生物炭對酸性土壤改良的研究進展

郜禮陽，林威鵬，張風姬，周巧儀，劉淑媚，熊 蔓，凌彩金

（1.廣東省農業科學院茶葉研究所/廣東省茶樹種質資源創新利用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.英德市農業技術推廣中心，廣東 英德 513049；3.東莞市農業科學研究中心，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）下降的過程［1］。土壤酸化伴生于自然成土過程且進程極其漫長，但近些年來，受高強度人類活動的影響，土壤酸化過程大大加速［1-3］。有報道指出，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［2-3］。我國酸化土壤主要分布在長江以南地區，其面積約占全國土壤面積的22.7%，pH在4.5～5.5之間，一些地區甚至低于4.5［4］。張福鎖院士團隊研究發現，自20世紀80年代到本世紀初，我國農田土壤pH下降0.5個單位，未來土地利用趨向集約化且糧食需求量有所增大，土壤酸化程度或將繼續增加［5］。

土壤酸化將引起產地環境質量安全與健康問題，如養分流失、肥力下降、土壤生物活性降低、作物減產、重金屬活化增加潛在風險等。首先，土壤酸化使H+濃度升高，導致凈負電荷量減少，K+、Ca2+、Mg2+等鹽基性養分陽離子因缺少結合位點而大量淋失，最終土壤鹽基飽和度下降，有效態營養元素含量急劇減少，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，不僅嚴重影響作物吸收［7］，更加速礦物的風化，導致土壤陽離子交換量（CEC）減小，對鹽基陽離子和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，嚴重阻礙土壤有機質的礦化、無機物的分解和養分的轉化，進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越低對酶活性的抑制作用越強［11］。還有研究表明，土壤酸化會導致水稻［12］、玉米［13］、葡萄［14］、番茄［15］、黑麥草［16］、煙草［17］等作物大幅減產。最后，伴隨酸度增強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），對產地環境、作物及其產品的質量安全產生負面影響，最終對人類的健康甚至生命構成威脅。

目前，針對酸性土壤改良的主要技術包括施用石灰、土壤調劑，堿性肥料、有機肥和生物炭等［4］。其中，生物炭因原料來源廣泛、理化特性突出作為一種新興土壤改良劑備受國內外學者的關注。

1 生物炭材料及其特性

生物炭是不同來源有機物質（如作物秸稈、生活污泥和動物糞便等）在限氧條件下通過較低溫度（≤700 ℃）熱裂解產生的一類含碳、穩定、高度芳構化的碳質材料［18-19］。生物炭原料的獲得性極強且成本低廉，這也是生物炭較為突出的優勢之一。常用的原材料有農林廢棄物，如小麥秸稈［11,16-17］、竹子［12］、木屑［15］、水稻秸稈［18］、桉樹樹葉［19］等；畜牧業廢棄物，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。生物炭的制備工藝相對較為簡單，當前“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］。生物炭制備過程中除了產生固體物質生物炭外，還有氣體和液體物質伴生，如裂解氣（H2、CO、CH4）、焦油和木醋液等［26］，這些副產物大多用于替代能源、化工原料等方面。生物炭的應用主要集中于農業領域和工業領域，在農業領域，生物炭及炭基肥料主要用于耕作障礙土壤的修復與改良，如重金屬污染土壤修復、酸化土壤改良、貧瘠土壤肥力提升等；工業領域，生物炭主要用于工業能源供應、功能材料的開發、水體重金屬污染修復等［27］。

生物炭的理化特性（表1）使其在農業、環保、能源等領域備受關注。生物炭的孔隙結構較為發達，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位；自然狀態下生物炭呈現堿性且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等重要的養分元素［20-21］，可實現C的固定和養分的循環與補充。此外，生物炭表面還含有種類多樣的基團，主要是羥基（-OH）、羧基（-COOH）、內酯基（-COOR）等含氧官能團，它們在吸附過程中同樣發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 生物炭對酸性土壤理化性質的影響

2.1 團聚體

團聚體是土壤結構的基本單元，土壤肥力的物質基礎，作物優質高產的必需條件之一，團聚體的大小、分布和穩定性決定著土壤養分物質的循環與利用效率［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，促進土壤團粒結構的形成。豐富的團粒結構使土壤中固液氣三相協調穩定，因而土壤可耕性良好、板結度降低，有利于作物根系生長，有利于農業豐產穩產。有學者研究發現［16］，酸性土壤施用生物炭后，水穩定性團聚體比對照增加了15.0%～37.0%，達到顯著水平。李江舟等［30］進行了3年大田長期定位試驗的結果表明，生物炭施入酸性土壤后，＞0.25 mm粒級團聚體數量比對照增加57.8%～77.8%，生物炭連續施用可大幅提高耕作層土壤團聚體穩定性，且提升效果與用量在一定范圍內呈正相關關系。然而，有些學者的研究結果并不支持上述結論，比如，葉麗麗等［31］的室內培養試驗發現，生物炭不僅不能提升紅壤中團聚體含量，甚至還造成團聚體穩定性下降，進而導致土壤粘結力減弱，水土流失風險升高；Peng等［32］的研究也發現生物炭使團聚體穩定性有所下降（1.0%～17.0%）。另有學者［29］發現，施用生物炭雖然提高了團聚體的含量，但對團聚體的形成和穩定性無顯著影響，還有的研究結果［30］顯示，生物炭對酸性土壤0.053～0.25 mm粒級的團聚含量無顯著影響，且這一效應與用量大小無關，但＜0.053 mm粒級的團聚體含量下降28.6%～39.5%。由此可見，生物炭對團聚體的影響是多因素、多方面共同作用所致。生物炭可以增強土壤生物的活性，促使其產生更多團聚體形成所需的膠結物質，從而提高團聚體的穩定性，但不易分解且分解過程不產生促進團聚體穩定物質，可能不利于團聚體的形成與水穩定性，還可能與酸性土壤的結構、質地、土壤環境等相關。

2.2 容重

容重是表征土壤熟化程度的重要指標，熟化程度較高則容重較小。一般來說，有機質含量較高且容重較低的土壤有利于土壤養分持留和緩釋，有利于土壤板結度降低并促進作物種子萌發［33］。

有學者發現，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，提高土壤水分涵養能力，且效果優于秸稈還田和農家有機肥［34］。也有學者報道，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、促進作物健康生長［33］。還有一些類似的研究結果，如閻海濤等［35］在植煙的弱酸性土壤進行試驗，結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%且達到顯著水平；熊薈菁等［14］研究發現，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、容重顯著下降9.4%；黃超等［16］也發現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構發達、比表面積巨大且質量遠低于礦質土壤有關。

2.3 水分持留

水分持留反映土壤水分含量及其有效性，是衡量土壤生產力的重要指標之一。有研究表明，生物炭具有很強的持水能力，可以增強水分的滲透性，提高土壤水分和養分含量［32,36］。黃超等［16］發現，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%，且這一數值與生物炭施用量在一定范圍內呈現正比關系。施用生物炭的酸性土壤含水率顯著升高（7.4%～18.0%），當生物炭施用量為40.0 t/hm2時，達到峰值18.0%［35］。另外，熊薈菁等［14］將生物炭施入酸性葡萄園土壤，發現土壤的儲水能力顯著增強，其含水量提高了35.4%。然而，潘全良等［34］的干旱模擬試驗卻發現，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%。

上述結果出現的原因可能有，生物炭的疏松多孔結構、強大吸附能力，使得土壤中的水分、礦質離子和有機粒子等被牢牢地吸附在點位上，水分得以儲存，養分得到更高效利用；然而，不同物質之間吸水性能存在較大差異，生物炭大多含有疏水基團，而豬廄肥等農家肥本身吸水性較強，并且生物炭加深了土壤顏色吸熱更多，也可能導致水分含量略低于農家肥。

2.4 有機質

土壤有機質是植物營養的主要來源之一，它可以促進植物生長發育、改善土壤物理性質、促進土壤生物活動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質組成，隨著用量的增加，腐殖酸比例雖有所下降，但胡敏素等有機物質顯著增加［16］。有研究表明，施加生物炭可以大幅提升酸性土壤有機質含量，與對照相比，添加生物炭的處理中有機碳含量顯著提高了45.6%［29］；也有研究發現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碳含量逐年增加（38.7%～60.1%）［30］。熊薈菁等［14］將生物炭連續施入酸性葡萄園中，與常規施肥相比，第二年和第三年土壤有機質含量分別提高52.0%和94.3%，且均達到極顯著水平。張阿鳳等［17］研究發現，酸性土壤中施用1.0%～3.0%的生物炭，土壤有機碳含量顯著提高了381.0%～302.3%，但提升效果與用量之間無顯著相關關系。有研究認為，生物炭主要通過促進土壤中有機質的分解與釋放，提高土壤微生物的活性進而促進土壤腐殖質的分解，最終提升土壤有機質含量［42］。也有學者［43］報道稱生物炭表面的芳香結構在酸性土壤中鈍化生成的保護基質提升了有機質的穩定性，確保有機質不易被分解，間接提高其在土壤中的含量。

2.5 重金屬

土壤常見重金屬包括Pb、Cu、Cd、Cr等，可導致植物營養不良、根系和葉片等出現病變，引起動物呼吸系統紊亂、免疫力降低、各器官疾病等。為此，眾多學者針對酸性土壤重金屬污染開展了大量研究。其中，Chintala等［37］通過土培試驗發現，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］研究發現，生物炭對土壤中有效態Cd含量的降低作用明顯（37.2%），堿改性生物炭更是達到58.8%的降低比例。Herath等［15］利用MgCl2萃取土壤重金屬的方法，發現酸性土壤中可交換態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。還有部分學者發現［15］，添加生物炭的試驗植物生長率顯著高于對照組，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。

生物炭較強的堿性可以提高土壤pH，促使土壤中的重金屬形成固結物或凝結成礦物，即土壤重金屬離子由可交換態向更穩定的狀態轉化，從而降低其在土壤中的遷移性［39-40］。同時，生物炭中的含氧官能團可與土壤中的重金屬發生絡合反應鈍化或固定重金屬，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、疏松多孔的結構和表面的負電荷可以直接吸附土壤中的重金屬，降低生物可利用態的重金屬含量［15,38］。

2.6 pH值

土壤pH值與土壤養分的有效性密切相關［17］。土壤pH值較低時，可能出現肥力減弱、質量下降、作物無法正常生長等現象，而生物炭大多呈現堿性且pH值較高。眾多學者研究也發現，生物炭施用后，酸性土壤pH值呈不同程度的上升［32,35-36,41］，從零點幾到1個單位不等，有的pH甚至升高1.5個單位以上［38］，最高上升2.1個單位［15］。張阿鳳等［17］研究發現，在酸性植煙土壤中加入生物炭，其pH值上升0.5個單位，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值潛在機制可能有以下幾種：（1）生物炭大多自身含有較強的堿性物質，進入土壤后堿性物質釋放，提高土壤pH值［39］；（2）生物炭進入土壤后能夠促進土壤中有機氮的礦化，而氮的礦化過程會消耗質子，因此土壤pH值得到提高［39］；（3）生物炭具有優良的吸附性能，進入土壤后能夠吸附土壤中的NH4+，進而抑制硝化作用，而硝化作用會產生質子，因此生物炭間接提升土壤pH值［39］。（4）生物炭制備過程中形成的碳酸鹽（如MgCO3、CaCO3）和有機酸根（—COO—）施入酸性土壤后發生脫羧作用，或者生物炭表面的官能團之間發生了配體交換，消耗了環境中的質子，因而土壤pH值有所升高［15,37］。

2.7 養分

土壤養分是衡量土壤肥力的重要指標之一，其含量直接影響作物的生長及產量。Chintala等［37］發現，在酸性土壤中施用生物炭后，與對照相比，總氮含量急劇上升，其中柳枝生物炭更是達到32.0倍。張阿鳳等［17］在酸性土壤中施用不同比例的生物炭，結果與對照相比，全氮含量均顯著提升，最高提升41.7%，同時，施用最佳比例生物炭后，土壤硝態氮和銨態氮相比對照分別提高48.8%和90.5%。閻海濤等［35］發現，酸性土壤中全氮含量與生物炭添加量呈顯著正相關關系（24.7%～134.0%），全氮最高比對照提升2.3倍。熊薈菁等［14］研究表明，施用生物炭兩年后，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年已達到顯著水平。然而，也有研究發現生物炭連續施用會導致耕作層土壤中的堿解氮含量略有下降，但不顯著［33］。

同時，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］發現，不同來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］發現，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%時增幅最大，達到282.4%。熊薈菁等［14］研究發現，在連續施用生物炭后，酸性土壤中的速效P顯著提高了18.0%～21.8%。也有學者發現，生物炭的添加對酸性土壤速效磷含量并無顯著影響，且這種影響不隨添加量的改變而有所改變［35］。還有學者報道［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。

此外，有研究者［32］表示，生物炭的施用可以增加植物對K的吸收并提高土壤重養分的利用效率。也有研究發現，施用生物炭后，酸性土壤速效K含量呈現不同程度升高，最高可增加9.7%，顯著改善土壤中的養分條件［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果，與對照相比，施用生物炭的酸性土壤中全鉀含量提高了114.0%。同時，根際土壤中速效鉀的含量也顯著增加，當施用比例為3%時達到最高值474.8%。

生物炭提高土壤養分含量的原因可能是：（1）生物炭自身含有較高的速效養分，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構增強了其對營養元素的吸持能力，減少了養分元素的淋溶，使得土壤養分被固定且具有緩釋作用；（3）生物炭發達的孔隙結構為微生物提供適宜的棲息環境，提高了土壤保肥性能；（4）生物炭通過提升土壤pH、CEC降低Fe、Al交換量來增強P素有效性；降低土壤養分含量的原因可能是：（1）生物炭施用過多造成土壤中碳氮比過大引發N素的固定；（2）生物炭中的揮發性物質影響了土壤微生物等的活動，導致土壤養分含量略有下降。

2.8 陽離子交換量（CEC）

CEC值可以估算土壤吸收、保留和交換陽離子的能力，是反映土壤保肥性能的重要指標之一。CEC值增大可使土壤緩慢釋放營養物質并使有機質趨于穩定，從而促進植物對營養成分的充分吸收。

研究表明，生物炭因其巨大的比表面積顯著提升了土壤對陽離子的吸附效果，從而增加耕作層土壤 CEC值［16,36,38］。有學者［16,36］在酸性土壤中施用生物炭，一段時間后取樣檢測，發現土壤CEC值大幅提升（4.0%～21.3%），效果顯著。Chintala等［37］利用不同種類農林廢棄物制備的生物炭改良酸性土壤，結果表明施入黃松木碎屑生物炭處理比對照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］研究發現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離子的飽和度，且豆類秸稈生物炭效果明顯優于非豆類。還有學者［38］發現酸土壤中添加生物炭后，游離態的K+、Ca2+、Mg2+等交換性鹽基離子呈不同倍數增長（1.4～2.0倍），且其增量與生物炭的施用量相關。關于生物炭對土壤CEC的作用機制主要有以下兩種觀點：（1）生物炭表面有很多負電荷及陰離子，施入后增強了土壤膠體對鹽基離子的吸附性，進而提高酸性土壤CEC［37］；（2）生物炭表面的芳香族化合物氧化形成羧基官能團的過程中，增加了對陽離子的吸附值，提升了酸性土壤CEC［16］。

3 生物炭對酸性土壤生物活性的影響

3.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤微生態環境中物質轉化的載體，在土壤養分循環、有機碳礦化—固定過程中起著關鍵作用。土壤微生物通過在植物根系周圍構建相對穩定的微生態環境，對植物根系的保護、病原菌和害蟲侵害的減少、養分的供應等均有積極影響。此外，土壤微生物還能敏銳地反映土壤微生態環境的變化。

生物炭因其特殊的理化性質，在調控土壤微生物數量、活性和群落結構等方面發揮著重要作用。有學者［15］發現，施用生物炭可以提高土壤真菌的繁殖能力和活性，促進細菌、真菌和放線菌等的生長，并且顯著提高真菌和革蘭氏陰性菌生物量。閻海濤等［35］也發現生物炭施入土壤后，不僅使作物根部的真菌繁殖能力顯著增強，而且改變了土壤微生物的群落結構和相對豐度，并且這種影響在真菌的門和屬水平上均有所體現。然而，Herath等［15］通過對比試驗發現，酸性蛇紋石土壤中，細菌和真菌的數量隨生物炭添加量的增大呈現先上升后下降的趨勢，其中，添加2.5%的生物炭時，土壤中微生物群落數量達到峰值。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正相關關系，最大增幅達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%。另有研究發現，生物炭施入土壤后，微生物生活動收到不利影響［33］；還有一些報道認為，過量添加生物炭可能導致土壤微生物總量大幅下降［15-16］。生物炭對土壤微生物的影響機制尚不明確，目前主要有以下觀點：（1）生物炭疏松多孔的結構、較強的吸附能力及豐富的養分元素，不僅為土壤微生物棲息提供良好的保護性空間與環境，還為其生長繁育提供場所和養分，從而增加微生物整體數量及活性；（2）生物炭用量過高可能導致碳氮比升高引發N素固定，或者無機養分及有機小分子被生物炭吸附固定，微生物因缺少營養物質造成群落結構改變及種群數量減少。

3.2 對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來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過程（如有機物分解、養分循環等），其活性可以反映生化過程的活躍程度、微生物活性和養分循環狀況等，是衡量土壤質量的重要指標。此外，土壤酶與土壤有機質、N素和P素存在顯著或極顯著相關關系，可以揭示不同條件下的土壤肥力狀況。

有研究發現，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關系［44］。也有研究報道，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。張阿鳳等［17］研究表明，與對照相比，適量的生物炭處理可使根際土壤脲酶活性增強35.0%，土壤蔗糖酶活性顯著增強200.0%左右；但生物炭添加比例較高（0.5%～3.0%）時，土壤脫氫酶的活性下降，且活性隨用量增加呈現V字型下降，最大降幅達63.6%；Wu等［46］的研究也有類似發現。然而，黃劍［47］研究發現，堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性隨生物炭用量增加而增強，但用量較高（4 500.0 kg/hm2）時，脲酶、葡糖苷酶和纖維雙糖苷酶活性卻被抑制。目前關于生物質炭對土壤酶活性的作用機制研究較少，可能與生物質炭自身性質、施用量、供試土壤的理化性質及目標底物之間進行的各種反應等有關。

4 生物炭對酸性土壤作物的影響

在農業方面，生物炭不僅可以用作土壤調理劑，還可以用作肥料。近年來，關于生物炭對作物影響的報道日益增多。生物炭具有獨特的理化性質且影響土壤養分的含量及有效性，施入土壤后可顯著促進種子萌發和植物根系生長，進而提升作物生產力、產量及品質。

眾多學者開展了生物炭對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行還田試驗，施用后的第1年水稻產量便增加了13.5%；也有學者［13］發現，施入生物炭20 000.0 kg/hm2，第2年玉米產量增加28.0%，第4年產量提高了140.0%。Peng等［32］的研究數據也支持上述結果，此外還發現生物炭與NPK配合施用，模式作物生物量可比對照增加9.4倍。熊薈菁等［14］將生物炭與常規肥料配施，結果相比常規施肥，葡萄產量顯著增加（11.7%～20.1%），總糖含量顯著提高（6.3%～10.3%），同時葡萄的總酸含量下降（6.3%～11.7%），糖酸比不同程度提升，葡萄原料的品質得到提高，所釀制葡萄酒的口感較佳。Herath等［15］開展番茄種植試驗，發現在酸性蛇形土壤中添加5.0%的生物炭，收獲時其生物量竟比對照提高了40倍。張阿鳳等［17］在酸性植煙土壤中施用3%生物炭，結果煙葉最大葉面積比對照增加了155.3%，煙草葉片數量增加了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對作物產生較大影響，一般用量較少時可提高作物產量，用量較多時作物產量反而下降［16,36］。例如，生物炭能顯著提高低肥力土壤上黑麥草的產量且增幅隨用量增加而增大（7.0%～53.0%），而對高肥力土壤上黑麥草產量的影響不顯著，并且當用量達到一定數量時，生物炭甚至抑制黑麥草的生長進而造成產量有所下降［16］。還有的報道顯示，無論有無外源N素添加，生物炭用量過大（100.0 t/hm2）時，都無法阻止作物產量下降，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分，且為微生物群落提供生存空間與營養物質；（3）生物炭發達的孔隙結構增加了土壤的孔隙度和持水性，改善了植物根系的生長環境；（4）生物炭的連續施用對于土壤中養分、有機質與酶的活性等具有一定的正向累積效應。減產原因：（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高；（2）生物炭通常堿性較強，添加后土壤的pH值過高，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改善、生物活性增強、作物產量與品質提升等方面效果較佳。然而，生物炭由理論研究轉為應用推廣，從科研實驗走向實際生產，這個看似簡單的過程中仍然存在一些尚未解決的問題。

（1）建立標準統一的生物炭評價體系，生物炭的原料廣泛多樣，方法不盡相同，成本差異顯著，潛在風險未知，應用價值不明等，這些問題均阻礙生物炭更深入的理論研究與應用推廣。因此，需要建立一套標準統一的評價體系，規范從原料選取到實踐應用的各環節技術參數，以期在實現廢棄物利用的同時創造更多更大的價值。

（2）開展生物炭對酸性土壤大尺度、長期影響研究，小尺度、短期的試驗結果，大多呈現正面效應，但生物炭pH值普遍較高，且內含少量多種重金屬元素，大面積、長期施用，可能產生重金屬累積、土壤過堿等負面效應。因此，需要進行相關研究，明確生物炭的作用周期及周期內正負效應變化規律，以規避大尺度、長期施用生物炭的潛在風險，實現生物炭的高效可持續利用。

（3）開展生物炭與酸性土壤相互作用機制研究，目前的研究多數為生物炭對酸性土壤的影響，但生物炭添加至酸性土壤后，二者勢必相互影響，若能探明生物炭與酸性土壤的相互作用機理，便可知曉生物炭是直接作用于酸性土壤，還是通過其他媒介間接影響酸性土壤。這一機制的明晰將進一步豐富生物炭的理論研究，也為生物炭應用的定向化提供參考。