生物炭對(duì)土壤生境及植物生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展

卜曉莉，薛建輝

1. 南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037

生物炭(biochar)是指由含碳量豐富的生物質(zhì)（如木材、家禽糞便和秸稈等）在相對(duì)較低的溫度（<700℃）和無(wú)氧或限氧的條件下熱解而得到的一種細(xì)粒度、多孔性的碳質(zhì)材料(Antal和 Gronli,2003)常見(jiàn)的生物炭包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭等。生物炭作為土壤改良劑在改善土壤理化性質(zhì)、持留土壤養(yǎng)分、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、減少溫室氣體排放等方面顯示出較大潛力，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。許多研究表明，生物炭不僅能夠通過(guò)提高酸性土壤的 pH值來(lái)增強(qiáng)土壤肥力(Van Zwieten等, 2010)還可以通過(guò)陽(yáng)離子吸附增加土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的持有量(Liang等, 2006)而且會(huì)改變土壤微生物群落組成和數(shù)量(Grossman等, 2010;O'neill等, 2009)因此也就對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了間接影響(Warnock等, 2007)。但由于生物炭的性質(zhì)、施用量、土壤質(zhì)地、土壤肥力等因素的差異，導(dǎo)致有關(guān)生物炭施用效果的研究結(jié)果并不一致，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物炭的廣泛應(yīng)用仍存在爭(zhēng)議。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分固持、微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)、土壤酶活性、以及植物生長(zhǎng)等方面的影響，以供相關(guān)研究者參考與借鑒。

1 生物炭的特性

生物炭的元素組成主要包括碳（一般高達(dá)60%以上）、氫、氧等，其次是灰分（包括鉀、鈣、鈉、鎂、硅等），其中碳大多以穩(wěn)定芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積存在，具有更高的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性(張旭東等, 2003)。研究認(rèn)為，生物炭的元素組成與制炭時(shí)的最終炭化溫度密切相關(guān)，具體體現(xiàn)為隨最終炭化溫度的升高，所形成的生物炭含碳量增加、氫和氧含量降低、灰分含量亦有所增加(Lehmann, 2007)。高度的芳香化結(jié)構(gòu)和疏水性的脂族碳使生物炭施入土壤以后，可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定而不易在短時(shí)間內(nèi)分解(Schmidt和Noack, 2000)。生物炭一般呈堿性，pH在7～10，所以對(duì)于改良酸性土壤，不失為一種可供選擇的方法。生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，比表面積巨大。生物炭表面帶有大量負(fù)電荷和較高的電荷密度, 并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能團(tuán), 具有很大的陽(yáng)離子交換量(CEC), 理論上能夠吸附大量可交換態(tài)陽(yáng)離子(Liang等, 2006)。制備生物炭的材料和制備條件（如溫度、氧氣含量和時(shí)間）對(duì)生物炭的性質(zhì)有比較大的影響(Lua和Yang, 2004; Gundale和Deluca, 2006; Amonette和Joseph, 2009)。生物炭的環(huán)境功能主要決定于其理化性質(zhì)。

2 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

生物炭高的孔隙度和表面面積，會(huì)使土壤水分的滲濾模式、停留時(shí)間和流動(dòng)路徑發(fā)生改變(Major等, 2009)。用生物炭提高土壤的田間持水量，對(duì)砂性土意義更大，因?yàn)檫@類土壤對(duì)水分的保蓄能力很弱(Glaser等, 2002)。Brockhoff等(2010)研究表明，添加φ=25%的生物炭的沙地比添加5%生物炭及單純的對(duì)照分別多持留了260%和370%的水分。高海英等(2011)采用土柱入滲法研究發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)壤土和壤質(zhì)沙土中混入生物炭后，土壤持水量均有增加，但這種增加效應(yīng)是有限度的，超過(guò)一定混入量（80 t·hm-2）反而會(huì)降低土壤持水量。Oguntunde等(2008)研究表明添加生物炭的沙質(zhì)土壤飽和導(dǎo)水率增加，土壤容重減少，土壤孔隙度增加，土壤滲透率增加。黃超等(2011)研究表明紅壤施用生物炭能明顯提高土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量和土壤田間持水量, 降低土壤容重。因此，生物炭可以作為提高干旱地區(qū)砂性土保水能力的一種有效手段。

2.2 生物炭對(duì)土壤pH值的影響

生物炭的堿性屬性使其施入土壤后勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤pH產(chǎn)生直接影響。Glaser等(2002)研究結(jié)果表明生物炭能夠調(diào)節(jié)土壤pH并提高鹽基飽和度，這主要?dú)w因于生物炭本身所含有的 Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，隨生物炭進(jìn)入土壤以后，在水土的交融作用下會(huì)有一定的釋放，這些離子可以交換土壤中的 H+和 Al3+，從而降低其在土壤中的濃度(Van Zwieten等, 2010)。土壤pH的提高對(duì)酸性土壤改良和喜堿作物的生長(zhǎng)具有積極意義。

2.3 生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響

土壤陽(yáng)離子交換量是影響土壤肥力的重要指標(biāo)之一，生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響效應(yīng)對(duì)提高土壤肥力與生產(chǎn)性能具有重要作用。生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的作用大小與所應(yīng)用的土壤類型、生物炭的原材料以及生物炭生產(chǎn)條件等有關(guān)(Gaskin等, 2008; Yuan等, 2011)。研究認(rèn)為，生物炭施入土壤以后其表面可能會(huì)氧化形成羰基、酚基、醌基，氧化后的生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子的吸附能力增強(qiáng) (Atkinson等, 2010)。Laird等(2010)研究發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）提高了20%，且隨施炭量增加而提高。不過(guò)，將生物炭添加到高有機(jī)質(zhì)含量的土壤中，可能不會(huì)增加土壤的CEC，因?yàn)楦哂袡C(jī)質(zhì)含量的土壤本身已具有較高的CEC，如Schulz和Glaser (2012)的研究表明生物炭的添加并沒(méi)有增加土壤CEC。

3 生物炭對(duì)土壤中氮磷養(yǎng)分的固持作用

生物炭對(duì)土壤中氮磷養(yǎng)分的固持效應(yīng)取決于生物炭性質(zhì)、施用量及土壤質(zhì)地等因素。Laird等(2010)觀察了在施用豬糞的溫帶農(nóng)業(yè)土中添加不同含量生物炭對(duì)氮磷淋濾效果的影響，發(fā)現(xiàn)濾出液中的總氮、總磷含量隨生物炭添加量的增加而顯著降低。周志紅等(2011)研究發(fā)現(xiàn)50和100 t·hm-2的生物炭施用量降低黑鈣土氮素淋失分別為29%和74%,減少紫色土氮素淋失分別達(dá) 41%和 78%，但 10 t·hm-2的生物炭施用量卻增加了兩種土壤氮素的淋失?；ɡ虻?2010)研究表明，除了秸稈炭添加初期，其余各生長(zhǎng)階段，添加 1%~4%生物炭處理的褐土淋出液中氮磷的濃度顯著降低。許多研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加能夠有效減少土壤中銨態(tài)氮的淋失，這主要?dú)w因于生物炭提高了土壤的陽(yáng)離子交換量(CEC)，因此增加了土壤對(duì)NH4+的吸附量(Lehmann等, 2003; Van Zwieten等, 2010; Yuan和Xu, 2011)。Taghizadeh-Toosi等(2012)利用15N同位素示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)生物炭吸附的銨態(tài)氮可以被植物再利用。目前關(guān)于生物炭對(duì)土壤中硝態(tài)氮的固持效應(yīng)，研究結(jié)果并不一致。Güere?a等(2013)和Knowles等(2011)研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭能夠明顯減少土壤中硝態(tài)氮的淋失量，Güere?a等(2013)研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量氮含量增加，這表明硝態(tài)氮被微生物吸收轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，有機(jī)氮易被生物炭和土壤礦物質(zhì)吸附。而Cheng等(2012)的研究發(fā)現(xiàn)，黑鈣土中添加生物炭不能有效抑制土壤中硝態(tài)氮的淋失。Laird等(2010)和 Lehmann等(2003)的研究結(jié)果更與之相反，他們發(fā)現(xiàn)生物炭的添加不但沒(méi)有抑制硝態(tài)氮的淋失，反而使得硝態(tài)氮的淋失量有所增加。盡管磷以陰離子形式存在于土壤中，生物炭同樣會(huì)降低滲濾液中磷的濃度，因?yàn)樯锾繉?duì)磷酸鹽具有一定的吸附能力(Lehmann等, 2003)。Yao等(2012)比較了兩種生物炭對(duì)沙土中可溶性磷的持留作用，發(fā)現(xiàn)BP600生物炭可以減少沙土 PO43--P淋失量的20.6%，與之相反 PH600生物炭卻增加了沙土中PO43--P的釋放。

4 生物炭對(duì)土壤微生物豐度、群落結(jié)構(gòu)以及土壤酶活性的影響

4.1 生物炭對(duì)土壤微生物豐度的影響

生物炭的多孔性和表面特性能夠?yàn)槲⑸锷嫣峁└街稽c(diǎn)和較大空間，同時(shí)調(diào)控土壤微環(huán)境的理化性質(zhì)，影響土壤微生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝，進(jìn)而改善土壤肥力。生物炭對(duì)土壤微生物的影響是復(fù)雜的、多方面的，作用機(jī)制尚不完全清楚。大多數(shù)研究表明，生物炭的添加會(huì)增加土壤微生物量，會(huì)明顯改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成和土壤酶活性(Lehmann 等, 2011; Ameloot等, 2013)。Galvez等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加增加了兩種農(nóng)田土壤（微酸性和堿性土壤）的微生物量碳含量。許濤(2012)研究發(fā)現(xiàn)，竹炭的添加增加了土壤微生物量碳、氮、磷的含量。黃劍(2012)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用顯著提高了土壤微生物量碳水平，且隨施用量增加，其對(duì)土壤微生物量碳的影響越大。同時(shí)，生物炭在一定程度上也提高了土壤微生物量氮水平，但當(dāng)施用量達(dá)到4500 kg·hm-2時(shí)，反而會(huì)顯著降低土壤微生物量氮的含量。與上述研究結(jié)果相反，Dempster等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加明顯減少了土壤微生物量碳含量，而對(duì)土壤微生物量氮的影響不明顯。生物炭對(duì)菌根真菌具有積極的影響，生物炭的添加能夠增加菌根真菌的豐度，促進(jìn)菌根真菌對(duì)植物根部的侵染，但其對(duì)菌根真菌的影響程度與生物炭的特性有關(guān)(Warnock等, 2007;Warnock等, 2010; Atkinson等, 2010)。

4.2 生物炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物量的變化只能反映土壤微生物的總體數(shù)量變化，而土壤微生物本身是一個(gè)復(fù)雜的群體，其中不同的微生物種類對(duì)生物炭施用的響應(yīng)具有多樣性(Nannipieri等, 2003)。Chen 等(2013)基于16S rRNA和 18S rRNA基因，利用 T-RFLP和qPCR-DGGE系統(tǒng)，結(jié)合克隆文庫(kù)分析，對(duì)經(jīng)過(guò)生物炭改良的微酸性稻田土壤的微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，秸稈生物炭的添加增加了稻田土壤中細(xì)菌基因的豐度，降低了真菌基因的豐度。土壤根際微生物對(duì)土壤的肥力及土壤的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起著重要的作用。Graber等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加提高了土壤根際細(xì)菌和真菌的豐度，使土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)更有利于植物生長(zhǎng)。Kolton等(2011)將細(xì)菌多樣性聯(lián)系其生態(tài)學(xué)功能進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，幾個(gè)不同優(yōu)勢(shì)屬的變化各不相同，有的屬增加，有的屬降低，但其變化都有助于植物生長(zhǎng)和抵抗病害。生物炭的施加會(huì)使土壤中的某些特殊功能菌，如根瘤菌、固氮菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌的相對(duì)豐度明顯增加，表明這些功能菌對(duì)生物炭的響應(yīng)更為敏感(Deluca等,2006; Chan 等, 2007; Rondon 等, 2007; 許濤, 2012)。

4.3 生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

生物炭對(duì)土壤酶活性的影響是高度可變的，這些影響可能與生物炭和目標(biāo)底物之間的反應(yīng)有關(guān)(Bailey等, 2011)。一方面生物炭對(duì)反應(yīng)底物的吸附有助于酶促反應(yīng)的進(jìn)行而提高土壤酶活性，另一方面生物炭對(duì)酶分子的吸附對(duì)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)，而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行(Derenne和Largeau,2001；Lehmann 和 Joseph, 2009; Lehmann等, 2011)。Galvez等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加增加了 2種農(nóng)田土壤的β-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶的活力。Masto等(2013)研究表明，生物炭的添加增加了土壤脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、熒光素水解酶、酸性和堿性磷酸酶的活性，且酶活性隨生物炭劑量的增加而增加。Wu等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈生物炭的添加增加了土壤脲酶的活性，然而，減少了土壤脫氫酶和 β-葡萄糖苷酶的活性。黃劍(2012)研究表明，生物炭施用對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性都有顯著提高，但當(dāng)生物炭施用量較高時(shí)，對(duì)土壤脲酶可能起到抑制作用。

5 生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響及其肥效機(jī)理

5.1 生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收的影響

植物生長(zhǎng)發(fā)育有賴于良好的土壤環(huán)境。但在自然界中，土壤往往存在著各種障礙因素，限制著植物生長(zhǎng)。根據(jù)不同土壤的主要障礙因子，選擇合適的生物炭對(duì)土壤進(jìn)行改性，以期能夠提高土壤養(yǎng)分的有效性，增加植物吸收養(yǎng)分的效率(Jeffery等,2011)。例如，在磷有效性低的土壤中施入生物炭,可以提高土壤有效磷的含量, 進(jìn)而提高植物對(duì)磷的吸收量(Lehmann等, 2003; Liu等, 2012)；在鈣鎂養(yǎng)分有效性低的土壤中施入生物炭，可以提高土壤中鈣鎂營(yíng)養(yǎng)元素的可利用性，促進(jìn)作物對(duì)鈣鎂養(yǎng)分的吸收，提高作物產(chǎn)量(Major等, 2010)；高堿度的生物炭能夠減少酸性土壤中鋁的毒性，降低有毒元素對(duì)作物的危害(Yuan等, 2011）；生物炭的添加可以減少沙地土壤水分脅迫，有助于植物正常發(fā)育(Jeffery等, 2011; Kammann等, 2011)。但在某些情況下，施用生物炭并沒(méi)有提高作物產(chǎn)量，張晗芝等(2010)研究發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)玉米幼苗植株干質(zhì)量，N、P 養(yǎng)分的吸收量均沒(méi)有顯著影響。Güere?a等(2013)研究發(fā)現(xiàn)將生物炭添加到溫帶肥沃土壤中，并沒(méi)有改善作物的生長(zhǎng)，但是增加了表層土壤氮肥的保留率。Van Zwieten等(2010)研究發(fā)現(xiàn)將生物炭與化肥混施到酸性土壤中，增加了作物對(duì)氮的吸收，提高了小麥、大豆和蘿卜三種作物的產(chǎn)量；而將生物炭與化肥混施到堿性土壤中，提高了大豆的產(chǎn)量，但卻減少了小麥和蘿卜的產(chǎn)量。另外，高量施用生物炭可能會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用(黃超等, 2011;Kammann等, 2011)。因此，生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用取決于土壤肥力和性質(zhì)、植物種類、以及生物炭的特性和施用量等因素。

5.2 生物炭的肥效機(jī)理

目前關(guān)于生物炭肥效機(jī)理的研究還很缺乏。生物炭本身礦質(zhì)養(yǎng)分含量較低，其可直接提供的養(yǎng)分很有限，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，主要?dú)w因于其改善了土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤養(yǎng)分的有效性，以及改變了土壤微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)。干旱條件下植物根的伸長(zhǎng)會(huì)受到限制，通過(guò)施入生物炭，可以增加土壤持水性和孔隙度，促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)(Chan等, 2007)。森林火災(zāi)形成的木炭明顯改善了森林土壤的飽和持水量和有效磷含量，促進(jìn)了松木幼苗的再生(Makoto等, 2011)。生物炭的添加增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高了土壤肥力，因此促進(jìn)了植物生長(zhǎng)(唐光木等, 2011; Schulz和 Glaser,2012)。生物炭的添加促進(jìn)了落葉松幼苗外生菌根的形成，使得落葉松幼苗對(duì)養(yǎng)分的吸收增強(qiáng)(Makoto等, 2010)。生物炭的添加增加了土壤中菌根真菌的寄生，使得作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收加強(qiáng)(Blackwell等, 2010; Solaiman等, 2010)。生物炭的添加改變了土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)，其變化更有助于植物生長(zhǎng)和抵抗病害(Graber等, 2010; Kolton等, 2011)。還有研究報(bào)道，生物炭促進(jìn)了土壤中乙烯的產(chǎn)生，這種對(duì)植物生理至關(guān)重要的植物激素必然會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響(Spokas等, 2010)。

6 研究展望

生物炭作為一類新型環(huán)境功能材料，不僅為農(nóng)林廢棄物質(zhì)資源化利用提供了新思路，而且在土壤改良和作物栽培等方面顯現(xiàn)出巨大潛力，可以預(yù)見(jiàn)生物炭在土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面將有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物炭的研究仍處于起步階段，因此還有很多工作急需要開(kāi)展。

（1）由于生物炭的特性和施用量、土壤性質(zhì)、植物種類等因素的不同，導(dǎo)致生物炭作為土壤改良劑，在提高土壤肥力和促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面的研究結(jié)果存在較大差異。因此，必須根據(jù)不同土壤的主要障礙因子，選擇合適的生物炭，以期得到較好的土壤改良效果，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

（2）目前生物炭的應(yīng)用主要是針對(duì)農(nóng)田土壤以及農(nóng)作物的研究，而關(guān)于生物炭對(duì)林地土壤改良以及林木生長(zhǎng)影響的研究非常缺乏。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)生物炭在林地水分涵養(yǎng)，活化土壤養(yǎng)分，提高造林成活率，改善地區(qū)生境等方面的研究與應(yīng)用。

（3）生物炭在土壤中發(fā)生的生物和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理仍需進(jìn)一步探索, 如摸清施用生物炭后對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)用分子生物學(xué)方法確定具體是哪一類甚至是哪一種微生物的活性發(fā)生改變；生物炭與土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬元素、有機(jī)物之間的吸附-解析、沉淀-溶解、氧化-還原等作用過(guò)程。

（4）生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分變化、植物生長(zhǎng)狀況以及土壤微生物活性的影響，目前的研究大多是短期室內(nèi)培養(yǎng)和小規(guī)模田間試驗(yàn)，而新鮮生物炭施用后引起的土壤環(huán)境變化以及土壤生物的響應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行而發(fā)生變化，因此，對(duì)生物炭施用效果的野外長(zhǎng)期定位研究顯得非常必要。

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