生物炭對(duì)東北農(nóng)田黑土理化性質(zhì)及微生物特性應(yīng)用進(jìn)展分析

王懷鵬, 姜 輝, 孫繼英, 王宇先, 高 盼,李 明, 尹雪巍, 史喬丹, 單 瑩, 邱廣偉

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院, 黑龍江 齊齊哈爾 161000;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院, 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

中國(guó)東北黑土地作為世界三大黑土帶之一,其擁有深厚的腐殖質(zhì)層,有機(jī)質(zhì)含量豐富,具有土壤性狀良好、肥力高、適宜農(nóng)耕等優(yōu)點(diǎn)。東北黑土區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地,糧食總產(chǎn)量和商品糧產(chǎn)量占全國(guó)1/4左右,在保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[1-3]。然而由于多年來(lái)對(duì)于黑土資源的高強(qiáng)度開(kāi)墾與利用,導(dǎo)致黑土地肥力呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量降低,土壤變淺、變硬,水肥氣熱協(xié)調(diào)能力下降[4-5]。此外,東北黑土區(qū)典型地貌大多為漫川漫崗,同時(shí)地處中溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),極端的降水、氣溫和風(fēng)力吹蝕成為水土流失的重要誘導(dǎo)成因[6-7]。由此可以得出,東北黑土區(qū)由“生態(tài)功能區(qū)”逐漸變成了“生態(tài)脆弱區(qū)”,嚴(yán)重影響東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,東北黑土地的糧食生產(chǎn)能力在國(guó)家層面上“壓艙石”的作用存在動(dòng)搖風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。

1 生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著農(nóng)作物近年來(lái)產(chǎn)量不斷提高,作物秸稈產(chǎn)量也急劇上升。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年秸稈產(chǎn)量約為9×108t,而農(nóng)作物秸稈利用率僅為13%左右,秸稈作為一種富含N、P、K養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的可利用生物資源應(yīng)加大科學(xué)合理利用[10]。而在眾多秸稈深加工利用方式中,生物炭是能夠充分利用秸稈特性和新型農(nóng)業(yè)技術(shù)需求的副產(chǎn)品,其是由少量礦物質(zhì)、大量碳性物質(zhì)和可揮發(fā)有機(jī)物構(gòu)成,加之本身的多孔隙性和較大比表面積特征,使其在土壤改良修復(fù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)效發(fā)展中起到重要作用[11-13]。

前人研究表明,生物炭憑借其優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)對(duì)減少土壤養(yǎng)分流失、提高肥料利用率、消減有機(jī)污染和農(nóng)藥殘留、抑制污染物富集和降低污染物生物有效性等方面具有積極作用[14-15]。此外,生物炭在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及土壤微生物環(huán)境方面也具有重要促進(jìn)效應(yīng),農(nóng)田土壤中施入生物炭能夠提高作物光合速率,促進(jìn)植株SPAD值和氮含量增加以及根系生長(zhǎng),從而達(dá)到增產(chǎn)效果;同時(shí)生物炭還增加了土壤中動(dòng)物和微生物的種類(lèi)和數(shù)量,在一定程度上改善土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu),推動(dòng)土壤養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[16-17]。

2 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由于生物炭含有的羥基、羧基、苯環(huán)等主要官能團(tuán)賦予了其特有的強(qiáng)大吸附能力和較大的離子交換量基礎(chǔ),而被廣泛應(yīng)用于改良貧瘠土壤和優(yōu)化酸堿性土壤性狀等方面研究[18-19]。王歡歡等[20]和韓光明[21]研究表明,生物炭能夠顯著提高土壤孔隙度、電導(dǎo)率以及田間持水量,同時(shí)降低土壤容重;在化學(xué)養(yǎng)分方面,施入生物炭后能夠提高土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和有效鉀含量。王沖等[22]通過(guò)6年田間定位試驗(yàn)研究表明,生物炭降低黑土0～10 cm土壤容重,提高0～20 cm黑土的pH值、電導(dǎo)率和陽(yáng)離子交換量,并顯著提高耕層黑土的有效肥力,且有效緩解了東北黑土有機(jī)質(zhì)含量的下降趨勢(shì)。涂超等[23]研究認(rèn)為,生物炭顯著提高了土壤對(duì)NH4+的吸附能力,且隨生物炭添加量的增加,土壤對(duì)NH4+的吸附量增大,通過(guò)相關(guān)性分析表明,土壤對(duì)NH4+的吸附能力與土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。姚欽等[24]研究發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性影響較為明顯,整體上表現(xiàn)為提高了這三種酶活性,對(duì)堿性磷酸酶活性影響不顯著。張海晶等[25]通過(guò)開(kāi)展不同用量生物炭對(duì)東北黑土理化性質(zhì)溶解有機(jī)質(zhì)特性影響研究中得出,施用10～30 t/hm2生物炭可顯著改善土壤透水性和碳有效性,促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化和限制土壤磷礦化,達(dá)到提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的目的。

3 生物炭對(duì)土壤微生物環(huán)境的影響

土壤是微生物生長(zhǎng)繁殖的根本環(huán)境,優(yōu)異豐富的微生物環(huán)境對(duì)于促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高土壤肥力存在至關(guān)重要的作用。生物炭通過(guò)其本身特性直接或間接地改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤養(yǎng)分有效性,從而對(duì)土壤微生物量和微生物群落產(chǎn)生影響[26-28]。王福平[29]研究表明,生物炭的添加量顯著提高了整個(gè)生長(zhǎng)期土壤微生物炭含量,土壤真菌磷脂脂肪酸和細(xì)菌磷脂脂肪酸含量與其具有良好的相關(guān)性。譚春玲等[30]通過(guò)總結(jié)生物炭對(duì)土壤微生物代謝活動(dòng)的影響得出,生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以為微生物提供良好的生存環(huán)境,其灰分可為微生物提供養(yǎng)分,提高酸性土壤的pH值,從而促進(jìn)對(duì)土壤肥力的提升,污染修復(fù)和控制病原微生物。代鎮(zhèn)等[31]試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、高活性有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳含量隨生物炭添加量的增加而增加,同時(shí)也顯著增加了土壤碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)。侯寧等[32]和王穎等[33]研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田土壤中施加一定量生物炭后,對(duì)土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響顯著,表現(xiàn)為提高了相應(yīng)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的多樣性和數(shù)量,其中放線菌門(mén)、變形菌門(mén)和酸桿菌門(mén)等群落變化幅度較為明顯,一定程度上改良和優(yōu)化了土壤微生物環(huán)境。

4 展 望

作為我國(guó)糧食安全的“穩(wěn)壓器”和“壓艙石”,切實(shí)合理科學(xué)地保護(hù)利用東北黑土地,是多年黑土區(qū)可持續(xù)健康發(fā)展的必要措施,理應(yīng)圍繞著“把黑土地用好、養(yǎng)好”的核心理念,系統(tǒng)地開(kāi)展黑土地保育與產(chǎn)能提升和建立健全黑土地保護(hù)利用長(zhǎng)期研究工作。生物炭作為一種環(huán)境友好型土壤改良劑,隨著對(duì)其研究和應(yīng)用的不斷深入,生物炭在作物生長(zhǎng)、改良土壤環(huán)境、改善農(nóng)田污染以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)溫室氣體排放等方面發(fā)揮著重要且具有現(xiàn)實(shí)意義的作用。