生物質(zhì)炭對植煙土壤改良效果研究進展

黃海濤　鄧建功　簡鎮(zhèn)

摘要 植煙土壤環(huán)境惡化是導致煙葉品質(zhì)下降的一個主要原因，植煙土壤改良刻不容緩。生物質(zhì)炭不僅屬于有機碳，自身更具有獨特的理化特性。本文綜述了不同制備工藝及原材料對生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響，闡明了生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)、土壤肥力、微生物群落及酶活性的影響，以期為植煙土壤改良中生物質(zhì)炭的推廣應用提供參考。

關鍵詞 生物質(zhì)炭;植煙土壤改良;土壤肥力;微生物

中圖分類號 S156

文獻標識碼 A

文章編號 1007-5739（2019）08-0207-03

土壤是煙草生長的重要媒介及養(yǎng)分來源，優(yōu)良的土壤環(huán)境是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的關鍵"。由于施肥模式、種植方式不合理，導致植煙土壤板結(jié)、養(yǎng)分流失、酸化、連作障礙等一系列問題12-1。土壤環(huán)境惡化是煙葉品質(zhì)下降的一個關鍵因素15-6，植煙土壤改良刻不容緩。近年來，生物質(zhì)炭引起了科研工作者的密切關注，生物質(zhì)炭本身屬有機碳，而且具有區(qū)別于有機碳組分的物理、化學和生物學性質(zhì)7-8），在土壤改良方面具有廣闊的應用前景。生物質(zhì)炭在土壤改良方面已取得較好的效果，但針對植煙土壤改良的相關研究較少，對生物質(zhì)炭在植煙土壤中的改良效果、機理及關鍵影響因素缺乏認識。基于此，本文綜述了不同來源及制備工藝的生物質(zhì)炭性質(zhì)特征，闡明生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)肥力、微生物及酶活的影響，旨在為生物質(zhì)炭在植煙土壤應用改良方面提供參考。

1生物質(zhì)炭

1.1生物質(zhì)炭來源及制備工藝

生物質(zhì)炭研究的序幕來源于亞馬遜黑土的發(fā)現(xiàn)，在南美洲亞馬遜流域，當?shù)鼐用駥⒂袡C廢棄物（如食物、骨頭等）燃燒后施人土壤、經(jīng)長年累積形成的人為土，其肥力水平顯著高于附近其他土壤910生物質(zhì)炭，是指生物質(zhì)在低氧或者無氧條件下經(jīng)由高溫裂解碳化后含碳豐富的固體產(chǎn)物，原料來源廣泛。目前，已有報道生物質(zhì)炭來源包括秸稈（玉米、烤煙、小麥等）、樹木（桑樹枝條）、果殼等，生物質(zhì)炭的制備溫度在200～700C范圍內(nèi)，不同來源及制備溫度的生物質(zhì)炭性質(zhì)有所差異。

1.2不同制備工藝及來源生物質(zhì)炭性質(zhì)

不同制備工藝生產(chǎn)的生物質(zhì)炭理化性質(zhì)存在差異。王成己等呵以煙桿為原料，研究炭化溫度、時間對煙稈生物質(zhì)炭特征的影響，結(jié)果表明，煙桿生物質(zhì)炭pH值、有機碳含量、全鉀含量以及C/N隨炭化溫度升高和炭化時間延長而升高，但產(chǎn)出率、全氮含量表現(xiàn)為下降趨勢。炭化條件對烤煙秸稈生物質(zhì)炭性質(zhì)影響明顯，其中炭化溫度影響大于炭化時間。

研究表明，烤煙秸稈炭化產(chǎn)率與溫度成反比，低溫炭化條件下，烤煙秸稈炭碳含量變化較小、碳酸根及無機碳含量低、pH值呈弱酸性。隨著炭化溫度的升高，烤煙秸稈炭碳含量下降、碳酸根及無機碳含量于400C時明顯增加、pH值于300～800C時逐漸升高呈堿性、陽離子交換量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（400C時達最高值）、表面堿性官能團增加而酸性官能團減少?？緹熃斩捥炕瘻囟纫?00～500C為宜叨。楊興等18研究指出，450C制備的烤煙秸稈生物質(zhì)炭對農(nóng)業(yè)生物及生態(tài)環(huán)境的預期效果相對較好，其中比表面積、pH值在450C條件下達最高值（分別為8.86m/g9.98）。煙稈生物質(zhì)炭的元素含量（O、H）、元素比（H/C0/C、0/C+N/C）隨炭化溫度升高而降低，但K、Al、Ca等元素含量較高。低溫生物質(zhì)炭含有較高的水溶性成分，隨著炭化溫度的提高，烤煙秸稈生物質(zhì)炭表面的含氧官能團整體極性減少，電導率、比表面積、表面晶體含量、穩(wěn)定性和芳香性有所增加。

不同來源生物質(zhì)炭的性質(zhì)及對土壤改良效果有所不同。研究表明，纖維素類生物質(zhì)炭對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的改良效果優(yōu)于木質(zhì)素，這可能是由于木質(zhì)素比纖維素結(jié)構(gòu)更加復雜，在炭化處理后木質(zhì)素類生物質(zhì)炭穩(wěn)定性仍然較高，難以被微生物利用，從而不利于團聚體的形成叩。通過比較相似制作工藝條件下各生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，pH值、全量養(yǎng)分（全碳、全氮、全磷、全鉀）及C/N波動性較大，即使是同一類物質(zhì)制作的生物質(zhì)炭理化性質(zhì)也不盡相同1-3），說明原料也是影響生物質(zhì)炭性質(zhì)的關鍵因素之一。

2生物質(zhì)炭對煙田土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比面積較大，能夠明顯改善土壤通氣性和保水性，為微生物提供良好的生存環(huán)境。連續(xù)施用生物質(zhì)炭，土壤含水量、孔隙度、液相比有所升高，容重下降，對于提高砂質(zhì)植煙土壤保水能力尤為顯著。生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團（羧基、羥基等），呈堿性，能夠緩解土壤酸化現(xiàn)象14-25。研究表明，煙桿生物質(zhì)炭可提高植煙土壤pH值，其中酸性土壤提高比較明顯，并且提高幅度與生物質(zhì)炭用量成正相關啊。添加生物質(zhì)炭還能促進土壤大團聚體（0.25～1.00mm）的形成，改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)，其中煙桿炭的改良效果優(yōu)于桑條炭叨。

3生物質(zhì)炭對煙田土壤肥力的影響

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)經(jīng)高溫熱解后的產(chǎn)物，主要為有機碳組分，同時也含有豐富的大量元素和中、微量元素叫。對于全量養(yǎng)分來說，生物質(zhì)炭有利于促進植煙土壤有機碳、全氮和全鉀的提高，全磷含量變化不大。

添加生物質(zhì)炭對土壤有效養(yǎng)分的影響有所差異。生物質(zhì)炭添加導致土壤堿解氮含量有所降低，速效鉀含量顯著提高，速效磷變化較小30。管恩娜阿也指出，生物質(zhì)炭可提高土壤硝態(tài)氮有效磷和速效鉀含量，使銨態(tài)氮含量有所降低，其中生物質(zhì)炭高施入量的效果尤其明顯。但也有研究表明，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量隨著生物質(zhì)炭用量增加呈先增加后降低的趨勢叫，這可能與生物質(zhì)炭的吸附特性有關。研究表明，盡管添加生物質(zhì)炭可提高土壤有機碳水平，但降低可溶性有機碳含量，這與生物質(zhì)炭較強的吸附能力有關。生物質(zhì)炭可吸附無機氮及磷組分，降低土壤氮素的淋溶及徑流損失3。

研究表明，相同施氮量條件下，施用生物質(zhì)炭明顯提高植煙土壤銨態(tài)氮硝態(tài)氮及堿解氮含量，在烤煙移栽75d后3種組分比對照處理分別提高17.3%.8.0%、7.2%，可見生物質(zhì)炭與氮肥配施對于土壤氮素固持具有重要意義。生物質(zhì)炭對土壤銨態(tài)氮的影響受生物質(zhì)炭制備方法、土壤類型共同影響。研究指出，在砂土中施用低溫炭可以增加銨態(tài)氮含量，施用高溫炭則表現(xiàn)為相反趨勢。在壤土中低溫炭和高溫炭均使0～10cm土層銨態(tài)氮含量減少，而20～30cm土層銨態(tài)氮含量呈增加趨勢4351。

4生物質(zhì)炭對微生物群落及酶活性的影響

生物質(zhì)炭和氮素配施可以提高植煙土壤微生物量碳、氮含量。王歡歡等阿研究指出，在煙草生長的關鍵時期，生物質(zhì)炭和氮肥配施處理土壤微生物量碳含量提高幅度為0.58～0.69倍，微生物量氮提高幅度為2.01～2.79倍，土壤微生物C/N有所降低，其中生物質(zhì)炭1200kg/hm？和氮肥5.5kg/hm2配施對土壤碳氮比降低效果比較明顯。施用生物質(zhì)炭在短時期內(nèi)土壤微生物量碳增加，隨著培養(yǎng)時間延長，微生物量碳逐漸減少37。

生物質(zhì)炭添加影響土壤微生物群落組成。添加烤煙秸稈生物質(zhì)炭后，煙草根際土壤微生物種類（OTU數(shù)）提高了26.4%，其中變形菌門在優(yōu)勢菌種中占比最大，部分有利于煙草生長的促生菌呈增長趨勢。研究表明，施生物質(zhì)炭3t/hm2能夠顯著減少煙草青枯病發(fā)病，其中青枯菌屬的豐度降低了94.5%，同時植煙土壤擬桿菌增加，而酸桿菌有所減少381。植煙土壤微生物組成主要為變形菌門、放線菌酸桿菌，其中變形菌占細菌群落的50%以上。施入水稻秸稈生物質(zhì)炭后，放線菌比例降低，變形菌和酸桿菌比例隨隨生物質(zhì)炭施用量增加而增加。植煙土壤真菌主要為子囊菌門，其比例隨生物質(zhì)炭增加而降低，但接合菌和擔子菌類真菌比例隨生物質(zhì)炭施人量成正比啊。生物質(zhì)炭添加后，土壤真菌、放線菌和細菌數(shù)量均顯著增加口，其中均以4%的煙桿炭和桑條炭微生物群落最為豐富20。

土壤酶活性是衡量土壤健康情況的主要指標之一，不同類型酶對生物質(zhì)炭的響應不同。研究表明，烤煙移栽后80d內(nèi)，根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性受抑制，該抑制作用隨時間延長逐漸減小。而添加生物質(zhì)炭可以提高烤煙生育后期過氧化氫酶活性，其活性隨生物質(zhì)炭添加比例增加而提高。陳沖等14指出，在常規(guī)施肥的基礎上配施生物質(zhì)炭，植煙土壤過氧化酶、蔗糖酶和脲酶活性均明顯提高。生物質(zhì)炭施用量也會影響土壤酶活性大小，研究發(fā)現(xiàn)，當生物質(zhì)炭施用量為30t/hm2，土壤脫氫酶、蛋白酶和堿性磷酸酶活性顯著提高;而施用量為45t/hm，這些酶活性表現(xiàn)為下降趨勢。

5展望

生物質(zhì)炭在土壤改良方面（包括土壤理化環(huán)境、土壤肥力、微生物群落及酶活性）展示出良好的應用前景，但目前生物質(zhì)炭大規(guī)模推廣應用還存在一定局限性。首先，生物質(zhì)炭生產(chǎn)需經(jīng)原料前處理、炭化及運輸?shù)冗^程，要考慮生產(chǎn)和運輸成本，，其次，已有關于生物質(zhì)炭改良效果的研究較多，但仍有一些關鍵問題還未解決，比如不同材料制備的生物質(zhì)炭性質(zhì)波動性較大的關鍵原因、大田條件下生物質(zhì)炭與其他肥料合適配施比例及施入量、不同土壤環(huán)境下生物質(zhì)炭對土壤微生物組成及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的相互關系等方面缺乏深人了解?；诖?，針對當前植煙土壤生物質(zhì)炭改良現(xiàn)狀，未來可深入研究原材料性質(zhì)差異對生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響，闡明添加不同比例、數(shù)量的生物質(zhì)炭后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化及有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化機制，為生物質(zhì)大規(guī)模推廣應用提供依據(jù)。

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