生物炭對土壤環境質量的影響研究進展

劉術新 李漢美 丁楓華

摘要：連作障礙是導致土壤質量降低的重要原因之一。文章綜述了生物炭對土壤肥力和環境質量的影響效應及其機制。生物炭憑借其特殊的結構和理化性質影響著土壤的理化性狀，對減少土壤養分流失、提高肥料利用率、消減有機污染和農藥殘留、抑制污染物富集、降低污染物生物有效性等具有積極作用。生物炭在設施栽培和果園連作中能有效緩解連作障礙，在提高土壤微生物群落多樣性和酶活性方面有巨大潛力，應加強其在土壤連作障礙治理及其可持續性利用方面的研究。

關鍵詞：生物炭;土壤;連作障礙

中圖分類號：S154.3? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1001-1463（2020）02-0084-08

Abstract：In yellow river irrigation areas of middle Gansu province，effects of different water supply conditions on yield and water production effect of processed potato cultivar Atlantic were studied. The results showed that yield of processed potato was significantly increased by increasing irrigation quantity and times from squaring period to flowering period;On the basis of adequate water supply in flowering stage， increased irrigation quantity moderately from final flowering period to mature period， it is beneficial to improve potato yield and water use efficiency. Under the condition of water and fertilizer integration， the suitable water management mode of processed potato cultivar Atlantic is that irrigated water volume was 2 400 m3/hm2 and irrigated 16 times from squaring period to flowering period， irrigated water volume was 900 m3/hm2 and irrigated 6 times from final flowering period to mature period. Under this water management mode， the number of tubers per plant and the weight of tubers increased significantly， which increased by 2.02%～16.91% compared with other treatments， and the commercial property of potato tubers was relatively optimized.

Key words：Water and fertilizer integration;Processing potato;Atlantic;Yield;Water use efficiency

隨著集約化種植程度的不斷提高，作物連作以高投入和高產出帶來的以土傳病害和自毒效應為主的連作障礙問題日益凸顯。長期單一連作，植株出現生長發育受阻，土傳病害嚴重發生而導致大幅減產的連作障礙，已成為農業可持續發展的重大問題之一[1 - 2 ]。在國外被稱為忌地現象或再植病害。連作障礙的普遍存在，嚴重地制約了農業的可持續發展[3 ]。國內外研究者曾從不同的角度對連作障礙的成因進行了系統研究，一般認為連作障礙的產生原因有以下幾個方面：連作使土壤理化性狀變劣導致養分虧缺;土壤微生物變化，土傳病害加重[4 ];根系分泌物和殘茬腐解物引起的自毒作用。一些學者認為，根系分泌和殘茬腐解物所產生的自毒作用，以及自毒物質引發的病原菌增殖是導致作物連作障礙的主要因素[5 ]。

酚酸類物質是公認的化感自毒物質[6 - 8 ]，被研究者作為化感自毒作用的研究重點。酚酸類物質通過影響植物細胞膜透性、水分和營養吸收、光合作用、蛋白質合成、植物激素活性、抗氧化酶活性等多種途徑對植物生長產生抑制作用[9 - 10 ]。隨著對根際微生態環境中植物-土壤-微生物相互作用各過程的深入了解，研究者認為土傳病害的發生和植株發育不良是作物連作障礙發生的直觀表象，但致病的根本原因是根系分泌物和腐解物中酚酸類化感物質引起的土壤微生態失衡，最終導致土壤中病原菌激增而引發嚴重的土傳病害[11 - 13 ]。

土壤熏蒸是防治植物土傳病害的重要措施。然而由于熏蒸劑的廣譜性，在殺死有害微生物的同時，也會殺死土壤中有益微生物，因此在土壤熏蒸后通常需要添加微生物有機肥或其他有助于微生物群落恢復的物質，使土壤微生態得以修復，這就增加了投入成本。常用的土壤熏蒸劑溴甲烷還會損害臭氧層，因此土壤熏蒸逐步被淘汰[14 - 15 ]。間作是增加農業生物多樣性的有效措施，利用作物間作減輕連作自毒作用引發的土傳病害已在多種間作體系得到證實。蘇世鳴等[16 ]研究發現，西瓜與水稻間作使西瓜幼苗的鮮重和株高分別提高了186.0%和80.5%，且降低了西瓜枯萎病的發病率。小麥與黃瓜間作、毛苕子與黃瓜間作、三葉草與黃瓜間作均降低了黃瓜角斑病、白粉病、霜霉病以及枯萎病的病情指數，提高了黃瓜產量。韭菜的水浸提液對尖孢鐮刀菌表現出較強的抑菌作用，減輕了香蕉枯萎病的發生，為韭菜和香蕉間作控制香蕉枯萎病提供了理論依據。董艷等[17 - 18 ]研究發現，小麥與蠶豆間作可減輕酚酸物質引起的枯萎病危害，促進蠶豆生長，是緩解自毒效應的有效措施，但因小麥生產效益偏低，且間作耗時較長，故在實際生產中不易推廣。因此，尋求安全有效地緩解和克服蠶豆連作障礙的措施非常重要。

生物炭是將秸稈、木材、畜禽糞便等生物質原料，在部分或完全缺氧條件下，通過高溫熱解（< 700 ℃）生成的一類穩定的、紋理細膩的富含碳的多孔狀材料。生物炭起源于亞馬遜河流域“印第安黑土”的發現，這種“黑土”含有大量的營養元素，如N、P、K、Ca等，且有機質含量高[19 ]。生物炭由于廉價易得、環境友好而被廣泛應用于農業、環境保護等領域。

1? ?生物炭的概念和性質

生物炭是生物質在有限供氧的密閉環境中于相對較低的溫度條件下（<700 ℃）熱解生成的一類富含碳素（C%≥60%）、性質穩定、具有不同程度芳香化的固態物質[20 ]。與傳統木炭不同，“生物炭”強調其在農業生產和生態環境領域的功能與應用[20 - 22 ]。

由于具有芳環化的大分子結構，生物炭在土壤中具有較高惰性和抗降解性[23 - 27 ]。根據14C標記試驗估算，生物炭在土壤中的平均存留時間可長達2 000 a，半衰期約為? ? 1 400 a[23 ]。不僅如此，生物炭通常具有較為發達的孔隙結構和豐富的表面官能團，這使生物炭能夠有效提高土壤陽離子交換量（CEC）和持水性，減少礦質元素流失，提高礦質元素利用效率，對農田N、P流失引起的水體富營養化具有重要控制作用[28 - 33 ]。另外，由于含有大量礦質灰分（以K、Ca、Na、Mg為主）[34 ]和豐富的離域π電子[35 ]，生物炭大多呈堿性（pH > 7），且隨熱解溫度的升高堿性增強。

2? ?生物炭對土壤肥力質量和環境質量的影響效應與產生機制

將農業廢棄生物質通過熱解炭化技術制備為生物炭并作為土壤改良劑施入農田，對于改善耕作土壤的理化性質和生物學特性、增加土壤肥力、修復土壤污染、提高作物產量和品質具有重要作用[36 ]。

2.1? ?生物炭對土壤水分的影響及其機制

生物炭施入農田后在不同程度上有利于增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，從而提高土壤田間持水量和有效水含 量[37 - 39 ]，這對于增加作物根系對土壤水分和水溶性礦質養分的利用效率具有重要意義。勾芒芒等[40 ]在每千克砂壤土中分別施入10～60 g花生殼炭，發現土壤毛管持水量增加至對照樣的1.2～1.7倍，表明生物炭在一定施用量范圍內能夠通過增加土壤毛管持水量而提高土壤有效水含量。田丹等[41 ]將秸稈炭和花生殼炭分別按5%、10%和15%添加比例施入砂土和粉砂壤土中進行水平土柱試驗，結果顯示，兩類生物炭處理分別使土壤水分擴散率降低了52%～89%和83%～ 96%，從而顯著提高了兩類土壤的持水能力并有效控制水分入滲。

2.2? ?生物炭對土壤礦質養分生物有效性的影響

由于含有高濃度礦質元素、豐富的表面官能團以及較高的CEC值，生物炭在農業土壤中的施用將會在不同程度上提高土壤養分的生物有效性。首先，生物炭灰分中含有的水溶性礦質元素能直接提高耕作土壤中的營養元素總量和作物可利用態營養元素的含量[42 ]。田間微區試驗發現，秸稈炭和竹炭的加入使稻田土壤速效磷含量分別增加了33.5%和29.3%，速效鉀分別增加了98.5%和54.8%[43 ]。其次，生物炭能通過其表面酸性官能團和金屬氧化物羥基化表面對礦質陽離子產生吸附與持留作用，從而有利于提高耕作土壤CEC值，減少營養元素的淋溶損失[44 - 47 ]。在土柱模擬降雨試驗中，生物炭（2%添加比例）與N/P混施處理使N淋失量降至單施N處理的57.9%[48 ]。類似地，李際會等[49 ]在土壤中按2.5%～10.0%的比例添加Fe（III）改性生物炭，發現與對照相比，硝態氮和有效磷的淋失量分別顯著降低20%～ 59%和45%～75%，表明生物炭能夠有效降低土壤N、P的淋失量。第三，生物炭在土壤中持續發生的緩慢氧化反應能夠通過生物炭表面含氧官能團的不斷生成而提高土壤CEC值，從而對耕作土壤的可持續生產力產生調控效應。由刺槐樹皮所制備的生物炭在30 ℃條件下與石英砂混合共育120 d后，其CEC值由起始140 mmol/kg升高至214 mmol/kg[50 ]。Laird等[51 ]研究發現，木基生物炭以5～20 g/kg的比例施入中溫性典型濕潤軟土（Mesic Typic Hapludolls）中，共育500 d后，土壤有效陽離子交換量（ECEC）值較對照增加了4%～30%。

2.3? ?生物炭對酸化土壤的改良效應

自20世紀80年代至2008年，由于銨態氮肥的大量施用及酸雨沉降，導致我國六大類農業土壤pH平均降幅達到0.13～0.80[52 ]，這是我國農業土壤肥力質量快速退化的重要指征;同時，大量H+在土壤中的富集將加劇其中重金屬水溶性、遷移性和作物有效性的升高。而生物質熱解過程中產生的大量無機灰分使生物炭對于酸化土壤改良具有重要價值。張祥等[53 ]通過盆栽試驗發現，花生殼炭（1%～2%）與底肥（改良Hoagland和Arnon肥料配方）配施可緩解或消除單施化肥對酸性紅壤的酸化效應，單施底肥土壤在共育270 d后pH較對照降低了0.87，而底肥+ 1%生物炭混合處理土壤pH僅降低了0.21，底肥+ 2%生物炭混合處理土壤pH則提高了0.65。類似的，Yuan等[54 ]將不同原料制備的生物炭以10 g/kg的比例施入土壤，在25 ℃下共育60 d，發現在以油菜、稻草、玉米等非豆科作物秸稈為前體制備的生物炭處理下，土壤pH增加了0.18～0.66;而在以綠豆、花生、大豆等豆科作物莖葉為基質制備的生物炭處理下，土壤pH增加了0.59～1.05。與此同時，綠豆莖葉基生物炭使土壤的交換性酸度由5.95 cmol/kg（對照樣）降低至2.62 cmol/kg，鹽基飽和度較對照則增加了30.62%。

2.4? ?生物炭對土壤微生物區系的影響

生物炭較為發達的孔隙結構、對水肥的持留作用及其對土壤酸度的緩沖效應將直接影響土壤微生態環境，進而對土壤微生物群落結構、種群數量和活性產生調控作用[55 - 58 ]。Sun等[59 ]將玉米秸稈基生物炭（含5%黏土）按10%比例施入土壤中，進行室內盆栽大豆試驗，30、60、120 d后分別收集土樣，發現土壤中施加生物炭后會培育出更多真菌，并且會刺激周圍細菌的生長，但是菌群數量的變化并不是一直升高：加入生物炭的土樣真菌含量在前60 d不斷升高，而從第120 d開始出現下降。Chen等[60 ]將小麥秸稈基生物炭以20、40 t/hm2施入水稻田中，在種植了兩季水稻之后采集土樣，發現細菌16S rRNA基因拷貝數分別較對照增加了28%和64%，而真菌18S rRNA基因拷貝數分別較對照降低了35%和46%。另外，在40 t/hm2生物炭處理的稻田土壤中，嗜甲基菌（Methylophilaceae）和嗜氫菌（Hydrogenophilaceae）豐度較對照降低了70%，而厭氧繩菌（Anaerolineae）較對照則增加了45%。以上研究表明，生物炭施入農田后極有可能改變土壤各類微生物數量、活性和群落組成，從而對土壤中由微生物驅動的C、N、P等礦質元素循環和形態轉化產生影響，最終使耕作土壤肥力質量和功能發生改變。

2.5? ?生物炭對農作物產量和質量的影響

生物炭對土壤物理、化學和生物特性的改變將最終影響農作物產量和品質。研究表明，生物炭在農業土壤中的施用有利于提高多種作物產量，包括青菜、水稻、小麥、糜子、玉米、番茄、胡椒等。Steiner等[61 ]在亞馬遜河流域進行田間試驗，將木炭以11 t/hm2的比例與肥料混合施入土壤，發現該處理可使水稻和高梁產量提高到單施肥料的2倍;同時，該處理土壤中的C流失率僅為8%，遠低于對照樣土壤（25%）。張偉明等[62 ]采用盆栽試驗，將玉米秸稈基生物炭以1%、2%和4%施入砂壤土中種植水稻，培育90 d后，各生物炭處理使水稻平均增產25.3%，其中以2%生物炭處理下的水稻產量最高，較對照提高了33.2%;與此同時，生物炭共育使水稻根系體積、鮮質量、總吸收面積和活躍吸收面積顯著增加。張娜等[63 ]的研究表明，添加生物炭能夠有效地提高農作物的產量。勾茫茫等[40 ]研究表明，生物炭能夠促進番茄根系的發育和產量的提高，在添加量為40 g/kg土條件下，番茄根系主根長、主根直徑、總根系鮮質量和產量分別是對照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。劉阿梅等[64 ]研究發現，生物炭添加量為10%時可明顯促進圓蘿卜和小青菜的生長發育，提高鮮重。

2.6? ?生物炭對土壤中有機污染物的吸附

生物炭的添加可影響有機污染物在土壤環境中的遷移轉化，降低污染物的生物有效性。余向陽等[65 ]研究發現，添加生物炭的農田土壤，對農藥的吸附量提高了5～125倍，且吸附56 d后的農藥解吸率降低了96%。在土壤中添加5%生物炭對莠去津、乙草胺、毒死蜱等產生明顯的吸附作用，添加1%生物炭處理的土壤六氯苯、五氯苯和1，2，3，4-四氯苯的殘留率分別顯著高于對照29.9%、18.0%、5.2%。

2.7? ?生物炭對連作土壤的影響

程效義等[66 ]研究發現，施用生物炭有利于改良連作設施土壤，促進黃瓜根系發育。顧美英等[67 ]研究表明，施用生物炭能提高新疆灰漠土和風沙土連作棉田根際土壤養分和微生物多樣性。王枚等[68 ]的研究表明，施用生物炭能減少蘋果連作土壤中有害酚酸類物質的積累，增強土壤酶活性，優化土壤真菌群落結構，提高連作條件下蘋果幼苗的生長發育，對緩解蘋果連作障礙有一定的效果。

3? ?結束語

生物炭獨特的理化特性使其在穩定固碳的同時能夠有效提高土壤持水保肥能力，有利于提高土壤營養元素利用效率，進而減少N、P外源輸入與徑流損失，并能對有機污染物產生吸附作用，改善土壤環境，提高作物產量和品質。在設施土壤、果樹生產和經濟作物連作土壤上施用生物炭均有改善連作障礙的效果。未來應加強生物炭在土壤連作障礙治理及其可持續性利用方面的研究。

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（本文責編：鄭丹丹）