廣泛的應用，在南方的應用也備受關注。當前工業化導致的土壤酸化，生物炭能在酸化土壤修復中發揮巨大價值，并且能夠緩解重金屬污染，同時生物炭與肥料結合可以制成生物炭基肥，為土壤修復提供巨大的幫助。

秸稈炭化還田是新興的農業模式，與秸稈直接還田相比，具有體積小、方便施加、方便運輸的優點。雖然生物炭具有諸多的優點，但生物炭與土壤的相關作用機理還沒得到一個比較合理的描述。不同的土壤條件、耕作條件、肥料的施加方式都會影響對土壤的改良效果，需要加大對此方面的研究，得到更多的定量指標對未來的推廣應用提供導向。