张 乾，李金升，赵天赐，杨晓蒙，王 堃,2，刘克思,2*

(1. 中国农业大学动物科技学院，北京 100193； 2. 河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站，河北 沽源 076550)

生物炭是由动植物残体在缺氧条件下，经过缓慢高温热解而产生的一种难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质[1]。生物炭具有含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定等特点[2]。生物炭的结构决定了它有极强的吸附能力和抗氧化能力。近年来，其作为一种新兴的功能材料在农业上的应用引起了广泛关注，常被用来作为土壤改良剂来改善土壤的通透性，吸附养分来保持土壤养分含量，提升土壤质量和延缓土壤退化。大量研究已表明，生物炭可以提高土壤肥力[3]，继而促进植物生长。目前，国内外对生物炭在农业土壤方面的作用进行了大量的研究，但是关于生物炭在草地生态修复中的研究较少。基于此，本文总结了生物炭在对农田土壤影响方面的研究进展，同时搜集了目前国内外有关生物炭在草地生态修复的一些应用研究，并对生物炭未来在草地修复中的研究应用进行了展望。

1 生物炭对土壤的影响

1.1 生物炭对土壤理化性质的影响

土壤的物理性质包括：土壤容重、土壤孔隙度、土壤结构等[4]。施用生物炭可以降低土壤容重，增加土壤的总孔隙度[5]。不同类型的生物炭对土壤容重和孔隙度的影响基本上都是积极的(表1)。究其原因可能是因为土壤容重与土壤紧密度紧密相关，生物炭体积密度小，粒径小，质地疏松，可改善土壤松紧度[6]。Soane[7]总结了土壤有机质对土壤紧实度的影响机制：①土壤颗粒间的结合力作用，即土壤中腐殖质和植物根系分泌的粘液可有效使土壤颗粒结合在一起；②有机质与矿物质相比，具有更高的弹性；③通常情况下，单位体积的有机质的质量低于矿物质的质量。④土壤有机质与土壤颗粒间存在涂层增加了摩擦。生物炭对土壤容重影响可能主要与稀释作用和摩擦力有关[8]。在影响土壤结构上，生物炭可以促进土壤团聚体的形成，增加土壤微生物量，促进微生物活动，从而改善了土壤结构[9]。土壤团聚体是由土壤颗粒和有机无机胶结物质结合而成的近球形疏松多孔的土团，直径在0.25～10 mm之间，具有较高稳定性[10]。土壤团聚体作为土壤团粒结构的基本单位，其稳定性反映了土壤结构状况[11]。生物炭一方面能与土壤颗粒形成土壤团聚体和无机有机复合体[12]，另一方面，施用生物炭提高了土壤有机质含量和土壤微生物量[13]，而土壤有机碳作为胶结物质能增强土粒团聚性[14]，微生物能产生更多分泌物促进土壤团聚作用。

土壤的化学性质包括：土壤pH、电导率(electrical conductivity,EC)、土壤阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC)、土壤有机质等。生物炭在改善土壤化学性质方面有巨大的潜力。生物炭的pH值取决于生物质原料[15]和生产工艺。不同的原料或生产工艺所生产的生物炭具有不同的特征。生物炭中含有大量的灰分元素，例如K、Ca、Mg等，这些元素都呈可溶态，因此当生物炭施用土壤后会提高土壤pH。此外，生物炭中含有大量的有机官能团(-COO-、-COOH、-O-、-OH等)，一般呈碱性[16]，能够吸收土壤的H+。鉴于生物炭本身具有极高的CEC，因此生物炭的应用对土壤的CEC产生显著的影响[17]。Xu等[18]报道生物炭对低CEC和酸性土壤中的CEC改良特别有效。土壤有机质是土壤生态系统中重要碳汇。生物炭中含有大量碳素，施用可以显著提高土壤有机碳含量的水平。相比于传统的有机材料，生物炭是一种可以更加稳定、更有助于提高土壤有机碳的材料。

表1 不同类型生物炭对土壤孔隙度、容重的影响Table 1 Effects of different types of biochars on soil porosity and bulk density

1.2 生物炭对土壤主要养分的影响

表2 不同类型生物炭对土壤N的影响Table 2 Effects of different types of biochars on soil N

磷在土壤中易被吸附，其可被植物利用的含量低[34]。这主要是因为磷的有效性受到pH的影响，酸性土壤pH升高和碱性土壤pH降低都会影响土壤磷的有效性[35]。生物炭中的磷在热解过程中主要以可溶性形式保留下来，生物炭的添加可为土壤提供有效磷素养分[8]。另外生物炭呈碱性，能提高酸性土壤的pH，进而可改变土壤有效磷的活性。而且生物炭可通过减低土壤对磷的吸附、增加解吸提高磷的利用率，促进解磷微生物活化，使难溶态磷转化成可溶态磷[36]。整体来看，不同类型的生物炭添加对土壤中磷的利用、保持和活化具有积极的作用(表3)。

表3 不同类型生物炭对土壤P的影响Table 3 Effects of different types of biochars on soil P

1.3 生物炭对土壤微生物的影响

生物炭能对土壤微生物产生影响，其原因除了生物炭的多孔性和巨大的表面积，为土壤微生物提供了良好的栖息地外，还与生物炭富含丰富的碳、磷等营养素和微量元素，为土壤微生物的活动提供了充足的养分有关[42]。同时，生物炭改变了土壤的理化性质，具体表现为生物炭改变了土壤pH、CEC、水分、营养元素等，这会间接性的改变土壤微生物的酶活性、丰富度、群落结构[43]。土壤酶活性可衡量土壤健康状况[44]。脲酶活性反映了土壤氮供应强度；蔗糖酶促进了糖类水解、加速土壤碳循环；磷酸酶促进有机磷酸化合物的分解；过氧化氢酶反映土壤腐殖化程度和有机质积累程度[45]。土壤微生物量碳/微生物量氮(microbial biomass carbon/microbial biomass nitrogen,MBC/MBN)可表征微生物群落的结构[46]。微生物量氮含量的增加表明土壤中有更多的氮素通过同化作用进入微生物，通过减少NH3的挥发、NO3-淋失和反硝化作用，进而减少氮损失[47]。Kolton等[48]在沙土中添加桉树碎屑生物炭发现，植物根系细菌丰富度和种系多样性增加，变形菌门细菌和拟杆菌门细菌减少。Shengyan等[49]研究表明，在不同有机质土壤中生物炭对真菌影响差异较大。在添加生物炭后，土壤中子囊菌门真菌增加。而在低有机质土壤中担子菌门真菌减少，主要为粪壳菌纲和座囊菌纲真菌，但散囊菌纲真菌增加。

2 生物炭在草地生态系统中的应用

目前对生物炭的应用研究主要集中在农田生态系统。草地生态系统相比较于农田生态系统，植被类型、生态过程、环境条件和扰动程度有很大的不同，有自身的特异性。草地生态系统为人类提供了净初级生产物质、碳蓄积与碳汇、调节气候、涵养水源、水土保持和防风固沙、改良土壤、维持生物多样性等产品和服务功能[50]。鉴于生物炭在改良农田土壤上的显著效用，研究生物炭在草地生态系统中的应用，尤其是对退化草地的修复作用，对草地生态系统的稳定和生产生态功能的提升具有深远影响。

草地退化主要表现为草地植被和土壤的退化。一般在退化草地上，植物多样性指数和土壤中可利用性养分降低，微生物量和微生物活性减弱[51]。零星的研究已经报道生物炭添加到草地上也能产生显著的积极作用。例如(1)提升草地土壤的保水能力。Reed等[52]在草地中添加树干生物炭后发现，土壤含水量增了20%。Gebhardt等[53]在半干旱草地添加阔叶树生物炭研究发现，土壤含水量从31%增加到33%。这都得益于生物炭巨大的表面积，土壤中添加生物炭后，土壤表面积增加，提升了土壤微生物群落和土壤吸附能力，进而提高土壤保水量[54]；(2)提升了草地土壤总的炭含量。Gebhardt等[53]在半干旱草地添加阔叶树生物炭研究发现，可溶解有机炭含量从0.033±0.001 mg·kg-1增加到了0.060±0.003 mg·kg-1。Angst等研究得出，在草地施加生物炭后的土壤总炭含量从59.5±1.4 g·kg-1变为104.0±18.1 g·kg-1。Yunying Fang等[55]在温带草原中添加桉树生物炭后，发现三个不同试验地的有机炭含量分别从6.6 g·kg-1增加到19.1 g·kg-1，16.7 g·kg-1增加到32.1 g·kg-1，62.3 g·kg-1增加到86.4 g·kg-1。Bhupinder等[56]在草地中添加松木屑生物炭后，土壤0～10 cm的炭含量显著增加，三个不同试验田分别从0.7%增加到1.9%，1.7%增加到3.2%，6.3%增加到8.6%；(3)增加草地土壤有效养分的含量。Reed等[57]研究发现，在草地中添加树干生物炭后发现，可溶解的有机氮含量从0.005±0.000 mg· kg-1增加到0.011±0.001 mg·kg-1。铵态氮含量从0.362±0.073 μg·g-1增加到0.645±0.038 μg·g-1以上，硝态氮含量从5.727±0.930 μg·g-1增加到10.835±1.507 μg·g-1。Gayoung等[58]在不同草地土壤类型添加生物炭试验得出，老化的生物炭降低黏质土壤总氮矿化率，但促进了砂质土壤的总矿化率。Laungani等[59]在草地添加枯落物生物炭后发现，草地总生物量增加，土壤中的氮含量显著增加；(4)改变草地土壤微生物和酶的活性。Gebhardt等在[60]半干旱草地添加阔叶树生物炭研究发现，纤维二糖苷酶活性增加了123%，葡萄糖苷酶活性增加了93%，磷酸酶活性增加了84%。Reed等[52]在草地中添加树干生物炭后发现，添加生物炭增加了土壤微生物量。Pokharel等[61]在草地中添加木屑生物炭发现，在添加生物炭50天后，葡萄糖苷酶酶的活性发生变化。在添加生物炭第10天和第50天后，乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性发生变化；(5)提高草地生产力。Gebhardt等[60]在半干旱草地添加阔叶树生物炭研究发现，植物地上生物量从0.063±0.010 g增加到0.085±0.016 g，地下生物量从0.036±0.008 g增加到0.061±0.014 g。Sonja等[62]研究发现添加生物炭促进草地黑麦草生物量增加29%。董双快等[63]研究发现，生物炭添加能促进苏丹草生长，添加5～20 g·kg-1生物炭，苏丹草根茎叶生物量均显著增加。但黄超等[64]研究发现，添加生物炭能促进黑麦草的生长，然而高量施用生物质炭(200 g·kg-1)导致土壤微生物生物量的下降,对黑麦草的生长产生轻微的抑制作用。这表明生物炭在草地上添加应用还需要深入研究。

3 总结与展望

全球土壤健康和质量的下降给生物炭的研究带来了繁荣和机会，尤其在密切关系民生的农田土壤上。本文重点总结归纳了生物炭对农田土壤理化性质、土壤养分和土壤微生物的影响，同时也对生物炭在草地上的零星研究进行了概述。考虑到生物炭的积极作用及农田系统与草原系统的差异性，很有必要加强生物炭在草原系统的应用研究，加快提升草原系统尤其是退化草地系统的生态和生产功能。但目前对生物炭添加在草地系统中的作用认识还非常不充分，研究的水平很大程度上受着传统观念、研究方法等的限制。大部分研究都是模仿农田的研究模式进行研究，主要突出了草地上个别因子属性的对生物炭添加的响应，对草原本身的规律、特点等研究不足，以后在生物炭对草地系统的应用研究上应多关注以下方面。

(1)生物炭的类型和施用方法方面：生物炭是生物质材料在无氧条件下经高温热解而成的富炭固态物质。生物炭的性质受原材料、技术工艺、热解条件等因素的影响。而且，生物炭的施用方法也会影响它的效用，目前这方面的研究在草地应用中还很少见报道。不同的生物炭类型和施用方法对草地系统的影响是不尽相同的，但得出的结论都有利于我们对草原的管理，有利于提高生物炭在草地系统应用的科学性。

(2)生物炭对草地生态影响方面：国内外研究人员在生物炭对草地的保水能力、炭沉积、土壤养分、土壤微生物、地上生产力等的影响提出了一些看法，但这些结果大部分都停留在表面现象上，对造成这种结果的内在机制还挖掘不够，未来的研究需要在这面加强。另外，在生物炭对草地植物组成、植物多样性、植物群落、生态系统等的影响的研究却很少,而这些方面从更大的尺度角度反映着草地的状态，研究生物炭对它们的影响，能更清楚的评估生物炭添加对草地系统的利弊。

(3)生物炭对生态因子网络影响方面：生态因子在生态系统中都不是孤立的，它们相互影响，互相作用，形成一个交叉的网状脉络，外来物质的加入肯定会对存在的生态因子网络系统产生联动的影响，但如何影响，目前还未见相关报道，未来需要加强这方面的研究，通过了解生物炭对生态因子网络的影响，可以更好的发挥生物炭这种新兴的功能材料在草地生态和保护中作用。