田阿林雷涛邹应斌黄敏*

（1湖南农业大学教育学院，长沙410128；2湖南农业大学农学院，长沙410128；第一作者：3403986882＠qq.com；*通讯作者：jxhuangmin＠163.com）

生物炭是指由生物质在低氧或缺氧条件下高温裂解得到的富含碳的有机物质，是多孔性、碱性、吸附能力强、多用途的材料。因其良好的解剖结构和理化性质，广泛的材料来源和产业化发展前景，成为当今农业、能源与环境等领域的研究热点[1]。生物炭用作土壤改良剂返还给农田，可有效改善土壤理化性质[2]与微生态环境[3]，修复污染土壤[4]，提高土壤生产性能、作物产量及品质[5－6]。而水稻是我国的主要粮食作物，也是单产较高的粮食作物[7]。近年来国内外大量研究表明，生物炭对水稻生长发育具有良好的综合效应，生物炭的推广应用是确保水稻高产稳产的重要途径之一。因此，认识生物炭在水稻上的应用价值对于指导生产具有重要意义。

1 生物炭施用的方式与方法

由于生物炭60%以上为碳素，矿质养分含量较低，施入土壤往往会提高土壤C/N，降低氮素养分的有效性，单施生物炭在多数土壤上会导致作物无增产效应，甚至减产。因此，生物炭需与肥料配合施用，肥料消除了生物炭养分含量低的缺陷，生物炭的吸附性发挥作用赋予肥料养分缓释性能，与肥料形成互补与协同的关系[8]。已有大量研究表明，生物炭与肥料配合施用能改善土壤生物学性状[9－10]，提高作物产量与品质及氮肥利用效率[5，11－13]。

为弥补生物炭单施的缺陷，炭基肥应运而生。炭基肥是将生物炭作为载体，与肥料混合制成的一种长效肥料，可有效延缓肥料养分的释放，有效降低养分的淋失，从而达到显著提高氮肥利用率的效果[14－15]。并且炭基肥可部分替代传统化肥，降低化学肥料的施用量[16]，有研究报道，生物炭配合尿素作基肥施用，在水稻生长期一次性施肥，并且在适当减少氮肥施用量的条件下，还可维持水稻正常产量或表现增产[17－18]。但减氮配施生物炭明显提高稻田水中总磷的浓度，增加磷素淋失的风险[18]。这主要是因为生物炭施用显著提高土壤有机碳含量，提高土壤pH值、阳离子交换量、土壤速效磷、速效钾和矿质态氮含量，增强土壤保肥能力等，促进了作物生长和增产[19]。另外，王海候等[20]研究报道，以生物炭作为辅料生产出的炭基有机肥可以提高水稻产量，提升土壤有机质含量，增强土壤氮、磷等养分的有效性，且生物炭与畜禽粪便混合堆制后并不影响其在农田土壤中的功能特性。因此，将生物炭与肥料或有机肥复合制备成炭基肥料成为生物炭农用的一个新的发展方向。

2 生物炭对水稻生长生理特性的影响

2.1 生物炭对水稻生长的影响

生物炭能够协调土壤的水、肥、气、热，促进作物生长[6]。生物炭施入土壤后，与土壤直接接触必然会引起根系的适应性响应。而根系作为重要的吸收、合成、固定和支持器官，其发育状况与地上部器官的形态建成和产量密切相关[21]。张伟明等[22－23]研究表明，添加生物炭对水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜质量具有促进作用，且根半径、根截面积、根表皮厚度、根皮层厚度、皮层腔面积、根导管数量及导管面积等性状指标也相应增加[24]，显著提高秧苗地上部和根系生长能力[23－25]。生物炭对根系生长的这些良好效应，首先得益于其丰富的微观孔隙结构和理化特性，通过改善土壤结构与生物学特性、提高土壤有机碳含量、增加土壤pH值和阳离子交换量等途径影响根系生长[26]；同时，生物炭自身养分也有一定程度的释放，但其养分释放并非是作物吸收的主要供应源[27-28]；另一方面，微生物作为土壤中理化反应的催化剂，在生物炭作用下其数量和种群多样性都得到明显提高[29]，特别是一些有益菌群，从而改善根际生长环境[30-31]。此外，生物炭在陈化作用下[32]可能会释放一些小分子化合物[33]，对根系分泌物产生影响，刺激和干扰根系生理进程[34]。

王晋等[35]研究表明，适量浓度生物炭浸提液中的水溶性有机小分子可以促进水稻发芽和幼苗发育。已有研究表明，适量添加生物炭有利于提高秧苗综合素质[22-24]。这主要是因为生物炭有助于改善基质的水、肥、气、热状况，促进水稻根系代谢速率，协调水稻源、库、流三者关系。高继平等[36]研究指出，通过炭基质培育的水稻幼苗叶龄进程快且成苗率高。同时，使水稻基部节间缩短增粗，茎秆基部干物质积累增多。因此，炭基质育出的水稻秧苗健壮、充实度较大且具备较好的抗逆性，能够达到机插秧苗的标准[37]。

另外，生物炭能够明显改善水稻群体质量。张伟明等[6]研究表明，施用生物炭对水稻株高、茎叶干物质积累有一定程度的促进作用，叶片干物质积累具体表现为前低后高趋势，延缓了后期叶片衰老；乔志刚等[17]研究发现，炭基肥处理可有效控制水稻的无效分蘖。而塑造高质量群体是作物获取高产的重要前提。

2.2 生物炭对水稻生理特性的影响

生物炭对作物生理特性也有一定促进效应，体现为对水稻幼苗的根系形态[23]、白根比[38]、盘根性等均有促进作用，并提高水稻根系总吸收面积、活跃吸收面积和根系伤流强度[22]，明显缩短秧苗移栽后的返青时间，为水稻生长后期充分灌浆打下了坚实的基础[36]。尤其在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓了根系衰老，并维持较为适宜的根冠比，根系生理功能增强[22]，使水稻全生育期保持较高的根系伤流速率，呈现前低后高趋势，有利于增加对地上部营养物质的输送[6]。根系氧化力是衡量根系活力的重要指标之一，有研究[6]报道，生物炭处理使根系氧化力在全生育期保持较高水平，具体表现为水稻生长的前期较高，后期有所下降。并在一定程度上提高水稻叶片净光合速率、光合作用与蒸腾作用的协同能力，有利于促进光合产物积累。苗微等[32]研究表明，添加陈化生物炭显著降低了水稻苗期的叶绿素和类胡萝卜素含量。而刘彩虹等[39]则认为，秸秆炭化还田提高了水稻叶绿素相对含量，对胞间CO2浓度和气孔导度的增加也存在积极影响。这可能是由生物炭的性质差异造成的。但大多数研究证明，生物炭对水稻的生理特性存在积极作用。

植物激素作为执行细胞通讯的化学信息在代谢、生长、形态建成等植物生理活动的各个方面均起着十分重要的作用[40]。高继平等[23]研究了生物炭对水稻秧苗内源激素的影响，其研究指出，随施炭水平的增加，叶片、假茎和根系中的内源激素（IAA、GA3、CTK）含量呈先升后降趋势，而ABA则相反，水稻秧苗素质指标与内源激素IAA、GA3和CTK含量均呈正相关关系，与内源激素ABA呈负相关关系。这验证了适量添加生物炭对水稻秧苗根系的形态建成具有明显的促进作用。王晋等[35]研究表明，适量浓度生物炭浸提液中的水溶性有机小分子可以促进胁迫响应基因的表达量，提高秧苗对逆境的耐受能力。甄晓溪等[34]的研究得出相似结论，生物炭浸提液通过提高秧苗的抗氧化能力、减少活性氧物质的积累来提高水稻幼苗对盐胁迫的耐受能力，显著促进盐胁迫下水稻钾离子转运蛋白家族成员OsHAK7和OsHAK10基因的表达，表明水溶活性分子可能调控根细胞表面的Na+/K+离子通道，影响Na+/K+离子等进出根细胞的速率和含量等。而植株体内的Na+、K+含量和Na+/K+比是影响植株盐胁迫程度的主要影响因子[41]。说明活性分子可能调控根细胞表面的K+离子通道，影响K+离子等进出根细胞的速率和含量[34]，这可能是生物炭表面水溶活性分子提高水稻抗盐性的机制之一。另外，盐胁迫导致植株体内的ABA含量增加，从而增强植物应对盐碱胁迫的能力，缓解盐胁迫对植物造成的渗透胁迫和离子毒害，维持植物体内水分平衡，维持细胞膜的功能，减轻植物在盐胁迫中受到的损伤[42]。这与高继平等[23]的研究结果相呼应，说明生物炭表面水溶活性分子可能通过根系直接进入体内，与关键蛋白/基因结合，激活/抑制某种新的代谢通路来提高水稻的抗氧化能力；也可能是水稻根系表面的活性分子受体与活性分子结合后，通过第二信使（如Ca2+或IP3）激活下游ABA信号转导[34]。其作用机理可能是，盐胁迫与生物炭表面水溶活性分子共同促进植株ABA的累积，在ABA诱导下使胞外钙离子内流和胞内钙库钙离子的释放共同作用造成胞内钙离子水平升高，刺激外向阴离子通道和外向K+通道的活性，而抑制内向通道的活性，提高水稻的抗氧化能力。

2.3 生物炭对水稻养分吸收的影响

生物炭对植株养分的吸收积累具有促进作用[2]。氮素是决定水稻产量最重要的因素，施用生物炭有利于水稻对氮素的吸收及氮肥利用率的提高[12，17，43]。陈琳等[44]研究表明，施用炭基肥使水稻籽粒与茎叶吸氮量比值提高，说明施用炭基肥促进了氮素向水稻籽粒的分配。周劲松等[25]的研究表明，随着生物炭用量增加，水稻秧苗地上部矿物质元素 N、C、Na、Mn、Cu和 Fe的含量逐渐减少，P和Zn含量增加，K先增加后降低，但S、Mg和Ca含量没有明显规律性变化。王耀锋等[43]的研究表明，竹炭不论单施还是与化肥配合施用都促进水稻秸秆养分的吸收，但在正常施肥条件下水洗竹炭促进水稻籽粒中氮磷钾吸收的效果优于竹炭。钟帅等[38]开展了生物质炭对潜育化稻田水稻营养研究，发现施用生物炭促进了水稻各个生育期对氮磷钾的吸收，并显著提高花后水稻对钾的吸收，水稻后期充足的钾供应为碳水化合物向籽粒的转运、提高千粒重奠定了生理基础。综合考虑，实际生产中应慎重考虑是否对生物炭进行水洗后施用。通常在生物炭生产过程中会生成生物油，而生物油成分中的很多化合物均对生物具有毒性，生物炭中的部分生物油残留物会抑制水稻种子萌发和幼苗生长。某些有毒化合物经水洗或稀释后对植物抑制作用减弱或消失[35]。因此，在生物炭作育秧基质时应使用水洗生物炭。生物炭对作物矿物质元素吸收与利用受生物炭的种类和数量、土壤与作物类型、环境条件等诸多因素的影响，其中的作用机制还需要进一步的试验研究。

3 生物炭对水稻产量的影响

生物炭和肥料配施对水稻产量的增长有明显的促进作用[12，20，45]。王耀锋等[43]研究报道，生物炭单施或与化肥配施均可提高水稻籽粒和秸秆产量。但生物炭施用对作物产量的影响在不同试验条件下表现不一。张斌等[45]在四川将生物炭连续2年施用于稻田，相同氮肥处理下，对水稻产量基本没有影响。张爱平等[12，46]研究表明，不施氮肥情况下，添加生物炭对水稻产量没有显著影响，对水稻产量构成因素的影响亦不明显。说明生物炭中有效氮含量有限，单施远不能满足水稻生长对氮的需求。郑小龙等[18]的研究表明，减氮施肥结合生物质炭施用与常规施肥相比水稻增产显著。这是因为其可有效控制水稻的无效分蘖，降低了氮素在稻草中的相对分配比例，水稻的谷草比提高，促进了光合产物向籽粒的输送，以及与炭基肥低氮施用使抽穗期叶绿素含量较高有关[17]。

生物炭用量较低时提高作物生物量，用量较高时则相反[38，47]。对于生物炭高量施用导致减产的原因，一方面土壤有效氮素含量本身较低，降低水稻叶片叶绿素含量，从而使作物产量下降[48]；另一方面也可能是生物炭具有较高的C/N，增加了氮的固定，进而降低水稻植物对氮素的吸收利用[10]。作物产量对生物炭施用的响应，取决于生物炭原料特性、理化性质、施用量、施用方式、土壤质地和作物类型以及不同施肥管理方式。因此，对于生物炭增产或减产的机理研究还需要长期多生态点的定位试验。

3 展望

生物炭对作物的良好的综合效应已得到了众多专家和学者认可。通过对目前生物炭对水稻影响的研究动态概述，作者认为尚有几个方向的研究还存在不足。

（1）由于年际间效应和环境变化等综合因素影响，生物炭对作物根系与产量的长期效应还有待进一步田间试验验证，并对其作用机制等科学问题进行系统研究和深入探讨。

（2）生物炭施入土壤，导致土壤结构和功能发生的变化，根系是直接的接触者。因此，需要开展生物炭对根际生态的研究。

（3）生物炭对水稻生育后期尤其是最为关键的抽穗拔节时期以及稻米品质的影响还需通过长期、系统的实验进行验证。

（4）我国土壤类型众多，生物炭在不同土壤上的表现肯定不同，目前多数研究的周期较短，研究大多停留在室内模拟和小区田间试验及盆栽试验阶段，缺乏生物炭长期效应的田间试验。必须开展全国多点和联网研究。

（5）生物炭与肥料配合施用具有良好的正效应。因此，研究生物炭与肥料合理配施的方式与方法是研究者需要进一步解决的问题。

（6）生物炭表面有机小分子可能参与了某些蛋白的合成，从而调节了水稻秧苗的生长和发育进程，其作用机制十分复杂，有待于进一步深入研究。例如，目前对生物炭表面水溶活性分子提高作物抗盐性的机制尚不明确。

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