生物炭對作物的生長效應(yīng)及機(jī)理研究進(jìn)展

摘 要：不同生物質(zhì)類型和炭化條件所制備的生物炭，理化性質(zhì)的不同產(chǎn)生了不同的農(nóng)業(yè)應(yīng)用效果。已有的研究結(jié)果表明，生物炭對作物生長的影響變異較大，既有促進(jìn)作用，亦有抑制作用或沒有作用，這不僅與生物炭能提升土壤肥力、保持土壤容量、轉(zhuǎn)變微生物群落等有關(guān)，也可能是其本身含有的揮發(fā)性物質(zhì)對作物生長產(chǎn)生的直接效應(yīng)。本文綜述了生物炭對作物的生長效應(yīng)及可能的機(jī)理研究進(jìn)展，為生物炭的科學(xué)制備標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)，同時(shí)也利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上更好地利用生物炭促進(jìn)作物生長。

關(guān)鍵詞：生物炭；作物生長；效應(yīng)；機(jī)理

中圖分類號(hào)：S342.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733048

南美亞馬遜盆地黑土（Terra Preta）的發(fā)現(xiàn)及研究因其固碳作用而引起了人們的重視，生物炭可作為土壤改良劑提升土壤肥力，促進(jìn)作物生長，減少溫室氣體排放等。國外研究者在生物炭理化特征、土壤肥力、作物效應(yīng)、固碳減排等方面開展了系統(tǒng)的研究，也取得了一定的進(jìn)展。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物炭資源豐富，生物炭農(nóng)用雖早有報(bào)道，但作用機(jī)理不清，已有報(bào)道的農(nóng)用效應(yīng)也存在分歧。鑒于此，本文綜述了生物炭對作物的生長效應(yīng)及機(jī)理研究進(jìn)展，為生物炭的科學(xué)制備標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)，更好的地加以利用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，固碳減排。

1 生物炭

生物炭是生物質(zhì)在無氧或低氧環(huán)境條件下緩慢高溫分解得到的富含碳的有機(jī)物質(zhì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)資源均可以用來制備生物炭，如木質(zhì)、秸稈、禽畜糞便及其他廢料。C、H、O、N是其主要組成元素，多以高分子、高密度碳水化合物形態(tài)存在，能與Ca、Mg等礦物質(zhì)形成無機(jī)碳酸鹽[1]。生物炭的碳含量達(dá)40%～75%，且多以穩(wěn)定芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積狀態(tài)，其次含少量礦物質(zhì)和揮發(fā)有機(jī)化合物，呈堿性，不易被微生物分解。生物炭為典型的非石墨化碳結(jié)構(gòu)，多孔性、高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)。生物炭因其制備的生物質(zhì)來源和炭化條件不同，所制備的生物炭的理化性質(zhì)差異很大，因而產(chǎn)生不同的作物效應(yīng)。

2 生物炭應(yīng)用下的土壤肥力

生物炭因其本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)通過調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱等環(huán)節(jié)間接提高土壤肥力和生產(chǎn)力，可從土壤pH、電導(dǎo)率EC、陽離子交換量CEC和養(yǎng)分水平上體現(xiàn)。酸性土壤上施用生物炭，其含有的鹽基離子，如Ca、Mg、K、Na可以交換降低H離子及交換性Ag離子，從而提高土壤pH值。生物炭在環(huán)境作用下可氧化，能產(chǎn)生諸如羧基等類的官能團(tuán)，顯著增大土壤CEC，提高土壤吸持和供給可交換養(yǎng)分的能力。生物炭的多孔性和高比表面積能吸附更多的養(yǎng)分離子，增加對養(yǎng)分離子的固持，減少滲漏和地表徑流引起的損失。此外，向土壤中添加生物炭還可以顯著提高大豆的固氮能力，在提升土壤肥力的同時(shí)增加對環(huán)境N的利用。

3 生物炭施用的作物效應(yīng)

生物炭添加的作物效應(yīng)隨生態(tài)系統(tǒng)變異較大，既有促進(jìn)作用，亦有抑制作用或沒有影響[2]。但是，已有報(bào)道指出，生物炭對多數(shù)作物生長和產(chǎn)量有促進(jìn)作用，如水稻、小麥、玉米、番茄、蘿卜等。巴西亞馬遜河流域氧化土上施入生物炭（11thm-2），經(jīng)過2a4個(gè)生長季后發(fā)現(xiàn)，水稻和高梁的產(chǎn)量增加了約75%。哥倫比亞熱帶草原氧化土連續(xù)4a的生物炭施用（20thm-2）后玉米產(chǎn)量提高了140%。在熱帶與亞熱帶地區(qū)土壤中施入生物炭除了可使高粱、大豆、玉米等作物增產(chǎn)外，還可顯著增加植株中的Mg、Ca含量，減少向土壤的流失。在我國南方的紅壤上施用生物炭，可使土壤pH提高0.1～0.46、CEC提高3.9%～17.3%、玉米生物量提高64%。在低肥力的土壤上，生物炭能顯著提高黑麥草的產(chǎn)量，增加幅度隨生物炭施用量的增加而增大；而在高肥力的土壤上，生物炭對黑麥草產(chǎn)量的影響不顯著，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到一定程度時(shí)甚至對黑麥草的生長產(chǎn)生了輕微的抑制作用。同樣在肥沃的Anthraquic Gleysols和較為肥沃的Humic Nitisols施用生物炭并沒有出現(xiàn)增產(chǎn)效果，甚至在Humic Nitisols上還出現(xiàn)減產(chǎn)情況。

生物炭與有機(jī)肥料或無機(jī)肥料配合施用的促進(jìn)效果更佳，配合施用能夠增加玉米和花生的產(chǎn)量，使水稻產(chǎn)量提高8.8%～12.1%，玉米生物量提高146%。然而，生物炭對作物生長也存在抑制作用或沒有影響，尤其在生長初期，生物炭在一定程度上抑制玉米的生長。

4 生物炭對作物生長效應(yīng)的可能機(jī)理

生物炭對作物生長的雙面性的研究主要從生物炭提升土壤肥力、提高土壤離子交換能力、改變微生物群落等土壤的間接作用進(jìn)行闡述。間接作用是由生物炭施用誘導(dǎo)的土壤養(yǎng)分條件的變化引起的，在一定程度上與施用的土壤肥力狀況和土壤類型有很大關(guān)系。如在堿性鈣質(zhì)土壤上施用造紙廢物高溫?zé)峤獾纳锾亢螅←満吞}卜的干生質(zhì)量減產(chǎn)，而在酸性鐵質(zhì)土壤上施入該生物炭后，小麥和蘿卜的干質(zhì)量顯著增加。但是除了生物炭與土壤的間接作用以外，還可能存在生物炭不通過土壤介質(zhì)，而是直接作用于作物的直接效應(yīng)。而這種直接作用效應(yīng)，在過去一直沒有得到足夠的重視。一般生物炭用量較低時(shí)提高作物生物量，用量較高時(shí)降低作物生物量，這個(gè)劑量效應(yīng)可能與生物炭的揮發(fā)性物質(zhì)含量有關(guān)。揮發(fā)性物質(zhì)是生物質(zhì)裂解過程中生成的，通常是酚、醛、醇、烯等多種物質(zhì)的混合體。不同的生物質(zhì)、不同的裂解條件得到的生物炭含有的揮發(fā)性物質(zhì)的組分相差很大，因此，揮發(fā)性物質(zhì)可能是生物炭影響作物生長的一個(gè)重要因素。

Peng等人利用水稻秸稈高溫?zé)峤庵苽涞纳锾渴┯糜谀戏郊t壤上，使玉米生物量增加了64%。張晗之等人采用小麥秸稈高溫?zé)峤庵苽涞纳锾渴┯糜趤啛釒駶櫟貐^(qū)的水稻土上，生物炭對苗期玉米的株高有顯著的抑制作用，同樣條件制備的生物炭應(yīng)用于微區(qū)試驗(yàn)也沒有顯著提高水稻的產(chǎn)量。同是作物秸稈制備的生物炭，對玉米的生長效應(yīng)卻是相反的，仔細(xì)比較分析發(fā)現(xiàn)所獲得的生物炭C：N比相差較大，前者的C：N較小，后者的C：N較大，生物炭的C：N與作物本身對C、N的需求是相對應(yīng)的。如在無土培養(yǎng)體系下施用生物炭，番茄的株高和葉面積增加了，但花和產(chǎn)量沒有變化，而辣椒的生長和產(chǎn)量顯著增加。因此，生物炭的C：N可能是生物炭影響作物生長效應(yīng)的另一個(gè)重要因素。

5 展望

生物炭對作物生長效應(yīng)存在的差異原因和機(jī)理需要進(jìn)一步的探索。生物質(zhì)材料來源不同及生產(chǎn)工藝缺乏系統(tǒng)界定，導(dǎo)致生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有確切的定義和標(biāo)準(zhǔn)，今后應(yīng)加強(qiáng)對生物炭基本化學(xué)性質(zhì)的研究，制定生物炭的定義和標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉玉學(xué)，劉微.土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（04）：977-982.

[2]謝祖彬，劉琦.生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J].土壤，2011， 43（6）：857-861.

作者簡介：楊勇（1979-），男，安徽巢湖人，農(nóng)藝師，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)資源開發(fā)與利用。