生物炭施入对盐碱土壤影响的研究现状

王丽娜，杨 瑛，杜 苏

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

土地退化是当今世界关注的一个主要问题，而维持土地肥力更是一个重要问题，这也是农业系统的一个主要制约因素。根据UNESCO（联合国教科文组织）和FAO（联合国粮食及农业组织）的相关资料显示：世界总盐渍土面积达9.5438×108hm2[1]。盐渍土作为一种十分常见的土壤类型分布于世界各地，它是各种盐碱化以及受盐碱作用影响的盐碱土类型总称。目前，全球范围内盐碱地正以每年1.0×106～1.5×106hm2速度增长[2]。土壤盐碱化对世界各地的农业生产构成严重威胁，其影响正在不断的增加[3]。对于人口基数大的中国，粮食安全是世界五分之一以上人口生计和福祉的基础。土壤的退化对土壤的生产能力产生了巨大的负面影响，如果土壤继续以目前的速度退化，到2050年，粮食作物的生产力可能会下降30%[4]。

经研究发现，盐渍土质量与面积变动的速度越来越快，这与人类活动有着脱不开的关系，诸如：过量使用化肥、过度放牧、不当的灌溉以及过度砍伐等导致土壤逐渐退化，即便是优良耕地也因日积月累的伤害变成次生盐渍化土壤。高盐浓度对土壤微生物活性以及土壤化学和物理性质产生负面影响，从而导致土壤生产力下降；盐毒性和有害渗透势导致植被生长下降，导致土壤的碳含量减少，其物理和化学性质进一步恶化[5]。盐碱土作为后备土壤资源，如果可以合理利用加以改良，缓解土壤退化以及提高农业生产力就显得非常必要。

生物炭作为一种有机土壤改良剂，可提供良好的解决方案，因为它具有多重益处，研究已经证明生物炭在土壤中的潜在作用是增加土壤孔隙率，降低容重，改善土壤结构，增强团聚体，提高保水能力以及土壤养分含量[6-7]。

1 盐碱土壤对农业的危害

受盐影响的土壤是指剖面中含有高浓度溶解矿物盐的土壤，这些溶解盐会对作物产生不利影响，这些盐主要由钙(Ca2+)、镁(Mg2+)和钠(Na+)的碳酸盐、氯化物、硫酸盐和碳酸氢盐组成[8]。土壤盐碱化是浅层地下水位不断上升加上排水不良造成，高蒸发率也导致盐碱化，且土壤盐渍化会对农业造成极大危害呢。

1.1 对农业生产方面的危害

当盐碱浓度过高，恶化了土壤的理化性质，使土壤肥力不协调影响种子的发芽出苗及生长发育，盐量过高时，产生离子毒害，大量非营养离子进入植物体内，作物营养失调，对土壤中有效养分产生抑制，导致作物生长不良，甚至枯死。

1.2 对农业工程的危害

盐分能改变土壤流限和塑限，在土壤水分发生变化时，能使道路和建筑物发生变形。硫酸盐能产生膨胀，使土壤密实度降低，对道路、渠堤、坝体、房屋和其他建筑有很大的破坏性。

1.3 对环境造成污染

使河流湖泊矿化度升高，水质恶化由地下水系统排入农田等。大风刮起地面含盐土壤，形成盐尘，降落在植物体上，影响光合作用及吸收养分，降落在耕地上，增加了土壤含盐量，食用受盐尘污染的牧草作物，对动物和人群的健康会产生危害。

2 生物炭的定义和主要理化特性

欧洲生物炭基金会(EBC)将生物炭定义为“富含芳香族碳和矿物质的异质物质，通过在控制条件下用清洁技术对可持续获得的生物质进行热解制得，可用于任何不涉及快速矿化成CO2的应用，并可能最终成为土壤改良剂”[9]。

生物炭是生物质热解的固体产物。木炭是由木质原料制成的，已经被制造和利用了几千年，木炭是最常见和最广为人知的生物炭类型，但所有生物材料都可以转化为生物炭。热解是燃料在高温下的热化学分解，不添加外部氧气，这个过程始于生物质的干燥。颗粒被进一步加热，挥发性物质从固体中释放出来。生物质炭生产可以得到3种产品：永久性气体、一种或多种液相（水和焦油）和固体残留物[10-11]。生物质的热解炭化就得到了生物质—炭的转变，形成了多微孔的碳骨架。

生物炭中含有大量植物所需营养元素，主要有C、O、H、N、P、K、Ca、Mg等元素[12-13]，是生物炭的重要特性及功效发挥的“源泉”，为土壤提供一定外源，促进植物生长。生物炭的酸碱度是农业应用（如土壤改良）的重要特性，研究发现，由于物料种类、炭化工艺、制备温度及制备技术等不同，生物炭范围在pH 3 ～13[12-14]。在实际生产和应用过程中，可通过炭化工艺调控、改性等技术方法获得一定酸碱范围的生物炭材料。由于碳化过程中逸出的挥发性气体，孔隙率发生了变化，产生了多微孔结构，生物质的总表面积也发生了变化[15]。丰富的孔隙结构和较大的比表面积可以改善土壤的容重和孔隙结构，以提高土壤的通气性[16]。阳离子交换容量(CEC)是材料能够容纳的可交换阳离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+）的数量。它是表面负电荷吸引阳离子的结果，用于描述土壤的肥力，因为植物和微生物吸收养分几乎都以离子形式吸收，因此，阳离子交换容量直接取决于表面结构（官能团提供表面电荷）和表面积，从而使表面电荷易于获得，作为土壤改良剂，土壤的总阳离子交换能力增加，进而就改良了土壤[17]。生物炭还有较高的稳定性，生物炭含有较高的C，具有稳定的芳香族碳结构，使其具有较高稳定性[18]。生物炭极其丰富的多微孔结构、大比表面积，使生物炭具有强吸附力，可作为吸附剂、载体广泛应用于农业（图1）。

图1 生物炭特性（中间圈）及作用影响（外圈）

生物炭在近年来成为研究热点，它在固碳减排、改良土壤等多个方面可以发挥重要意义，生物炭的利用使秸秆资源充分得到了利用，避免了环境污染，增加了农民的收入，这是建立节约型社会的有效措施，同时也是发展循环经济、促进农业可持续发展、生态可持续发展的必然要求。

3 生物炭对盐碱地的综合应用效果

生物炭对土壤质量和养分循环具有广泛的积极作用，在农业用地上已经得到了广泛的应用。生物炭对盐碱土理化性质的改良主要体现在对土壤容重、水分、孔隙、土壤团聚体、有机质和养分等方面的影响[19]，同时具有固碳、保肥、储存养分、促进种子的萌发和帮助植物生长发育、提高植物出苗率和促进幼苗生长等作用[20]，使用生物炭作为土壤改良剂是一种很有前途的农业实践，可以减少氮的损失，实现更有效的氮肥使用，同时促进土壤有机碳在土壤中的积累[21]，土壤的健康对于受到气候变化、土壤退化、受威胁的植物和全球粮食生产至关重要且不可替代。因此应用生物炭改善土壤健康和提高作物产量的研究因其多重益处而迅速增加。近几年来，研究学者对生物炭改良盐碱地的研究成效（表1）。

表1 生物炭对盐碱土壤改良效果

4 生物炭对盐碱土壤的改良影响

4.1 生物炭对盐碱土壤物理性质的影响

土壤的物理特性是由土壤的容重、孔隙度、土壤团聚体、土壤持水力特性等因素为主体构成，而盐碱土壤受到盐碱化以及盐碱作用导致钠饱和粘土分散[30]，这破坏了土壤结构，使土壤土粒分散，湿时泥泞透气透水性差，孔隙度低，干时紧实板结耕性极差，这严重影响作物的生长发育。

通过研究表明，生物炭具有质量轻密度小、丰富的孔隙结构、较大的比表面积，因此生物炭可有效的降低盐碱土壤的容重，增加土壤的孔隙度，提高土壤团聚体，提高水分入渗速率和保水性能[31-32]，改善土壤物理结构，一定量的生物炭投入盐碱土壤后可以提高土壤的持水能力。孙枭沁等[33]研究的试验盐渍土容重大，而生物质炭容重较小、质地疏松，加入生物质炭可以改善土壤的松紧程度，具体为施加5%生物质炭显著降低盐渍土土壤容重，增加土壤总孔隙度和大孔隙度，且生物质炭的施加促进了土壤颗粒团聚过程，有利于团聚体内部和团聚体之间多级孔隙的形成。勾芒芒等[34]发现0 ～20 cm土层土壤含水率随生物炭用量增加而增加，生物炭施入土壤中可以增大土壤孔隙度，有利于增加土壤含水率，因为生物炭具有较大比表面积和多孔结构，具有亲水性、吸附力大等特点，可以使土壤保持更多水分。魏永霞等[35]在东北黑土区施加生物炭(75 t/hm2)可有效提高土壤含水率，土壤含水率增长率随生物炭施用年限的增加而减小，表明生物炭可明显提高土壤入渗能力，增加土壤累积入渗量和入渗速率。张进红等[25]添加生物炭后土壤容重显著降低，低量生物炭处理显著提高了盐渍化土壤大于0.25 mm团聚体的含量和团聚体稳定性，水溶性盐总量降低了。虽然生物炭提高了土壤的持水力，但生物炭具有疏水性质，随着生物炭用量的加大，改良土壤的效果反而不如低量生物炭的使用效果[23,25,31]，这使碳资源造成浪费，所以应研究出合适炭比例来进行当地改良。

4.2 生物炭对盐碱土壤化学性质的影响

衡量盐碱土壤的盐碱程度有pH（酸碱度）、EC（电导率）、ESP（土壤碱化度）等，盐碱土壤中存在着大量的碱性盐类物质，在环境中容易发生盐碱化，在碱化过程中盐离子进入土壤中容易与土壤中物质相结合形成复合体并与土壤中存在大量的游离的HCO3-、OH-离子反应，最终导致土壤呈碱性[36]。

由于生物炭的碱性特征严重制约了对盐碱土壤pH的降低，这让生物炭在盐碱土壤的应用产生争议[22]，但通过科研人员的不断研究，生物炭的加入，盐碱土壤的pH有效显著降低，但随着生物炭量的增加盐碱土壤pH降低的幅度逐渐减小，其中土壤的高pH在改良中通过淋洗可以降低[37]，添加生物炭增加土壤水分的有效性也会导致土壤溶液中盐的稀释，从而降低渗透胁迫[38]。添加生物炭对土壤pH的影响很小因为有机酸从根部渗[39]，pH降低的另一个可能解释是生物炭的高CEC，这促进了阳离子的吸收，导致H释放以补偿电荷平衡[27]。Zhao等[40]研究发现玉米稻草生物炭提高了玉米的交换能力(CEC)、有机物和营养成分。

土壤可溶性盐是盐碱土壤的一个重要属性，以可溶性的氯化物和硫酸盐为主。可溶性盐一般包括全盐量、阴离子（CI-、SO42-、CO32-、HCO3-、NO3-等）和阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg+)，并常以离子组成作为盐碱土分类和利用改良的依据。Zheng等[27]发现在没有种植植物的情况下，两种盐生植物的生物炭处理的盐碱土壤EC值降低了，并且在与非根际土壤相比，根际土壤的EC值显著降低，表明生物炭诱导的根系生长在缓解根区周围的盐胁迫并最终为根系发育提供更有利的栖息地方面起着重要作用。

土壤的碱化度是用Na+的饱和度来表示，降低土壤胶体上吸附的交换性Na+含量就降低了碱化度。生物炭的比表面积、强吸附、阳离子交换性强等特性与有机肥共同施用可以改良盐碱土壤，王世斌等[31]发现，生物炭10 t/hm2处理脱盐效果更好，表现为降低Na+含量，增加Ca2+、Mg2+含量，生物炭和有机肥能够促进土壤团状颗粒的形成，增加土壤通透性，促使Ca2+、Mg2+与Na+发生置换、加快了Na+淋洗[41-42]，生物炭羟基、羧基及苯环等官能团提高了土壤的阳离子交换，加速了土壤淋洗。添加二价阳离子（如Ca2+和Mg2+）对盐碱土的复垦至关重要，以抵消过量的交换性钠，生物炭可能在这方面发挥积极作用，Lashari等[43]在一项关于盐胁迫农田的研究中，将生物炭肥料堆肥与焦木素溶液结合使用，结果表明，与对照相比改良处理的土壤pH、盐分和钠含量显著降低，此外，他们还发现改良土壤的有机碳和有效磷显著增加。他们得出的结论是生物炭可以作为受盐渍影响的土壤的改良剂，通过吸附钠来降低盐分（碱度）的胁迫。

4.3 生物炭对盐碱土壤养分的影响

受盐影响的土壤通常缺乏氮(N)、磷(P)和钾(K)，高pH也会对微量营养元素的可用性产生不利影响。生物炭含有大量营养元素，首先成分最高的炭能大幅度提高土壤中有机碳的含量，这些炭不易降解，不仅能改善土壤环境，还能固碳增肥，其次其他的营养元素也明显的提高盐碱土壤的养分，大量研究显示，生物炭提高了全氮、全磷、全钾以及速效磷、碱解氮、速效钾和有机质等。

生物炭表面具有较丰富的含氧官能团，其所带负电荷和复杂孔隙结构赋予其较大的阳离子交换量和强大吸附力，可以作为肥料缓释载体从而延缓肥料养分释放，保持和固定一部分肥料以免流失和淋洗，达到持肥保肥作用[44]。生物炭的添加有助于土壤阳离子交换容量提高，使得土壤溶液中的Na+浓度降低，减少植物吸收土壤中的Na+，生物炭含有大量的植物必需营养元素包括钾、磷、钙和镁等此类矿物质，其可用性增加也可减少对钠的吸收，从而减少植物中的盐胁迫[38]。生物炭可以有效提高土壤中有机质含量，生物炭本身碳含量较高，施入土壤中可增加肥力[45-46]。Slavich等[47]观察到，施用来自饲养场粪便的生物炭后，有效磷增加。在营养元素中，磷是仅次于氮的第二重要元素，对植物生命周期的完成至关重要。Ali等[48]得出生物炭除了提高土壤持水能力、保持养分、减少土壤侵蚀、促进改良土壤中的微生物生长和活性外，通过生物炭各种机制还提高了肥料中磷的利用效率。Yuan等[49]研究得出生物炭表面羧基的丰度会增加土壤CEC，从而减少养分淋失，热解生物炭也可以用作低成本吸附剂，向土壤中添加生物炭可以提高土壤的养分。王正等[28]发现浒苔生物炭与木醋液复配显著提高土壤养分含量及有效性，速效磷和有机质显著提高。刘泽霞[50]发现生物炭对土壤水溶性有机碳有显著改良效果，添加不同材料制备的生物炭后盐碱土壤中的有机质、有效磷和速效钾含量具有相同的变化趋势，土壤中养分含量增加幅度明显，以4%的胡麻生物炭的改良效果最好，有机质、速效钾和有效磷平均含量比对照均增加，加入生物炭对盐碱土壤的阳离子交换量提高幅度大，达到了很好的固肥保肥水平。

4.4 生物炭对盐碱土壤微生物的影响

土壤微生物种群的健康和多样性对土壤功能和生态系统服务至关重要[27]。盐碱土壤一般肥力较低，因为土壤碱性较大，有机质含量较少，所以很难提供微生物的生存环境，以致盐碱土壤中微生物无法生长繁殖而含量低。生物炭丰富的多孔结构以及水肥吸附能力可以为微生物提供良好的栖息地和繁殖条件，这有益于提高微生物活性及繁殖[51]，所以生物炭可以作为微生物肥料的载体。生物炭引起的微生物群落组成和活性的变化不仅影响养分循环和植物生长，还可能影响土壤有机质的循环[52]。

研究中发现，添加生物炭后微生物生物量增加，微生物群落组成和酶活性发生显著变化。Song等[53]发现，在弱碱性土壤中施用5%棉秆生物炭显著促进氨氧化细菌的生长，导致硝化作用增强。生物炭的应用普遍提高了富集性，改变了氨氧化剂的成分，生物炭的应用率也影响了硝化的速度和动力学，土壤的碱性和N浸出性降低。Wong等[5]在向高盐碱土壤中添加有机物质后，土壤微生物生物量最初会增加，盐和钠会降低基质分解和有效性，随着微生物适应高盐环境的时间推移，微生物继续矿化剩余的有机质。Zheng等[27]发现生物炭促进微生物活性和细菌群落向根际有益分类群转移，也有助于提高植物生长和生物量、微生物活性以及细菌群落的提高、土壤碳稳定、磷溶解和氮固定。生物炭增强了微生物活性使细菌群落向盐生植物生长相关的高营养有效性转移，细菌群落组成发生明显变化，添加生物炭的土壤中的α变形菌和噬细胞菌类丰度高于未添加生物炭的土壤，加生物炭可以为土壤微生物提供活性碳资源，以利于最适合的群体茁壮成长，在同属水平上的溶磷细菌假单胞菌和芽孢杆菌在生物炭改良土壤中更为丰富，表明土壤矿物或生物炭中的固定磷可以溶解或转化为有效磷形式，土壤中的微生物群落组成和生理活性会受到生物炭添加的影响[54]。王正等[28]发现浒苔生物炭与木醋液复配显著增强土壤酶活性，与对照组相比，土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均提高。庞宁等[26]发现复合菌剂配施生物炭可提高水稻的抗逆性，使其在盐碱条件下能够更好地应对极端条件。陈斐杰[55]用互花米草和芦苇生物质炭对黄河三角洲滨海湿地盐碱土壤的添加发现对土壤蔗糖酶活性有明显的促进作用，两者对脲酶和碱性磷酸酶的活性存在一定的抑制效果，并且从施炭后微生物群落多样性和结构的变化发现，土壤中细菌微生物的优势菌门以变形菌门、拟杆菌门为主，生物质炭的添加使得盐碱土壤中Shannon多样性指数降低，Simpson多样性指数升高，表明施加生物质炭能明显提高盐碱土壤中嗜营养和耐盐碱的微生物菌群的丰度。在黄河三角洲，研究证明施用花生壳生物炭可通过增加碳氮比和降低沿海土壤中的脲酶活性来增加碳固存和减少净氮矿化。生物炭改良土壤中蓝藻门丰度的提升表明，生物炭可以将亚硝酸盐(NO3-)同化为铵(NH4+)参与固氮途径，可能会削弱硝化过程，可能是生物炭改良根际土壤中NH4+时N含量增加的原因之一[27]。

4.5 生物炭对作物生长的影响

由于盐碱胁迫的影响，高盐浓度对土壤微生物活性以及土壤化学和物理性质产生负面影响，土壤理化性质不达标，不仅会抑制该片区域土地上作物的生长速率，严重时还会直接造成作物死亡[56-57]，从而导致土壤生产力下降。研究表明生物炭可以改善土壤理化性质促进植物生长。

在典型的海涂围垦区盐碱土用小麦秸秆生物质炭种植番茄，研究显示番茄株高、叶面积、地上部分的干鲜重和叶片相对含水量均表现为随生物炭添加量增加而显著升高，生物炭的添加对番茄果实产量也具有显著影响，表明生物炭浓度施用到一定程度时，对作物生长表现为积极的促进作用[22]。梁晓艳等[23]发现施加5.0%的生物炭对滨海盐碱地藜麦的生长中有效增加了藜麦株高、茎粗、叶面积及单株产量。Zheng等[27]研究生物炭施用对两种盐生植物发现，田菁在施配≥5%的生物炭时显著促进根系生物量，田菁枝生物量在所有单独的生物炭处理中均显著增加，在生物炭和肥料共施用中也显著增加了总生物量。对于海滨锦葵，生物炭的添在10%处理中增加了根生物量，在其他处理中没有显著影响。分析得出由于生物炭中丰富的孔隙，通过添加生物炭改善了土壤孔隙度，有利于空气和水的渗透，这是这两种盐生植物根系生长增强的原因之一，生物炭可以直接提供营养物质，通过酸性官能团等诱导土壤性质改善有利于植物生长，施用生物炭提高了田菁的养分获取能力，也促进了田菁的生产，即生物炭促进盐生植物的生长（发芽、根系发育和生物量）。单独添加生物炭显著增加了田菁根生物量，但对海滨锦葵根生物量没有影响，因为海滨锦葵比田菁更耐盐胁迫[27]。所以，生物炭对作物生长或产量反应有不同争议，不一致的结果可归因于土壤性质的差异[58]、生物炭特性的差异[59]和作物类型[60]。

5 结论与展望

目前，全球面临着气候变暖、化石能源枯竭、土壤退化等众多问题，而生物炭的原料多样丰富，不消耗其他资源，不污染环境，有低成本、可再生、可持续的特点，生物炭的性质含碳量高、比表面积大、吸附力强，又具有多种营养元素等特性，使其可在固碳减排、改土增肥等方面发挥多方面效应，这得到了专家、研究学者的广泛关注和研究探索。虽然生物炭在改良盐碱土壤的研究中有多方面积极影响，但研究多以盆栽或小规模试验田为主，应扩大尺度，应用于大田来测其生物炭的适用性及土壤改良效果；生物炭的碱性特征在数年后是否会再次引起次生盐渍化；生物炭中重金属成分等还应多考虑其负面影响。总的来说，生物炭独特的来源、结构、特性及功效优势，使其具有明显的潜在价值与贡献，对经济、生态和社会效益及发展和应用空间中有无限潜力。