生物炭施用對農業生產與環境效應影響研究進展分析

勾芒芒 屈忠義 王 凡 高曉瑜 胡 敏

(1.內蒙古機電職業技術學院水利與土木建筑工程系，呼和浩特 010070；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；3.內蒙古農業大學寒旱區灌溉排水研究所，呼和浩特 010018)

0 引言

生物炭廣義上是黑炭的一種，是指生物有機材料(如木材、有機肥或者農林廢棄物)在缺氧或低氧條件下熱裂解(小于700℃)的固體產物。常見生物炭有竹炭、木炭、稻殼炭、秸稈炭等。這些生物炭含大量有機碳，大多由芳香烴和單質碳或具有石墨結構的碳組成，含羥基、烯烴。生物炭可溶性極低，具有較大比表面積、孔隙度及離子吸附交換能力，這些基本性質使其具備了較強吸附性、抗氧化性和抗生物分解能力，可廣泛應用于農業、工業、能源、環境等領域。生物炭生產原料大多是廢棄生物質資源，如農作物秸稈、家禽糞便、發酵渣、酒糟、果核等，這些廢棄生物質資源量大、易收集，能為生物炭生產提供大量原材料。炭的制備技術從人類長期生產實踐中摸索出來，隨著科學技術發展，炭生產由原始土窯、磚窯，發展為現代工業熱裂解、生物質熱裂解、快速熱裂解及微波熱裂解等技術，使得生物炭生產效率及炭品質均有所提高。

然而，不同生產工藝及工藝參數對生物炭性質、品質及特征有著較大影響，也直接導致生物炭在土壤改良、農業環境改善及固碳減排應用等方面研究結果的不一致，給生物炭技術大規模應用帶來了阻礙。本文結合國內外最新研究進展，總結生物炭在農業領域、固碳減排及鹽堿地改良等方面的研究成果，分析現存問題，并對未來生物炭在農業領域的研究應用進行探討，為生物炭廣泛應用提供借鑒和參考。

1 生物炭性質與制備工藝

生物炭中主要組成成分是碳、氫、氧等元素，其中碳元素質量分數在70%左右。由于生物炭是由許多緊密堆積且高度扭曲的芳香環片層組成，所以具有多孔性、比表面積大等特點。同時，生物炭含有的羥基、羧基、苯環等主要官能團賦予了其特有的強大吸附能力和較大離子交換量[1-2]。復雜的芳香環結構、疏水性脂肪族和氧化態碳等特點使得生物炭在施入土壤后可以長時間保持穩定而不易被分解和礦化。由于生物質資源高溫裂解后形成的生物炭基本上都是純碳，它們埋藏在地下幾百年甚至上千年都不會分解消失，相當于把碳封存到了土壤中，施于土壤可以有效降低溫室氣體排放，起到固碳作用。

生物炭不僅解決了農林廢棄物帶來的環境問題，還能改良土壤、提高水肥利用效率。生物炭中有許多微孔，具有良好的吸附和通氣性，為聚集營養物質和微生物生長創造了條件，能夠有效儲存大量土壤水分及養分，提高土壤持水性，減少化肥淋失[3]。生物炭中含有大量碳、氮、磷、鉀等有利于作物生長的元素，能夠增加土壤中有機物含量[4]。生物炭能夠有效吸附農藥、除草劑及重金屬等污染物。然而，由于制備生物炭的原材料、制備工藝不同，使得生物炭的結構、孔容、灰分含量、pH值、持水性能、比表面積等特性不盡相同[5]。目前，國際上常見生物炭包括秸稈炭、木炭、竹炭、稻殼炭等，不同種類制備的生物炭，其理化性質差異較大。例如，500℃下制備木炭和竹炭，其灰分比秸稈炭低，燃燒后秸稈炭灰分較多，但前兩者固定碳比例和熱值均高于秸稈炭[6]。同時，原材料來自畜禽糞便的生物炭較以上幾種生物炭具有較高礦質養分[7]。熱解溫度和速度不同也直接影響生物炭性質。生物炭在低溫下(300～400℃)制備，其pH值小于7；較高溫度下(700℃)pH值大于7。一般認為，在中間溫度下(500℃)進行慢速熱裂解，生物炭產量將占到原材料50%，具有較高pH值，持水性強，比表面積大，具有較高陽離子交換量[8]。

2 生物炭在農業領域的應用

生物炭可用來改良農林業土壤，科研工作者在生物炭改善土壤理化性質方面進行了大量研究。生物炭從物理、化學、生物等方面來改善土壤結構，增加土壤碳庫儲量，改善土壤微生物生長生態環境，提高作物產量及土壤生產能力。近些年，國內外有關生物炭改良土壤的研究備受關注，同時也有大量報道證明生物炭在改良土壤方面具有積極作用。

2.1 生物炭對土壤理化性質的影響

由于生物炭本身特殊性質使得其施入土壤后改變了土壤理化特征，主要表現在對土壤結構、土壤持水性、土壤pH值及陽離子交換量等方面的改變，進而直接參與土壤形成、變化及作物吸水吸肥過程，影響土壤有機質運移、微生物活動及土壤呼吸。生物炭可有效降低砂質土壤容重，改變土壤孔隙度，并隨著施炭量的不同而有所差異。

韓曉日等[9]研究發現，與對照土壤(1.25 g/cm3)相比，施炭量3.0 t/hm2和6.0 t/hm2處理后土壤容重分別降低5.6%和9.87%，總孔隙度增加10.7%，土壤pH值增加0.32。田丹等[10]、勾芒芒等[11]研究發現添加生物炭能促使砂土、粉砂壤土容重減小。按照土炭比(0.05、0.1、0.15 g/g)添加玉米秸稈炭后，砂土容重(1.54 g/cm3)降低幅度為6.73%～11.27%；添加花生殼炭后，砂土容重降低幅度為9.28%～18.63%。對于粉砂壤土(1.39 g/cm3)，添加玉米秸稈炭后，土壤容重降低幅度為1.26%～7.66%；添加花生殼炭后，土壤容重降低幅度為6.42%～19.06%。從生物炭對土壤總孔隙度影響來看，生物炭可增大砂土孔隙度，且隨著施入量增加呈現增長趨勢。而對于粉砂壤土而言，只有高炭處理的土壤孔隙度出現增加趨勢，低炭處理總孔隙度低于對照。高炭量處理可有效增加土壤pH值。較高炭處理可使砂土陽離子交換量(CEC)提高12.22%。鄭瑞倫等[12]應用生物炭對沙化地進行改良發現，施用生物炭(14 t/hm2)后土壤容重降低11.5%，總孔隙度增加11.3%，土壤pH值增加0.2，然而土壤CEC沒有顯著變化，原因是觀測期可能不夠長，不足以使土壤表面氧化生成羧基，或者分析過程可能不夠精確，無法檢測出CEC的微小變化。閻海濤等[13]研究表明，褐土(1.34 g/cm3)中施入小麥秸稈生物炭(10、20、40 t/hm2)容重降低4%～12.7%。王睿垠等[14]按照玉米秸稈炭占黑土(1.139 g/cm3)土壤體積分數(2%、4%、6%、8%)試驗后發現，土壤容重降低2.5%～7%，土壤pH值增加0.30。吳崇書等[15]室內模擬試驗研究表明，炭土1%、2%處理后的粘土(1.35 g/cm3)、粘壤土(1.36 g/cm3)、壤土(1.31 g/cm3)、壤質砂土(1.38 g/cm3)容重分別降低3%～5%、3.6%～5.8%、3.1%～4.6%和2.2%～4.3%。李昌見等[16]野外大田試驗研究表明，施用生物炭能明顯減小土壤容重，增大土壤孔隙度，增加土壤含水率。與不施炭相比，處理組水分和肥料利用效率分別最少提高27.7%和87.4%。

可見，添加生物炭改良材料，可以改善土壤結構，能促使土壤容重減小，改變土壤孔隙度。然而受限于生物炭種類和配比不同，觀測時間不同等因素改良效果影響不同。砂土孔隙度增大可能因為生物炭在結構上呈多孔性，微孔形狀各異，數量較多，添加到土壤中可以填充土壤大孔隙，使之分割成許多小孔隙，同時生物炭本身多孔結構也是砂土孔隙度增加原因之一，隨著添加量增大，砂土孔隙率愈加接近壤土孔隙率，這對砂土結構改良意義重大。粉砂壤土中添加較多生物炭才能增大土壤孔隙度，且增幅空間不大，這在實際應用中并不經濟。

生物炭對土壤水分特征影響主要體現在對土壤含水量、土壤入滲和擴散能力、土壤導水性能等方面。王丹丹等[17]應用鋸末和槐樹皮制成生物炭改善黃土高原地區黑壚土和湘黃土，結果表明，土壤田間持水量隨著生物炭添加量增加而增大，鋸末生物炭添加處理較對照分別增加2.7%～8.1%，槐樹皮生物炭增加5.41%～16.22%。施炭后土壤飽和導水率降低，土壤入滲性能下降，且隨著施入量增加降低趨勢顯著，這是因為原有土壤質地粗，大孔隙較多，生物炭顆粒充實到大孔隙中，土壤大孔隙滲漏性降低。吳昱等[18]研究發現生物炭可有效改善黑土區坡地水土流失狀況，土壤飽和含水率、田間持水量和土壤儲水能力均隨生物炭施用量的增加而增加。岑睿等[19]采用玉米秸稈生物炭改良黏壤土，通過入滲模型模擬土壤入滲規律，結果表明：施用量為30 t/hm2較不施炭相比，施用層(0～40 cm)入滲速率增加44.6%，耕作層土壤含水率增加8.9%，累積入滲量增加45.45%。比較3種模型的入滲過程擬合結果，認為Kostiakov經驗公式擬合效果符合實測規律，為研究區改良土壤水分入滲過程提供了理論依據。

研究結果表明生物炭可改變砂土土壤結構，使其大、中孔隙度較對照減小，小孔隙度較對照增大，導致持留在土壤小孔隙中水分增多，土壤有效含水量增加，供作物可吸收利用水分增加。較砂土相比，生物炭對粉砂壤土和黏土的持水性改良效果不顯著。

2.2 生物炭對土壤微生物的影響

生物炭作為改良劑可改善土壤結構，生物炭的較大比表面積和多孔性為土壤微生物提供了良好棲息之所。研究表明，添加生物炭可提高微生物生物量、改善土壤微生物群落，提高土壤酶活性，但影響效果與生物炭類型、施用比例以及土壤性質密切相關。生物炭本身有機碳含量較高且易分解，其表面氧化后為微生物提供有效碳源。匡崇婷等[20]研究發現，與對照相比，添加生物炭有效提高微生物生物量，且隨著施入量增加而增大。添加0.5%生物質炭處理土壤，微生物生物量碳、氮含量分別比對照高111.5%～250.6%和11.6%～97.6%，添加1.0%后生物量碳、氮含量分別比對照高58.9%～243.6% 和55.9%～110.4%。BARGMANN等[21]室內研究發現，應用甜菜根和啤酒糟制備生物炭施入土壤56 d后土壤微生物生物量碳顯著高于對照，增加30%。研究也證明土壤中施入生物炭可顯著提高微生物豐度[22]。然而，也有研究認為生物炭施入土壤中對微生物生物量影響效果不顯著。這與生物炭的材料類型、熱解時間和溫度、土壤類型及試驗觀測時間長短都有聯系。ZAVALLONI等[23]發現短期內生物炭按照5%比例施入土壤中不能改變微生物豐度。DEMPSTER等[24]應用桉樹生物炭改善粗質砂土，發現生物炭的施入顯著降低了土壤微生物生物量。

生物炭對土壤微生物群落影響主要體現在改變細菌群落和真菌群落方面。研究表明土壤中施入生物炭可以增加土壤中總細菌豐度。NIELSEN等[25]研究發現農田土壤中生物炭雨酸桿菌門的響應性較強，可以增加其豐度值。ANDERSON等[26]在室內盆栽試驗和田間小區試驗結果均顯示生物炭可以提高土壤中某些功能細菌豐度。同時，土壤中細菌也可以有效降解生物炭復雜芳香類化合物。真菌相比于細菌更容易降解生物炭中頑固性碳，且能夠更好地生長，故在施入含較難降解碳的生物炭時更有利于真菌生長。BAMMINGER等[27]添加2%生物炭于農田土壤中，37 d后發現土壤中真菌和細菌豐度均呈現增加趨勢，真菌豐度增長更快，主要是因為生物炭具有較高碳氮比，且真菌對碳利用率更高。然而，也有研究認為生物炭對土壤真菌群落結構沒有長期影響。ROUSK等[28]通過3年長期監測發現生物炭并不能影響土壤中微生物群落變化，可能因為生物炭長期施用后表面鹽基離子被淋溶損失，生物炭pH值趨于中性，失去了影響效應。土壤酶活性也是土壤微生物活動過程的重要指示，酶活性越高說明微生物過程越活躍。研究表明，生物炭施入土壤中對碳、氮、pH值、陽離子交換量等土壤理化性質產生影響，而這種影響也間接對土壤酶活性產生作用。同時，生物炭中含有營養物質，例如P、K、Mg等元素促進了土壤微生物活性，也相應提高了土壤酶活性。但這種影響也與生物炭類型及性質、土壤結構和質地等密切相關，并體現出不同影響效果。AWAD等[29]研究發現同一種生物炭施入砂壤土中酶活性較施入砂土中酶活性高。周震峰等[30]應用花生殼生物炭后土壤中尿酶和蔗糖酶活性顯著升高，且隨著施炭量增多而增大。然而，也有研究表明生物炭中重金屬和多環芳烴等毒性物質會抑制土壤酶活性。顧美英等[31]研究發現，施入小麥秸稈生物炭于灰漠土中，結果顯示生物炭對脲酶有顯著抑制作用。

通過研究可知，添加生物炭使土壤微生物群落、豐度、土壤酶活性等產生變化，影響了土壤微生物特性，但其間相互作用機理還需要進一步研究，尤其是不同生物炭對不同土壤微生物影響機理還需進行長期觀測和探索。

2.3 生物炭對作物生長性狀的影響

生物炭對作物產量影響的報道最早可追溯到1879年，探險家赫伯特·史密斯在《Nature》雜志發表文章中闡述了亞馬遜河流域的黑土可使當地種植的甘蔗和煙草產量大幅度提高，因為這種黑土中含有豐富生物炭。UZOMA等[32]將牛糞生產制備生物炭應用在砂質土壤玉米種植中，結果顯示，隨著生物炭施用量增加玉米產量顯著提高，但處理中施加15 t/hm2的玉米產量比20 t/hm2高。MAJOR等[33]通過4年研究表明，在Colombian Savanna土壤中施加生物炭(0、8、20 t/hm2)后，第1年玉米產量無顯著影響，隨后影響效益顯著，施入20 t/hm2生物炭后玉米產量可提高140%。據KIMETU等[34]報道，在肯尼亞貧瘠土壤中添加生物炭(7 t/hm2)，2年內連續施用3次后玉米產量翻倍增長。VAN ZWIETEN等[35]通過試驗發現，施加生物炭(10 t/hm2)后小麥、蘿卜和番茄的產量增幅均已超過50%。無土栽培條件下，生物炭和灰巖混合(按其體積的1%～5%)，辣椒和番茄生物量可提高28.4%～228.9%，果實產量提高16.1%～25.8%。近年來，國內有關施加生物炭增加作物產量報道逐漸增多。張偉明等[36]研究表明，以不同標準在砂壤土中施入生物炭，水稻產量均比對照平均提高21.98%，其中每1 kg土加10 g生物炭處理水稻增幅最大。同時，在研究對大豆生長影響中，3 t/hm2和6 t/hm2生物炭施用量均比對照產量提高近11%。黃超等[37]在每1 kg紅壤土中施用10、50、200 g生物炭種植黑麥草，產量分別增加7%、27%和53%。唐光木等[38]在新疆灰漠土中添加生物炭種植玉米，表明施入40 t/hm2生物炭的玉米產量提高近50%，增產效果顯著。

然而，在生物炭對作物生長作用方面還存在一些不同觀點。KISHIMOTO等[39]認為，在壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)使大豆產量增加50%；然而，隨著施用量的增加產量出現減少趨勢且15 t/hm2時減產近70%。鄧萬剛等[40]在海南花崗巖磚紅壤土上添加不同比例生物炭(炭土比分別為 0.1%、0.5%和1.0%)，通過試驗反而得出不同處理與對照相比，在一定程度上均降低了王草第2次刈割產草量和柱花草第1次刈割產草量。張晗芝等[41]研究在中層砂漿水稻土中施加生物炭對玉米影響，發現在玉米苗期生物炭抑制了植株生長發育，表現為添加量越大抑制效果越明顯，隨著玉米生長抑制效應逐漸消失。

通過研究可知，生物炭對作物生長及產量提高具有促進作用。生物炭對作物生長特征產生的影響與土壤類型、觀測時間等密切相關，適宜生物炭用量與土壤結構是影響作物生長的主要因素。

2.4 生物炭與化肥耦合作用影響

氮肥利用率低一直是農業生產中面臨的難題，而我國主要糧食作物氮肥利用率不足1/3。如何提高氮素利用率，減少消耗和面源污染，一直是農業生產中亟待解決的關鍵問題。大量研究表明，添加生物炭可減輕土壤氮素淋洗，提高土壤水分和養分利用率。同時，學者發現單純以生物炭代替化肥還存在一定難度，為了既發揮其自身優勢又能減少肥料投入帶來的負面影響以達到作物增產增收目的，沈陽農業大學生物炭研究中心以生物炭為基質制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產效果明顯。

葛少華等[42]研究表明，連續兩年進行生物炭(2.4 t/hm2)和化肥配施，有效提高烤煙土壤中硝態氮含量，施氮量減少15%用量后仍可提高烤煙氮素利用效率。據統計，生態炭本身含有豐富有機碳，施用后可以增加土壤中有機質及腐殖質含量，大大改善土壤微結構，從而提高土壤肥力。隨著土壤中有機碳含量增加，土壤中碳氮比相應提高，進而提高了土壤對氮素和其他養分吸持能力。有機質和腐殖質含量是土壤肥力重要指標，生物炭吸附土壤中有機分子，通過表面催化活性促進小分子聚合從而形成土壤有機質，生物炭可以延長有機質分解時間從而有助于腐殖質形成，改善土壤肥力。呂一甲等[43]研究發現，施用生物炭肥料可有效提高耕層土壤有機質、速效磷及速效鉀含量。

其實，生物炭本身也含有一定礦物養分，例如氮、磷、鉀、鎂等，但由于生物炭制備原料和控制條件不同，其所含有養分含量不盡相同。如果生物炭與其他肥料同時施用，可以提高土壤養分含量，因為生物炭可以延緩肥料養分在土壤中釋放過程，降低肥料養分淋失，有效提高肥料利用效率。STEINER等[44]研究表明，使用生物炭結合化學改良法(氮磷鉀肥料和石灰)與單用肥料相比，平均糧食產量連續四季翻一番。生物炭與化肥配施3a后土壤團聚結構和數量顯著增加，與單施化肥相比，團聚體數量增加16.7%，平均質量直徑增加62.4%。聶新星等[45]研究表明，生物炭與化肥配施顯著提高土壤pH值和速效磷含量，分別提高0.03%和12.6%，土壤容重降低2.0%。炭肥配施提高了土壤中細菌含量，對真菌有一定抑制作用。炭肥配施后有效增加小麥籽粒干質量，提高率達到16.5%。勾芒芒[46]研究表明，生物炭與化肥耦合施用可以提高土壤含水率，同一施肥水平下土壤中施加較高生物炭量可以有效提高土壤的持水、保水能力；同一施炭水平下，低肥處理的土壤含水量對番茄生長具有積極的促進作用。

炭肥耦合施用可增加土壤有機質含量，提高氮素利用率。在同一施炭水平下，減少化肥施用量可顯著提高作物植株生長能力，增加干物質積累，提高作物產量和品質。

2.5 生物炭對土壤重金屬的影響

生物炭具有比表面積大、孔隙度大、呈堿性、吸附溶解性有機質等特點，修復重金屬污染土壤的研究較多，作為環境修復和固定土壤材料受到研究者廣泛關注，但因為生物炭原材料、技術工藝、熱解條件等不同使得其對土壤重金屬吸附效應差異較大。UCHIMIYA等[47]研究發現山核桃生物炭呈酸性，生活垃圾制備的生物炭呈堿性，它們施入酸性土壤中對Cu的吸附要比在堿性土壤中吸附效果好。佟雪嬌等[48]發現不同秸稈炭對Cu(Ⅱ)的吸附效果不同。玉米秸稈生物炭對Pb、Cd吸附量顯著高于小麥秸稈。CHEN等[49]研究表明生物炭特性使得其對土壤重金屬具有靜電吸附量，表面豐度的含氧官能團(如羧基、羥基、酚基等)可以增加土壤對重金屬吸附量，降低重金屬遷移率，從而減少對土壤環境污染及作物毒害。

生物炭通過提高土壤pH值和有機質含量改變土壤氧化還原電位，從而降低重金屬生物有效性。BEESLEY等[50]通過土柱淋洗試驗發現，土壤中加入生物炭后Cd含量降低為原來的1/300。袁金華等[51]通過室內試驗發現，稻殼炭降低酸性紅壤中有毒形態鋁含量。生物炭可以固定可溶性重金屬(Pb、Cu、Cd、Ni)并限制其生物有效性。相比于其他重金屬，As是比較穩定的元素，但施加生物炭后仍可被固定。LUKE等[52]通過對番茄根莖及果實檢測可知，與對照相比施炭處理根系中As濃度顯著降低，果實中濃度也很低，有效改善作物對重金屬吸收，進而降低重金屬生物毒性。高德才等[53]研究發現土壤pH值增加后，Al、Cu、Fe的金屬可交換態含量顯著降低。

通常情況下，重金屬污染的土壤肥力較低，要考慮生物炭用量及長期監測效果才能體現出生物炭修復污染土壤的效果。

3 生物炭在固碳減排方面的應用

3.1 固碳減排潛力

農田生態系統是重要溫室氣體排放源之一，占全球總排放量 10%～20%，且呈現增長趨勢。CO2、CH4和N2O是溫室氣體的研究對象。氣候變暖及土壤鹽漬化問題對土壤固碳減排要求日趨增加。作為農業大國，我國超過50%秸稈隨意丟棄或焚燒[54]。粗放農業管理方式直接增加農業生產溫室氣體排放量。我國土壤生態系統具有巨大固碳減排潛力，《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中指出應大力發展低碳農業，堅持減緩與適應協同，抑制和降低農業領域溫室氣體排放，減少農田氧化亞氮和甲烷排放，推進農林廢棄物綜合利用。這些秸稈廢棄物在缺氧或無氧環境下裂解得到生物炭重新回歸到土壤中的生態循環模式，能將碳有效存于土壤較長時間，減輕氣候變暖，修復區域環境。同時，增加土壤碳匯，減少溫室氣體排放，抑制其釋放能力。

3.2 固碳減排效果

大量研究發現施用生物炭不僅增加碳匯，調節碳循環，而且對土壤溫室氣體排放起到抑制作用。研究表明，不同生物炭施用量對溫室氣體排放效果存在差異。高德才等[53]通過土柱試驗表明，2%以上生物炭添加量會抑制CH4排放，同時會降低N2O排放；4%以上生物炭添加量，能大幅降低CH4和N2O排放，從而緩解溫室效應；而低于0.5%生物炭添加量對溫室氣體排放的削弱作用不顯著。屈忠義等[55]采用靜態暗箱-氣象色譜法研究玉米農田施加生物炭后對溫室氣體排放特征影響，結果表明：添加生物炭(15、30、45 t/hm2)后顯著降低CO2和N2O季節累積排放總量，與對照相比最大降幅分別為24.6%和110.35%。添加生物炭降低CH4和N2O綜合增溫潛勢(GWP)及排放強度(GHGI)，且隨著生物炭施用量增加而降低，最大降幅GWP為109.9%，GHGI為100.03%。SHENBAGAVALLI等[56]研究認為一定量生物炭會抑制溫室氣體排放，對CO2及N2O效果明顯。生物炭降低土壤容重、改善土壤通氣性、封存土壤中碳含量，從而減少CH4、N2O排放量。生物炭添加后，凍融期間可促進土壤吸收CH4。添加30 t/hm2生物炭有效降低玉米農田土壤季節累計排放總量，降低玉米農田土壤CH4和N2O綜合增溫潛勢(GWP)和排放強度(GHGI)。常規施肥基礎上添加生物炭是提高作物產量、降低增溫潛勢的有效農業措施。施加生物炭對抑制農田N2O排放具有巨大潛力，排放高峰均出現在施肥(基肥和追肥)后，累積排放量占整個生育期排放量的一半。

也有少量研究表明生物炭的施用會促進溫室氣體的排放，王月玲等[57]研究表明生物炭施用量與CO2排放呈正比，一方面生物炭為微生物活動提供大量碳源和能源，增加其對土壤有機質的分解作用，另一方面生物炭的特殊結構對土壤理化性質具有改善效果，增強了微生物活性。SINGLA等[58]發現生物炭增加使土壤中的有機質可利用率提高，促進CH4的排放。總之，導致結果存在差異的原因是否與生物炭性質、土壤類型、施肥方法、作物種類等有關，還需進一步深入研究。

3.3 固碳減排影響機制

王妙瑩等[59]研究發現，影響溫室氣體排放因素較多，主要與外源物、土壤性質、微生物等相關，有研究表明施用生物炭顯著抑制CO2和CH4排放，細菌數量與CO2和CH4通量顯著正相關。真菌/細菌與CO2和CH4通量顯著負相關，硝化細菌種群與N2O通量顯著正相關。生物炭通過改善土壤通氣性、生物多樣性及甲烷營養微生物豐度，緩解溫室氣體排放。何飛飛等[60]研究結果表明不同施炭量對N2O、CO2影響不同，而銨態氮主要影響N2O排放，pH值是CO2排放的主要影響因素。張阿鳳等[61]試驗表明，作物秸稈制備生物炭具有穩定芳香化結構性和抗分解生物化學性；大幅提高土壤碳庫，利于固定和保持養分，提高其有效利用率，從而達到增產增收目的。宋敏等[62]的研究顯示施加30 t/hm2的生物炭對N2O氣體釋放抑制效果較好，在相對穩定的環境條件下，溫度是影響N2O排放主要因素。吳震等[63]研究發現，施入新生物炭和多年陳化生物炭均能降低綜合溫室效應和溫室氣體強度，且陳化生物炭能更有效地減少溫室氣體排放并提高作物產量。因此，生物炭對固碳減排和改善作物生產具有長期效應。

馮政君[64]研究發現，與適當比例氮肥配施，高碳氮比(大于 30)生物炭對土壤N2O排放具有抑制作用。土壤CO2通量對生物炭響應隨著熱解溫度或生物炭碳氮比增加而降低，隨著生物炭pH值降低而下降。因此，應考慮土壤屬性、土地利用類型、農業實踐和生物炭特性，以評估生物炭緩解氣候變化實際潛力。

4 生物炭在鹽堿地治理方面的應用

我國降水時空分布不均勻，水資源匹配極不合理，特別是作為我國用水大戶的農業領域用水非常緊缺。同時，針對我國鹽漬化土資源總量多且分布廣泛等特點，合理利用大面積鹽漬化農田，將對我國糧食安全保障和提高我國農業生產力具有重要意義。由于鹽漬化土壤結構性差、肥力低、對作物生長有毒害作用，嚴重限制農業可持續發展，且鹽堿地治理符合國家生態安全戰略方針，是生態與農業可持續綠色發展的必要舉措。目前，針對鹽漬化土壤改良措施較多，包括工程措施、化學措施、生物措施等，隨著人類對資源高效利用和保護生態環境意識的提高，更多綠色可持續材料進入研究領域。由于鹽堿地有機質含量低，養分貧瘠，具有高生物質含量、保水保肥特性的改良材料備受關注。生物炭作為農林生物質材料的再生產品，在酸性土壤改良方面已經取得較好成果，堿化度較高的土壤研究較少，但生物炭對鹽堿土壤理化性質和作物生長特性改良也取得了研究進展。

4.1 生物炭對鹽堿土改良效果

生物炭具有改善土壤結構、保水保肥、強吸附性等特性，可以對鹽堿土理化性質和作物生長特性產生影響(表1)。王榮梅等[65]研究發現，炭土比10%的生物炭用量可以提高鹽堿土田間持水量，顯著提高棉花產量，但5%施用量提高幅度高于10%。許健[66]研究顯示，當生物炭添加量較低(小于5%)時，能抑制土壤蒸發和降低土壤表層返鹽量，當生物炭含量較高時(大于10%)，增強土壤蒸發能力，加劇表層土壤鹽堿化程度。夏陽[67]研究認為，較低生物炭施用量(如1.5%)能夠降低鹽堿土pH值和鹽度，提高土壤有機質含量、碳氮比和CEC，提高植物根際土壤養分。然而也有研究成果與以上觀點不同。代紅翠等[68]在堿性土壤中施用生物炭后提高了土壤pH值和CEC，從而抑制了小麥出苗和幼苗生長。李陽等[69]研究表明，生物炭能將酸性黃壤土改變為中性或弱堿性土壤，而且能夠有效改善黃壤氮磷鉀養分含量。ALI等[70]研究發現，在干旱或鹽分脅迫下，生物炭可以增加植物的光合作用，改善養分吸收和改良氣體交換特性。在鹽脅迫下，生物碳減少Na+吸收，增加植物對K+的吸收，調節氣孔導度和植物激素。對比其他改良劑，生物炭具有自身優勢，施用生物黑炭比施用石灰更能增強土壤對酸的緩沖性能，提高土壤陽離子交換量、鹽基飽和度、交換性鈣、鎂、鉀和鈉含量。

表1 生物炭對鹽堿土理化性質和作物生長特性的影響Tab.1 Effects of biochar on physicochemical properties of saline-alkali soil and crop growth

4.2 生物炭與其他物質復配對鹽堿土改良效果

由于生物炭呈堿性，對堿性較強的鹽堿土不利，但考慮與一定量的酸性物質復配施用，可以彌補生物炭副作用或改良效果。適宜生物炭與木醋液施用量可以滿足降鹽抑鹽效果，有效抑制表層土壤鹽分積聚；施用木醋液可以降低土壤pH值。非生育期春匯洗鹽結合改良劑改良，可以提高脫鹽率，滿足生育期內作物對鹽分閾值要求。

劉玉明等[83]應用生物炭和木醋液改良鹽堿土效果顯著，在其含鹽量0.5%～1.35%，pH值大于10的鹽堿地中，可大幅提高土壤質量和作物生長特性。韓建剛等[84]研究發現，生物炭墊層應用于沿海灘涂鹽堿地土壤改良，有效控制農業面源污染，促進鹽堿地土壤改良及農業生態良性發展，改良后土壤可用于種植水稻、小麥或鹽堿資源植物等。韓劍宏等[73]使用玉米秸稈和污泥基生物炭能改善鹽漬土土壤養分含量和肥力指數，顯著提高有機碳含量；可溶性鹽含量顯著下降，并能降低土壤鹽分。袁晶晶等[85]將生物炭(10 t/hm2)施入土壤后發現，氮肥300 kg/hm2為適宜施肥量，提高土壤肥力同時也可以減少化肥投入。但XU等[86]研究認為，當生物炭與磷肥一起施用時，鹽堿土壤中發生磷酸鹽沉淀/吸附反應，導致鹽堿土壤中植物磷有效性和植物產量下降。生物炭與磷施肥之間的負相互作用效應表明生物炭在鹽堿土壤中應用價值有限。

4.3 生物炭對不同類型土壤改良效果

由于不同類型土壤理化性質存在差異，生物炭改良效果也不盡相同。曹雨桐等[71]研究發現，在海涂圍墾區鹽堿土中添加2%生物炭能使土壤飽和導水率提高46.4%；土壤總有效孔隙度和半徑大于100 μm有效孔隙度分別增加8.3%和10.2%。魏永霞等[72]認為施用生物炭能降低黑土區土壤殘余含水率，增加土壤飽和含水率和田間持水量，其中對殘余含水率影響最顯著；施用生物炭能明顯降低土壤水分擴散率，施用生物炭可以提高大豆產量。聶新星等[45]研究認為，生物炭能有效改善灰潮土土壤理化性質，提高細菌和放線菌數量，且在一定程度上提高冬小麥產量。生物炭與N、P、K配施改善風沙土理化性質，促進玉米生長及產量增加，且生物炭施用量越高，其效果越明顯。孫嘉曼等[78]發現，生物炭處理有利于改善石灰土水分與養分供應狀況，且隨著施用量增加，改良效果不斷加強。施用生物炭可改善喀斯特山地石灰土土壤質量，促進刺槐苗期根系發育和生長，對改良喀斯特石灰土和恢復植被具有重要意義。

5 問題與展望

大量研究成果表明，生物炭在農業土壤改良、固碳減排及改良鹽堿土方面均有巨大潛力。在改善農業水土環境、抑制溫室效應、助力發展綠色可持續農業等方面可發揮積極促進作用。然而，在大面積實施和應用生物炭方面還存在許多不足，需進行深入研究，主要體現在：

(1)由于制備生物炭的原材料、制備方法以及研究方式大不相同，有關生物炭物理和化學性質各有差異。在實際應用過程中應積極開展生物炭標準化、系統化研究。此外，應開展根據不同土壤類型制備和篩選適宜生物炭的研究。

(2)雖然應用生物炭提高作物產量方面研究成果較多，但大多數研究還停留在室內盆栽和小區試驗階段，如何應用適宜生物炭類型及其用量開展長期和大規模示范區建設還需投入大量工作。同時，大規模應用生物炭改善作物土壤、提高作物產量之前還必須考慮如何使生物炭成本更廉價、更實效，改變施用方式，采用穴施、溝施等專用設備，以便充分發揮生物炭節水增收優勢。

(3)生物炭對微生物和酶活性作用機理還不清楚，需要進行深入研究。

(4)生物炭對土壤改良是一個長期過程，對土壤改良及固碳是否具有持續效果，還需要長期定點觀測；生物炭與其他物質復配施用對氣體排放影響機理還不明確。

(5)雖然有關生物炭改良鹽堿土成果與日俱增，但針對鹽漬化土壤開展生物炭及其復配材料(如其他土壤調理劑)的應用成果并不多見，應加大力度開展這方面研究。

(6)研究開發各種專用生物炭基肥，實現生物炭高效利用，為綠色農業發展提供有力支持。