生物炭改良土壤机理及其在我国热区应用前景综述

赵秋芳 赵青云 王辉　 王华 庄辉发 鱼欢 朱自慧

摘 要 近年来，生物炭在农业废弃物的有效利用、土壤改良、环境修复等方面发挥着重要作用，日益受到国内外研究者的关注。众多研究结果表明：生物炭可以通过改善土壤结构，提高土壤pH和有机质含量，增加土壤养分有效性，提高土壤酶活性，调控土壤微生物环境，进而改良土壤，促进作物生长。本文从生物炭对土壤物理、化学性质、土壤养分、酶活性和土壤微生物的影响等方面，综述生物炭改良土壤的机理。同时结合我国热带亚热带农业生产现状，从原材料供应和土壤环境条件等方面，分析生物炭在我国热带亚热带地区的应用前景，为生物炭的广泛利用及热带亚热带地区土壤改良提供理论参考和借鉴。

关键词 生物炭 ；土壤理化性质 ；土壤养分 ；土壤酶活性 ；土壤微生物

分类号 S154.4

生物炭通常是指由木材、农作物废弃物、植物落叶等生物质或其它生物质废弃物在厌氧或者无氧条件下，低温（<700℃）热解形成的固体生物材料[1-3]。生物炭最早起源于19世纪巴西亚马逊河流域，被称为“印第安人黑土壤”。2007年第一届国际生物炭会议上将其命名为 “biochar”，在我国也将其翻译为生物质炭，或者生物焦，属于黑碳（black carbon）的一种。目前常见的生物炭包括木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭和畜禽粪热解炭。研究表明生物炭一般呈碱性[4]，具有有机碳含量高[2]，丰富孔隙度和较大的比表面积[5-7]。近年来，生物炭在土壤改良和增汇减排方面的作用受到农业、环境和能源方面研究者的广泛关注，被誉为“黑色黄金”[8]。有关生物炭在提高土壤肥力，促进作物生长及污染土壤修复等方面的作用日益受到国内外学者的重视。生物炭的广泛应用，可能成为实现农业可持续发展和环境污染治理的重要途径。本文主要从生物炭对土壤理化性质、土壤养分、土壤酶活性和土壤微生物的影响等方面综述生物炭改良土壤的作用机理，同时分析生物炭在我国热带和亚热带地区的应用前景，以期为生物炭在土壤改良及我国热带和亚热带地区的广泛应用提供参考和借鉴。

1 生物炭对土壤理化性质的影响

1.1 生物炭对土壤物理性质的影响

土壤物理性质包括容重、孔隙度、持水性。生物质炭化以后，保留了原有生物质的良好孔隙结构，具有较大的孔隙度和比表面积[9]，施入土壤，可以增加土壤孔隙度，降低土壤容重，并有效的固持土壤水分，增加土壤含水量[10-12]。Oguntunde等[13]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，饱和导水率提高了88%，总孔隙率从45.7%增加到50.6%，土壤容重降低和通气孔隙提高为根系提供了良好的生长空间， 有利于根系生长。颜永毫等[14]研究表明，黄土高原典型塿土、黄绵土、风沙土添加生物炭，土壤田间持水量平均增加2.77%，3.09%，4.17%，显著高于不施炭处理。生物炭以9%的比例施入时，使沙壤土的土壤持水能力提高1倍，且随着施用量的增加，土壤持水量显著增强[15]。Asai等[16]研究结果，也表明生物炭能够提高土壤含水量以及降水等渗入量。

1.2 生物炭对土壤化学性质的影响

生物炭对土壤化学性质的影响研究主要从土壤阳离子交换量，土壤pH、土壤有机质等几个方面进行的。生物炭施入土壤可以提高土壤pH[17-18]，提高土壤阳离子交换量[19]，增加土壤有机碳含量[20]。生物炭一般为碱性，施入土壤后可提高酸性土壤pH。这主要是由于生物炭的灰分含有更多盐基离子，如钙，镁，钾，钠。这些盐基离子可以交换土壤氢离子及交换性铝离子，提高土壤盐基离子如钙、 钾、钠等的饱和度，进而增加土壤阳离子交换量，提高土壤pH[18，20]。Zhang等[21]发现，添加10和40t/hm2生物炭，土壤pH分别增加0.2和0.4个单位，Jones等[22]添加50 t/hm2生物炭，土壤pH增加0.3个单位。Peng等[23]发现，生物炭对土壤pH的影响大小主要取决于生物炭的炭化温度和炭化时间。何飞飞等[24]研究发现，土壤pH、CEC值和持水量（WHC）均随生物炭施用量增加而升高。陈红霞等[25]在华北平原高产农田3年定位试验研究结果表明，施用生物炭显著降低了0～7.5 cm土层容重，增加了0～15 cm 土层的阳离子交换量。Laird等[26]研究发现，生物炭施入土壤后阳离子交换量提高了20%，且随炭量增加而提高。张祥等[27]研究发现，施用生物炭可以显著增加红壤和黄棕壤有机质和pH。游东海[28]在石灰性土壤上添加生物炭能增加土壤有机质的含量，而且效果是秸秆直接还田的2～3倍。生物炭含有大量的碳，施入土壤可以增加土壤有机碳含量，土壤有机碳含量增高可提高土壤C/N比，从而提高土壤对氮素及其他养分元素吸持容量[29]，有利于通过配合施肥培肥土壤。

2 生物炭对土壤养分的影响

生物炭对土壤养分的作用可以概括为两个方面。一是生物炭本身含有N、P、K、Ca、Mg、S等矿质营养元素，施用后矿质营养元素可返还到土壤中，提高土壤养分以及生产力[30-31]。Major等[32]4年连续试验表明，施用生物炭可以提高土壤pH和有效钙、镁含量。黄超等[10]研究结果表明，施用生物炭明显提高低肥力红壤的速效磷、速效钾和有效氮含量，增加土壤保肥能力。另一方面，生物炭施入可以提高土壤养分的有效性，降低养分淋失。Lehmann等[33]研究表明，生物炭施入土壤，显著增加植物生长必需的K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu等主要阳离子的可给态，提高土壤养分有效性。另外，生物炭具有很强的吸附作用，可以吸附土壤中水溶性离子，减少营养离子的溶解迁移，使其缓慢持续释放，避免营养元素的淋失。Kei等[34]研究发现，生物炭对铵离子有很强的吸附性，可以降低氮素挥发，减少养分流失，从而提高土壤肥力。郑浩等[35]研究表明，土壤中添加芦竹生物炭可以减少 N 的淋失，增加土壤 N 的持留，增强 N 的生物有效性。周志红等[36]研究也表明，施用生物炭可以大幅度降低氮素的淋失作用，但对不同土壤类型的作用有差异，以50和100 t/hm2的标准施入生物炭，黑钙土氮素淋失分别降低29%和74%，紫色土降低41%和78%。在酸性土壤和砂质土壤上，生物炭对氮、磷营养元素的吸附作用更明显，能够在一定程度上避免肥料流失，延长供肥期，利于作物生长[37-39]。

3 生物炭对土壤酶活性和微生物的影响

生物炭同时影响土壤酶活性和土壤微生物。研究表明，生物炭施用会促进与N、P等矿质元素利用相关的土壤酶活性。Jones等[22]报道连续3年施用生物炭（50 t/hm2）农田反硝化酶活性显著高于对照。施用生物炭一定程度上能增加土壤磷酸酶活性[40]，黄剑[41]研究也表明，生物炭大幅度提高土壤中转化酶、脲酶、磷酸酶活性。

生物炭具有疏松多孔的结构和巨大的比表面积，可以保持空气和水分，为土壤微生物聚集、生长与繁殖提供良好的环境，减少微生物之间的生存竞争[42]。另外，生物炭含碳量大，在培养过程中发生降解，可为微生物提供充足的碳源，促进微生物生长，提高微生物生物量[43-44]，改变土壤中微生物群落结构[40]。Steinbeiss 等[45]研究发现，施用生物炭明显增加土壤中真菌和革兰氏阴性菌的生物量。Prayogo等[46]也发现，添加生物炭增加土壤细菌生物量，显著增加革兰氏阴性菌和放线菌的丰度。王晓辉等[47]研究表明，添加生物炭显著增加设施栽培退化土壤中的氨氧化古菌与氨氧化细菌和nirK的丰度，提高土壤的硝化潜势。韩光明等[48]设施菠菜土壤添加生物炭，根际细菌、真菌、放线菌及氨化细菌、好氧自生固氮菌和反硝化细菌等功能性细菌的数量均有增加。

4 生物炭在热带地区的应用前景

4.1 制备生物炭的原料丰富

热带地区水热资源丰富，种植作物生物量大，农业秸秆废弃物较多，随意丢弃或焚烧，造成严重资源浪费和环境污染。将农业废弃物制备成生物质炭还田，可以有效减少农田CO2排放，减少环境污染。废物利用，变废为宝，从而获得较高的经济、环境和社会效益。

4.2 热带亚热带地区土壤问题严重，生物炭可以改善土壤问题

热带亚热带地区分布的主要土壤类型为砖红壤，赤红壤，红壤，黄壤，燥红土，紫色土和水稻土等。这些地区雨热同期，且高温多雨，矿物风化和土壤淋溶作用强烈。土壤铁铝含量高，易于硬结，物理性质较差；土壤酸性较强，且有下降趋势，容易产生毒害；有机质分解迅速，补充不及时，易造成土壤质量下降；矿质养分循环快，且土壤自然肥力不高[49]。大量研究表明，生物炭可以改善土壤物理结构，提高土壤pH，有机碳库含量，提高土壤养分含量，广泛应用于热带和亚热带地区，可以解决制约热带农业发展的主要土壤问题，有利于热带农业的可持续发展。

4.3 热区肥料利用率低，施用生物炭可以提高肥料利用率

热带和亚热带地区，有机质的快速降解及淋失，土壤有机质含量低，阳离子交换量低，土壤养分贫瘠，生产力低下，而极低的养分利用有效性和生产成本的增加大大限制了无机肥料的使用。热带地区气候温度较适合作物生长，一年四季均可以种植作物，特别是冬季果蔬的种植，施肥量大，同时热区的降雨量大，容易造成肥料的大量淋失，增加肥料用量，提高生产成本，造成环境污染，不利于发展热带和亚热带地区高效安全农业。

生物炭的施用可以延缓肥料的释放速率，减少养分淋失，提高土壤养分有效性，以及土壤的保水保肥能力，提高肥料利用率，节约生产成本，防止环境污染，具有较大的经济和生态环境效益，在我国热带和亚热带地区有较大的开发应用前景。

综上所述，生物炭是通过改善土壤物理和化学结构，提高土壤养分，土壤酶活性，增加土壤微生物生物量，进而改良土壤，促进作物生长。同时生物炭的广泛应用是解决热带和亚热带地区土壤和环境问题的有效途径，可以促进热带和亚热带农业发展，具有广阔的应用前景。但是目前，我国热带和亚热带地区有关生物炭应用的研究不多，而且仅限于模拟和室内试验，大规模的田间试验较少，以及针对不同原材料生物炭的施用效果差异研究不足，应加大生物炭的田间应用范围和广度的研究力度，广泛开展相关试验，将生物炭应用与热带地区土壤改良，变废为宝，综合开发，促进生物炭在热带地区的广泛应用，提高土壤质量，减少环境污染，为热带农业的可持续发展做贡献。

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