生物炭对药用植物生长影响的研究进展

周 颖，周鑫伟，郑 听，熊鹏飞，张家春

（贵州省植物园，贵州 贵阳 550001）

在应对全球气候变暖和倡导固碳减排的背景下，生物炭在农业生产中的应用逐渐成为研究热点[1]。生物炭不仅能够改善土壤结构、提高土壤肥力、促进农作物生长、增加作物产量、提高产品品质，而且在修复农业土壤重金属和有机物污染方面也有巨大潜力[2-3]。中药材栽培是中医药产业链的基础，随着全球对天然药物重要性认识的提高，中药材市场需求快速增长，栽培面积也快速增加。据统计，2009—2018 年，我国中药材种植面积由118.10万hm2增长到341.33万hm2[4]。然而目前不合理的栽培方式，例如过量施用化肥、除草剂、杀虫剂等，严重降低了中药材的质量，并对其可持续生产构成了巨大威胁[5]。近年来，生物炭在药用植物栽培方面的潜在优势逐渐显现，并得到越来越多的关注。鉴于此，总结前人有关生物炭在药用植物栽培中的应用研究，系统阐述生物炭对药用植物生长和化学成分含量，以及对土壤理化性质、氮磷钾养分形态及含量、重金属有效性、酶活性和微生物多样性的影响，综述生物炭对连作障碍、氟化物毒害和涝害3 种逆境胁迫的缓解作用，以期为生物炭在药用植物栽培中的科学应用指明方向，促进中药材产业的可持续发展。

1 生物炭概述

生物炭是指在无氧或缺氧条件下，各种生物质经过高温（240～750 ℃）处理，部分生物质转化为油和气后产生的一类固体富碳产物[6-7]。生物炭的原料来源广泛，包括秸秆、木屑、鸡粪、猪粪等农业废弃物以及工业有机废弃物、城市污泥等，而且制备工艺相对简单且多样，成本低廉[8-9]。热裂解技术是目前制备生物炭的主要手段，此外微波、激光、等离子技术等也被应用于生物炭的制备[6，10]。由于制备过程中温度、气流速度、压力、加热时间以及原料的差异，制备的生物炭性质也不尽相同[11]。例如碳含量、比表面积、密度、pH 值等，均会随着炭化温度的升高而增加[12]。

生物炭主要由烷基和芳香族化合物组成，性质稳定，可溶性极低，在土壤中可保存数百年[13]，具有含碳量高、孔隙结构丰富、比表面积大等特点[10]。由于生物炭的上述结构特点，其具有极强的吸附能力和抗氧化能力。研究表明，施用生物炭可以改善土壤的理化性质，提高土壤养分含量及利用效率，提高土壤酶活性，促进土壤微生物生长繁殖[14-15]，进而促进植物生长。

2 生物炭在药用植物栽培中的应用研究

目前，应用在药用植物栽培中的7种生物炭，其原料主要为农业废弃物，如小麦、玉米秸秆等，具体理化性质如表1所示。

表1 不同农业废弃物制备的生物炭理化性质Tab.1 Physicochemical property of biochar from different agricultural wastes

2.1 生物炭对药用植物土壤性质的影响

2.1.1 土壤常规理化性质 目前，有关生物炭对药用植物土壤性质影响的研究多集中在pH 值、阳离子交换量（CEC）、电导率（EC）和养分含量等化学性质方面，有关土壤物理性质的研究较少。在白及[22]和黄芪[23]的栽培过程中，生物炭的施用显著降低了土壤容重，二者呈负相关关系。生物炭的容重远低于土壤，因此添加后会使土壤容重降低[24]。另外，生物炭通过调节土壤通气性和水分含量等因素，间接降低土壤容重[25]。

研究表明，施用生物炭可以显著提高酸性土壤pH 值，且pH 值增幅与施用生物炭的种类和用量有关[26]。杨莉等[18]将等量稻壳、椰壳、玉米秸秆制成的生物炭施用于重茬人参后，土壤pH 值的增幅分别为4.13%、4.84%和5.07%。生物炭含有大量的钾、钠、钙、镁等灰分元素[10]，还含有丰富的有机官能团，如羧基、羧酸根、羟基等，因此呈碱性，可使土壤pH值上升[27]。陈蒙[23]和金永超[28]将生物炭分别施用于种植黄芪的重度盐碱土壤（pH 值为8.51）、种植茅苍术的碱性土壤（pH 值为8.19）中，结果显示土壤pH值降低，但差异未达到显著水平。

种植药用植物土壤EC 和CEC 也会受到生物炭的影响。人参[18]、苎麻[19]、白及[22]、桔梗[28]、茅苍术[28]、三七[29]、丹参[30]、白芷[30]、铁皮石斛[31]土壤的EC 因生物炭的施入而升高，而黄芪[23]土壤EC则降低。黄芪土壤pH值为8.51，土壤EC与土壤pH值呈显著正相关关系，因此，黄芪土壤EC 降低可能是受土壤pH值下降所影响。种植苎麻[19]和红花[32]土壤的CEC 因生物炭的施入而显著升高。生物炭表面具有很多阴离子，CEC 较高。例如红花生长中，施用的生物炭CEC为20.8 cmol/kg，无论施入酸性土壤还是碱性土壤，土壤CEC都能得到提高[26，33]。

土壤有机质是土壤肥力的重要指标。研究发现，施用生物炭能够提高种植药用植物土壤的有机质含量。一方面，生物炭含有大量碳元素，其中不稳定性碳可直接转化为土壤活性有机碳，被快速分解消耗，稳定性碳则长期存在于土壤中[34]；另一方面，生物炭表面存在大量含氧官能团，能吸附土壤中的有机小分子，并通过表面官能团催化促使有机小分子聚合[26]。

2.1.2 土壤氮磷钾形态 研究表明，在药用植物的种植过程中，施用生物炭不仅能显著增加土壤全氮、全磷、全钾及其有效形态的含量[35-36]，而且还能减少土壤氮、磷、钾的淋溶损失[37-38]。生物炭含有一定量的氮，并且具有较大的孔隙度和比表面积，能吸附部分氮，在与土壤环境的交互作用下缓慢释放供植物吸收利用[39]，也可通过吸附土壤有效氮，进而减少其淋溶损失，提高氮的利用效率；生物炭通过改变土壤理化性质，直接或间接地影响土壤微生物活性，促进有机氮矿化，提高土壤有效氮含量[40]。生物炭也含有一定量的磷和钾，施入土壤后可提高土壤磷和钾含量。生物炭的磷含量及其有效性较高（有效磷含量占全磷含量的50%），施入土壤后可显著提高有效磷含量[41]。此外，生物炭施入土壤后可以通过改变土壤pH 值、CEC、EC 等理化性质，进而影响磷和钾在土壤中的吸附和解吸，促进其在土壤中的循环和转化，使其有效性得到提升[42]。生物炭对土壤水分和养分具有吸持作用，能显著降低土壤中磷和钾的淋溶损失[43-44]。此外，施用生物炭还能对土壤中微生物和酶的活性产生影响，进而影响土壤中磷和钾的有效性[45]。例如，土壤有效磷含量与解无机磷细菌和碱性磷酸酶活性呈显著正相关关系；土壤速效钾含量与解钾细菌呈显著正相关关系[46]。

2.1.3 土壤重金属有效性 生物炭具有吸附性，可以影响重金属离子在土壤中的迁移转化及其生态效应[47]。土壤中可交换态重金属对生物的危害最大，施用生物炭能够吸附土壤重金属离子，降低其迁移转化和生物有效性[48]。生物炭对土壤重金属的吸附机制主要为阳离子交换、阳离子-π 键、静电吸引、表面沉淀、表面络合[49]。在药用植物栽培中，生物炭能显著降低土壤有效态镉、铜和铅含量，从而降低药用植物对重金属的吸收和富集。种植三七时施用生物炭，可使土壤有效态镉和铅降低50%左右，主根部位的镉富集系数显著降低[29]。此外，施用生物炭能够使苎麻土壤中有效态铜含量降低96%，苎麻根、叶、茎中铜含量分别降低60%、28%、22%[19]；施用生物炭显著抑制冬凌草对铅的吸收和富集，抑制率达到76%[50]。

2.1.4 土壤酶和微生物活性 土壤酶来源于土壤微生物。土壤酶活性是指土壤酶催化物质转化的能力，代表了土壤中物质代谢转化的速率，是土壤肥力的一个重要指标[51]。土壤酶活性也能影响土壤微生物数量和群落结构，二者相互作用、相互影响[52]。施用生物炭对根际土壤微生物和酶活性的影响，也是目前的研究热点[53]。

关于药用植物栽培中土壤酶和微生物的研究主要集中在连作土壤。连作障碍在药用植物栽培中尤为突出，约70%的块根类药用植物都存在不同程度的连作障碍问题[54]。药用植物连作之后，土壤微生物群落结构和多样性会发生改变，有益菌种会减少，甚至消失，而有害菌种或病原体的丰度则会增加，土壤微生物类型由细菌型向真菌型转化[55]。土壤酶活性的变化也是土壤连作障碍表现之一，例如连作使半夏根际土壤过氧化氢酶、脲酶和中性磷酸酶活性下降[56]；三七连作3 a 土壤中的蛋白酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶及磷酸酶活性显著降低[57]。

如表2 所示，施用生物炭能显著提高土壤酶活性。研究表明，土壤酶活性与土壤有机质、碳氮养分含量存在显著相关关系[54]。由此可知，施用生物炭通过提高土壤有机质、碳氮养分含量，间接提高土壤酶活性。

表2 药用植物栽培中生物炭施用对主要土壤酶活性的影响Tab.2 Effect of biochar application on activities of major soil enzymes in cultivation of medicinal plants

在花椒[17]、兰州百合[59]和穿心莲[60]的栽培过程中，施用生物炭使土壤微生物群落结构受到显著影响，主要表现为土壤细菌和放线菌数量增加，真菌数量显著降低。低添加量生物炭有利于提高细菌和降低真菌比例，而高添加量生物炭有利于提高放线菌比例，但生物炭的种类和添加量不会改变细菌在微生物群落结构中的绝对优势。放线菌适合在微碱性和碱性环境中生存，细菌适合在中性和微碱性环境中生存，而真菌则适合在酸性环境中生存[61]。因此，施用生物炭可能是通过提高土壤pH 值，从而使土壤真菌数量降低。

生物炭还能提高土壤微生物群落的功能多样性和相对丰度。土壤微生物生长繁殖需要碳源，生物炭大多为非活性有机碳，土壤微生物难以利用，但其丰富的孔隙度和较大的比表面积，能够吸附养分、保持水分，为土壤微生物提供更多碳源和可利用养分[15]。此外，生物炭对土壤微生物还能起到物理保护作用，促进土壤微生物的生长繁殖[62]。

2.2 生物炭对药用植物生长的影响

2.2.1 出苗率 生物炭对提高药用植物出苗率有显著促进作用，例如施用生物炭后半夏出苗率显著高于对照处理[20]；铁皮石斛的发芽数显著增加[31]；三七的出苗率高达82%～92%，是不施生物炭对照的2倍[58]。药用植物的出苗率受土壤pH值、水分含量、养分浓度、温度、微生物和酶活性等因素的影响[63]，如白灰毛豆的种子萌发率随土壤pH 值的升高而升高[64]。生物炭的施入能够提高土壤有机质含量、养分固持和持水能力，提高土壤pH 值和土壤生物活性[65]，其中土壤微生物能够分泌促进种子萌发的激素和酶类，并分解种子萌发过程中产生的有害物质[66]。

2.2.2 生长和产量 生物炭对药用植物的生长起到积极作用，可以总结为3点：促进药用植物入药部位（叶、茎、根、块茎等）的生物量积累，提高药材产量；改善药用植物的农艺性状（株高、叶面积、茎粗等）；增强药用植物光合作用（叶绿素含量、净光合速率、气孔导度等）。其中，关于生物炭对药材产量的影响如表3 所示。目前，生物炭对植物光合作用和生长的影响机制尚不清晰[67]。根据以往的研究，可将生物炭对植物生长的影响分为直接影响和间接影响。直接影响是生物炭不仅能促进药用植物叶绿素合成和光合作用，增加光合产物的积累[68-69]，而且能够刺激生长激素（如油菜素甾醇、生长素及其信号分子）的产生，进而促进植物生长[70]。间接影响是生物炭在减轻土壤约束，改善土壤理化性质，提高土壤养分含量及其利用效率、减少植物对重金属和农药的吸收等方面的作用[71-72]，生物炭能够改善土壤持水能力和土壤氮磷有效性被认为是其提高植物生产力的主要原因[73]。

表3 生物炭对药材产量的影响Tab.3 Effect of biochar on yield of medicinal materials

续表3 生物炭对药材产量的影响Tab.3（Continued） Effect of biochar on yield of medicinal materials

2.2.3 药用植物化学成分 生物炭的施用能显著提高药用植物的化学成分含量，如半夏有机酸、总生物碱和水溶性浸出物含量[20]，穿心莲中的总酚、黄酮含量[21]，茅苍术总皂苷、总糖和苍术素含量[28]，桔梗皂苷、总糖含量[28]，白芷欧前胡素、总香豆素含量[30]，丹参参酮ⅡA 和丹酚酸B 含量[30]，铁皮石斛多糖含量[31]以及杭白菊黄酮含量[75]等。目前，关于药用植物化学成分影响因素的研究多集中于干燥方式、产地、加工方式以及采收年限等[77]方面，而施用生物炭对药用植物化学成分的影响机制尚不明确。药用植物化学成分和土壤性质息息相关。土壤拟杆菌和不动杆菌能促进虎杖中白藜芦醇的积累[78]，土壤pH 值和有效铜含量是影响祖师麻甲素、紫丁香苷、7-羟基-香豆素积累的主要因子[79]，磷肥能提高党参炔苷和多糖含量[80-81]，土壤含水量和温度与黄芩的黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素和总黄酮含量显著相关[82]。综上，生物炭作为一种土壤改良剂，主要通过改善土壤的理化性质来提升药用植物化学成分的积累，进而提高药用植物的产品质量。

2.3 其他

生物炭也被用于缓解药用植物生长过程中的逆境胁迫。一是缓解连作障碍。土壤酸化、理化性质恶化（土壤容重变小，通气性变差等）是导致药用植物连作障碍的主要原因[83]。连作障碍促使根系向土壤中释放有机酸、酚酸等化感物质，影响土壤微生物的可利用碳源组分，进而改变土壤微生物结构，促进病原菌的生长[84]。在人参[18]、穿心莲[21]、白及[22]和兰州百合[59]的栽培过程中，生物炭的施用显著改善了土壤理化性质和土壤微生物结构组成，进而缓解了连作障碍。二是缓解氟化物毒害。GHASSEMI-GOLEZANI 等[32]的研究结果表明，生物炭通过调节土壤pH 值和CEC，降低氟化物在土壤中的溶解度，降低对红花的毒害作用。三是缓解涝害。于云霞[76]的研究结果表明，生物炭能降低土壤容重，提高土壤含水量和孔隙度，进而缓解降雨对土壤容重的影响程度，减轻涝害对滁菊生长的危害。

3 展望

3.1 筛选优良生物炭种类

生物炭主要通过其良好的理化特性来改良土壤，然而生物炭的理化特性又受原料和制备工艺等因素的影响。因此，筛选出有利于药用植物生产的生物炭种类具有十分重要的意义。

3.2 深入研究生物炭作用机制

目前，有关生物炭对药用植物化学成分影响的机制研究多集中于土壤微生物方面，而对化感物质的研究却鲜见报道。因此，今后应加强生物炭对药用植物化学成分以及化感物质影响机制的研究，进一步提高药用植物的药用品质，降低连作障碍危害。

3.3 生物炭应用建议

在药用植物生产中，生物炭多被施用于酸性土壤，而适用于盐碱土壤的研究较少。研究表明，生物炭在改良盐碱地方面效果显著[85]。因此，应该加强生物炭在盐碱地药用植物生产方面的应用研究。生物炭可溶性组分中存在多种杀菌抗虫组分，在防治药用植物病虫害方面发挥重要作用[86]。生物炭中的烷基碳和芳香碳能促进土壤对疏水性有机物的吸附固定[87]，在土壤外源有机物污染修复方面潜力巨大。药用植物林下种植是生态种植的一种模式，然而，生物炭在该种植模式中的作用未见报道。

3.4 生物炭的不足

在生物炭制备过程中由于不完全燃烧和热解，会产生多环芳烃化合物、挥发性有机物、二英、苯基三乙氧基硅等有害物质[88-89]，且原料中可能存在过量重金属[90]，均会对药用植物的生长、品质以及环境产生负面影响。因此，在药用植物生长中施用生物炭还应加强其负面效果的管控和评价。