生物炭對土壤養(yǎng)分及水分的影響

孫愛華　華信　朱士江

摘要：生物炭是在完全或部分缺氧條件下經(jīng)生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的一種難溶的固態(tài)物質(zhì)，是含碳量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙大，吸附能力強，呈堿性的多用途材料。生物炭單獨作為添加劑應(yīng)用于土壤可以改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤持水能力，保持土壤養(yǎng)分，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。與肥料混施，具有緩釋功效，能延緩肥料在土壤中釋放，降低養(yǎng)分的流失，提高肥料利用率。本文主要從生物炭特性以及生物炭對土壤理化性質(zhì)、土壤持水能力、土壤養(yǎng)分等方面的影響展開綜述，指出了目前研究中需要加強的方面，為生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供了一些想法。

關(guān)鍵詞：生物炭；理化性質(zhì)；持水；養(yǎng)分

中圖分類號：S216 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-064-03

生物炭（Biochar）是在一種完全或部分缺氧的條件下，由農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、禽畜糞便等有機材料經(jīng)熱解（通常<700 ℃）碳化所產(chǎn)生的一類高度芳香化的難溶性固態(tài)物質(zhì)[1]。生物炭作為土壤改良劑是源于南美亞馬遜盆地黑土（Perra Preta）的發(fā)現(xiàn)和研究[2]。這種發(fā)現(xiàn)讓人們對生物炭的研究產(chǎn)生濃厚的興趣，進而揭開研究者對生物炭研究的序幕。生物炭本身含碳量高，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大等特性[3]。這些特性跟生物炭在改善土壤理化性質(zhì)上有一定的聯(lián)系。目前，許多專家在挖掘生物炭對農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的一些良性作用，但在不同的變量因子下各專家得出的結(jié)論仍有爭議。生物炭目前還處于試驗研究階段，想在農(nóng)業(yè)方面推廣仍需大量的研究工作。筆者結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)生物炭的最新研究進展，重點闡述了生物炭的特性以及生物炭對土壤理化性質(zhì)、持水能力、養(yǎng)分固持等方面的影響，以供研究者參考借鑒。

1 生物炭的特性

1.1 組成元素及結(jié)構(gòu) 生物炭主要由C（一般含量在60%）、H、O、N、S等元素組成。生物炭的組成元素與制炭過程中的溫度有關(guān)，具體表現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，伴隨著炭化溫度的升高，C含量有所增加，H和O含量降低，灰分含量也大大增加[4]。生物炭熔沸點極高，可溶性極低，具有高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)[5-6]和脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)[7]。羧基（-COOH）、羥基（-OH）、酚羥基（C6H6-OH）、脂族雙鍵以及芳香化等典型結(jié)構(gòu)特征[8]，使得生物炭具備極強的抗氧化能力和吸附能力[7]。

1.2 pH 生物炭呈堿性，pH一般在7～11，且隨著裂解溫度的增加，pH隨之增加[9]。生物炭之所以呈堿性，與生物質(zhì)原料中所含礦質(zhì)元素（如Na、K、Mg、Ca等）有關(guān)。在生物炭熱解的過程中，這些礦質(zhì)元素的濃度升高，而且用不同生物質(zhì)原料在相同條件下制成的生物炭pH不相同，所含礦質(zhì)元素濃度高的生物質(zhì)原料制得的生物炭的pH越高[10-11]。張千豐等[12]用Ca、Mg元素含量大小順序為大豆秸稈>玉米棒芯>水稻穎殼的生物質(zhì)材料在相同條件下制作生物炭，得到大豆秸稈生物炭pH>玉米棒芯生物炭pH>水稻穎殼生物炭pH。

1.3 比表面積 生物炭巨大的比表面積使其具有極強的吸附能力，將其施用于土壤能有效吸附土壤中的養(yǎng)分供植物吸收。程海濤等[13]研究了竹炭比表面積主要受碳化溫度和碳化時間的影響，發(fā)現(xiàn)在碳化溫度為800 ℃、碳化時間2～3 h下，制得的竹炭的比表面積最大為554.79 m2/g，且溫度在500～800 ℃竹炭比表面積隨溫度升高而增大，800～1 500 ℃竹炭比表面積隨溫度的升高而減小。生物炭經(jīng)過活化后其表面積顯著增加。Shinogi等[14]研究表明，用稻殼、污泥、牛糞燒紙的生物炭在未活化時比表面積小于100 m2/g，活化后大于200 m2/g。劉洪波等[1]研究表明，在碳化溫度為700 ℃、堿/炭質(zhì)量比為4、活化溫度為900 ℃、活化時間為1 h的條件下制得比表面積為2 610 m2/g的高比表面積活性炭。

2 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響 生物炭的容重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤的容重。將生物炭加入土壤后可以降低土壤的容重[15-16]，降低土壤的抗壓強度[17]，使得土壤硬度下降，阻力減小[18]，有助于種子的萌芽和植物根系在土壤中的生長，提高土壤的耕性。張崢嶸等[17]向紅壤中加入一定比例的生物炭，紅壤的抗壓強度減少了約50%，土壤的板結(jié)度大大降低。向土壤中加入生物炭后，土壤的孔隙度增大，水分在土壤中的停留時間、滲透模型等得到改變[19]，增加了土壤的持水能力，作物根系可利用的水分和礦物離子得到增加，有利于植物的吸收。與此同時，土壤中的有機質(zhì)也會隨著土壤水分的增加而加快分解[20]。

2.2 生物炭對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 生物炭對土壤pH的影響。

不科學(xué)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成土壤酸堿化、鹽基離子流失，導(dǎo)致土壤貧瘠，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長。生物炭作為土壤的改良劑在降低土壤酸度、增加土壤有機質(zhì)含量、增加土壤陽離子交換量（CEC）、降低養(yǎng)分流失方面具有一定的功效。生物炭本身含有一些鹽基離子（如K+、Ca2+、Mg2+等）。這些離子進入土壤后會有一定程度的釋放，交換土壤中的Al3+和H+，降低Al3+和H+的濃度[21]，提高酸性土壤的鹽基飽和度，從而提高土壤的pH[22]。很多試驗表明，生物炭加入土壤后會提高土壤pH[23]，提高土壤團聚性[24]。徐振華[25]研究表明，在控制溫度為300、400 ℃的條件下制得的花生殼生物炭施入土壤后分別使土壤的pH提高了0.58和0.80個單位。趙牧秋等[26]在酸性磚紅壤中添加5 g/kg椰糠生物炭時pH的變化范圍為4.49～4.90，當(dāng)添加20 g/kg時pH變化范圍在4.98～5.67，添加50 g/kg時pH變化范圍為5.03～5.94，得出pH對酸性土壤的改良效果隨生物炭添加量的增加而增強。 Novak等[27]把pH為7.3的核桃殼生物炭加入到酸性土壤后，土壤的pH從原來的4.8增加到6.3。通過以上研究，發(fā)現(xiàn)生物炭對酸性土壤改良和喜堿作物的生長具有重大意義，但對堿性土壤的影響還需要進一步去探究。

2.2.2 生物炭對CEC的影響。CEC是反映土壤吸收和供給可交換養(yǎng)分的能力，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。已有研究表明，生物炭施入土壤能增加土壤的CEC。這是由于生物炭比表面積大，本身具有很強的吸附能力，能吸收土壤中的礦質(zhì)元素。陳紅霞等[28]向土壤中混合施入2 250、4 500 kg/hm2生物炭，使得土壤的CEC分別增加了14.7%和24.5%。Glaser等[29]在高度風(fēng)化的熱帶土壤中大量施用生物炭后，土壤CEC提高了50%。生物炭并不是對所有的土壤都能增加CEC。有研究表明，對于CEC本底值高的土壤，施入生物炭會引起土壤CEC在一定程度地降低[30]。因此，生物炭對土壤CEC的影響也是有限的。它與土壤的類型、制炭原料、生物炭在土壤中的留存時間有關(guān)[31]。

3 生物炭對土壤持水能力的影響

土壤中的水分在物理形態(tài)上以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種形式存在，其中液態(tài)水按運動特性分為吸著水、毛管水和重力水。土壤的保水能力（Soils water holding capacity）取決于土壤孔隙的分布和連通性，而且在很大程度受土壤紋理、結(jié)構(gòu)特征和土壤有機質(zhì)的影響[32]。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面積，使得土壤水分的滲濾模式、停留時間和流動路徑發(fā)生改變[19]。已有大量的試驗表明，施用生物炭可提高土壤水分含量，減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤持水能力。Glaser等[33]通過田間試驗表明，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭處理的至少增加了18%。Karhu等[34]研究表明，施用9 t/hm2生物炭使得土壤保水性能提高了11%。也有試驗表明，生物炭提高土壤的田間持水量對砂性土壤意義更大，效果更好。Oguntunde等[35]研究表明，添加生物炭的砂質(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。Tryon[36]研究了生物炭對不同質(zhì)地土壤水分的影響，指出在沙質(zhì)土中加入生物炭會增加18%土壤有效水，然而在肥沃的土壤中沒有觀察到這種現(xiàn)象；在沙質(zhì)土壤中，存在生物炭里面的水會隨著土壤變干和土壤基質(zhì)增加而出現(xiàn)，在土壤干旱前期加入生物炭會增加土壤水的有效性，減少土壤水分的流失。另一方面，生物炭加入土壤也會增加土壤的斥水性（Soil water repellency）。這是由于生物質(zhì)炭中有機物多含疏水性基團，故其保水作用有限[37]。生物炭的斥水性主要表現(xiàn)在，當(dāng)水灑在含生物炭的土壤表面時，水會以液珠的形式滯留在土壤表面，在很長時間內(nèi)不能下滲，導(dǎo)致水在土壤表面蒸發(fā)。高海英等[38]采用土柱入滲法開展研究，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)土壤和壤質(zhì)土中混入生物炭后土壤持水量均有所增加，但這種增加效應(yīng)是有限度的，超過一定量（80 t/hm2）后土壤的持水量反而會降低。

4 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

俗話說“莊稼一枝花全靠肥當(dāng)家”。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。肥料能夠補充土壤養(yǎng)分，供農(nóng)作物吸收，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。但是，傳統(tǒng)的施肥觀念是以巨量的化肥投入來換取農(nóng)作物的增產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的有效利用率只有30%～35%，比發(fā)達(dá)國家低15～20個百分點[39]?；实牧魇б苍斐纱罅康沫h(huán)境污染。一些未被利用的化肥隨著地表徑流和農(nóng)田滲漏嚴(yán)重污染湖泊和地下水源。這一問題嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，隨著生物炭在土壤改良方面研究的不斷加深，生物炭不僅可以降低土壤中肥料養(yǎng)分的淋洗損失，而且延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放、吸附和負(fù)載肥料養(yǎng)分[40]。這是由于生物炭表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，吸附能力強；它的化學(xué)官能團較活躍，能夠電離產(chǎn)生電荷，通過靜電吸附負(fù)載肥料的養(yǎng)分離子，羧基和羰基可以進行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)負(fù)載肥料養(yǎng)分。生物炭通過減少水溶性營養(yǎng)離子的遷移避免營養(yǎng)元素的損失，并且在土壤中緩慢而持久的釋放，生物炭充當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)的緩釋載體[41]，從而達(dá)到保持土壤養(yǎng)分的效果。

現(xiàn)階段，人們研究生物炭對土壤養(yǎng)分的影響主要是針對貧瘠的土壤。生物炭本身就含有植物生長所需的氮、磷、鉀等各種元素，施入土壤可以在一定程度上補充土壤養(yǎng)分，又由于生物炭擁有巨大的CEC，可以吸收大量的養(yǎng)分離子。有研究表明，生物炭對NH4+、NO3-有較強的吸附能力，能夠增加土壤中有效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[42]。此外，生物炭還能夠通過激活硝化細(xì)菌的活性來促進硝化反應(yīng)的進程[43]。與氮元素不同，磷元素在生物質(zhì)熱解過程中通常以可溶性的形式被保存下來。生物炭施入土壤中能夠提高土壤中有效磷（P）含量。生物炭除了本身可以向土壤中釋放P外，還可以通過改變P的吸附和解吸來改變P的循環(huán)和有效性。

張忠河等[40]應(yīng)用多次田間試驗表明，當(dāng)農(nóng)田施入生物炭的量達(dá)到20 t/hm2時，可以減少約10%的化肥施用量。在化肥殘留較多的田中，當(dāng)季甚至可以不用化肥只加入生物炭就可以達(dá)到增產(chǎn)的效果。劉瑋晶等[39]在溫室中采用土培方法模擬作物生長環(huán)境種植青菜，按照炭土比0、1∶100、3∶100的生物炭量分別與0.50、1.50、2.50、3.50 g/kg尿素混合施入土壤；3%的炭與2.50 g/kg尿素混合青菜生物量最高；當(dāng)化肥施入量相對過高時，生物炭還能夠緩解青菜燒苗現(xiàn)象；施入3%的炭后，土壤硝態(tài)氮含量最高，說明生物炭能有效地固定土壤中硝態(tài)氮養(yǎng)分。

5 研究展望

（1） 目前，生物炭的研究正處于起步階段。文獻報告上關(guān)于生物炭應(yīng)用農(nóng)業(yè)領(lǐng)域改良土壤都是針對不同土壤和不同生物質(zhì)制得的生物炭，比較片面，也缺乏可比性，所以需要統(tǒng)一生物炭的制備和使用規(guī)范。

（2） 生物炭對土壤的理化性質(zhì)、土壤生物質(zhì)的有關(guān)研究報告大多都在理論研究的基礎(chǔ)上，進行的都是小規(guī)模盆栽和局域性田間試驗，對大田試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的較少，存在一些不穩(wěn)定因素，所以需要進行全面的分析。

（3） 炭與肥料混合施入幾乎都是正效應(yīng)，但是從不同的試驗可以看出，生物炭和肥料混施的比例各不相同，需要研究出在什么比例下它們的協(xié)調(diào)正效應(yīng)最大，制定出一個比例標(biāo)準(zhǔn)。

（4） 目前，在對生物炭改良土壤方面，人們只對其進行了短期的研究，得出的是土壤短期內(nèi)性質(zhì)的改變，而更長時間后期形態(tài)、特性以及與土壤環(huán)境的作用仍有待研究。

（5） 今后，需要對生物炭施用的成本、效益、生命周期進行綜合評價，評估生物炭可能對環(huán)境產(chǎn)生的不利因素。

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