生物炭對土壤肥料的作用及未來研究

縱海英

（安徽省淮北市杜集區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村水利局，安徽 淮北 235000）

土壤健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前科研和社會關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一。為了提高土壤質(zhì)量和增加農(nóng)作物產(chǎn)量，研究人員一直在探索各種土壤改良劑。其中，生物炭憑借其優(yōu)異的性質(zhì)和特征，引起了廣泛關(guān)注。生物炭是由生物質(zhì)經(jīng)過熱解或氣化過程制得的炭材料，其具有高碳含量、多孔性和高比表面積等獨特特點。它既是一種重要的碳封存手段，又是一種環(huán)保的可再生能源。不僅如此，生物炭還能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，對作物生長和土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康起到積極作用。

1 生物炭的性質(zhì)與特征

1.1 性質(zhì)

生物炭的碳含量通常高達60%～90%，遠超過原始的生物質(zhì)。這種高碳含量使得生物炭成為一種重要的碳封存手段，有助于減少大氣中的二氧化碳濃度。富含碳的特性也意味著生物炭可以作為能源使用，雖然其能量密度可能低于某些傳統(tǒng)化石燃料，但其是一種更為環(huán)保的可再生能源。

生物炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)充滿了微小的孔隙，這些孔隙為生物炭提供了大的比表面積。這種多孔性質(zhì)使得生物炭具有很強的吸附能力，不僅可以吸附水和養(yǎng)分，還可以吸附土壤中的污染物。多孔性質(zhì)也讓生物炭成為土壤改良的好選擇。它可以改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤的通氣性和滲水性。

生物炭中的碳在土壤中可以穩(wěn)定存在數(shù)百年，這意味著一旦生物炭被添加到土壤中，其可長期給土壤帶來益處，無需重復(fù)添加。這種穩(wěn)定性也使得生物炭成為一種安全的碳封存手段。與一些其他形式的碳封存相比，生物炭中的碳不易被釋放到大氣中[1]。

1.2 特征

生物炭的生產(chǎn)過程中，生物質(zhì)被熱解或氣化，產(chǎn)生的主要是生物炭和生物質(zhì)氣體。這個過程排放的二氧化碳量遠低于生物質(zhì)自然分解過程中的排放，因此，它是一種環(huán)保的生產(chǎn)過程。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，生物炭可以減少化肥和農(nóng)藥的使用，進一步減少這些化學(xué)品對環(huán)境的負面影響。

當(dāng)生物炭被添加到土壤中時，它可以提高土壤的pH，使其更加堿性。這種改變有助于土壤中的養(yǎng)分變得更易于植物利用。生物炭的多孔性質(zhì)可以幫助土壤更好地保持水分和養(yǎng)分，減少養(yǎng)分流失，促進植物的生長。

生物炭的吸附性能不僅可以應(yīng)用于土壤改良，還可以用于水處理。它可以吸附水中的重金屬、有機污染物等，提高水質(zhì)。在某些研究中，生物炭還被用于吸附大氣中的污染物，雖然這一應(yīng)用仍處于研究階段，但它展示了生物炭在環(huán)境治理方面的巨大潛力。

2 生物炭對土壤的改良作用

2.1 生物炭對土壤有機質(zhì)的作用

大衛(wèi)·米勒：米勒在2020年的《生物炭與農(nóng)業(yè)可持續(xù)性》一書中提到，生物炭的應(yīng)用可以促進土壤團聚體的形成。這種團聚體可以保護有機質(zhì)免受分解，從而長期保持土壤的肥力。首先，通過低溫缺氧裂解的過程，生物炭形成了穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)。這種碳結(jié)構(gòu)不易受到微生物的分解，因此當(dāng)生物炭被添加到土壤中時，它可以長期存在，從而有效提高土壤的有機質(zhì)含量。這種穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)為土壤提供了一個長期的碳源，有助于維持土壤的健康和肥力。其次，生物炭的多孔性質(zhì)增加了土壤的表面積。這不僅改善了土壤的物理性質(zhì)，還為土壤微生物提供了更多的生存空間。這些微生物在生物炭提供的良好環(huán)境中活躍起來，促進了有機質(zhì)的分解，并將其轉(zhuǎn)化為植物可以利用的養(yǎng)分。這種轉(zhuǎn)化過程進一步促進了植物的生長，為農(nóng)田和生態(tài)系統(tǒng)的繁榮提供了條件。最后，值得一提的是，生物炭還可以促進土壤團聚體的形成。這種團聚體對土壤有機質(zhì)起到了保護作用，減少了其被微生物分解的機會，使得土壤有機質(zhì)能夠長期保存。這種保護機制確保了土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定和持久性，為土壤的可持續(xù)利用提供了支持[2]。

2.2 土壤物理性質(zhì)

生物炭的加入對土壤的物理性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響，進一步改善了土壤的整體環(huán)境。首先，通過促進土壤團聚體的形成，生物炭與土壤顆粒和有機物共同作用，創(chuàng)建了一個更穩(wěn)定、更健康的土壤結(jié)構(gòu)。這種團聚體的存在大大提高了土壤的通氣性和滲透性，使得空氣和水分能更容易地在土壤中流動。對于植物根系而言，這意味著它們能夠更輕松地獲取生長所需的氧氣和水分，為其提供了更優(yōu)良的生長環(huán)境。不僅如此，生物炭的多孔性還為土壤保水性做出了重要貢獻。它能夠吸收并儲存大量水分，然后在干旱期為植物提供所需的水分。這種特性在多個方面表現(xiàn)出色，不僅提高了土壤的保水能力，減少了水分的流失，還在一定程度上緩解了干旱對植物造成的壓力。除了增強土壤保水性外，生物炭的多孔性也改善了土壤的通氣性。這種改善使得土壤中的好氧微生物得到了更好的生長和活動條件，進一步促進了有機物的分解和養(yǎng)分的釋放。這意味著土壤生態(tài)系統(tǒng)得到了平衡，植物也能從中獲取更多的養(yǎng)分，從而更健壯地生長。值得一提的是，生物炭的顏色較深，這一特性使其能夠吸收更多的太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。在寒冷地區(qū)，這一轉(zhuǎn)化過程有助于提高土壤溫度，從而為植物創(chuàng)造更適宜的生長條件。相反，在炎熱地區(qū)，生物炭則有助于穩(wěn)定土壤溫度，減少波動，保護植物免受過度熱害的影響。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)

（1）土壤pH調(diào)整

生物炭是由生物質(zhì)經(jīng)過熱解或氣化過程制得的炭材料，由于其制造過程，通常呈堿性。這種堿性特性使得生物炭在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。酸性土壤通常缺乏重要的營養(yǎng)元素，如鈣、鎂和鉀，而且容易導(dǎo)致鋁和錳的毒性增加，對植物生長造成不利影響。然而，通過添加生物炭，我們可以調(diào)整酸性土壤的pH，從而創(chuàng)造一個更適宜植物生長的環(huán)境。這對于喜歡堿性環(huán)境的植物尤為重要，如一些特定的花卉、蔬菜和果樹。因此，生物炭的應(yīng)用有助于改善酸性土壤的質(zhì)量，促進植物的健康生長，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更可持續(xù)的解決方案。

（2）土壤陽離子交換能力（CEC）提升

生物炭由于其制造過程和多孔結(jié)構(gòu)而擁有豐富的表面電荷，這使得它在土壤改良中具有重要作用。土壤的陽離子交換能力（CEC）是評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，它決定了土壤吸附和交換陽離子的能力，進而影響土壤養(yǎng)分的保持能力。通過添加生物炭，土壤的CEC得到顯著提高，這使得土壤能夠更好地保留關(guān)鍵養(yǎng)分，如氮、磷、鉀。因此，生物炭的應(yīng)用不僅增加了土壤中養(yǎng)分的有效性，還促進了植物對這些養(yǎng)分的吸收效率。更為重要的是，這種提高的CEC在長期中具有持續(xù)效益，它能夠持續(xù)為植物提供所需的養(yǎng)分，促進植物健康生長，并減少養(yǎng)分的流失，從而降低對環(huán)境的負面影響。

2.4 土壤微生物

生物炭對土壤微生物具有顯著的影響。其多孔性和高比表面積的特性為土壤微生物提供了一個良好的棲息環(huán)境，這有利于微生物的生長和繁殖。同時，生物炭富含碳源和營養(yǎng)元素，這可以有效促進微生物的代謝活動，進而提升微生物的多樣性。此外，生物炭對某些有益微生物的生長具有特別的促進作用，例如，它可以促進固氮菌、解磷菌的生長，從而增加土壤中的氮、磷等養(yǎng)分含量，改善土壤肥力。不僅如此，生物炭還具有一定的抑菌作用，能夠抑制一些病原菌的生長，這可能與生物炭中含有的某些對病原菌具有毒性或抑制作用的化合物有關(guān)。因此，生物炭的施入能夠顯著改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，增加有益微生物的比例，降低病原菌的比例，最終改善土壤的整體健康狀況。

2.5 生物炭的作物效應(yīng)

首先，它可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，并提高土壤的保水能力，從而為作物提供一個更優(yōu)越的生長環(huán)境。這種改良后的土壤條件不僅促進了作物根系的生長，還增強了作物對養(yǎng)分的吸收能力，進而有助于提高作物產(chǎn)量。其次，生物炭富含碳元素，可作為土壤中的有機肥料，為作物提供豐富的營養(yǎng)，而且其作用相對持久，能夠逐步釋放養(yǎng)分以滿足作物生長的需求。因此，使用生物炭還能改善作物的品質(zhì)，例如增加蛋白質(zhì)含量，改善口感等。此外，生物炭的應(yīng)用還有助于增強作物的抗逆性，它可以提高土壤的抗旱性、抗寒性和抗病性。生物炭具有良好的保水性能，在干旱條件下能夠減少土壤水分的蒸發(fā)，為作物提供穩(wěn)定的水分供應(yīng)。同時，它還能提高土壤溫度，有助于作物在寒冷地區(qū)的生長。生物炭中的有益微生物還能抑制病原菌的生長，防止作物病害的發(fā)生。

3 肥料增效載體

首先，由于生物炭具有多孔性和高比表面積的特性，它能夠有效地吸附并保存肥料中的養(yǎng)分，降低養(yǎng)分的流失和揮發(fā)，從而提高肥料的利用率。這不僅有助于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能夠減少肥料的浪費，降低對環(huán)境的污染，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性和環(huán)保性具有重要意義。其次，生物炭的添加能夠顯著改善土壤的物理性質(zhì)，增加土壤的孔隙度和透氣性，提升土壤的保水能力和抗旱性，有利于植物根系的生長和養(yǎng)分的吸收，進一步促進作物的健康生長。再者，生物炭還可以作為肥料的緩釋載體，通過吸附和緩慢釋放肥料中的養(yǎng)分，延長肥料的有效期，減少農(nóng)民施肥的頻率，既減輕了農(nóng)民的勞動強度，也有助于減少養(yǎng)分的流失，降低對環(huán)境的污染。最后，生物炭富含碳源和礦物質(zhì)，它為土壤微生物提供了一個良好的生存環(huán)境，從而促進了微生物的活動。這些微生物的活動不僅有助于分解有機物質(zhì)，釋放養(yǎng)分，促進植物的生長，同時也能改善土壤的結(jié)構(gòu)和肥力，形成一個良性的生態(tài)循環(huán)[3]。

4 土壤生物炭固碳潛力

首先，生物炭是由生物質(zhì)經(jīng)過熱解或氣化過程制成的富含碳的固態(tài)產(chǎn)品，其碳含量較高。由于經(jīng)過熱處理，其碳結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，不易被微生物分解，因此可以在土壤中長期保存，這增加了土壤的碳儲量。其次，生物炭的施入不僅直接增加了土壤的碳輸入，而且改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤肥力。這種改良效應(yīng)促進了植物的生長，進而增加了植物殘體的歸還量，間接地增加了土壤的碳輸入。最后，生物炭具有多孔性，能夠改善土壤的通氣性和保水性，其表面豐富的官能團可以吸附土壤中的養(yǎng)分和重金屬，從而提高土壤的化學(xué)性質(zhì)。這些物理和化學(xué)性質(zhì)的改善都有助于提高土壤的肥力，進一步促進植物生長，并增加土壤的碳儲量。更為重要的是，生物炭的應(yīng)用對于應(yīng)對氣候變化和土壤退化具有積極意義。通過增加土壤碳儲量，生物炭有助于減少大氣中的二氧化碳濃度，緩解氣候變化。它還能改善土壤性質(zhì)，提高土壤應(yīng)對極端氣候事件的能力，減少土壤碳的損失。對于退化的土壤，生物炭的應(yīng)用能夠促進土壤結(jié)構(gòu)的改善和肥力的提升，從而推動土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[4]。

5 未來研究

生物炭與土壤微生物的互作是一個值得深入研究的領(lǐng)域。盡管已知生物炭能為土壤微生物提供有益的生存環(huán)境，但具體受益的微生物種類以及這些微生物如何影響土壤肥力仍需進一步探索。此外，當(dāng)前的研究主要關(guān)注生物炭短期內(nèi)的效應(yīng)，但其長期（如幾十年）對土壤肥料的影響仍然不明確，因此未來研究應(yīng)更多關(guān)注生物炭在土壤中的長期變化和對土壤肥力的長期影響。同時，探索生物炭與其他土壤改良劑（如有機肥、礦質(zhì)肥料等）的配合使用，以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)并提高土壤肥力，也是重要的研究方向?？紤]到土壤類型和氣候條件可能對生物炭的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，研究不同土壤類型和氣候條件下的生物炭應(yīng)用效果對于其推廣應(yīng)用具有重要意義。最后，盡管生物炭能提高土壤肥力，但其生產(chǎn)過程的環(huán)保性也是一個需要關(guān)注的問題。如何環(huán)保、高效地生產(chǎn)生物炭將是未來研究的重要方向，以確保其在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用能夠持續(xù)并具有廣泛的影響力[5]。

6 結(jié)語

生物炭作為一種具有潛力的土壤改良劑和肥料增效載體，具有獨特的性質(zhì)和特征，對土壤和作物表現(xiàn)出多方面的正面影響。它不僅可以增加土壤的有機質(zhì)含量和肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)和水分保持能力，還能提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，增強其抗逆性。另外，生物炭對土壤微生物的互作也具有重要意義，能夠促進有益微生物的生長和活動，進而改善土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。此外，作為肥料的緩釋載體，生物炭可以提高肥料利用率，減少肥料的浪費和環(huán)境污染。未來的研究應(yīng)進一步深入探索生物炭與土壤微生物的互作機制，長時間尺度下的效應(yīng)，以及與其他土壤改良劑的協(xié)同應(yīng)用。