生物炭陳化對玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響

生物炭在提高土壤層肥效、提高作物產(chǎn)量方面具有積極作用，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳、循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展的重要科技手段。雖然這種物質(zhì)的性質(zhì)比較穩(wěn)定，但也不是完全固定的，當它被投入土層后，它的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均會逐漸發(fā)生改變，即陳化，這就會對土壤層的品質(zhì)和作物的產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響。將生物炭應(yīng)用在土壤層中，可以改進土壤層結(jié)構(gòu)、提高土壤層營養(yǎng)物質(zhì)、加強蓄肥保水力，促進植物菌根生長發(fā)育，達到提高作物質(zhì)量及產(chǎn)量的目的，最終能夠為農(nóng)業(yè)發(fā)展助力。

一、生物炭陳化對玉米產(chǎn)量的影響

生物炭的應(yīng)用可以降低堿性土壤的容重，顯著增加耕層中的鉀磷氮含量，增加孔隙，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。根據(jù)有關(guān)研究，利用好生物炭后，玉米產(chǎn)量將會增長15.1%，水稻將會增長10.4%。單獨施用生物炭雖然能提高糧食產(chǎn)量，提高酸堿度和導(dǎo)電性，但也會大大降低活性鋁源，比如，Mn和 Fe等有害元素。另外，生物炭還能起到過濾的效果，對正電性礦物正電性和負電性礦物正電性的吸附較理想；由于其表面面積非常大，可以有效地延長空氣的氧化時間，因此，可以提高對養(yǎng)分的吸收效率。同時，這些細菌還可以在較大的空間內(nèi)高效存活下來。

生物炭的陳化過程可以顯著改善土壤層的持水溶性和孔隙率。當土壤的滲透性得到提高時，會為植物根系的生長發(fā)育創(chuàng)造更加優(yōu)良的環(huán)境。同時，生物炭的添加還能更有效地抑制微生物的反硝化作用，從而確保土壤中的氮素效應(yīng)得以充分發(fā)揮。通過添加生物炭，提高土著真菌的生存能力，促進植物的生長發(fā)育。有關(guān)研究結(jié)果顯示，生物炭的總量及其性質(zhì)會對農(nóng)作物的生長和發(fā)育有直接的作用，并且還會對其造成一定的影響。

生物炭對大部分玉米作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量具有顯著的推動作用。例如，它可以提高玉米和菜豆等作物的生物量，進而提高玉米的產(chǎn)量。然而，不同的生物炭對作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量也會產(chǎn)生不同的作用。與礦物成分較低的生物炭相比，具有高成分礦物的生物炭在短期內(nèi)對作物的生長發(fā)育產(chǎn)生的影響更大。另外，高揮發(fā)性物質(zhì)的生物炭可能會抑制作物的生長發(fā)育。這種抑制作用可能是由于高揮發(fā)性物質(zhì)增加了土壤層的C/N值，導(dǎo)致土壤層中的有效氮降低，從而阻礙了植物對氮的吸收和利用。生物炭對作物生長發(fā)育或產(chǎn)量的影響也與其使用量有關(guān)。適量的生物炭可以促進作物的生長和產(chǎn)量，然而過量的生物炭可能會產(chǎn)生不利的影響。因此，在使用生物炭時，必須考慮其最佳使用量，以確保其對作物產(chǎn)生最大的積極作用。此外，不同類型的生物炭也可能對不同的作物產(chǎn)生不同的影響。因此，在選擇使用生物炭時，需要考慮作物的類型及土壤的性質(zhì)、條件，以確保選擇合適的生物炭來促進作物的生長和產(chǎn)量。

由此可以看出，通過對生物炭的合理使用，可以解決土壤層及周圍環(huán)境中的問題，使耕層變得更好，從而提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。

二、生物炭陳化對土壤層肥力的影響

（一）生物炭陳化對土壤層物理性質(zhì)的影響

在收獲過程中，植物殘茬將許多植物養(yǎng)分從土壤層的生態(tài)系統(tǒng)中帶走。大量試驗研究表明，在田間施用生物炭，可以增加土壤碳含量，改善耕層性質(zhì)，促進土壤有機質(zhì)生成，提高養(yǎng)分含量，促進作物生長。

Tryon等將生物碳分別加入貧瘠和肥沃的土地上，發(fā)現(xiàn)生物碳對于改善貧瘠的農(nóng)田土壤具有更好的保水效應(yīng)。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭對土壤水分含量具有顯著的調(diào)控作用。當加入生物炭時，土層中的水分就會變得更加充足，很多土層中的礦物元素都處于可溶解狀態(tài)，這就促進了礦物養(yǎng)分的遷移，提高了土壤層的肥料利用率，從而更好地被農(nóng)作物消化和利用。

（二）生物炭陳化對土壤層酸堿度的影響

土壤層的酸堿度是土壤層的一個關(guān)鍵化學(xué)特性，通常會對植株的生長、發(fā)育及肥料的使用效應(yīng)產(chǎn)生一定的作用，是土層養(yǎng)分利用率的一個指標。從土層 pH可以看出，土壤層酸堿性的來源是土壤中的腐殖質(zhì)或有機質(zhì)、硅鋁酸鹽黏粒、鐵鋁水合氧化物、交換性鋁、易溶鹽和二氧化碳，基本為弱酸，具有一些緩沖容量。在不同的土層中，其養(yǎng)分供應(yīng)及植株生長發(fā)展狀況也會有所不同。

土壤的酸堿度主要由鹽基正離子控制。由于生物炭具有較多的鹽基正離子，它可以通過吸附作用來降低土壤中交換性氫離子和交換性鋁正離子的水平。因此，生物炭是一種比熟石灰更有效的土壤改良劑。然而，對于已經(jīng)呈堿性的土壤，生物炭的作用可能不太明顯。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，由于連年施用化肥，導(dǎo)致土壤酸化，隨著鹽分的持續(xù)損失，導(dǎo)致土地肥力下降，從而對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生不利的影響。Zwieten等的研究顯示，每公頃施用10 t的生物碳能夠明顯改善土壤的酸堿度。諾卡等人注意到，它在提高土壤 pH方面比在較低溫度下產(chǎn)生的生物量的效果更好。氮磷鉀混合施用對提高鹽的正離子飽和程度有促進作用，從而提高土層 pH。何緒生等研究表明，生物炭與化肥混施后對作物生長發(fā)育及生產(chǎn)量均主要表現(xiàn)為正效用。

（三）生物炭陳化對土壤層陽離子互換量的影響

生物炭陳化可以顯著改善土壤層的酸堿度，這是因為生物炭在土壤中會釋放有機物質(zhì)，這種有機物會破壞并生成能提高土地酸性的物質(zhì)。另外，添加生物炭后，其理化特性得到了明顯改善，其孔隙率、保水性等都得到了明顯改善。此外，老化處理也會引起土層成分與結(jié)構(gòu)的變化。在生物炭生產(chǎn)中，將農(nóng)作物秸稈進行炭化，生成一種高穩(wěn)定、高香味的生物質(zhì)。這些材料能夠改良土地結(jié)構(gòu)，提高土地的穩(wěn)定性，保持土地的水分和肥沃。同時，老化后的秸稈還能提高土壤中的鹽分交換能力，進而提高了土壤中陽離子的交換能力。陽離子交換膜是評價土壤養(yǎng)分保持能力、養(yǎng)分供應(yīng)能力及緩沖容量的一個主要參數(shù)。

生物炭能夠?qū)Χ喾N礦質(zhì)元素高效吸附，并激活它的激活態(tài)。 Lehmann J等研究表明，該材料中含有豐富的芳環(huán)基團和羥羧基功能基團，可以極大地增加土壤中的陽離子交換能力，使土壤中的 CEC（陽離子）交換量大大增加，并最終改變植物對營養(yǎng)元素的實際利用。此外，不同類型的生物碳對不同土層的持留期也存在較大差異。在土質(zhì)偏酸、陽離子交換能力弱的情況下，加入生物質(zhì)碳對土質(zhì)有一定的改良作用；不同類型的生物碳對地表陽離子交換膜的影響存在顯著差別，含有礦物質(zhì)的生物碳對陽離子交換膜的影響較大。在土壤中，其會隨環(huán)境的變化而產(chǎn)生諸如羧酸類等官能團，提高它們的負電荷或陽離子的交換能力，從而可以很好地改善地表環(huán)境。

（四）生物炭陳化對土壤層有機碳累積的影響

土壤層有機碳是土壤層的關(guān)鍵構(gòu)成部分，在土壤層肥效層面起著極為關(guān)鍵的作用，它是土層品質(zhì)與功能的中心，也是決定耕層肥料利用率與產(chǎn)量大小的重要因子。土壤表層有機碳（SOC）的動態(tài)演變規(guī)律是評估大氣CO2 “源—匯”效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。全球范圍內(nèi)最大的有機碳儲量為全球森林生態(tài)系統(tǒng)的2～3倍，是全球大氣有機碳儲量的2～3倍，對全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡起著至關(guān)重要的作用。然而，農(nóng)田耕層的碳含量受人類活動的顯著影響，可以在短期內(nèi)調(diào)節(jié)，因此，全球范圍的土壤層碳庫及其碳匯功能是評估未來全球溫室氣體排放削減發(fā)展?jié)摿Φ闹匾A(chǔ)。

章明奎的研究表明，添加到土層中的生物炭并非靜止不動，而是可以緩慢地被分解，只是其溶解速度遠遠低于土層中普通有機物。其之所以能夠長期存在土壤中，很大程度上是因為其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠抑制其在土壤中的氧化作用。生物炭是一種富含單環(huán)或多環(huán)芳香化合物的生物質(zhì)，它比原生植物具有更好的物理性能和生物學(xué)特性，因此，對微生物的解胞力更加靈敏。

作為土層中最活躍的一種活力成分，其對土層中的有機質(zhì)循環(huán)及養(yǎng)分的排放起著至關(guān)重要的作用。土壤層微生物量碳和水溶碳稍低不益于土壤層肥效的提升，章明奎等研究結(jié)論說明，施用小麥秸稈可以明顯提升土壤層微生物量碳和水溶碳，這表明施用基本有機肥有益于改進土壤層肥效。施用生物炭后，前期對土壤表層的易揮發(fā)性成分及表層功能基團發(fā)生大氣氧化作用，提高了前期生物炭對土壤表層的吸附能力；生物炭自身較高的吸附能力，將表層土壤中的一些微生物物種吸附到其孔隙中，減少了土壤中的有機物與微生物之間的接觸，導(dǎo)致后期的有機碳礦化速率下降。添加生物炭顯著提高了耕層有機碳的穩(wěn)定性，增加了耕層有機碳的積累，但長期使用又會降低耕層有機物活性，進而影響耕層質(zhì)量。

（五）生物炭陳化對土壤層中營養(yǎng)成分影響

生物炭獨特的表面特點使其具有正離子吸附互換能力及一定吸附容積，能提高土壤層水飽和溶液中的氨根離子﹑硝酸根離子﹑鉀離子﹑磷和氨氣等不同形狀存在的營養(yǎng)成分元素的吸附能力，提高營養(yǎng)成分的有效性，它就像是一塊海綿，可以保持土壤中的水分、氣體和飽和的液體，保持土壤的養(yǎng)分和水分。在不同的溫度條件下，所生成的生物炭會呈現(xiàn)獨特的特性。在低溫條件下，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷O性材料的消化和吸附；經(jīng)高溫處理后形成的生物炭，對無正極材料及弱極性材料均有較強的吸附性。生物炭具有正負兩種性質(zhì)。因此，在對有機物進行消化和吸收所含養(yǎng)分的同時，也可以對有機物所不含的養(yǎng)分進行消化和吸收。研究發(fā)現(xiàn)，土壤層中的生物炭通過提高土壤層的陽離子互換量來提高對陽離子的吸附，這主要是因為其表面可部分被輕微空氣氧化產(chǎn)生羰基、酚基和醌基。同時，增加生物炭之后土壤層的持水能力和供電能力得到提高，通過減少溶解性養(yǎng)分的溶解，阻止養(yǎng)分流失，并在土層中逐漸緩慢地釋放，相當于養(yǎng)分元素的緩釋載體，從而達到保持肥料有效性的目的。生物炭老化可調(diào)節(jié)硝化、反硝化進程，抑制氮素排放；生物炭可提高氨、銨的消化利用效率，減少NO2排放，從而改變氮素循環(huán)。DeLuca等人的研究表明，在相同NH4+供應(yīng)水平下，假設(shè)在秸稈還田的基礎(chǔ)上，加入生物炭能使土壤NO3-含量翻一番，并可能通過對秸稈中的硝基化反應(yīng)進行吸附，緩解其對土壤硝酸鹽的抑制作用，從而加速了土壤的硝化進程。同時，由于生物炭具有良好的孔結(jié)構(gòu)和低的相對密度，可以有效提高土壤的通氣性，降低土壤中的厭氧水平，從而有效地抑制土壤中的反硝化作用。與其他化肥或無機肥配合施用，增產(chǎn)效果更佳。Lehmann J等認為在地理環(huán)境下，在森林土壤中添加未完全燃燒的秸稈還田后，可以改善土壤表層生態(tài)，但會導(dǎo)致植物體內(nèi)氮素含量下降，從而使土壤表層氮素利用率下降。Glaser B等研究表明，施用生物炭后，低氮土壤層的植物生長速率在短時間內(nèi)下降，原因是添加生物炭后，土壤層中的C/N提高，進而制約土壤層氮素的運用度。

（六）生物炭陳化對土壤層微生物菌種的影響

生物炭孔道結(jié)構(gòu)及表面特征可為微生物提供黏附位點及相對較大的空間，為特殊微生物提供生長繁殖場所；通過調(diào)控土壤層的物理、化學(xué)性質(zhì)，調(diào)控土壤層中微生物的生長、發(fā)育與代謝，提高耕層肥料利用率。例如， Pietikainen等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭老化后，土壤表層的腐殖質(zhì) pH及微生物種群的生長速度與其對土壤理化性質(zhì)的調(diào)控作用；生物炭可通過提高 pH，促進微生物種群的呼吸代謝，改善土壤養(yǎng)分利用模式，提高耕層肥料利用率。生物炭對土壤表層微生物種群的作用機制與其自身性質(zhì)和土層基礎(chǔ)特征密切相關(guān)，是當前生物炭老化領(lǐng)域的研究重點。生物炭具有很大的異質(zhì)性，不僅養(yǎng)分含量不同， pH也不同，而且其化學(xué)特性和物理特性也有很大的不同。生物炭具有豐富的表面結(jié)構(gòu)，可以吸收疏水性物質(zhì)、親水性物質(zhì)、酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)是藻類、細菌、土壤層動物生存的場所，也是水分和養(yǎng)分儲存的場所，提高了土壤層的生物多樣性。生物炭具有易于分解的碳、氮等，有利于微生物生長，因此在前期可以提高土壤中的細菌數(shù)量和活性。生物炭內(nèi)部空間分布廣泛，形成了適合微生物生存的微環(huán)境。金恩等人利用分子手段對亞馬遜黑土區(qū)的土壤進行了研究，結(jié)果表明，與相鄰的土層相比，土壤中細菌分類組件的含量要高25%左右。

添加生物炭可促進菌根菌群的生長，并對表土品質(zhì)有正面的影響。添加生物炭后，可提高菌根菌數(shù)量及活性，并可提高固氮細菌的侵染率、結(jié)瘤能力和固氮能力。此外，還可以促進真菌與植物之間的增效作用，提高磷素利用率。生物炭可以增加細菌數(shù)量，增加有機物分解速度。Zimmerman提出，生物炭—土壤層間互相作用，能夠通過吸附有機碳的方式提高土壤層C的存儲，這需要進一步論證。

關(guān)于生物炭作為土壤層改良劑，被普遍認同的是老化后的生物炭難以降解，能高效地提高土壤層的養(yǎng)分，并為生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)；生物炭不僅能提供養(yǎng)分，還能保存養(yǎng)分，維護生物量的生成。雖然生物炭對土壤表層的環(huán)境效應(yīng)具有多方面的正面效應(yīng)，但是大規(guī)模使用也會帶來負面效應(yīng)。例如，生物質(zhì)熱解時會生成微量有毒有機化合物；有關(guān)生物炭培肥土壤表層的研究，多數(shù)以熱帶、亞熱帶強風(fēng)化層為對象，而對于其他區(qū)域土壤表層的研究報道較少，有待完善。

目前，關(guān)于生物質(zhì)的研究仍停留在實驗室與農(nóng)田的理論層面，其在工業(yè)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普及與應(yīng)用，以及其在實踐中所需的支撐等方面仍處于起步階段。Lehmann J指出，在理論上，生物炭的理論依據(jù)簡單但并不深奧，其技術(shù)方法成熟但不復(fù)雜，該技術(shù)具有廣泛的推廣價值。因此，迫切需要結(jié)合工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實際需求，對其特性進行有針對性的改進，并針對其大范圍、規(guī)模化的應(yīng)用進行可實施性研究和費用收益分析。比如，生物炭具有易燃性的特點，存儲轉(zhuǎn)運過程中在氧氣和濕冷環(huán)境下極易發(fā)生爆炸，目前，廣泛選用的方式是將生物炭造粒化或與液態(tài)物質(zhì)砂漿化，但從工業(yè)生產(chǎn)的視角毫無疑問會提高生物炭的應(yīng)用成本。因此，在探尋經(jīng)濟好用的存儲轉(zhuǎn)運方式層面還需要更深層次地發(fā)掘。

三、結(jié)語

生物炭陳化在國際、國內(nèi)的研究仍處在發(fā)展階段，研究使用的生物炭多種多樣，研究方式也各有不同，因而研究結(jié)論相對欠缺相比性；不同材料、環(huán)境溫度等條件制取的生物炭特性差別很大。因此，施用作物前應(yīng)開展風(fēng)險評估。雖然大量研究表明，生物炭老化對改善耕層、提高糧食生產(chǎn)具有較好的近期效應(yīng)，但其長期有效性有待深入研究。

作者簡介：王國輝（1978—），男，遼寧凌源人，本科，農(nóng)藝師，主要從事種子信息、品種管理及推廣新品種、新技術(shù)工作。