生物炭對土壤生境及植物生長影響的研究進展

卜曉莉，薛建輝

1. 南京林業大學理學院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學江蘇省林業生態工程重點實驗室，江蘇 南京 210037

生物炭(biochar)是指由含碳量豐富的生物質（如木材、家禽糞便和秸稈等）在相對較低的溫度（<700℃）和無氧或限氧的條件下熱解而得到的一種細粒度、多孔性的碳質材料(Antal和 Gronli,2003)常見的生物炭包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭等。生物炭作為土壤改良劑在改善土壤理化性質、持留土壤養分、促進植物生長、減少溫室氣體排放等方面顯示出較大潛力，成為近年來的研究熱點。許多研究表明，生物炭不僅能夠通過提高酸性土壤的 pH值來增強土壤肥力(Van Zwieten等, 2010)還可以通過陽離子吸附增加土壤營養物質的持有量(Liang等, 2006)而且會改變土壤微生物群落組成和數量(Grossman等, 2010;O'neill等, 2009)因此也就對植物的生長產生了間接影響(Warnock等, 2007)。但由于生物炭的性質、施用量、土壤質地、土壤肥力等因素的差異，導致有關生物炭施用效果的研究結果并不一致，因此國內外學者對生物炭的廣泛應用仍存在爭議。本文結合國內外有關生物炭的最新研究進展，重點闡述了生物炭對土壤理化性質、養分固持、微生物豐度和群落結構、土壤酶活性、以及植物生長等方面的影響，以供相關研究者參考與借鑒。

1 生物炭的特性

生物炭的元素組成主要包括碳（一般高達60%以上）、氫、氧等，其次是灰分（包括鉀、鈣、鈉、鎂、硅等），其中碳大多以穩定芳香環不規則疊層堆積存在，具有更高的生物化學和熱穩定性(張旭東等, 2003)。研究認為，生物炭的元素組成與制炭時的最終炭化溫度密切相關，具體體現為隨最終炭化溫度的升高，所形成的生物炭含碳量增加、氫和氧含量降低、灰分含量亦有所增加(Lehmann, 2007)。高度的芳香化結構和疏水性的脂族碳使生物炭施入土壤以后，可以長時間保持穩定而不易在短時間內分解(Schmidt和Noack, 2000)。生物炭一般呈堿性，pH在7～10，所以對于改良酸性土壤，不失為一種可供選擇的方法。生物炭具有疏松多孔的結構，比表面積巨大。生物炭表面帶有大量負電荷和較高的電荷密度, 并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能團, 具有很大的陽離子交換量(CEC), 理論上能夠吸附大量可交換態陽離子(Liang等, 2006)。制備生物炭的材料和制備條件（如溫度、氧氣含量和時間）對生物炭的性質有比較大的影響(Lua和Yang, 2004; Gundale和Deluca, 2006; Amonette和Joseph, 2009)。生物炭的環境功能主要決定于其理化性質。

2 生物炭對土壤理化性質的影響

2.1 生物炭對土壤物理性質的影響

生物炭高的孔隙度和表面面積，會使土壤水分的滲濾模式、停留時間和流動路徑發生改變(Major等, 2009)。用生物炭提高土壤的田間持水量，對砂性土意義更大，因為這類土壤對水分的保蓄能力很弱(Glaser等, 2002)。Brockhoff等(2010)研究表明，添加φ=25%的生物炭的沙地比添加5%生物炭及單純的對照分別多持留了260%和370%的水分。高海英等(2011)采用土柱入滲法研究發現，砂質壤土和壤質沙土中混入生物炭后，土壤持水量均有增加，但這種增加效應是有限度的，超過一定混入量（80 t·hm-2）反而會降低土壤持水量。Oguntunde等(2008)研究表明添加生物炭的沙質土壤飽和導水率增加，土壤容重減少，土壤孔隙度增加，土壤滲透率增加。黃超等(2011)研究表明紅壤施用生物炭能明顯提高土壤水穩定性團聚體數量和土壤田間持水量, 降低土壤容重。因此，生物炭可以作為提高干旱地區砂性土保水能力的一種有效手段。

2.2 生物炭對土壤pH值的影響

生物炭的堿性屬性使其施入土壤后勢必會對土壤pH產生直接影響。Glaser等(2002)研究結果表明生物炭能夠調節土壤pH并提高鹽基飽和度，這主要歸因于生物炭本身所含有的 Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，隨生物炭進入土壤以后，在水土的交融作用下會有一定的釋放，這些離子可以交換土壤中的 H+和 Al3+，從而降低其在土壤中的濃度(Van Zwieten等, 2010)。土壤pH的提高對酸性土壤改良和喜堿作物的生長具有積極意義。

2.3 生物炭對土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量是影響土壤肥力的重要指標之一，生物炭對土壤陽離子交換量的影響效應對提高土壤肥力與生產性能具有重要作用。生物炭對土壤陽離子交換量的作用大小與所應用的土壤類型、生物炭的原材料以及生物炭生產條件等有關(Gaskin等, 2008; Yuan等, 2011)。研究認為，生物炭施入土壤以后其表面可能會氧化形成羰基、酚基、醌基，氧化后的生物炭對土壤陽離子的吸附能力增強 (Atkinson等, 2010)。Laird等(2010)研究發現生物炭施入土壤后，土壤陽離子交換量（CEC）提高了20%，且隨施炭量增加而提高。不過，將生物炭添加到高有機質含量的土壤中，可能不會增加土壤的CEC，因為高有機質含量的土壤本身已具有較高的CEC，如Schulz和Glaser (2012)的研究表明生物炭的添加并沒有增加土壤CEC。

3 生物炭對土壤中氮磷養分的固持作用

生物炭對土壤中氮磷養分的固持效應取決于生物炭性質、施用量及土壤質地等因素。Laird等(2010)觀察了在施用豬糞的溫帶農業土中添加不同含量生物炭對氮磷淋濾效果的影響，發現濾出液中的總氮、總磷含量隨生物炭添加量的增加而顯著降低。周志紅等(2011)研究發現50和100 t·hm-2的生物炭施用量降低黑鈣土氮素淋失分別為29%和74%,減少紫色土氮素淋失分別達 41%和 78%，但 10 t·hm-2的生物炭施用量卻增加了兩種土壤氮素的淋失。花莉等(2010)研究表明，除了秸稈炭添加初期，其余各生長階段，添加 1%~4%生物炭處理的褐土淋出液中氮磷的濃度顯著降低。許多研究發現生物炭的添加能夠有效減少土壤中銨態氮的淋失，這主要歸因于生物炭提高了土壤的陽離子交換量(CEC)，因此增加了土壤對NH4+的吸附量(Lehmann等, 2003; Van Zwieten等, 2010; Yuan和Xu, 2011)。Taghizadeh-Toosi等(2012)利用15N同位素示蹤技術研究發現生物炭吸附的銨態氮可以被植物再利用。目前關于生物炭對土壤中硝態氮的固持效應，研究結果并不一致。Güere?a等(2013)和Knowles等(2011)研究發現，添加生物炭能夠明顯減少土壤中硝態氮的淋失量，Güere?a等(2013)研究同時發現，土壤微生物量氮含量增加，這表明硝態氮被微生物吸收轉化為有機氮，有機氮易被生物炭和土壤礦物質吸附。而Cheng等(2012)的研究發現，黑鈣土中添加生物炭不能有效抑制土壤中硝態氮的淋失。Laird等(2010)和 Lehmann等(2003)的研究結果更與之相反，他們發現生物炭的添加不但沒有抑制硝態氮的淋失，反而使得硝態氮的淋失量有所增加。盡管磷以陰離子形式存在于土壤中，生物炭同樣會降低滲濾液中磷的濃度，因為生物炭對磷酸鹽具有一定的吸附能力(Lehmann等, 2003)。Yao等(2012)比較了兩種生物炭對沙土中可溶性磷的持留作用，發現BP600生物炭可以減少沙土 PO43--P淋失量的20.6%，與之相反 PH600生物炭卻增加了沙土中PO43--P的釋放。

4 生物炭對土壤微生物豐度、群落結構以及土壤酶活性的影響

4.1 生物炭對土壤微生物豐度的影響

生物炭的多孔性和表面特性能夠為微生物生存提供附著位點和較大空間，同時調控土壤微環境的理化性質，影響土壤微生物的生長、發育和代謝，進而改善土壤肥力。生物炭對土壤微生物的影響是復雜的、多方面的，作用機制尚不完全清楚。大多數研究表明，生物炭的添加會增加土壤微生物量，會明顯改變土壤微生物群落結構組成和土壤酶活性(Lehmann 等, 2011; Ameloot等, 2013)。Galvez等(2012)研究發現，生物炭的添加增加了兩種農田土壤（微酸性和堿性土壤）的微生物量碳含量。許濤(2012)研究發現，竹炭的添加增加了土壤微生物量碳、氮、磷的含量。黃劍(2012)研究發現，生物炭的施用顯著提高了土壤微生物量碳水平，且隨施用量增加，其對土壤微生物量碳的影響越大。同時，生物炭在一定程度上也提高了土壤微生物量氮水平，但當施用量達到4500 kg·hm-2時，反而會顯著降低土壤微生物量氮的含量。與上述研究結果相反，Dempster等(2012)研究發現，生物炭的添加明顯減少了土壤微生物量碳含量，而對土壤微生物量氮的影響不明顯。生物炭對菌根真菌具有積極的影響，生物炭的添加能夠增加菌根真菌的豐度，促進菌根真菌對植物根部的侵染，但其對菌根真菌的影響程度與生物炭的特性有關(Warnock等, 2007;Warnock等, 2010; Atkinson等, 2010)。

4.2 生物炭對土壤微生物群落結構的影響

土壤微生物量的變化只能反映土壤微生物的總體數量變化，而土壤微生物本身是一個復雜的群體，其中不同的微生物種類對生物炭施用的響應具有多樣性(Nannipieri等, 2003)。Chen 等(2013)基于16S rRNA和 18S rRNA基因，利用 T-RFLP和qPCR-DGGE系統，結合克隆文庫分析，對經過生物炭改良的微酸性稻田土壤的微生物數量和群落結構進行表征，結果顯示，秸稈生物炭的添加增加了稻田土壤中細菌基因的豐度，降低了真菌基因的豐度。土壤根際微生物對土壤的肥力及土壤的生態環境質量起著重要的作用。Graber等(2010)研究發現，生物炭的添加提高了土壤根際細菌和真菌的豐度，使土壤根際微生物群落結構更有利于植物生長。Kolton等(2011)將細菌多樣性聯系其生態學功能進行考察，發現施用生物炭后，幾個不同優勢屬的變化各不相同，有的屬增加，有的屬降低，但其變化都有助于植物生長和抵抗病害。生物炭的施加會使土壤中的某些特殊功能菌，如根瘤菌、固氮菌、硝化細菌、反硝化細菌的相對豐度明顯增加，表明這些功能菌對生物炭的響應更為敏感(Deluca等,2006; Chan 等, 2007; Rondon 等, 2007; 許濤, 2012)。

4.3 生物炭對土壤酶活性的影響

生物炭對土壤酶活性的影響是高度可變的，這些影響可能與生物炭和目標底物之間的反應有關(Bailey等, 2011)。一方面生物炭對反應底物的吸附有助于酶促反應的進行而提高土壤酶活性，另一方面生物炭對酶分子的吸附對酶促反應結合位點形成保護，而阻止酶促反應的進行(Derenne和Largeau,2001；Lehmann 和 Joseph, 2009; Lehmann等, 2011)。Galvez等(2012)研究發現，生物炭的添加增加了 2種農田土壤的β-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶的活力。Masto等(2013)研究表明，生物炭的添加增加了土壤脫氫酶、過氧化氫酶、熒光素水解酶、酸性和堿性磷酸酶的活性，且酶活性隨生物炭劑量的增加而增加。Wu等(2013)研究發現，秸稈生物炭的添加增加了土壤脲酶的活性，然而，減少了土壤脫氫酶和 β-葡萄糖苷酶的活性。黃劍(2012)研究表明，生物炭施用對土壤轉化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性都有顯著提高，但當生物炭施用量較高時，對土壤脲酶可能起到抑制作用。

5 生物炭對植物生長的影響及其肥效機理

5.1 生物炭對植物生長及養分吸收的影響

植物生長發育有賴于良好的土壤環境。但在自然界中，土壤往往存在著各種障礙因素，限制著植物生長。根據不同土壤的主要障礙因子，選擇合適的生物炭對土壤進行改性，以期能夠提高土壤養分的有效性，增加植物吸收養分的效率(Jeffery等,2011)。例如，在磷有效性低的土壤中施入生物炭,可以提高土壤有效磷的含量, 進而提高植物對磷的吸收量(Lehmann等, 2003; Liu等, 2012)；在鈣鎂養分有效性低的土壤中施入生物炭，可以提高土壤中鈣鎂營養元素的可利用性，促進作物對鈣鎂養分的吸收，提高作物產量(Major等, 2010)；高堿度的生物炭能夠減少酸性土壤中鋁的毒性，降低有毒元素對作物的危害(Yuan等, 2011）；生物炭的添加可以減少沙地土壤水分脅迫，有助于植物正常發育(Jeffery等, 2011; Kammann等, 2011)。但在某些情況下，施用生物炭并沒有提高作物產量，張晗芝等(2010)研究發現生物炭對玉米幼苗植株干質量，N、P 養分的吸收量均沒有顯著影響。Güere?a等(2013)研究發現將生物炭添加到溫帶肥沃土壤中，并沒有改善作物的生長，但是增加了表層土壤氮肥的保留率。Van Zwieten等(2010)研究發現將生物炭與化肥混施到酸性土壤中，增加了作物對氮的吸收，提高了小麥、大豆和蘿卜三種作物的產量；而將生物炭與化肥混施到堿性土壤中，提高了大豆的產量，但卻減少了小麥和蘿卜的產量。另外，高量施用生物炭可能會對植物生長產生抑制作用(黃超等, 2011;Kammann等, 2011)。因此，生物炭對植物生長的促進作用取決于土壤肥力和性質、植物種類、以及生物炭的特性和施用量等因素。

5.2 生物炭的肥效機理

目前關于生物炭肥效機理的研究還很缺乏。生物炭本身礦質養分含量較低，其可直接提供的養分很有限，生物炭對作物生長的促進作用，主要歸因于其改善了土壤的理化性質，提高了土壤養分的有效性，以及改變了土壤微生物豐度和群落結構。干旱條件下植物根的伸長會受到限制，通過施入生物炭，可以增加土壤持水性和孔隙度，促進植物根系生長(Chan等, 2007)。森林火災形成的木炭明顯改善了森林土壤的飽和持水量和有效磷含量，促進了松木幼苗的再生(Makoto等, 2011)。生物炭的添加增加了土壤有機質含量，提高了土壤肥力，因此促進了植物生長(唐光木等, 2011; Schulz和 Glaser,2012)。生物炭的添加促進了落葉松幼苗外生菌根的形成，使得落葉松幼苗對養分的吸收增強(Makoto等, 2010)。生物炭的添加增加了土壤中菌根真菌的寄生，使得作物對養分和水分的吸收加強(Blackwell等, 2010; Solaiman等, 2010)。生物炭的添加改變了土壤微生物的種群結構，其變化更有助于植物生長和抵抗病害(Graber等, 2010; Kolton等, 2011)。還有研究報道，生物炭促進了土壤中乙烯的產生，這種對植物生理至關重要的植物激素必然會對植物生長產生影響(Spokas等, 2010)。

6 研究展望

生物炭作為一類新型環境功能材料，不僅為農林廢棄物質資源化利用提供了新思路，而且在土壤改良和作物栽培等方面顯現出巨大潛力，可以預見生物炭在土壤學、生態學和農林業生產方面將有廣闊的應用前景。目前，國內外關于生物炭的研究仍處于起步階段，因此還有很多工作急需要開展。

（1）由于生物炭的特性和施用量、土壤性質、植物種類等因素的不同，導致生物炭作為土壤改良劑，在提高土壤肥力和促進植物生長等方面的研究結果存在較大差異。因此，必須根據不同土壤的主要障礙因子，選擇合適的生物炭，以期得到較好的土壤改良效果，促進植物生長。

（2）目前生物炭的應用主要是針對農田土壤以及農作物的研究，而關于生物炭對林地土壤改良以及林木生長影響的研究非常缺乏。因此，今后應加強生物炭在林地水分涵養，活化土壤養分，提高造林成活率，改善地區生境等方面的研究與應用。

（3）生物炭在土壤中發生的生物和化學反應機理仍需進一步探索, 如摸清施用生物炭后對土壤微生物群落結構的影響，運用分子生物學方法確定具體是哪一類甚至是哪一種微生物的活性發生改變；生物炭與土壤中的營養元素、重金屬元素、有機物之間的吸附-解析、沉淀-溶解、氧化-還原等作用過程。

（4）生物炭對土壤理化性質、土壤養分變化、植物生長狀況以及土壤微生物活性的影響，目前的研究大多是短期室內培養和小規模田間試驗，而新鮮生物炭施用后引起的土壤環境變化以及土壤生物的響應會隨著時間進行而發生變化，因此，對生物炭施用效果的野外長期定位研究顯得非常必要。

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