胡建宇 郑恩楠

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

东北黑土区面积辽阔，土地肥沃，具有诸多优点，特别适合大豆等作物的生长，是重要的资源[1,2]。目前由于人类过度开发，使得土壤肥力下降、土壤板结、产量下降，威胁国家粮食安全与发展，并且施用肥料常会带来重金属污染，危害人类生活及身体健康[3]。黑土的形成过程极为缓慢，每3～5个世纪才能形成0.1m的黑土层，2020年，习主席强调要保护好黑土地，使之造福人民。因此保护黑土刻不容缓[4]。

中国作为世界农业大国，秸秆年产量庞大，但没有得到比较好的利用，过去人们常常通过焚烧秸秆的方式恢复土壤肥力，但是焚烧会对环境造成较大污染；采取秸秆直接还田的方式，由于东北地处严寒，分解缓慢，影响来年的作物生长。随着陈温福原始“秸秆炭化还田”理念的提出，极大地推动了生物炭的应用导向，通过缺氧环境低温炭化秸秆的方式制得生物炭，可以改良土壤，促进土壤肥力，实现作物高产的目标。

在改良黑土的诸多举措中，生物炭具有明显的优势，既可以增强土壤储水能力，又能减少地表径流，提高透水性，减少黑土侵蚀，缓解土壤重金属污染，实现安全持久地提高肥料利用率和产量，成为近年来研究的热点[5]。因此，本文通过对近年来生物炭的研究，在生物炭对土壤和作物以及微生物群落结构的改良方面进行分析。

1 国内外研究现状

1.1 生物炭的性质

生物炭是在低于700℃的供氧气有限的密闭环境下热解生成的一类性质稳定、含碳量>60%的固态物质[6,7]。在农业方面的应用起源于亚马逊河流域，早期被称之为Terra preta，指的是在土壤中发现的高有机碳、高肥力物质，多表现为较高pH。生物炭在施入土壤后，氮磷钾等元素释放，可以提高土壤的碱性[8]。疏松多孔的结构有利于黑土水稳性与持水性的提高。但生物炭的类型与土壤属性也影响着土壤持水能力。生物炭的吸附性可以减少肥力流失，为作物生长提供养分，达到土地改良的作用[9]。Tryon等[10]报道生物炭具有持水性是因为覆盖的亲水基因。生物炭的自身结构与施加量和施肥时间都影响着自身的储水性能[11,12]，同时生物炭比较稳定，能较长时间不被降解[13]，并把碳元素长期固定在土层中，达到封存碳的作用[14]。有研究表明，在理想情况下，生物炭可以存留2000a[15]，因此生物炭在改良土壤时能发挥更大的经济效益，也能节约人工，达到一次施加多年利用的效果。生物炭作为含碳量高，比表面积大，孔隙结构发达的黑色土壤改良剂[16-19]，有利于改善土壤板结的问题，同时疏松多孔的结构能促进微生物的群落结构的完善。生物炭来源广泛，木本植物炭与草本植物炭是两大巨头[20]。生物炭的元素组成和性质与生物炭原材料关系比较大[21-23]，有研究显示，木本植物生物炭碳含量高于草本植物，但矿物质元素低于草本植物[24]。不同原材料与不同工艺生产制作的生物炭具有不同的物理和化学属性，更高的温度制得的生物炭其孔隙率更大，具有更强大通透性，同时碱性更强，修复酸性土壤的效果更好。低温制得的生物炭有效养分含量更高。根据不同的农业需求采取不同的生物炭进行对应的改良能更加经济合理地改善土壤生态系统。

1.2 生物炭对土壤肥力的影响

在土壤肥力方面，生物炭发挥着重要的作用，并且可以提高作物产量[25-27]。我国是农业大国，大豆占据重要的粮食地位，可单位面积产量令人堪忧。要解决作物产量的问题，土壤肥力是关键因素[28]，农田添加了生物炭基肥以后，土壤含碳量显著改变，不仅能降低土壤水溶性有机碳的流失，也能加剧土壤有机质的矿化过程。同时达到固碳补碳的作用，大豆的产量与土壤肥力综合指数呈现良好的线性关系[29]，而生物炭还可以显著增加土壤生产力[30]，吸附固定重金属。生物炭相对常用肥料具有显著的优势，其可以做到一次施加有效发挥6～7a的作用[31]。不同的土壤改良剂对土壤理化性质与作物生长也不同[32]。有研究得出，生物炭会改变土壤内部环境的垂直分布，土壤全氮、电导率、pH在不同深度差异显著，均表现为随着深度的增加而减小，土壤真菌和细菌分布随土壤深度增加而降低[33]。作物的生长发育与土地理化性质及微生物的分布有着重要的关系[34]。有研究表明，生物炭可以显著降低土壤中活性铝等有害的物质对作物的毒害作用。同时生物炭制作为基肥后，显著降低了土壤中的氮素释放量，有利于作物干物质的积累。

1.3 生物炭对土壤保水性的影响

由于生物炭在土壤理化性质的改良中可以发挥巨大的作用[35,36]，能够改善微生物的群落结构，并且促进水稻等重要粮食作物的生长发育[37]，提高土地生产力[38]，成为近几年环境、生态、农林等领域的研究热点。因此许多研究者对生物炭在土壤持水保水上进行了大量研究。

诸多研究表明，生物炭不仅在土壤保水能力上有较大的促进作用，在作物的生长发育方面也有显著的促进作用。在东三省，温度低导致秸秆分解速度慢，而将其转化为生物炭可以增加秸秆的利用率[39,40]。在持水方面，生物炭也发挥着重大作用[41-43]。在生物炭疏松多孔的结构下，土壤产生海绵效应，提高土壤的保水性，在田间持水量的初级上发挥着巨大作用。王丹丹等[44]研究表明，土壤持水性与生物炭施加量为正相关关系。卜巧珍[45]研究表明，生物炭对土壤饱和导水率的显著降低作用，可以截留更多水分在土壤上层[46]。同时，施加生物炭可以增强土壤的抗侵蚀能力，保持水土，降低降雨过程的泥沙量和地表径流。但过量的生物炭则会对土壤保水性产生不利的影响。

1.4 生物炭对作物生长发育的影响

作物生长受到生物炭的显著影响，在土壤中施加生物炭抑制大豆前期的生长发育，抑制作用在后期逐渐减小，同时施加生物炭处理后大豆干物质重显著提升，但施加过多会反作用抑制大豆生长[47]。不仅是大豆，玉米的研究也得到相同结论，生物炭施加会抑制玉米前期生长，但玉米发育后期抑制效果会慢慢消失，得出生物炭对作物发育后期有促进作用[48]。生物炭还田比秸秆还田的增产效果好，生态效益和经济效益更好，作为土壤改良剂的脱硫石膏，在不同施加深度的情况下对土壤的改良效果与棉花的生长效果不同[49]，生物炭矿质含量低，因此生物炭对作物一般是间接的增益效果，生物炭提高土地生产力一般是通过土壤环境的调节与对作物生长的促进作用[50-52]。

大量试验表明，生物炭施加不仅能增加土地生产力，在提升作物品质上，也能发挥积极作用。与氮肥配施能够增加籽粒产量，提升籽粒蛋白氮、不饱和脂肪酸与氨基酸的含量[53]，由于生物炭疏松多孔，可以降低容重，增加土壤孔隙率，增加土壤的通透性，因此生物炭可以改善根系的外在环境，对根系周围养分的供应产生增益效果，使得根系活力增强，对养分有更好的吸收效果[54,55]。不仅有利于普通农田的作物生长，也有利于作物在重金属污染、盐碱化、干旱化土壤中的生长。但也有部分研究指出，施加生物炭会对作物产量与生长动态产生降低趋势而不是促进趋势[56]。生物炭优势诸多，但过量施加也会对作物的生长产生消极的影响。有研究表明，过量施加生物炭会让水稻各种指标呈现出下降趋势。不同的生物炭与不同的生产工艺也会带来不同的作用效益，可以根据预期目标选择合适生物炭达到最大的经济效益，由于生物炭对养分的吸附作用，可以缓解土壤肥力流失带来的作物生长养分不足的影响。

1.5 生物炭施加深度对土壤的影响

生物炭施加在不同深度对土壤基质吸力的影响不同，对水分特征曲线的影响也不同[57]，普遍认为，土壤的孔隙率和所处环境决定土壤水分特征曲线，土壤中水的渗透能力与传导能力受到生物炭疏水性的限制[58]。由于土壤容重受到深度的影响，在细质土壤中，生物碳颗粒会产生更大的孔隙率，增加不饱和的水流动和土壤含水量[59,60]。有试验得出，生物炭改变了土壤内部环境的垂直分布，土壤全氮、电导率、pH在不同深度差异均显著表现为随着深度的增加而减小，追其原因，生物炭的施加极大增加了土壤孔隙度，造成土壤氮素随着深度的增加表现为淋溶和生物炭对土壤阳离子逐层吸附。土壤真菌和细菌分布随土壤深度增加而降低。

1.6 生物炭对土壤微生物的影响

在农林等方面，对于植物的生长发育，土壤微生物发挥着重要的作用[61]，生物炭本身的特性可以改变土壤微生物群落结构[62]，为微生物提供适合的生存环境，增加微生物丰度[63]，增加土壤生物多样性[64,65]。生物炭有利于微生物存活的易分解氮源和碳源，这是生物炭初期土壤微生物活性及数量较高的原因[66];由于生物炭的多孔结构，能更好地储存水分和肥力[67]。生物炭施于农田后，改变了土壤的内部结构，更加适合微生物生存，导致微生物对此有正反馈响应，促进土壤修复和作物生长，同时生物炭的吸附作用也能吸附更多的营养物质，保障微生物的营养供应。丁俊男[68]研究表明，生物炭可以提高土壤酶活性，增加土壤中细菌与真菌重量，同时增加微生物量碳。Gomez等发现，微生物丰度随着生物炭施加比例增加而增加[69]。有研究表明，在大豆前期根部细菌真菌放线菌对生物炭的响应也不相同，只有细菌会增加，而放线菌和真菌变少，而作物的生长发育与土地理化性质及微生物的分布有着重要的关系[60]。此外，有报道称低温条件制取的生物炭可以促进微生物生长繁殖[70]。

2 生物炭的前景

秸秆生物炭缓解了秸秆焚烧带来的污染，在促进作物生长发育、改良土地环境、修复重金属污染、增加土壤微生物群落结构等方面具有良好的性能。应该进行生物炭的普及，但我国农村分散、集中建设热解装置运输成本较高，同时为改良生物炭性能添加的材料成本较高，所以，为了更好地研究和实际应用，可以加强移动快速热解技术与廉价符合材料的制备[71]。近年来，国内对生物炭改良农田的研究越来越多，不仅在东北黑土的改良中有较为广泛的应用，在南方的应用也备受关注。当前工业化导致的土壤酸化，生物炭能在酸化土壤修复中发挥巨大价值，并且能够缓解重金属污染，同时生物炭与肥料结合可以制成生物炭基肥，为土壤修复提供巨大的帮助。

秸秆炭化还田是新兴的农业模式，与秸秆直接还田相比，具有体积小、方便施加、方便运输的优点。虽然生物炭具有诸多的优点，但生物炭与土壤的相关作用机理还没得到一个比较合理的描述。不同的土壤条件、耕作条件、肥料的施加方式都会影响对土壤的改良效果，需要加大对此方面的研究，得到更多的定量指标对未来的推广应用提供导向。