张磊 柳璇 韩俊杰 商丽丽 邱鹏飞 林祖军 辛国胜

摘要：生物炭是生物有机材料在缺氧环境中经热裂解后的芳香化难溶的固体产物，大多为粉状颗粒，属于黑炭的一种。生物炭不仅调节土壤活性，增强土壤吸附能力，还增加了土壤的贮碳功能。本文综述了生物炭的理化特性及其对土壤团聚体、结合态碳库影响的研究进展。

关键词：生物炭； 土壤团聚体； 结合态碳库

中图分类号：S141.6文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）09-0157-05

AbstractBiochar is an aromatized refractory solid product from bioorganic materials by thermal cracking in hypoxia environment. It is a kind of black char with and mostly powder particles. Biochar can not only act as active soil conditioners to enhance soil adsorption properties， but also promote the soil carbon storage function. The physical and chemical properties of biochar were summerized in this paper， and also the research progresses of its influences on soil aggregate and combined state of carbon sinks.

KeywordsBiochar；Soil aggregate；Combined state of carbon sinks

近一个世纪以来全球气温不断攀升，人们普遍认为大气中CO2、CH4 等温室气体的增加是造成全球气温上升的主要原因[1]。生物炭的农田施用为如何遏制或减少温室气体的排放量提供了新的解决思路，被科研界视为是增加土壤碳储量的主要措施[2]。土壤碳（C）库作为土壤有机质（SOM）库的重要组分，在陆地碳循环中起重要作用[3]。土壤主要通过物理保护、化学保护以及生物化学保护三个方面完成其对有机质库的保护[4，5]。因此，由土壤团聚体物理保护引起的生物与有机碳的空间隔离是构成土壤碳稳定化的重要机制之一[6]。

土壤团聚体是土壤结构的物质基础[7]，它的形成与土壤颗粒有机质（particulate organic matter， POM）是密不可分的，土壤团聚体为POM的存在提供场所，后者则是前者存在的胶结物质[8]。因此，土壤团聚体中有机碳能够指示土壤中总有机碳的变化[9]。当生物炭进入土壤环境以后，是增加土壤碳的储存还是促进土壤碳的释放，是提高还是降低团聚体的稳定性，这些问题尚存有争议[10，11]。有研究显示，施用生物炭在短期内能实现固碳减排目标，并且在连续两年内具有稳定的持续性[12，13]。也有人对此持否定态度，认为生物炭施用提高了有机质的分解速率，从而降低了土壤碳的储存[14]。

1生物炭的发展及其理化性质

巴西亚马逊河流域出现的一种Terra Preta土壤，该土壤含碳量异常丰富、呈现黑色，也被人称之为黑土。1879年，赫伯特·史密斯进一步揭示了黑土提高甘蔗和烟草等农作物产量的原因是黑土中含有丰富的生物炭[15]，从而激发了科研工作者对生物炭研究的兴趣。研究表明，普通土壤的生产力远低于附有生物炭土壤的生产力。生物炭能稳定留存在土壤中[16-19]，对农田温室气体排放、土壤酸碱环境、农药及化学品残留等农业有机污染等不良环境具有改良、修复和缓解作用[20-22]。这一发现又激发起了人们研究利用生物炭增加农田土壤碳截留、应对全球变暖新对策的热情。因而，生物炭也有了“黑色黄金”的美称。

生物炭是指生物有机材料（生物质）在低氧或缺氧环境中经热裂解后的芳香化难溶的固体产物[23]，大多为多孔粉状颗粒，2007年在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得统一命名，主要施用于农林业土壤[24]。常见的生物炭有秸秆炭、木炭、花生壳炭等。

生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧等，其中碳含量高达60% 以上，其次是钾、钙、钠、镁、磷、硅等[25]；主要物质组成为烷烃和芳香烃化合物[26]，并具有生物化学稳定性和热稳定性[27]。生物炭的结构和比表面积等理化性质除了受原料、技术工艺的影响，还与热解环境等有关系。有学者通过对生物质热解进行研究显示，随着温度的升高，比表面积及孔径增大，表面积增大以及生物炭的芳构化程度加深[28]，导致生物炭具有较强的吸附能力。因此，生物炭不仅可以充当土壤活性调理剂，能增加土壤吸附性能，保水、保肥，促进作物生长，同时还可以促进土壤的贮碳功能[29]。虽然生物炭不是惰性物质，但是它具有较强的抗分解能力，当其进入土壤系统后，生物炭可以留存数千年以上[30]，这是生物炭具有“碳封存”功能、充分还田改土并具有可持续和累积发挥作用的基础[31]。随着生物炭进入土壤后保存时间的延长，O和H含量有逐渐增加的趋势，但是黑炭的C含量逐渐下降，而丢失的C正是进入了土壤中[12]。因此，在一定时限范围内，生物炭应该可以作为一个潜在的稳定的土壤有机碳库，真正实现碳封存。

2施用生物炭对土壤团聚体及其结合碳库的影响 土壤团聚体是单个土粒和有机无机物质胶结等因素的作用下形成具有近似球形较疏松多孔的小土团，直径在0.25～10 mm之间，具有较高的稳定性[32]。土壤团聚体形状和大小各异，是形成土壤良好结构的物质基础，具有高度复杂的空间分布与组成，通常被人们划分为大团聚体（>0.25 mm）和微团聚体（<0.25 mm）[33]。土壤团聚体的形成是土粒通过各种自然过程和人类活动综合作用的一个结果[34]，其形成不仅取决于土壤的耕作措施，也与有机胶结剂的作用密切相关。早在20世纪初，涌现出很多强调有机碳作用的团聚体形成模型。其中 Tisdall 和 Oades[35]提出团聚体等级发育理论模型，间接表明团聚体是连续形成的，微团聚体是形成大团聚体的物质基础，并于 1984 年进一步证实大团聚体是微团聚体形成后在根系和菌丝的缠绕作用下形成的。然而，Elliott[36]提出的团聚体结构模型认为应该首先形成大团聚体，之后在大团聚体内部的有机质颗粒周围形成微团聚体。Six 等[5]研究认为较高层次的大团聚体是较低层次的团聚体加有机物等胶结而形成的，有機碳含量随着团聚体粒径的增大而增加，大团聚体比小团聚体含有更多的有机物。由此可看出，土壤颗粒的团聚是生命和非生命物质共同作用的结果，团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础，二者相互作用，不可分割，前者是后者存在的场所，后者是前者存在的胶结物质[8]。

作为土壤结构的基本单位，土壤团聚体对 SOM 的物理保护作用可作为土壤 C 稳定化的重要组成部分[4]，具体途径可分为三种：（Ⅰ）在微生物、微生物酶和底物间存在空间间隔，影响其发生反应的速率；（Ⅱ）影响食物链的分布，控制食物网的相互作用；（Ⅲ）改变微生物活性并影响其周转速率[36]。通过团聚体的物理保护作用还可以降低土壤微生物对其自身分解的风险，从而保持团聚体的稳定[37]。研究表明：生物炭可与土壤颗粒形成团聚体和有机-无机复合体，生物炭有利于团聚体的形成和稳定[38，39]，同时生物炭也在团聚体的物理保护作用下得到长期固持。施用生物炭虽然会降低耕层土壤容重，但增加了耕层土壤阳离子交换量、土壤碳氮的含量等[40，41]；有学者研究生物炭对土壤抗破碎性及团聚体稳定性的影响，显示生物炭不能像其他有机物料一样提高土壤团聚体的稳定性[42]。另外，人们在生物炭对土壤团聚体碳库的影響研究上存在分歧。Brodowski 等[10]对施用生物炭的土壤团聚体进行研究，认为黑炭比其他土壤有机碳组分更容易嵌入土壤微团聚体中从而保护土壤有机质不被分解，从而有利于团聚体的稳定，并发现<0.053 mm 粒级土壤团聚体中黑炭浓度最高。但有学者提出该粒级占全土的质量分数最小是导致该粒级黑炭含量最低的原因，而2.00～0.25 mm 粒级土壤中黑炭含量则最高[43]。

3施用生物炭对不同有机碳组分的影响

作为土壤有机质库的重要组成部分，土壤有机碳的固持对改善土壤质量以及缓解全球温室效应具有重要意义。适当的生产管理措施可以提高农田土壤固持大气中CO2的潜力，有研究表明，长期采用合理的农业管理措施，如秸秆还田不但可以提高土壤有机碳的输入量，还能降低土壤有机质的矿化分解，是增加土壤碳储量的有效方式。土壤有机碳根据其在土壤结构的分布和功能可以分为不同的碳库[44]：游离态的轻组有机质（light fraction， LF）、闭蓄态颗粒有机质（intra-aggregate POM， iPOM ）、矿质结合态重组有机质（heavy fraction， HF）。

生物炭可以产生碳负性（carbon negative），即植物残体制成生物炭施用土壤后，残体重新释放到大气的碳量仅是原有截获量的一部分，将碳长时间的截留于土壤[19]。生物炭作为土壤惰性碳库的重要组成部分，在土壤碳循环中有着重要地位[45]。生物炭施用到土壤是否存在一种激发效应（priming effect），即活性碳源进入土壤系统后会促进还是抑制原有有机质的分解。目前相关报道意见不一。研究显示，施用生物炭会降低土壤总有机碳、颗粒有机碳的含量[46]，同时施用生物炭也会促使土壤微生物活性[47]，显著提高土壤微生物量碳水平[40]。另有研究表明，生物炭富含的有机碳能提高土壤有机质含量水平[48]。

马莉等[49]通过盆栽试验表明，生物炭的激发效应与其本身的制作过程有关，但是它们都对有机碳的矿化起了促进作用，并因此而提高了土壤生产力。研究显示，施用生物质炭可显著增加土壤有机碳的氧化稳定性，但长期或高量施用生物质炭可能会增加土壤有机质的矿化率[12，50]。陈红霞等[51]对连续3年施用生物炭的华北平原农田土壤进行研究，结果显示，施用生物炭显著增加了0～7 cm 和 7.5～15 cm 土层的 POM-C 浓度。由于土壤表层团聚体中游离的轻组物质含量一般高于次表层，并且游离态轻组颗粒转化时间短，一般只有几周到几十年，所以被认为是土壤中易分解的C库。轻组土壤含碳量较高，大约是土壤有机 C总量的15%～32%[4]，导致轻组碳比全碳更能反映由于土地利用变化导致有机质损失的敏感程度，所以也经常被视为是反映土壤有机碳库和土壤质量变化的敏感指标[41]。

4展望

近年来，国内外关于生物炭研究迅猛发展，基本性质及生物与非生物氧化方面已经开展了一些研究并取得了初步成果[52-54]，但仍有许多问题有待我们进一步思考和研究。（1）基于田间的长期定位试验，开展生物炭对大田土壤理化性质及作物产量的影响研究较少，生物炭在土壤碳循环过程的长期效应及其在温室气体排放领域发挥的作用，还需要在大尺度、宽范围、多领域的稳定的、可靠的试验数据来论证，进而综合分析、评估生物炭在固碳减排潜力、效益等发挥的作用及其前景。（2）生物质炭输入土壤后其形态变化、稳定机理仍有待更多的、长期的试验研究来验证，生物炭对土壤碳库影响的研究一般在肥力比较高的土壤中进行，并且多为室内培养或短期小区试验[40]，对土壤不同有机碳组分规律的影响研究不够深入。因此，长期连续施用生物炭对于农田土壤及环境变化影响的研究将是未来的重要方向。

参考文献：

[1]黄耀.中国的温室气体排放、减排措施与对策[J].第四纪研究，2006（5）：722.

[2]Liang B Q， Lehmann J，Solomon D. Stability of biomass-derived black carbon in soils[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2008，72（24）：6069-6078.

[3]杜章留.太行山前平原集约种植区保护性耕作下土壤质量与碳氮固持机制研究[D].北京：中国农业大学，2009.

[4]Christensen B T. Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover[J]. Eur. J. Soil Sci.， 2001，52：345-353.

[5]Six J， Conant R T， Paul E A， et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter：implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil，2002，241：155-176.

[6]刘满强，胡锋，陈小云.土壤有机碳稳定机制研究进展[J].生态学报，2007，27（6）： 2642-2649.

[7]文倩，关欣.土壤团聚体形成的研究进展[J].干旱区研究，2004，21（4）：434-438.

[8]刘中良，宇万太.土壤团聚体中有机碳研究进展[J].中国生态农业学报，2011，19（2）： 447-455.

[9]姜学兵，李运生，欧阳竹，等.免耕对土壤团聚体特征以及有机碳储量的影响[J].中国生态农业学报，2012，20（3）：270-278.

[10]Brodowski S， Amelung W， Haumaier L， et al. Morphological and chemical properties of black carbon in physical soil fractions as revealed by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy[J]. Geoderma， 2005， 128： 116-129.

[11]黄超，刘丽君，章明奎.生物质炭对红壤性质和黑麦草生长的影响[J].浙江大学学报（农业生命科学版），2011，37（4）：439-445.

[12]章明奎，Walelign D B，唐红娟.生物质炭对土壤有机质活性的影响[J].水土保持学报，2012，26（2）：127-137.

[13]张斌，刘晓雨，潘根兴，等.