生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展

卜晓莉，薛建辉

1. 南京林业大学理学院，江苏 南京 210037；2. 南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室，江苏 南京 210037

生物炭(biochar)是指由含碳量丰富的生物质（如木材、家禽粪便和秸秆等）在相对较低的温度（<700℃）和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(Antal和 Gronli,2003)常见的生物炭包括木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭等。生物炭作为土壤改良剂在改善土壤理化性质、持留土壤养分、促进植物生长、减少温室气体排放等方面显示出较大潜力，成为近年来的研究热点。许多研究表明，生物炭不仅能够通过提高酸性土壤的 pH值来增强土壤肥力(Van Zwieten等, 2010)还可以通过阳离子吸附增加土壤营养物质的持有量(Liang等, 2006)而且会改变土壤微生物群落组成和数量(Grossman等, 2010;O'neill等, 2009)因此也就对植物的生长产生了间接影响(Warnock等, 2007)。但由于生物炭的性质、施用量、土壤质地、土壤肥力等因素的差异，导致有关生物炭施用效果的研究结果并不一致，因此国内外学者对生物炭的广泛应用仍存在争议。本文结合国内外有关生物炭的最新研究进展，重点阐述了生物炭对土壤理化性质、养分固持、微生物丰度和群落结构、土壤酶活性、以及植物生长等方面的影响，以供相关研究者参考与借鉴。

1 生物炭的特性

生物炭的元素组成主要包括碳（一般高达60%以上）、氢、氧等，其次是灰分（包括钾、钙、钠、镁、硅等），其中碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在，具有更高的生物化学和热稳定性(张旭东等, 2003)。研究认为，生物炭的元素组成与制炭时的最终炭化温度密切相关，具体体现为随最终炭化温度的升高，所形成的生物炭含碳量增加、氢和氧含量降低、灰分含量亦有所增加(Lehmann, 2007)。高度的芳香化结构和疏水性的脂族碳使生物炭施入土壤以后，可以长时间保持稳定而不易在短时间内分解(Schmidt和Noack, 2000)。生物炭一般呈碱性，pH在7～10，所以对于改良酸性土壤，不失为一种可供选择的方法。生物炭具有疏松多孔的结构，比表面积巨大。生物炭表面带有大量负电荷和较高的电荷密度, 并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能团, 具有很大的阳离子交换量(CEC), 理论上能够吸附大量可交换态阳离子(Liang等, 2006)。制备生物炭的材料和制备条件（如温度、氧气含量和时间）对生物炭的性质有比较大的影响(Lua和Yang, 2004; Gundale和Deluca, 2006; Amonette和Joseph, 2009)。生物炭的环境功能主要决定于其理化性质。

2 生物炭对土壤理化性质的影响

2.1 生物炭对土壤物理性质的影响

生物炭高的孔隙度和表面面积，会使土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径发生改变(Major等, 2009)。用生物炭提高土壤的田间持水量，对砂性土意义更大，因为这类土壤对水分的保蓄能力很弱(Glaser等, 2002)。Brockhoff等(2010)研究表明，添加φ=25%的生物炭的沙地比添加5%生物炭及单纯的对照分别多持留了260%和370%的水分。高海英等(2011)采用土柱入渗法研究发现，砂质壤土和壤质沙土中混入生物炭后，土壤持水量均有增加，但这种增加效应是有限度的，超过一定混入量（80 t·hm-2）反而会降低土壤持水量。Oguntunde等(2008)研究表明添加生物炭的沙质土壤饱和导水率增加，土壤容重减少，土壤孔隙度增加，土壤渗透率增加。黄超等(2011)研究表明红壤施用生物炭能明显提高土壤水稳定性团聚体数量和土壤田间持水量, 降低土壤容重。因此，生物炭可以作为提高干旱地区砂性土保水能力的一种有效手段。

2.2 生物炭对土壤pH值的影响

生物炭的碱性属性使其施入土壤后势必会对土壤pH产生直接影响。Glaser等(2002)研究结果表明生物炭能够调节土壤pH并提高盐基饱和度，这主要归因于生物炭本身所含有的 Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，随生物炭进入土壤以后，在水土的交融作用下会有一定的释放，这些离子可以交换土壤中的 H+和 Al3+，从而降低其在土壤中的浓度(Van Zwieten等, 2010)。土壤pH的提高对酸性土壤改良和喜碱作物的生长具有积极意义。

2.3 生物炭对土壤阳离子交换量的影响

土壤阳离子交换量是影响土壤肥力的重要指标之一，生物炭对土壤阳离子交换量的影响效应对提高土壤肥力与生产性能具有重要作用。生物炭对土壤阳离子交换量的作用大小与所应用的土壤类型、生物炭的原材料以及生物炭生产条件等有关(Gaskin等, 2008; Yuan等, 2011)。研究认为，生物炭施入土壤以后其表面可能会氧化形成羰基、酚基、醌基，氧化后的生物炭对土壤阳离子的吸附能力增强 (Atkinson等, 2010)。Laird等(2010)研究发现生物炭施入土壤后，土壤阳离子交换量（CEC）提高了20%，且随施炭量增加而提高。不过，将生物炭添加到高有机质含量的土壤中，可能不会增加土壤的CEC，因为高有机质含量的土壤本身已具有较高的CEC，如Schulz和Glaser (2012)的研究表明生物炭的添加并没有增加土壤CEC。

3 生物炭对土壤中氮磷养分的固持作用

生物炭对土壤中氮磷养分的固持效应取决于生物炭性质、施用量及土壤质地等因素。Laird等(2010)观察了在施用猪粪的温带农业土中添加不同含量生物炭对氮磷淋滤效果的影响，发现滤出液中的总氮、总磷含量随生物炭添加量的增加而显著降低。周志红等(2011)研究发现50和100 t·hm-2的生物炭施用量降低黑钙土氮素淋失分别为29%和74%,减少紫色土氮素淋失分别达 41%和 78%，但 10 t·hm-2的生物炭施用量却增加了两种土壤氮素的淋失。花莉等(2010)研究表明，除了秸秆炭添加初期，其余各生长阶段，添加 1%~4%生物炭处理的褐土淋出液中氮磷的浓度显著降低。许多研究发现生物炭的添加能够有效减少土壤中铵态氮的淋失，这主要归因于生物炭提高了土壤的阳离子交换量(CEC)，因此增加了土壤对NH4+的吸附量(Lehmann等, 2003; Van Zwieten等, 2010; Yuan和Xu, 2011)。Taghizadeh-Toosi等(2012)利用15N同位素示踪技术研究发现生物炭吸附的铵态氮可以被植物再利用。目前关于生物炭对土壤中硝态氮的固持效应，研究结果并不一致。Güereña等(2013)和Knowles等(2011)研究发现，添加生物炭能够明显减少土壤中硝态氮的淋失量，Güereña等(2013)研究同时发现，土壤微生物量氮含量增加，这表明硝态氮被微生物吸收转化为有机氮，有机氮易被生物炭和土壤矿物质吸附。而Cheng等(2012)的研究发现，黑钙土中添加生物炭不能有效抑制土壤中硝态氮的淋失。Laird等(2010)和 Lehmann等(2003)的研究结果更与之相反，他们发现生物炭的添加不但没有抑制硝态氮的淋失，反而使得硝态氮的淋失量有所增加。尽管磷以阴离子形式存在于土壤中，生物炭同样会降低渗滤液中磷的浓度，因为生物炭对磷酸盐具有一定的吸附能力(Lehmann等, 2003)。Yao等(2012)比较了两种生物炭对沙土中可溶性磷的持留作用，发现BP600生物炭可以减少沙土 PO43--P淋失量的20.6%，与之相反 PH600生物炭却增加了沙土中PO43--P的释放。

4 生物炭对土壤微生物丰度、群落结构以及土壤酶活性的影响

4.1 生物炭对土壤微生物丰度的影响

生物炭的多孔性和表面特性能够为微生物生存提供附着位点和较大空间，同时调控土壤微环境的理化性质，影响土壤微生物的生长、发育和代谢，进而改善土壤肥力。生物炭对土壤微生物的影响是复杂的、多方面的，作用机制尚不完全清楚。大多数研究表明，生物炭的添加会增加土壤微生物量，会明显改变土壤微生物群落结构组成和土壤酶活性(Lehmann 等, 2011; Ameloot等, 2013)。Galvez等(2012)研究发现，生物炭的添加增加了两种农田土壤（微酸性和碱性土壤）的微生物量碳含量。许涛(2012)研究发现，竹炭的添加增加了土壤微生物量碳、氮、磷的含量。黄剑(2012)研究发现，生物炭的施用显著提高了土壤微生物量碳水平，且随施用量增加，其对土壤微生物量碳的影响越大。同时，生物炭在一定程度上也提高了土壤微生物量氮水平，但当施用量达到4500 kg·hm-2时，反而会显著降低土壤微生物量氮的含量。与上述研究结果相反，Dempster等(2012)研究发现，生物炭的添加明显减少了土壤微生物量碳含量，而对土壤微生物量氮的影响不明显。生物炭对菌根真菌具有积极的影响，生物炭的添加能够增加菌根真菌的丰度，促进菌根真菌对植物根部的侵染，但其对菌根真菌的影响程度与生物炭的特性有关(Warnock等, 2007;Warnock等, 2010; Atkinson等, 2010)。

4.2 生物炭对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物量的变化只能反映土壤微生物的总体数量变化，而土壤微生物本身是一个复杂的群体，其中不同的微生物种类对生物炭施用的响应具有多样性(Nannipieri等, 2003)。Chen 等(2013)基于16S rRNA和 18S rRNA基因，利用 T-RFLP和qPCR-DGGE系统，结合克隆文库分析，对经过生物炭改良的微酸性稻田土壤的微生物数量和群落结构进行表征，结果显示，秸秆生物炭的添加增加了稻田土壤中细菌基因的丰度，降低了真菌基因的丰度。土壤根际微生物对土壤的肥力及土壤的生态环境质量起着重要的作用。Graber等(2010)研究发现，生物炭的添加提高了土壤根际细菌和真菌的丰度，使土壤根际微生物群落结构更有利于植物生长。Kolton等(2011)将细菌多样性联系其生态学功能进行考察，发现施用生物炭后，几个不同优势属的变化各不相同，有的属增加，有的属降低，但其变化都有助于植物生长和抵抗病害。生物炭的施加会使土壤中的某些特殊功能菌，如根瘤菌、固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌的相对丰度明显增加，表明这些功能菌对生物炭的响应更为敏感(Deluca等,2006; Chan 等, 2007; Rondon 等, 2007; 许涛, 2012)。

4.3 生物炭对土壤酶活性的影响

生物炭对土壤酶活性的影响是高度可变的，这些影响可能与生物炭和目标底物之间的反应有关(Bailey等, 2011)。一方面生物炭对反应底物的吸附有助于酶促反应的进行而提高土壤酶活性，另一方面生物炭对酶分子的吸附对酶促反应结合位点形成保护，而阻止酶促反应的进行(Derenne和Largeau,2001；Lehmann 和 Joseph, 2009; Lehmann等, 2011)。Galvez等(2012)研究发现，生物炭的添加增加了 2种农田土壤的β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶的活力。Masto等(2013)研究表明，生物炭的添加增加了土壤脱氢酶、过氧化氢酶、荧光素水解酶、酸性和碱性磷酸酶的活性，且酶活性随生物炭剂量的增加而增加。Wu等(2013)研究发现，秸秆生物炭的添加增加了土壤脲酶的活性，然而，减少了土壤脱氢酶和 β-葡萄糖苷酶的活性。黄剑(2012)研究表明，生物炭施用对土壤转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性都有显著提高，但当生物炭施用量较高时，对土壤脲酶可能起到抑制作用。

5 生物炭对植物生长的影响及其肥效机理

5.1 生物炭对植物生长及养分吸收的影响

植物生长发育有赖于良好的土壤环境。但在自然界中，土壤往往存在着各种障碍因素，限制着植物生长。根据不同土壤的主要障碍因子，选择合适的生物炭对土壤进行改性，以期能够提高土壤养分的有效性，增加植物吸收养分的效率(Jeffery等,2011)。例如，在磷有效性低的土壤中施入生物炭,可以提高土壤有效磷的含量, 进而提高植物对磷的吸收量(Lehmann等, 2003; Liu等, 2012)；在钙镁养分有效性低的土壤中施入生物炭，可以提高土壤中钙镁营养元素的可利用性，促进作物对钙镁养分的吸收，提高作物产量(Major等, 2010)；高碱度的生物炭能够减少酸性土壤中铝的毒性，降低有毒元素对作物的危害(Yuan等, 2011）；生物炭的添加可以减少沙地土壤水分胁迫，有助于植物正常发育(Jeffery等, 2011; Kammann等, 2011)。但在某些情况下，施用生物炭并没有提高作物产量，张晗芝等(2010)研究发现生物炭对玉米幼苗植株干质量，N、P 养分的吸收量均没有显著影响。Güereña等(2013)研究发现将生物炭添加到温带肥沃土壤中，并没有改善作物的生长，但是增加了表层土壤氮肥的保留率。Van Zwieten等(2010)研究发现将生物炭与化肥混施到酸性土壤中，增加了作物对氮的吸收，提高了小麦、大豆和萝卜三种作物的产量；而将生物炭与化肥混施到碱性土壤中，提高了大豆的产量，但却减少了小麦和萝卜的产量。另外，高量施用生物炭可能会对植物生长产生抑制作用(黄超等, 2011;Kammann等, 2011)。因此，生物炭对植物生长的促进作用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。

5.2 生物炭的肥效机理

目前关于生物炭肥效机理的研究还很缺乏。生物炭本身矿质养分含量较低，其可直接提供的养分很有限，生物炭对作物生长的促进作用，主要归因于其改善了土壤的理化性质，提高了土壤养分的有效性，以及改变了土壤微生物丰度和群落结构。干旱条件下植物根的伸长会受到限制，通过施入生物炭，可以增加土壤持水性和孔隙度，促进植物根系生长(Chan等, 2007)。森林火灾形成的木炭明显改善了森林土壤的饱和持水量和有效磷含量，促进了松木幼苗的再生(Makoto等, 2011)。生物炭的添加增加了土壤有机质含量，提高了土壤肥力，因此促进了植物生长(唐光木等, 2011; Schulz和 Glaser,2012)。生物炭的添加促进了落叶松幼苗外生菌根的形成，使得落叶松幼苗对养分的吸收增强(Makoto等, 2010)。生物炭的添加增加了土壤中菌根真菌的寄生，使得作物对养分和水分的吸收加强(Blackwell等, 2010; Solaiman等, 2010)。生物炭的添加改变了土壤微生物的种群结构，其变化更有助于植物生长和抵抗病害(Graber等, 2010; Kolton等, 2011)。还有研究报道，生物炭促进了土壤中乙烯的产生，这种对植物生理至关重要的植物激素必然会对植物生长产生影响(Spokas等, 2010)。

6 研究展望

生物炭作为一类新型环境功能材料，不仅为农林废弃物质资源化利用提供了新思路，而且在土壤改良和作物栽培等方面显现出巨大潜力，可以预见生物炭在土壤学、生态学和农林业生产方面将有广阔的应用前景。目前，国内外关于生物炭的研究仍处于起步阶段，因此还有很多工作急需要开展。

（1）由于生物炭的特性和施用量、土壤性质、植物种类等因素的不同，导致生物炭作为土壤改良剂，在提高土壤肥力和促进植物生长等方面的研究结果存在较大差异。因此，必须根据不同土壤的主要障碍因子，选择合适的生物炭，以期得到较好的土壤改良效果，促进植物生长。

（2）目前生物炭的应用主要是针对农田土壤以及农作物的研究，而关于生物炭对林地土壤改良以及林木生长影响的研究非常缺乏。因此，今后应加强生物炭在林地水分涵养，活化土壤养分，提高造林成活率，改善地区生境等方面的研究与应用。

（3）生物炭在土壤中发生的生物和化学反应机理仍需进一步探索, 如摸清施用生物炭后对土壤微生物群落结构的影响，运用分子生物学方法确定具体是哪一类甚至是哪一种微生物的活性发生改变；生物炭与土壤中的营养元素、重金属元素、有机物之间的吸附-解析、沉淀-溶解、氧化-还原等作用过程。

（4）生物炭对土壤理化性质、土壤养分变化、植物生长状况以及土壤微生物活性的影响，目前的研究大多是短期室内培养和小规模田间试验，而新鲜生物炭施用后引起的土壤环境变化以及土壤生物的响应会随着时间进行而发生变化，因此，对生物炭施用效果的野外长期定位研究显得非常必要。

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