黄德荣，衡德茂，倪宏章，陈 实

(1.江苏省宝应县西安丰镇农业技术推广服务中心，江苏扬州 225800；2.江苏省南通华实生态农业科技发展有限公司，江苏南通 222650)



施用生物炭对土壤和作物的影响

黄德荣1，衡德茂1，倪宏章1，陈 实2

(1.江苏省宝应县西安丰镇农业技术推广服务中心，江苏扬州 225800；2.江苏省南通华实生态农业科技发展有限公司，江苏南通 222650)

生物炭是将农作物秸秆、木屑等含碳量丰富的生物质材料在无氧或限氧的条件下热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料，其农业利用的发展前景广阔。原料种类、生产过程中的温度以及添加物料对生物炭的性质都有较大的影响。土壤中施用生物炭可以改变土壤的基本性质、土壤养分和离子的赋存特征、土壤微生物和酶活性。生物炭施用量影响其作用效果。施用生物炭能够明显改变作物根系和植株的系统发育，影响产量和品质构成。要进一步强化生物炭与土壤的氮、磷等营养物质的互作效应、生物炭性质特征与保护地土壤质量改善、生物炭对作物生理生化和产量品质的影响以及“生物炭-土壤-作物”连续体等方面的研究。

生物炭； 土壤；作物

随着温室大棚的推广和耕作技术的发展，土壤的复种指数明显增加，氮磷等营养物质投入增加，而碳的投入减小，加之耕作频繁，导致土壤温度、湿度及空气状况的变化，土壤肥力下降。如何提升土壤碳库继而保持土壤肥力成为重要的课题。生物炭是将农作物秸秆、木屑等含碳量丰富的生物质材料在无氧或限氧的条件下热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料[1-2]。它含有较丰富的矿质养分元素如磷、钾、钙、镁及氮素，施入土壤后能够提高土壤中养分含量[3]，对保持土壤肥力的可持续性具有重要作用。农作物秸秆生产成生物炭的盈亏平衡价格为736元/t，对农民非常具有吸引力。生物炭农业利用的发展前景广阔[4]。

1 生物炭的性质

物料种类影响生物炭的性质特征。草本类生物质比草木本类生物质制备的生物炭灰分含量高，富含木质素的生物质制备的生物炭孔隙结构更发达。桉树叶和蚕沙类生物炭施用能提高土壤的N肥，而玉米芯类生物炭则能使N固定，减少氮氧化物的排放[5]。

温度是决定生物性质特征的重要因素。不同温度下制备的生物炭物理化学性质不同。随着制备温度的升高， 生物炭的碳含量升高，氢含量和氧含量降低，芳香性和稳定性增强，极性减弱，阳离子交换能力降低，由“软碳”逐渐形成具有高芳香性的“硬碳”。生物炭在低温制备中主要生成草酸盐，在高温制备中主要生成碳酸盐。随着温度的升高，碳酸盐含量增加，pH增大[5]。净产率、表面羧基、酚羟基等含氧官能团含量和丰富程度随着温度的升高而降低，而灰分、pH、C/O、N/O、比表面积等参数则随温度的升高而升高。生物炭在300～500 ℃制备条件下产率较低，且理化性质变化较明显，而在500～600 ℃之间制备的生物炭结构和性质较稳定[6]。生物炭的焦油产量与温度呈正比，但在550 ℃后产量降低，生物炭中含有较高的全氮含量(2.5%)，孔隙结构以介孔为主，占总孔数的比例为56%，比表面积265 m2/g。生物炭表面含有丰富的官能团结构，呈无定形的乱层结构[7]。

生物炭生产过程中添加物料能够显著改变其性质特征。在800 ℃不加KOH的条件下热解时，原料中含氮物质和O-H消耗殆尽，表面以羧基和少量的酚羟基为主。加入0.5 mol/L KOH后，生物炭表面O-C=O结构所占比例由9.28%增加至15.76%，而芳香环P-P跃迁和C-OR/H结构分别由27.77%和35.51%降低至20.23%和32.51%。加入KOH后制备的生物炭以炭石墨微晶、中间态钾长石、硅铝酸盐等结构为主[8]。

2 施用生物炭对土壤性质的影响

生物炭不仅能够改善土壤环境，提高土壤氮、磷养分的有效性，促进作物吸收和生长，而且由于其特殊的结构和理化性质，它可以吸附土壤中未被作物利用的水分和养分，延缓养分释放，减弱其在土壤中的迁移转化能力[9]。施用生物炭在碳增汇和温室减排方面也具有潜在的积极效应[10]。

施用生物炭可以改变土壤离子的赋存特征。生物炭能够对土壤中NH4+、Ca2+、Mg2+和PO43-的保持起明显的促进作用，但施用生物炭不利于NO3-、SO42-、Cl-的保持[8]。生物炭配施碳酸钙可以较好地改良土壤、促进植物生长和减少Cd、Pb的富集[11]。竹炭对土壤中的重金属具有较好的吸附固定作用，但秸秆炭在一定程度上促进重金属的迁移[12]。

施用生物炭可以有效地改变土壤的基本性质。施用不同水平生物质炭对潜育化水稻土的pH、还原性物质、Eh、有机质、全氮、有效磷、速效钾含量产生影响。施用适量的生物质炭能提升土壤pH，降低土壤还原物质总量，提升耕层土壤的氧化还原电位，提高土壤有效养分的供应，为根系的生长创造良好的土壤环境，促进水稻的分蘖成穗和对养分的吸收，提高稻谷产量[13]。生物炭主要通过吸附腐殖酸和富里酸两类物质起到保持土壤有机质的作用。施用10%的生物炭能使砂土化学需氧量(COD)累计淋失量减少50.62%，溶解性化学需氧量(SCOD)累计淋出量减少30.47%；当向黏土中施用10%的生物炭时，淋洗液中累计COD和SCOD的减少量分别为16.84%和11.48%[8]。施用生物炭种植春玉米后，土壤含水率和总孔隙度增加不显著[14]。生物炭对土壤水分入渗、持水性能的影响取决于生物炭种类、施用量及土壤质地[15]。施用生物炭在一定程度上可以改善土壤化学性质，提高土壤有效养分含量，但生物炭对土壤和作物的影响与土壤、作物类型及土壤肥力密切相关[16]。

施用生物炭影响对土壤养分的赋存特征。施用生物炭后，土壤中Olsen-P含量和CaCl2-P含量增加，增加量主要源于生物炭本身磷素的转化。生物炭不仅可以作为外源添加物用于提高土壤有效态磷素，并且生物炭能够促进酸性土壤中外源磷的有效性[3]。生物炭高施用量比低施用量更有利于提高土壤含水量、土壤有机碳和速效钾含量，但在生物炭低施用量下土壤碱解氮和有效磷含量显著增加[17]。施用生物炭能降低土壤碱解氮含量，限制土壤氮素利用度，对土壤速效磷没有显著影响，能显著提高土壤速效钾含量，并且使土壤具备持续提供钾素的能力[18]。

施用生物炭可以改变土壤微生物和酶活性。生物炭能提高新疆灰漠土、风沙土与氮素转化相关的土壤微生物多样性。生物炭配施氮肥优于单施生物炭，灰漠土优于风沙土[19]。施用生物炭后，土壤磷酸酶活性显著降低，微生物量显增加[3]。添加生物炭，提高土壤脲酶活性，抑制土壤脱氢酶和中性磷酸酶活性[20]。但是，有研究认为，施用生物炭对土壤微生物多样性的改善效果不如施用生物有机肥[21]。生物炭对提高土壤细菌的种群结构和多样性并没有显著的影响，但会影响土壤中不同种属菌的数量。古菌、泉古菌、细菌、氨氧化古菌与土壤速效养分无相关性，古菌与均匀度指数、细菌与多样性指数呈相关关系[7]。

生物炭施用量影响其作用效果。在旱地土壤上施用生物炭量至少达2%以上才能显著减少氮素淋洗和增加土壤全氮含量，达到减少土壤氮素损失和提高氮素利用率，减少由氮素带来的环境污染以及改善土壤肥力的综合目标[22]。虽然生物炭能够增加土壤中速效养分含量，但是生物炭配施有机肥的效果要低于传统施肥处理[7]。

3 施用生物炭对作物的影响

生物炭对青菜株高、产量增加有促进作用[23]。土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓根系衰老。可见，生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用[24]。施用生物炭可增加根系的细吸收根量、细吸收根面积、土壤和根际可培养微生物量，提高土壤FDA酶活性和土壤微生物多样性[21]。生物炭对番茄根系形态特征的优化与产量的提高具有一定的促进作用[25]，通过在砂壤土中施加生物炭可有效提高肥水利用效率和番茄产量[26]。添加生物炭可促进黄瓜叶片光合作用，提高产量，降低果实硝酸盐含量[27]。生物炭作为岩溶区石灰土改良剂，在一定程度上改良石灰土性质，促进玉米生长，提高岩溶区土壤CO2的体积分数和排放速率，加快岩溶作用[28]。将生物炭作为肥料载体制备的生物炭基肥料，不仅可以促进作物生长和增产，而且有利于生物炭农用效益的提升[29]。

也有研究认为，施用生物质炭，土壤pH大幅度提升，会影响根系的生长和水稻对养分的吸收，导致水稻减产[13]。土壤中CaCl2-P含量随着生物炭施用量的增大而增加，两者之间呈现显著性正相关。因此，应合理控制生物炭施用量，降低可能由生物炭施用造成土壤CaCl2-P含量增加而引起的土壤磷环境风险[3]。

4 结语

目前，全球面临气候变暖、环境污染、化石能源资源枯竭以及土壤功能退化的诸多问题，而工业热裂解废弃生物质生产生物炭，并且将生物炭农用于土壤，可为这些问题提供综合的、平衡的解决方案。然而，目前生物炭商业化的生产与农用尚不多见，因此应加强生物炭的研究、开发[30]。生物炭对土壤生境和植物生长的影响取决于土壤肥力和性质、植物种类以及生物炭的特性和施用量等因素。因此，要进一步强化生物炭与土壤的氮、磷等营养物质互作效应，生物炭性质特征与保护地土壤质量改善，生物炭对作物生理生化和产量品质的影响，以及“生物炭-土壤-作物”连续体等方面的研究。

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Effect of Application of Biochar on Soil and Crops

HUANG De-rong, HENG De-mao, NI Hong-zhang et al

(Xi Anfeng Agricultural Technology Extension and Service Center, Baoying, Jiangsu 225800)

Biochar was made by carbon rich biomass materials in the absence of oxygen or oxygen limited conditions, and it was a fine-grained, porous carbonaceous material. There were broad prospects of using biochar in agriculture. Many factors affected the properties of biochar, such as types of raw materials, temperature conditions of production process and types of adding materials. Application of biochar in soil could change the soil basic properties, nutrient and ion distribution, microorganism and enzyme activity. Application number of biochar in the soil influenced effects. Applying biochar could significantly change the crop root and plant development, yield and products quality. Some studies need to be further conducted such as interaction effects among nitrogen, phosphorus and other soil nutrient and biochar, soil quality characteristics and protection of biochar properties, effects of biochar on crop physiology, yield and quality, as well as continuum of biochar soil crop.

Biochar; Soil; Crop

江苏省前瞻性研究专项资金项目(BN2014006)；江苏省科技支撑计划项目(BE2013360)。

黄德荣(1965-)，男，江苏宝应人，畜牧师，从事畜牧生产和农业资源利用方面的研究。

2014-11-25

S 626.5

A

0517-6611(2015)02-130-03