生物炭添加對農田土壤環境及作物生長影響研究

任芳芳，張金霞，劉興榮，丁 林

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

因為人們對作物產量的高度關注，伴隨著化肥的過度施用從而導致農田土壤環境的加劇惡化，所以大家都希望找到一種有效的解決途徑，以快速、經濟地降低化肥對于農田土壤環境的不利影響。近年來，亞馬遜流域的黑土成為國內外學者研究的熱點。黑土是人們通過動物糞便、魚、動物骨頭和植物廢物等制造而成，它多產、肥沃，對恢復貧瘠土壤肥力有很顯著的效果。與一般土壤相比較，它富含有機碳，且具有較高的生產力。生物炭與黑土相似，都含有較高含量的有機碳，并且對作物生長有積極的作用。因此，學者們把生物炭用于土壤改良，它能促進作物生長，使得作物有較高的產量。將生物炭添加到農田土壤當中，以此來改善土壤性質，該方法一經提出，就受到了國內外學者的廣泛關注[1]。

生物炭又叫生物質炭，它是生物質在高溫(小于700℃)下，在完全或部分缺氧條件下熱裂解的產物[2]，其主要含有C、H、O、N和S等元素，且具有性質穩定的特性。生物炭具有孔隙度高、比表面積大的特點。它能有效改善土壤通氣性，提高保水保肥能力，促進作物根部生長。生物炭還具有吸附能力強、容重小、含碳量豐富、性質穩定等特點，且一般為堿性。在農田土壤中添加生物炭可以改善土壤質量，提高作物的產量，其在修復被污染的土壤、固碳減排[3]、減少污染物對生態的危害、廢棄生物質資源化等方面也表現出了很大的優勢[4]。

綜上，研究添加生物炭對農田土壤環境和作物生長的影響具有重要的實際生產意義。生物炭的特有性質可以對作物的生長發育有積極的作用，也在其他方面表現出巨大潛力，如污染土壤的修復、污染水體治理等。

1 施用生物炭對土壤理化性質的影響

1.1 生物炭對土壤物理性質的影響

1.1.1生物炭對土壤容重的影響

土壤容重是體現土壤物理性質的一個重要因素，土壤容重與土壤孔隙緊密相關，它可以表現出土壤的疏松程度和土壤結構，即土壤容重越小越疏松。因生物炭的容重小，所以將其施入土壤中可降低土壤容重。陳紅霞等的研究就證明了這一點，其結果表明生物炭對耕作層土壤容重有較好的降低作用，并且土壤容重隨生物炭施入量的增加表現為逐步減小的趨向[5]。李玉梅等通過對不同施用量的生物炭的試驗研究發現，其土壤的容重平均減小了0.126(g·cm-)3；且在添加量達到一定水平后，土壤容重的降低呈現平緩趨勢[6]。

1.1.2生物炭對土壤團粒結構和水分的影響

團粒結構良好的土壤具有多級孔隙，這有利于改變土壤的通氣性、透水性和保水能力，對土壤肥力也有良好的協調作用。土壤團粒結構可以影響作物根系的良好生長，而生物炭能夠很好地改善土壤團粒結構，從而促進作物生長。付玉榮等研究表明：生物炭的使用可以優化土壤團粒結構，提高土壤肥力，調節田間持水能力，也能夠很好地減少土壤體積質量(表層土壤表現明顯)，提高土壤含水率[7]。張皓鈺等也發現，生物炭添加到土壤中可以使得土壤的持水能力增強，并且持水能力的變化量隨生物炭量的增加而增大，也提升了各類土壤的飽和含水量(0.7%～17.6%)和低吸力段的持水能力，表現為砂質土持水能力提升、殘余含水量增大；而壤質、黏質土持水能力下降，殘余含水量、田間持水量及凋萎系數均降低[8]。也有研究表明，生物炭的施用量和土壤肥力水平對土壤物理特性有較大影響，即對肥力水平較低的土壤影響顯著，對肥力水平高的土壤影響不太明顯，且不同添加量的影響不同[9]。

綜上，生物炭孔隙率高、比表面積大、容重小的特點，使得它可以優化土壤團聚體結構，提高土壤的透水和通氣性。生物炭也能提高土壤持水能力，降低土壤容重，改善土壤結構并且改變土壤的物理性質，最終提高土壤肥力，促進作物生長。

1.2 生物炭對土壤化學性質的影響

1.2.1生物炭對土壤pH值的影響

生物炭在生產制備的時候，其pH值會受溫度高低的影響，且它的灰分中含有較多的致堿礦物和碳酸鹽，最終使得生物炭一般成堿性[10]。生物炭本身的這種堿性特質，使得它直接影響土壤pH值。張偉明研究發現[11]，生物炭能夠明顯降低土壤酸性，增加生物炭的用量會逐漸增加土壤的pH值。尹小紅等試驗研究發現[12]，生物炭施入稻田土壤后，土壤pH值極顯著地升高，達到了7.16，但這并沒有影響水稻的正常生長。也有研究發現，酸性土壤的pH值受生物炭的影響更為明顯，但中性或者堿性土壤受的影響較小或無明顯影響。劉園等試驗結果就表明，在華北平原的潮土(pH=8.30)土壤中施入生物炭，pH并沒有明顯的改變[13]。

1.2.2生物炭對土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤保肥能力的一種體現，CEC越高，說明土壤保肥能力越好。陳紅霞等[5]研究表明，生物炭對耕層(0～15cm)土壤的CEC有明顯的增加作用，與對照相比，氮磷鉀肥+高量秸稈炭(4500kg·hm-2)和炭基緩釋肥(750kg·hm-2)處理的土壤陽離子交換量值分別增加24.5%和14.7%。陳心想等[14]發現，由于施用生物炭，新積土的土壤CEC顯著增加，增幅為1.5%～58.2%。張新帥等[15]也發現，與對照比較，生物炭能使土壤CEC含量增加57.25%～155.30%，且隨生物炭量的增加而增大，這也說明了生物炭對CEC有非常顯著的影響。蔣少軍等[16]也得出相同結論。

1.2.3生物炭對土壤養分和有機碳的影響

土壤養分是保證作物生長所必需的營養元素，也是作物獲得養分的重要來源之一，土壤養分包括氮、磷、鉀等多種元素。顧美英等研究發現[17]：在低養分的風沙土中施入高量生物炭，可以顯著提高土壤養分含量。李明等[18]試驗表明，在土壤中施入生物炭后，土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量分別比對照增加26.1%、20.6%和281.8%，說明生物炭可以提高紅壤土中的養分含量。曾愛等[19]研究表明，在小麥生長發育過程中，當生物炭用量增加時，土壤中的速效鉀含量也增大，而堿解氮和速效磷含量則表現為先增后減。

土壤有機碳不僅是耕地土壤質量評估的核心指標，也是全球碳循環的重要組成部分[20]。在土壤中施用生物炭后，可以在不增加土壤CO2釋放量的情況下，大大提高土壤有機碳含量，具有良好的固碳減排效果。生物炭能在短時間內(30d)顯著提高土壤有機碳(SOC)含量，且在培養1年后，秸稈炭和木質素炭都能顯著提高SOC含量[21]。

1.3 生物炭對土壤酶活性的影響

土壤酶活性與土壤微生物活性密切相關，土壤酶活性的變化在一定程度上可以反映土壤物質代謝活躍程度和肥力水平，在一定程度上體現了土壤肥力水平。研究表明，作為一種土壤改良劑，生物炭不僅可以改善土壤的理化性質，而且在提高土壤酶活性方面發揮著重要作用[22]。

張繼旭等[23]發現，添加不同水平的生物炭，酶活性也表現出不同情況，具體表現為：脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨生物炭施用量的增加而升高，過氧化氫酶活性隨生物炭施用量的減少而降低，但高添加量的處理下無影響。黃劍[24]表明，生物炭的施用對土壤酶活性有顯著影響，其中土壤轉化酶、脲酶、土壤堿性磷酸酶的活性顯著提高，但也出現了相反的情況，就是當施用生物炭的量較高時，生物炭將抑制脲酶活性。陳心想等[25]也發現，生物炭可顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶活性和玉米收獲后堿性磷酸酶活性，并顯著提高土壤酶指數，但施用生物炭對蔗糖酶和小麥季堿性磷酸酶活性影響并不明顯。與常規施肥處理相比較，在添加生物炭的處理下，土壤的酶活性呈現出較高的水平，這表明生物炭對酶活性有積極的影響，但需注意的是不同量生物炭對不同酶的影響效果各不相同。韓志旺等[26]研究結果表明，對照得出，生物炭施入土壤以后，蔗糖酶和中性磷酸酶活性有所降低，過氧化氫酶活性無較大變化，但脲酶活性卻有明顯提高。王妙芬等[27]發現，生物炭添加顯著提高了β-葡萄糖苷酶、纖維素水解酶、過氧化氫酶活性(1%添加除外)，其中低水平的添加量(1%、2%)會降低酸性磷酸酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，高水平的添加量(3%、4%)則與之相反。

綜上所述，將生物炭施入土壤后，土壤pH值的變化表現為生物炭添加量增大，pH值增加，其中酸性土壤的pH值變化較中性和堿性土壤更為明顯。將適量生物炭施入土壤中，能夠明顯提高土壤養分和土壤有機碳含量，且在貧瘠土壤中施入效果更加明顯。也有研究發現，生物炭添加到土壤后，對土壤物理和化學性質的改變是長期的。許云翔等[28]發現，生物炭施入土壤6年后，土壤有機碳、有效磷、速效鉀水平顯著提高，分別增加了34.6%、12.4%和26.2%；土壤pH值和容重顯著降低，土壤脲酶和酸性磷酸酶的活性顯著升高。

2 生物炭對作物的影響

2.1 生物炭對作物養分吸收的影響

汪勇等[29]研究發現，生物炭可以明顯促進水稻對磷、鉀的吸收。鄭瑞倫等[30]在京郊沙化苜蓿地的試驗發現，施加生物炭后，苜蓿地上部生物量和苜蓿體內的鉀含量分別增加了91.1%、45.7%，氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅和硼在苜蓿地上部的總吸收累積量分別增加110.0%、130.9%、200.4%、82.6%、44.8%、89.5%、99.5%、102.7%和104.7%，這都說明施用生物炭對苜蓿中鉀、氮、磷的吸收均有顯著的促進作用。周加順等[31]研究發現，生物炭顯著促進了作物對鉀素的吸收，尤其是提高了莖葉中鉀的含量，但氮、磷因作物不同而有所差異。王典等[32]試驗發現，施用生物炭后，油菜根、莖、葉、角果和籽粒等的干物重均增加，油菜地上部氮磷的濃度降低，鉀濃度升高，也有助于油菜對磷、鉀等養分的吸收。陳芳等[33]通過盆栽試驗發現，水稻秸稈炭、水稻谷殼炭和果木木炭3種生物炭在一定范圍內都能促進水稻干物質積累和產量形成，干物質量和產量呈現先增后降趨勢，施炭量在20t/hm2時達到最高。

但也有相反的結果出現。比如，張晗芝[34]研究發現，小麥植株的氮磷鉀含量及其吸收和干物質重量并沒有因為生物炭的施用而產生明顯影響，更甚至有抑制作用。這也表明，生物炭對作物的增產有臨界值，并且不會總是隨生物炭的增加而增加[26]。

2.2 生物炭對作物生長的影響

張繼旭等[23]發現，生物炭可以促進烤煙的生長，其株高、葉面積、地上部莖、葉生物量都有所增長，但在高水平的添加量的處理中生物炭呈抑制作用。韋琦等[35]通過田間試驗發現，在不同量生物炭的作用下，番茄的莖粗和株高都有較高的增加。汪勇等[29]研究發現，生物炭能夠增加有效穗數、每穗粒數和結實率，從而顯著提高早稻和晚稻的產量及地上部生物量，有利于作物的生長和增產。周勁松等[36]研究表明，濃度為5.0%的生物炭會顯著增加水稻秧苗的株高和干物質累積量，濃度為10.0%～15.0%的生物炭則使得株高達到最高值，再進一步提高生物炭的添加量就會使株高和干物質累積量下降。楊剛等[37]的研究表明，不同添加量生物炭處理的玉米株高比原土處理提高了12.44～13.13cm；與原土玉米相比，莖粗增加了0.11～0.18cm，但當生物炭施用量達到15g/kg時，株高、莖粗和葉片數增加不明顯。武夢娟等[38]也發現，當生物炭濃度為5.0%時，綠豆幼苗長勢最好，但是，當生物炭濃度超過25.0%后，葉綠素含量出現顯著波動，綠豆幼苗的株高則一直呈現遞減的趨勢。

由此，在作物的生長發育過程中，適量添加生物炭有利于作物的生長，而單一追求高量的生物炭施用對作物生長并沒有明顯的作用，甚至有時會過猶不及，出現抑制作用。有學者的研究也發現，生物炭對作物的促進作用不只受添加量這一個因素的影響，生物炭的特性和施用量、土壤的肥力和原始性質以及作物類型都將對其產生一定影響[39]。

3 生物炭的其它影響

劉桃妹等[40]研究發現，生物炭對水溶性重金屬的有毒離子有非常好的固定作用，并將其轉化為無毒化合物，能夠有效緩解土壤中的重金屬污染，而生物炭吸附重金屬離子的能力也與pH值和溫度密切相關。楊凱等[41]研究發現，在溫度濕度一定、干濕交替和凍融循環條件下，在添加玉米秸稈生物炭的處理中，鉛的有效態含量分別降低了47.4%、16.1%和45.0%。它對污染土壤中的鉛具有穩定的鈍化作用，對土壤酶的綜合活性指示的土壤生物學活性沒有負面影響，在鉛礦區污染土壤的原位修復中具有很高的潛力。

連念[42]研究表明玉米秸稈生物炭對廢水中Ni2+的去除率會隨著吸附時間的增加而增加；其中在120min時，在300、500、700℃的溫度下玉米生物炭的去除率分別會達到76.1%、81.4%、92.8%。另外，生物炭對廢水中的甲醛也有較好的吸附效果，一定條件下甲醛的去除率可達92.31%[38]。

綜上，生物炭可有效吸附重金屬元素，對于污染土壤的改良有積極的促進作用，也對污染水體的治理有良好的效果。

4 存在的不足及展望

綜上，生物炭對土壤物理化學性質的改變有積極作用，也對作物的生長發育有明顯的促進作用，除此之外，生物炭也對污染土壤修復及污染水體的治理等其他方面也表現出一定的優勢。

但是，目前關于生物炭的添加對農田土壤環境及作物生長影響的研究也還存在以下一些不足。首先，目前對于生物炭單獨施用的研究雖較多，但關于生物炭和肥料結合施用的研究卻較少。并且其大部分研究集中在蔬菜等經濟作物上，而對小麥和玉米等糧食作物的研究較少。如何將生物炭與肥料配施，讓其發揮更大的優勢，更有利于作物的生長發育，應進一步加深關于這部分的研究。其次，關于生物炭對于土壤及作物的影響，短期內影響的研究較為廣泛，但生物炭一次施用后對于土壤性質及作物的長期影響的研究還很有限，可深入探究生物炭一次施入土壤后的長期作用機制。再則，由于各類生物炭的制備工藝有所不同，導致其性質也不同，這會影響生物炭的適用范圍，不同性質的生物炭對土壤和作物的影響也不同，所以有必要進一步闡明不同性質的生物炭對各種土壤類型和作物的影響。最后，目前關于生物炭的研究內容都是其積極的方面，而生物炭對作物、土壤和生態環境等是否還有負面的影響，亟待更深入的研究。

5 結語

土壤環境問題的日益嚴重使得人們更加迫切的尋找一種方法來解決這一問題，生物炭的獨特屬性使得它在使用時具有很大的優勢，對土壤改良和作物生長有著積極的促進作用，也在修復污染土壤和水體等方面表現出很大的潛力。綜合考慮生物炭自身性質、融合使用和長期效果的影響，進一步明晰生物炭對土壤及作物生長的作用機理，對提高耕地生產能力和促進作物生長提供理論依據，將有利于生物炭的在農業中的應用。