生物炭對(duì)酸性土壤改良的研究進(jìn)展

郜禮陽(yáng)，林威鵬，張風(fēng)姬，周巧儀，劉淑媚，熊 蔓，凌彩金

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/廣東省茶樹(shù)種質(zhì)資源創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.英德市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 英德 513049；3.東莞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，廣東 東莞 523086）

土壤酸化是指在自然因素和人為因素共同作用下土壤 pH值（≤5.5）下降的過(guò)程［1］。土壤酸化伴生于自然成土過(guò)程且進(jìn)程極其漫長(zhǎng)，但近些年來(lái)，受高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響，土壤酸化過(guò)程大大加速［1-3］。有報(bào)道指出，酸性土壤面積約占全球潛在耕地面積的40.0%～50.0%，占地球面積的30.0%，大多分布于熱帶亞熱帶地區(qū)［2-3］。我國(guó)酸化土壤主要分布在長(zhǎng)江以南地區(qū)，其面積約占全國(guó)土壤面積的22.7%，pH在4.5～5.5之間，一些地區(qū)甚至低于4.5［4］。張福鎖院士團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)80年代到本世紀(jì)初，我國(guó)農(nóng)田土壤pH下降0.5個(gè)單位，未來(lái)土地利用趨向集約化且糧食需求量有所增大，土壤酸化程度或?qū)⒗^續(xù)增加［5］。

土壤酸化將引起產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量安全與健康問(wèn)題，如養(yǎng)分流失、肥力下降、土壤生物活性降低、作物減產(chǎn)、重金屬活化增加潛在風(fēng)險(xiǎn)等。首先，土壤酸化使H+濃度升高，導(dǎo)致凈負(fù)電荷量減少，K+、Ca2+、Mg2+等鹽基性養(yǎng)分陽(yáng)離子因缺少結(jié)合位點(diǎn)而大量淋失，最終土壤鹽基飽和度下降，有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素含量急劇減少，土壤肥力下降［6］。其次，酸性土壤中Ca、P等大量元素和Mo、B等微量元素有效性降低，不僅嚴(yán)重影響作物吸收［7］，更加速礦物的風(fēng)化，導(dǎo)致土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）減小，對(duì)鹽基陽(yáng)離子和NH4+的吸持能力減弱，土壤保肥能力降低［8］。然后，隨著pH值降低，微生物種類、活性及分布也遭受影響，嚴(yán)重阻礙土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、無(wú)機(jī)物的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響植物吸收利用［9-10］。再者，土壤酶活性隨土壤酸化程度降低而降低，且pH越低對(duì)酶活性的抑制作用越強(qiáng)［11］。還有研究表明，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致水稻［12］、玉米［13］、葡萄［14］、番茄［15］、黑麥草［16］、煙草［17］等作物大幅減產(chǎn)。最后，伴隨酸度增強(qiáng)土壤重金屬元素的溶解度、遷移性及生物有效性大幅增加（如Al毒、Mn毒等），對(duì)產(chǎn)地環(huán)境、作物及其產(chǎn)品的質(zhì)量安全產(chǎn)生負(fù)面影響，最終對(duì)人類的健康甚至生命構(gòu)成威脅。

目前，針對(duì)酸性土壤改良的主要技術(shù)包括施用石灰、土壤調(diào)劑，堿性肥料、有機(jī)肥和生物炭等［4］。其中，生物炭因原料來(lái)源廣泛、理化特性突出作為一種新興土壤改良劑備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

1 生物炭材料及其特性

生物炭是不同來(lái)源有機(jī)物質(zhì)（如作物秸稈、生活污泥和動(dòng)物糞便等）在限氧條件下通過(guò)較低溫度（≤700 ℃）熱裂解產(chǎn)生的一類含碳、穩(wěn)定、高度芳構(gòu)化的碳質(zhì)材料［18-19］。生物炭原料的獲得性極強(qiáng)且成本低廉，這也是生物炭較為突出的優(yōu)勢(shì)之一。常用的原材料有農(nóng)林廢棄物，如小麥秸稈［11,16-17］、竹子［12］、木屑［15］、水稻秸稈［18］、桉樹(shù)樹(shù)葉［19］等；畜牧業(yè)廢棄物，如牛糞［20］、雞糞［21］、墊料［22］等；生活廢棄物，如廚余垃圾［23］、庭院廢棄物［23］、生活污水污泥［18］等；草本植物，如鹽生草［24］、美人蕉［25］等。上述這些原料中，植物類秸稈最為常見(jiàn)。生物炭的制備工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，當(dāng)前“限氧熱解炭化法”較為常用，其他的還有氣化熱解法、水熱炭化法、微波熱解法等［23］。生物炭制備過(guò)程中除了產(chǎn)生固體物質(zhì)生物炭外，還有氣體和液體物質(zhì)伴生，如裂解氣（H2、CO、CH4）、焦油和木醋液等［26］，這些副產(chǎn)物大多用于替代能源、化工原料等方面。生物炭的應(yīng)用主要集中于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，生物炭及炭基肥料主要用于耕作障礙土壤的修復(fù)與改良，如重金屬污染土壤修復(fù)、酸化土壤改良、貧瘠土壤肥力提升等；工業(yè)領(lǐng)域，生物炭主要用于工業(yè)能源供應(yīng)、功能材料的開(kāi)發(fā)、水體重金屬污染修復(fù)等［27］。

生物炭的理化特性（表1）使其在農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等領(lǐng)域備受關(guān)注。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，比表面積普遍較大，每克生物炭的比表面積從幾平方米到幾十平方米不等［18,20,24］，為其吸附功能提供了更多的點(diǎn)位；自然狀態(tài)下生物炭呈現(xiàn)堿性且pH值較高［18,21,24-25］，可作為酸性土壤改良劑；其元素組成也相對(duì)較為豐富，主要包括C、H、O等大量元素及N、P、K等重要的養(yǎng)分元素［20-21］，可實(shí)現(xiàn)C的固定和養(yǎng)分的循環(huán)與補(bǔ)充。此外，生物炭表面還含有種類多樣的基團(tuán)，主要是羥基（-OH）、羧基（-COOH）、內(nèi)酯基（-COOR）等含氧官能團(tuán)，它們?cè)谖竭^(guò)程中同樣發(fā)揮著不可替代的作用［28］。

表1 生物炭主要理化特性Table 1 Main physical and chemical properties of biochar

2 生物炭對(duì)酸性土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 團(tuán)聚體

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的必需條件之一，團(tuán)聚體的大小、分布和穩(wěn)定性決定著土壤養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)與利用效率［29］。

生物炭的疏松多孔及表面積巨大等特性，能有效吸附土壤膠體，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。豐富的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)使土壤中固液氣三相協(xié)調(diào)穩(wěn)定，因而土壤可耕性良好、板結(jié)度降低，有利于作物根系生長(zhǎng)，有利于農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)［16］，酸性土壤施用生物炭后，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體比對(duì)照增加了15.0%～37.0%，達(dá)到顯著水平。李江舟等［30］進(jìn)行了3年大田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果表明，生物炭施入酸性土壤后，＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量比對(duì)照增加57.8%～77.8%，生物炭連續(xù)施用可大幅提高耕作層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且提升效果與用量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系。然而，有些學(xué)者的研究結(jié)果并不支持上述結(jié)論，比如，葉麗麗等［31］的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭不僅不能提升紅壤中團(tuán)聚體含量，甚至還造成團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降，進(jìn)而導(dǎo)致土壤粘結(jié)力減弱，水土流失風(fēng)險(xiǎn)升高；Peng等［32］的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭使團(tuán)聚體穩(wěn)定性有所下降（1.0%～17.0%）。另有學(xué)者［29］發(fā)現(xiàn)，施用生物炭雖然提高了團(tuán)聚體的含量，但對(duì)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性無(wú)顯著影響，還有的研究結(jié)果［30］顯示，生物炭對(duì)酸性土壤0.053～0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚含量無(wú)顯著影響，且這一效應(yīng)與用量大小無(wú)關(guān)，但＜0.053 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量下降28.6%～39.5%。由此可見(jiàn)，生物炭對(duì)團(tuán)聚體的影響是多因素、多方面共同作用所致。生物炭可以增強(qiáng)土壤生物的活性，促使其產(chǎn)生更多團(tuán)聚體形成所需的膠結(jié)物質(zhì)，從而提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但不易分解且分解過(guò)程不產(chǎn)生促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定物質(zhì)，可能不利于團(tuán)聚體的形成與水穩(wěn)定性，還可能與酸性土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、土壤環(huán)境等相關(guān)。

2.2 容重

容重是表征土壤熟化程度的重要指標(biāo)，熟化程度較高則容重較小。一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)質(zhì)含量較高且容重較低的土壤有利于土壤養(yǎng)分持留和緩釋，有利于土壤板結(jié)度降低并促進(jìn)作物種子萌發(fā)［33］。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠降低土壤容重，改善土壤總孔隙度，增加毛管孔隙度，提高土壤水分涵養(yǎng)能力，且效果優(yōu)于秸稈還田和農(nóng)家有機(jī)肥［34］。也有學(xué)者報(bào)道，生物炭的施用不僅能顯著降低土壤容重、提高土壤熟化程度，還可以增加土壤肥力、促進(jìn)作物健康生長(zhǎng)［33］。還有一些類似的研究結(jié)果，如閻海濤等［35］在植煙的弱酸性土壤進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明容重隨生物炭添加量增大而逐漸減小，最高可降低12.7%且達(dá)到顯著水平；熊薈菁等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄園的酸性土壤中施用生物炭后，土壤的孔隙比增加、透氣性增強(qiáng)、容重顯著下降9.4%；黃超等［16］也發(fā)現(xiàn)生物炭施入酸性土壤后，其容重顯著降低（6.2%～11.7%）。綜上表明，酸性土壤容重降低可能與生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大且質(zhì)量遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤有關(guān)。

2.3 水分持留

水分持留反映土壤水分含量及其有效性，是衡量土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一。有研究表明，生物炭具有很強(qiáng)的持水能力，可以增強(qiáng)水分的滲透性，提高土壤水分和養(yǎng)分含量［32,36］。黃超等［16］發(fā)現(xiàn)，酸性土壤施入不同用量的生物炭，田間持水量可增加7.5%～9.6%，且這一數(shù)值與生物炭施用量在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)正比關(guān)系。施用生物炭的酸性土壤含水率顯著升高（7.4%～18.0%），當(dāng)生物炭施用量為40.0 t/hm2時(shí)，達(dá)到峰值18.0%［35］。另外，熊薈菁等［14］將生物炭施入酸性葡萄園土壤，發(fā)現(xiàn)土壤的儲(chǔ)水能力顯著增強(qiáng)，其含水量提高了35.4%。然而，潘全良等［34］的干旱模擬試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，與生物炭相比，豬廄肥更能提高土壤保水能力，其含水量比生物炭高6.0%。

上述結(jié)果出現(xiàn)的原因可能有，生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大吸附能力，使得土壤中的水分、礦質(zhì)離子和有機(jī)粒子等被牢牢地吸附在點(diǎn)位上，水分得以儲(chǔ)存，養(yǎng)分得到更高效利用；然而，不同物質(zhì)之間吸水性能存在較大差異，生物炭大多含有疏水基團(tuán)，而豬廄肥等農(nóng)家肥本身吸水性較強(qiáng)，并且生物炭加深了土壤顏色吸熱更多，也可能導(dǎo)致水分含量略低于農(nóng)家肥。

2.4 有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源之一，它可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育、改善土壤物理性質(zhì)、促進(jìn)土壤生物活動(dòng)以及提高土壤的保肥性和緩沖性。

生物炭施用顯著改變酸性紅壤的有機(jī)質(zhì)組成，隨著用量的增加，腐殖酸比例雖有所下降，但胡敏素等有機(jī)物質(zhì)顯著增加［16］。有研究表明，施加生物炭可以大幅提升酸性土壤有機(jī)質(zhì)含量，與對(duì)照相比，添加生物炭的處理中有機(jī)碳含量顯著提高了45.6%［29］；也有研究發(fā)現(xiàn)隨著施用年限累積和施用量的增加，酸性紅壤耕作層中有機(jī)碳含量逐年增加（38.7%～60.1%）［30］。熊薈菁等［14］將生物炭連續(xù)施入酸性葡萄園中，與常規(guī)施肥相比，第二年和第三年土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高52.0%和94.3%，且均達(dá)到極顯著水平。張阿鳳等［17］研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中施用1.0%～3.0%的生物炭，土壤有機(jī)碳含量顯著提高了381.0%～302.3%，但提升效果與用量之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。有研究認(rèn)為，生物炭主要通過(guò)促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解與釋放，提高土壤微生物的活性進(jìn)而促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的分解，最終提升土壤有機(jī)質(zhì)含量［42］。也有學(xué)者［43］報(bào)道稱生物炭表面的芳香結(jié)構(gòu)在酸性土壤中鈍化生成的保護(hù)基質(zhì)提升了有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，確保有機(jī)質(zhì)不易被分解，間接提高其在土壤中的含量。

2.5 重金屬

土壤常見(jiàn)重金屬包括Pb、Cu、Cd、Cr等，可導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)不良、根系和葉片等出現(xiàn)病變，引起動(dòng)物呼吸系統(tǒng)紊亂、免疫力降低、各器官疾病等。為此，眾多學(xué)者針對(duì)酸性土壤重金屬污染開(kāi)展了大量研究。其中，Chintala等［37］通過(guò)土培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭可不同程度地降低酸性土壤中重金屬的含量。楊蘭等［38］研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)土壤中有效態(tài)Cd含量的降低作用明顯（37.2%），堿改性生物炭更是達(dá)到58.8%的降低比例。Herath等［15］利用MgCl2萃取土壤重金屬的方法，發(fā)現(xiàn)酸性土壤中可交換態(tài)重金屬濃度隨生物炭用量增加而顯著降低，其中重金屬Cr含量下降幅度最大（95.0%～99.0%），幾乎喪失生物可利用性，完全被固定在土壤中。還有部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)［15］，添加生物炭的試驗(yàn)植物生長(zhǎng)率顯著高于對(duì)照組，表明生物炭可以固定土壤重金屬，顯著降低其生物可利用性，保障植物的正常生長(zhǎng)。

生物炭較強(qiáng)的堿性可以提高土壤pH，促使土壤中的重金屬形成固結(jié)物或凝結(jié)成礦物，即土壤重金屬離子由可交換態(tài)向更穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低其在土壤中的遷移性［39-40］。同時(shí)，生物炭中的含氧官能團(tuán)可與土壤中的重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)鈍化或固定重金屬，降低土壤重金屬的生物有效性和毒害作用；生物炭巨大的比表面積、疏松多孔的結(jié)構(gòu)和表面的負(fù)電荷可以直接吸附土壤中的重金屬，降低生物可利用態(tài)的重金屬含量［15,38］。

2.6 pH值

土壤pH值與土壤養(yǎng)分的有效性密切相關(guān)［17］。土壤pH值較低時(shí)，可能出現(xiàn)肥力減弱、質(zhì)量下降、作物無(wú)法正常生長(zhǎng)等現(xiàn)象，而生物炭大多呈現(xiàn)堿性且pH值較高。眾多學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭施用后，酸性土壤pH值呈不同程度的上升［32,35-36,41］，從零點(diǎn)幾到1個(gè)單位不等，有的pH甚至升高1.5個(gè)單位以上［38］，最高上升2.1個(gè)單位［15］。張阿鳳等［17］研究發(fā)現(xiàn)，在酸性植煙土壤中加入生物炭，其pH值上升0.5個(gè)單位，且差異顯著。同樣地，Chintala等［37］在酸性土壤中分別加入等量的3種植物源生物炭，結(jié)果顯示，土壤pH值均有不同程度的上升（0.2～0.9），Yuan等［39］利用多種植物秸稈生物炭進(jìn)行酸性土壤改良，豆類植物生物炭處理pH值顯著高于非豆類，非豆類植物秸稈生物炭也能提升酸性土壤pH（0.1～0.4），但豆類植物秸稈生物炭效果更為顯著（0.4～0.7）。

大量研究表明，生物炭影響酸性土壤pH值潛在機(jī)制可能有以下幾種：（1）生物炭大多自身含有較強(qiáng)的堿性物質(zhì)，進(jìn)入土壤后堿性物質(zhì)釋放，提高土壤pH值［39］；（2）生物炭進(jìn)入土壤后能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化，而氮的礦化過(guò)程會(huì)消耗質(zhì)子，因此土壤pH值得到提高［39］；（3）生物炭具有優(yōu)良的吸附性能，進(jìn)入土壤后能夠吸附土壤中的NH4+，進(jìn)而抑制硝化作用，而硝化作用會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子，因此生物炭間接提升土壤pH值［39］。（4）生物炭制備過(guò)程中形成的碳酸鹽（如MgCO3、CaCO3）和有機(jī)酸根（—COO—）施入酸性土壤后發(fā)生脫羧作用，或者生物炭表面的官能團(tuán)之間發(fā)生了配體交換，消耗了環(huán)境中的質(zhì)子，因而土壤pH值有所升高［15,37］。

2.7 養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，其含量直接影響作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量。Chintala等［37］發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中施用生物炭后，與對(duì)照相比，總氮含量急劇上升，其中柳枝生物炭更是達(dá)到32.0倍。張阿鳳等［17］在酸性土壤中施用不同比例的生物炭，結(jié)果與對(duì)照相比，全氮含量均顯著提升，最高提升41.7%，同時(shí)，施用最佳比例生物炭后，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮相比對(duì)照分別提高48.8%和90.5%。閻海濤等［35］發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中全氮含量與生物炭添加量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（24.7%～134.0%），全氮最高比對(duì)照提升2.3倍。熊薈菁等［14］研究表明，施用生物炭?jī)赡旰?，葡萄園酸性土壤中堿解氮的含量分別提高了1.4%和6.7%，且第3年已達(dá)到顯著水平。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭連續(xù)施用會(huì)導(dǎo)致耕作層土壤中的堿解氮含量略有下降，但不顯著［33］。

同時(shí)，生物炭施用能提高土壤中P素的含量、有效性以及植物的吸收利用效率。Chintala等［37］發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源生物炭施入酸性土壤后，其總磷含量均大幅提升，最大升幅為112.2%。張阿鳳等［17］發(fā)現(xiàn)，施用不同比例生物炭后，土壤速效磷含量顯著上升（148.6%～282.4%），其中施用比例為2.0%時(shí)增幅最大，達(dá)到282.4%。熊薈菁等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)施用生物炭后，酸性土壤中的速效P顯著提高了18.0%～21.8%。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加對(duì)酸性土壤速效磷含量并無(wú)顯著影響，且這種影響不隨添加量的改變而有所改變［35］。還有學(xué)者報(bào)道［41］，隨著生物炭的施入土壤有效P的含量略有下降，可能與生物炭提高土壤pH值有關(guān)。

此外，有研究者［32］表示，生物炭的施用可以增加植物對(duì)K的吸收并提高土壤重養(yǎng)分的利用效率。也有研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，酸性土壤速效K含量呈現(xiàn)不同程度升高，最高可增加9.7%，顯著改善土壤中的養(yǎng)分條件［35］。熊薈菁等［14］研究顯示，不同年份添加生物炭可以顯著提升酸性土壤速效K的含量（29.5%～31.0%）。張阿鳳等［17］的研究也得出類似結(jié)果，與對(duì)照相比，施用生物炭的酸性土壤中全鉀含量提高了114.0%。同時(shí)，根際土壤中速效鉀的含量也顯著增加，當(dāng)施用比例為3%時(shí)達(dá)到最高值474.8%。

生物炭提高土壤養(yǎng)分含量的原因可能是：（1）生物炭自身含有較高的速效養(yǎng)分，與土壤混合后看直接輸入到土壤中；（2）生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸持能力，減少了養(yǎng)分元素的淋溶，使得土壤養(yǎng)分被固定且具有緩釋作用；（3）生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供適宜的棲息環(huán)境，提高了土壤保肥性能；（4）生物炭通過(guò)提升土壤pH、CEC降低Fe、Al交換量來(lái)增強(qiáng)P素有效性；降低土壤養(yǎng)分含量的原因可能是：（1）生物炭施用過(guò)多造成土壤中碳氮比過(guò)大引發(fā)N素的固定；（2）生物炭中的揮發(fā)性物質(zhì)影響了土壤微生物等的活動(dòng)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量略有下降。

2.8 陽(yáng)離子交換量（CEC）

CEC值可以估算土壤吸收、保留和交換陽(yáng)離子的能力，是反映土壤保肥性能的重要指標(biāo)之一。CEC值增大可使土壤緩慢釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并使有機(jī)質(zhì)趨于穩(wěn)定，從而促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的充分吸收。

研究表明，生物炭因其巨大的比表面積顯著提升了土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附效果，從而增加耕作層土壤 CEC值［16,36,38］。有學(xué)者［16,36］在酸性土壤中施用生物炭，一段時(shí)間后取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤CEC值大幅提升（4.0%～21.3%），效果顯著。Chintala等［37］利用不同種類農(nóng)林廢棄物制備的生物炭改良酸性土壤，結(jié)果表明施入黃松木碎屑生物炭處理比對(duì)照CEC值顯著提高12.3%，玉米秸稈生物炭的改良效果更佳（32.2%）。Yuan等［39］研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用后酸性土壤CEC值顯著提升，尤其是可交換堿性陽(yáng)離子的飽和度，且豆類秸稈生物炭效果明顯優(yōu)于非豆類。還有學(xué)者［38］發(fā)現(xiàn)酸土壤中添加生物炭后，游離態(tài)的K+、Ca2+、Mg2+等交換性鹽基離子呈不同倍數(shù)增長(zhǎng)（1.4～2.0倍），且其增量與生物炭的施用量相關(guān)。關(guān)于生物炭對(duì)土壤CEC的作用機(jī)制主要有以下兩種觀點(diǎn)：（1）生物炭表面有很多負(fù)電荷及陰離子，施入后增強(qiáng)了土壤膠體對(duì)鹽基離子的吸附性，進(jìn)而提高酸性土壤CEC［37］；（2）生物炭表面的芳香族化合物氧化形成羧基官能團(tuán)的過(guò)程中，增加了對(duì)陽(yáng)離子的吸附值，提升了酸性土壤CEC［16］。

3 生物炭對(duì)酸性土壤生物活性的影響

3.1 對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的載體，在土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)碳礦化—固定過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。土壤微生物通過(guò)在植物根系周圍構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定的微生態(tài)環(huán)境，對(duì)植物根系的保護(hù)、病原菌和害蟲(chóng)侵害的減少、養(yǎng)分的供應(yīng)等均有積極影響。此外，土壤微生物還能敏銳地反映土壤微生態(tài)環(huán)境的變化。

生物炭因其特殊的理化性質(zhì)，在調(diào)控土壤微生物數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要作用。有學(xué)者［15］發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以提高土壤真菌的繁殖能力和活性，促進(jìn)細(xì)菌、真菌和放線菌等的生長(zhǎng)，并且顯著提高真菌和革蘭氏陰性菌生物量。閻海濤等［35］也發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，不僅使作物根部的真菌繁殖能力顯著增強(qiáng)，而且改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度，并且這種影響在真菌的門和屬水平上均有所體現(xiàn)。然而，Herath等［15］通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸性蛇紋石土壤中，細(xì)菌和真菌的數(shù)量隨生物炭添加量的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中，添加2.5%的生物炭時(shí)，土壤中微生物群落數(shù)量達(dá)到峰值。黃超等［16］研究表明，酸性土壤肥力水平直接影響生物炭的使用效果，肥力較低的酸性土壤中添加生物炭可顯著增加土壤微生物總量，且土壤微生物總量與生物炭添加量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，最大增幅達(dá)248.8%；肥力較高的酸性土壤則完全相反，土壤微生物總量隨生物炭添加量的增加而降低，最大降幅20.6%。另有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后，微生物生活動(dòng)收到不利影響［33］；還有一些報(bào)道認(rèn)為，過(guò)量添加生物炭可能導(dǎo)致土壤微生物總量大幅下降［15-16］。生物炭對(duì)土壤微生物的影響機(jī)制尚不明確，目前主要有以下觀點(diǎn)：（1）生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的吸附能力及豐富的養(yǎng)分元素，不僅為土壤微生物棲息提供良好的保護(hù)性空間與環(huán)境，還為其生長(zhǎng)繁育提供場(chǎng)所和養(yǎng)分，從而增加微生物整體數(shù)量及活性；（2）生物炭用量過(guò)高可能導(dǎo)致碳氮比升高引發(fā)N素固定，或者無(wú)機(jī)養(yǎng)分及有機(jī)小分子被生物炭吸附固定，微生物因缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成群落結(jié)構(gòu)改變及種群數(shù)量減少。

3.2 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶主要來(lái)自土壤微生物和植物根系，直接參與土壤中所有的生物化學(xué)過(guò)程（如有機(jī)物分解、養(yǎng)分循環(huán)等），其活性可以反映生化過(guò)程的活躍程度、微生物活性和養(yǎng)分循環(huán)狀況等，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。此外，土壤酶與土壤有機(jī)質(zhì)、N素和P素存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，可以揭示不同條件下的土壤肥力狀況。

有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的輸入能夠提高多種土壤酶的活性，如土壤脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、熒光素水解酶、酸性和堿性磷酸酶等，且酶活性與生物炭的用量呈正相關(guān)關(guān)系［44］。也有研究報(bào)道，生物炭的施用使葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶［45］、土壤反硝化酶和土壤脫氫酶［11］、土壤脲酶和蔗糖酶［17］的活力得以增強(qiáng)。張阿鳳等［17］研究表明，與對(duì)照相比，適量的生物炭處理可使根際土壤脲酶活性增強(qiáng)35.0%，土壤蔗糖酶活性顯著增強(qiáng)200.0%左右；但生物炭添加比例較高（0.5%～3.0%）時(shí)，土壤脫氫酶的活性下降，且活性隨用量增加呈現(xiàn)V字型下降，最大降幅達(dá)63.6%；Wu等［46］的研究也有類似發(fā)現(xiàn)。然而，黃劍［47］研究發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的活性隨生物炭用量增加而增強(qiáng)，但用量較高（4 500.0 kg/hm2）時(shí)，脲酶、葡糖苷酶和纖維雙糖苷酶活性卻被抑制。目前關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的作用機(jī)制研究較少，可能與生物質(zhì)炭自身性質(zhì)、施用量、供試土壤的理化性質(zhì)及目標(biāo)底物之間進(jìn)行的各種反應(yīng)等有關(guān)。

4 生物炭對(duì)酸性土壤作物的影響

在農(nóng)業(yè)方面，生物炭不僅可以用作土壤調(diào)理劑，還可以用作肥料。近年來(lái)，關(guān)于生物炭對(duì)作物影響的報(bào)道日益增多。生物炭具有獨(dú)特的理化性質(zhì)且影響土壤養(yǎng)分的含量及有效性，施入土壤后可顯著促進(jìn)種子萌發(fā)和植物根系生長(zhǎng)，進(jìn)而提升作物生產(chǎn)力、產(chǎn)量及品質(zhì)。

眾多學(xué)者開(kāi)展了生物炭對(duì)酸性土壤作物的影響研究，其中，Dong等［12］使用作物秸稈生物炭進(jìn)行還田試驗(yàn)，施用后的第1年水稻產(chǎn)量便增加了13.5%；也有學(xué)者［13］發(fā)現(xiàn)，施入生物炭20 000.0 kg/hm2，第2年玉米產(chǎn)量增加28.0%，第4年產(chǎn)量提高了140.0%。Peng等［32］的研究數(shù)據(jù)也支持上述結(jié)果，此外還發(fā)現(xiàn)生物炭與NPK配合施用，模式作物生物量可比對(duì)照增加9.4倍。熊薈菁等［14］將生物炭與常規(guī)肥料配施，結(jié)果相比常規(guī)施肥，葡萄產(chǎn)量顯著增加（11.7%～20.1%），總糖含量顯著提高（6.3%～10.3%），同時(shí)葡萄的總酸含量下降（6.3%～11.7%），糖酸比不同程度提升，葡萄原料的品質(zhì)得到提高，所釀制葡萄酒的口感較佳。Herath等［15］開(kāi)展番茄種植試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在酸性蛇形土壤中添加5.0%的生物炭，收獲時(shí)其生物量竟比對(duì)照提高了40倍。張阿鳳等［17］在酸性植煙土壤中施用3%生物炭，結(jié)果煙葉最大葉面積比對(duì)照增加了155.3%，煙草葉片數(shù)量增加了21.5%，地上部鮮重增加43.7%，干重增加44.2%。

然而，有研究表明生物炭用量及土壤肥力的差異也會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生較大影響，一般用量較少時(shí)可提高作物產(chǎn)量，用量較多時(shí)作物產(chǎn)量反而下降［16,36］。例如，生物炭能顯著提高低肥力土壤上黑麥草的產(chǎn)量且增幅隨用量增加而增大（7.0%～53.0%），而對(duì)高肥力土壤上黑麥草產(chǎn)量的影響不顯著，并且當(dāng)用量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，生物炭甚至抑制黑麥草的生長(zhǎng)進(jìn)而造成產(chǎn)量有所下降［16］。還有的報(bào)道顯示，無(wú)論有無(wú)外源N素添加，生物炭用量過(guò)大（100.0 t/hm2）時(shí)，都無(wú)法阻止作物產(chǎn)量下降，且下降幅度隨生物炭用量增加而有所增大［36］。

綜上所述，生物炭添加后作物增產(chǎn)的原因可能是：（1）生物炭施用提高土壤pH，減少Al毒侵害，增加了有效P、有效K等含量；（2）生物炭的巨大比表面積有效吸附土壤養(yǎng)分，且為微生物群落提供生存空間與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；（3）生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)增加了土壤的孔隙度和持水性，改善了植物根系的生長(zhǎng)環(huán)境；（4）生物炭的連續(xù)施用對(duì)于土壤中養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)與酶的活性等具有一定的正向累積效應(yīng)。減產(chǎn)原因：（1）酸性土壤自身肥力較高，生物炭的施用使得土壤的鹽分過(guò)高；（2）生物炭通常堿性較強(qiáng)，添加后土壤的pH值過(guò)高，降低了P與一些微量元素的有效性；（3）生物炭施入造成土壤中C/N升高，引發(fā)N素的固定，土壤中N素含量和有效性下降。

5 展望

前人的研究表明，生物炭作為一種新型土壤改良劑，在酸性土壤理化性質(zhì)改善、生物活性增強(qiáng)、作物產(chǎn)量與品質(zhì)提升等方面效果較佳。然而，生物炭由理論研究轉(zhuǎn)為應(yīng)用推廣，從科研實(shí)驗(yàn)走向?qū)嶋H生產(chǎn)，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的過(guò)程中仍然存在一些尚未解決的問(wèn)題。

（1）建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的生物炭評(píng)價(jià)體系，生物炭的原料廣泛多樣，方法不盡相同，成本差異顯著，潛在風(fēng)險(xiǎn)未知，應(yīng)用價(jià)值不明等，這些問(wèn)題均阻礙生物炭更深入的理論研究與應(yīng)用推廣。因此，需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系，規(guī)范從原料選取到實(shí)踐應(yīng)用的各環(huán)節(jié)技術(shù)參數(shù)，以期在實(shí)現(xiàn)廢棄物利用的同時(shí)創(chuàng)造更多更大的價(jià)值。

（2）開(kāi)展生物炭對(duì)酸性土壤大尺度、長(zhǎng)期影響研究，小尺度、短期的試驗(yàn)結(jié)果，大多呈現(xiàn)正面效應(yīng)，但生物炭pH值普遍較高，且內(nèi)含少量多種重金屬元素，大面積、長(zhǎng)期施用，可能產(chǎn)生重金屬累積、土壤過(guò)堿等負(fù)面效應(yīng)。因此，需要進(jìn)行相關(guān)研究，明確生物炭的作用周期及周期內(nèi)正負(fù)效應(yīng)變化規(guī)律，以規(guī)避大尺度、長(zhǎng)期施用生物炭的潛在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)生物炭的高效可持續(xù)利用。

（3）開(kāi)展生物炭與酸性土壤相互作用機(jī)制研究，目前的研究多數(shù)為生物炭對(duì)酸性土壤的影響，但生物炭添加至酸性土壤后，二者勢(shì)必相互影響，若能探明生物炭與酸性土壤的相互作用機(jī)理，便可知曉生物炭是直接作用于酸性土壤，還是通過(guò)其他媒介間接影響酸性土壤。這一機(jī)制的明晰將進(jìn)一步豐富生物炭的理論研究，也為生物炭應(yīng)用的定向化提供參考。