生物炭陳化過程對玉米產量及土壤肥力提升的效應研究

在我國農業發展建設過程中，生物炭發揮的作用不容忽視。生物炭屬于以農業副產品、天然有機物制作而成的炭，具備儲水能力強、高碳含量、肥力持久、多孔等典型特點，在土壤修復中具有重要作用，特別是在熱解處理后，生物炭的多孔結構可以有效改善土壤結構，提升土壤透氣性及肥力，再加上其富含多種營養元素和微量元素，在農作物生長及產量提高方面有著至關重要的促進意義。生物炭陳化主要指生物炭理化性質會隨時間發展產生一定變化，具體表現為土壤層孔隙率、持水溶性等的改變，而這種變化的產生，在玉米產量、土壤肥力提升方面的效應及影響，正是研究的重點所在。

一、生物炭田間自然陳化過程的典型變化

生物炭在田間自然陳化過程中，其所展現出的典型變化主要體現在元素組成、理化性質、表面形貌、官能團四方面。

（一）元素組成

生物炭田間自然陳化過程中，其白面上的氧（O）、鋁（AI）、硅（Si）、鐵（Fe）等元素含量均會產生較為顯著的變化，且高于新生物炭，但是碳元素的含量明顯降低。產生這種變化的主要原因，極有可能是生物炭表面會有土壤礦物附著，這些礦物會對碳元素的測定產生稀釋。

（二）理化性質

生物炭田間陳化過程中，其孔結構、表面積等理化性質也會產生明顯變化。具體而言，在5年內，其比表結構并不會產生持續增加或持續下降的情況，一般情況下其主要隨著時間波動。其中，孔結構阻塞、破壞或微孔形成等是推進其變化波動的主要因素。同時，通過文獻的查閱發現，在5年時間內，生物炭含氧官能團含量、表面氧含量會產生一定程度上的增加，這種變化可以說明生物炭陳化過程從表面開始，其表面界面性質的變化是生物炭陳化的典型特征。

（三）表面形貌

將新鮮生物炭初期投入田間一年后回收，其表面會出現通道、裂紋，但是老化生物表面一般顯示的是平滑覆蓋物。這主要是因為生物炭在陳化過程中，其表面覆蓋物會堵塞通道、裂紋，進而造成生物炭表面形貌的變化。

（四）官能團

生物炭在陳化過程中，表面含氧官能團會明顯增加，在眾多官能團中，羧基的增加最為顯著，這一變化的產生，會直接造成生物炭表面孔隙率、比表面積增多，并影響生物炭對土壤中污染物的吸附。

二、生物炭在玉米種植中的關鍵價值

我國是農業大國，玉米產量居世界第二，主要分布于黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古等地，而生物炭的應用可以提高玉米產量、改良土壤肥力、減少化肥施用量。

（一）提高玉米產量

通過土壤條件的改善及優化，生物炭可以促進玉米根系的發育、生長，并提高玉米對多種養分的吸收利用率，玉米的產量也會明顯增加。同時，生物炭對土壤中有毒微生物的抑制作用也十分顯著，這對作物病蟲害發生率的降低十分有益。

（二）改良土壤肥力

生物炭本身具備高比表面積、多孔結構，對土壤中的水分、養分等有充分吸附并保持的作用，可有效增強土壤的保水保肥能力。同時，生物炭還具備調節土壤酸堿度的功能，這對改善玉米生長環境大有裨益。

（三）減少化肥施用量

由于生物炭可以保證養分吸收與保持，因此，可在一定程度上合理控制并減少化肥施用量，這對節省農業生產成本、助力農業領域綠色發展均有較為顯著的促進意義。

三、生物炭陳化過程對玉米產量及土壤肥力提升效應分析

（一）生物炭陳化過程對玉米產量的提升效應

1.生長發育。在玉米生長發育過程中，多種因素均會對其產生不容忽視的影響。其中，株高、莖粗、干物質積累量、葉面積指數等，均會受到生物碳陳化的影響。一是株高。一般情況下，玉米株高的最高點是灌漿期，如逐步進入成熟期，其株高就會降低。在生物炭的應用中，生物炭施炭量、年限等是影響玉米株高的主要因素。二是莖粗。玉米莖粗與玉米倒伏情況、玉米植株營養吸收情況均息息相關，玉米莖稈越粗，其抗倒伏能力越強。對玉米各個生長發育期進行分析發現，拔節期、抽雄期的玉米莖稈最粗，而灌漿期、成熟期的玉米莖稈會展現逐步變細的趨勢。施加生物炭后，在其陳化過程中施炭量及年限對玉米莖稈的交互影響，主要展現在抽雄期、拔節期。三是干物質積累量。在玉米生長發育過程中，干物質積累量是其籽粒產量的決定性因素。結合玉米生長全生育期來看，玉米干物質積累的關鍵部位是莖葉，但是在玉米的不斷生長發育中，根葉的干物質積累量均呈現不同程度的減少，但是玉米穗的干物質積累量則逐步上升，特別是在玉米成熟期，玉米穗的干物質積累量已經占比最高。在應用生物炭后，玉米的干物質積累量會有明顯提升，其中需要注意的是，玉米干物質積累量的差異一般發生在灌漿期、抽雄期。四是葉面積指數。葉面積指數反映的重點是玉米群體的生長狀況，葉面積指數的大小和玉米最終產量高低存在直接聯系。在常規情況下，玉米如果不施加生物炭，其苗葉期的葉面積指數處于最高水平，而拔節期的葉面積指數則最小。

2.玉米產量。生物炭陳化對玉米產量的影響，主要體現在以下三方面。一是改善土壤孔隙率、保持水溶性。在玉米生長發育過程中，生物碳陳化過程可迅速降低土壤容重，并促進土壤團聚體穩定性的提高，這對土壤孔隙率的增加會產生直接影響。產生這種情況的主要原因是生物炭本身具備較大孔隙率、比表面積。將其施加至土壤中，土壤結構可得到迅速改善，土壤顆粒之間的空間也會產生明顯增大，這對玉米生長所需的土壤空氣流通、水分保持等均十分有益。同時，在土壤中施加生物炭，還能夠提高土壤的水溶性，生物炭的吸附能力較強，可充分吸收土壤中的水分，并借此提升其持水能力。此外，生物炭陳化過程還能夠促進土壤有效水含量的增加，這對緩解土壤干旱問題、保證玉米生長所需水分均有十分顯著的促進作用。二是提供優良的生長環境。在土壤滲透性的提升中，玉米植株的根系生長會有更為優良的環境。同時，生物炭的施加，對土壤中微生物的反硝化作用，產生十分明顯的抑制作用，土壤中的“氮素效應”“土著真菌生存能力”也能夠得到更為全面的展現與提升，這對玉米生長及產量的提高十分有益。三是改變土壤團聚體結構，并在其陳化過程中提高玉米產量。這種影響主要表現為粒徑較粗的生物炭限制土壤、微生物、生物炭三者之間的相互作用，減緩大團聚體的形成過程。易分解有機碳含量較多的生物炭可以刺激微生物生長，因此，能夠較好地改良有機質含量較低土壤的團聚體結構。

（二）生物炭陳化過程對土壤肥力的提升效應

1.生物炭陳化過程對土壤吸持低分子量物質行為、陽離子交換量（CEC）、pH的影響。一是對土壤吸持低分子量物質行為的影響。“Terra Preta”作為一種生物炭實驗案例，展示了生物炭對于土壤吸收低分子量的影響。如果將其視為農耕體系的一部分并適當使用，生物炭可以持久提升土壤對營養元素和低分子量有機物的捕獲力。這種特性得益于它的大表面積和高孔徑率，同時含有大量的來自氫氧化物和羧酸根等官能團的負電荷，這使得生物炭能夠高效吸引各類堿金屬陽離子、硝酸鹽、磷酸鹽或偏磷酸鹽，并且也具備強力的低分子量可溶性有機物（DOC）吸附功能。這些吸附能力的產生受到生物炭的酸堿度、表面積、碳氧比例、總交換容量等特性和土壤中有機物質含量的調節，同時也受生物炭引發的土壤粒子帶電狀態和化學性質變化的影響，可以通過人工篩選原料和調整熱解過程來實現部分調控。然而，在生物炭陳化過程中，生物炭表面的活性位點會不可避免地與土壤內的特定成分發生反應，從而削弱它的吸附性能。所以，只能在新制的生物炭階段對其吸附特點做出預判，以助力土壤肥力提升。二是CEC。生物炭增加土壤CEC的原因如下：一方面，生物炭本身的CEC較大；另一方面，生物炭增加土壤pH，增加土壤中可變負電荷的數量，從而增加土壤CEC。舉例來說，高溫（＞600 ℃）熱解的生物炭CEC較低，但是由于具有較大的比表面積和較高的pH，在施加到土壤中后，仍然可以明顯增加土壤CEC。與之相反，使用500 ℃生物炭對木本植物進行處理后，施加到沙土中培育91 d，土壤CEC與對照組相比并沒有明顯變化，原因可能是生物炭的pH和CEC較低造成。生物炭增加土壤CEC的效果受土壤環境條件的影響。與CEC較高的堿性土相比，生物炭更能顯著提高CEC較低的酸性土壤的CEC。此外，生物炭陳化過程會促使土壤CEC的增加，因為這個過程會不斷生成生物炭表面的含氧官能團。三是pH。過度施用銨態氮肥和酸雨沉降會顯著減低土壤pH。這不僅會導致土壤肥力質量下降，還會增強重金屬元素的活性。生物炭可以有效增加有機質含量較低的酸性土壤的pH。原因如下：首先，生物炭本身的pH較高。其次，生物炭中的碳酸鹽和重碳酸鹽可以與土壤溶液中的氫離子結合。隨著生物炭在土壤中反應時間的增加，生物炭的pH會逐漸降低。最后，生物炭中帶有負電荷的羧基和羥基等含氧官能團可以結合土壤溶液中的氫離子，從而降低氫離子的濃度。例如，經過100 d室內培育后，松木和玉米青儲飼料400和600 ℃生物炭的pH較新制備時降低了2.3～3.6。在田間老化3年后，堅果殼和木本植物500～550 ℃生物炭的pH較新制備時降低了1.0～4.4。這表明，生物炭在短期內有利于減輕土壤酸化，但是，對酸性土壤pH的持續調控效果仍存在爭議，還需要通過長期定位試驗進行進一步的跟蹤監測。

2.生物炭陳化過程對微生物性質的影響。生物炭與土壤微生物之間的互動關系相當復雜。通過優化土壤物理化學特性，生物炭可以間接提升微生物活動水平；由于其容易被分解為有機碳成分、具備優秀的空洞構造及較強吸收營養物質和水分的性能，因此，它成為微生物理想的生活場所。這種交互效應可能導致生物碳投入農業領域之后，能有效調整土壤微生物數量、微生物群體構成、酶活性和其他土壤微生物屬性，進而調節微生物主導的營養循環和營養形式轉換進程，最后塑造出新的土壤肥力和功能模式。

對于生物炭為何能作為土壤微生物理想的生活環境這一問題，有著多種理論解釋。一些研究表明，生物炭獨特的空洞構造能夠給包括細菌、真菌及原始生命體等多種類型的微生物提供安全的環境，以避免被獵殺或者遭受季節性的干燥影響。然而，另一種觀點則指出，雖然生物炭的平均空洞尺寸較小（納米級別），但其仍大于大多數土壤微生物所需的最適生活環境的大小（微米級別），因此，受到空間限制，土壤微生物不能成功駐扎到生物炭的空洞內。支持此種說法的研究者們強調了以下幾點原因：一是生物炭可以高效吸收如DOC、速效氮、堿性離子等的化合物；二是生物炭中的元素可以通過溶出和再吸收到外部環境，從而為微生物供應豐富的基礎營養。

對生態系統而言，環境因素如氣候變化等都可能對其造成重大威脅。其中，一種重要的生態環境問題就是全球變暖現象及其引發的一系列后果——如海平面上升及極端天氣事件增多等。為了應對這些挑戰并保護地球上的生命體免遭進一步破壞，科學家們正在積極尋找解決方案來減少溫室氣體排放，以降低大氣溫度，從而緩解這一危機。然而，除了采取行動控制二氧化碳，還可以充分利用生物炭，它是一種由農林廢棄物或動植物殘骸經過特殊處理后形成的一種固態化合物材料。對于含有豐富有機物的微粒狀土層，其出色的緩沖性能可以在某種程度上有助于減輕生物炭對微生物的影響。通過同步添加如堆肥、糞便等有機材料到土壤中，可以提高微生物能夠使用的底物數量，從而減弱這一影響。此外，在生物炭的熱解過程中，可能會留下諸如多環芳烴與二噁英之類的有害化學品，部分生物炭中的重金屬成分可能過高，這些都可能對微生物造成潛在危害，進而影響土壤肥力的提升。

關于生物炭如何影響土壤中的酶活力及微生物信號分子的問題，目前尚未得出一致的結果。這主要受到生物炭、酶、其所作用的底物這三者交互效應的影響。然而，生物炭可以作為一種活性物質，吸附或者釋放酶和它的底物。這種吸附或解吸特性取決于生物炭的孔隙度和表面區域的大小，大孔徑且高表面的生物炭有能力吸附細胞外的酶及其底物，從而減緩底物與酶激活部位的結合速度，進而減少酶的活動水平。Ameloot的研究表明，當使用700 ℃處理過的生物炭時，會使土壤中脫氫酶的活性比未添加生物炭的情況低47%；相反，如果用的是350 ℃處理過的生物炭，則會導致脫氫酶活動量增加73%，并直接影響土壤肥力的提升。

四、結語

綜上所述，生物炭陳化過程能夠有效提高玉米產量，對土壤肥力提升也有積極作用。該研究基于生物炭田間自然陳化過程的典型變化、生物炭在玉米種植中的關鍵價值，充分探索并剖析了生物炭陳化過程對玉米產量的提升效應、土壤肥力的提升效應，希望能夠為我國玉米種植中生物炭的有效應用提供借鑒。

作者簡介：趙強（1989—），男，吉林農安人，碩士，助理農藝師，主要從事耕地保護與建設工作。