生物质炭对土壤物理结构性状和水分特征影响的研究进展

孙宇龙， 张永利， 苏有健， 王烨军， 方雅各， 廖万有

(安徽省农业科学院茶叶研究所，安徽合肥 230031)

生物质炭的理化指标主要包括灰分含量、挥发分含量、固定碳含量、组成元素、表面官能团种类和含量、pH值、表面负电荷及阳离子交换量等；结构特征主要包括比表面积、孔隙结构(孔径分布、比孔容)、机械强度等。由于材料来源、制备工艺及热解参数等不同，生物质炭在结构组成、比表面积、酸碱度、表面元素组成等理化性质上呈现出较大的差异性，进而在同一施用场景中也会产生不同的环境效应。

土壤物理结构多指土壤结构性，是反映土壤结构体的种类、数量及结构体内外的孔隙状况等产生的综合性质，是调节土壤水、肥、气、热的重要土壤基本特性，优良的土壤结构为作物根系生长发育提供了适宜的区域环境和良好的透气排水条件，充分协调土壤水分和养分供应能力，促进作物优质丰产[1]。土壤结构的好坏不仅与土壤结构体的数量、大小、形状、性质及其相互排列、相应的孔隙状况等特性有关，也与土壤结构的稳定性密切相关，常用土壤团聚体、容重、紧实度、孔隙度和土壤颗粒等指标表征。

生物质炭指生物质在限氧条件下通过热化学反应所得的固态物质[2]。生物质炭丰富的表面官能团和特殊的微观结构决定了其特有的理化性质。由于生物质炭独特的结构性状及功能的多样性使其日渐成为生态环境和循环农业领域的研究焦点，生物质炭在土壤污染修复、土壤质量改善和固碳减排等方面的研究和应用越来越受重视[3]。此外，生物质炭施用量和土壤条件的差异也导致生物质炭对土壤结构的影响不尽相同，这阻碍了生物质炭技术在生产上的应用。基于此，本文从生物质炭制备与性质、团聚体、孔隙度、土壤容重、持水性等方面综述生物质炭对土壤物理结构影响的研究进展，并结合现存问题，展望未来的研究方向，以期为生物质炭在土壤结构改良中的广泛应用提供参考。

1 生物质炭的性质

1.1 生物质炭的制备和功能

20世纪60年代，荷兰土壤学家Wim Sombroek发现亚马逊当地土壤含有大量黑色物质，进一步研究发现该类土壤矿质营养成分和有机质极其丰富，称这类土壤为“terra preta”。研究表明，此类黑色物质就是生物质炭，它在当地土壤肥力和土壤功能性调节中扮演着重要的角色[4]。生物质炭是农作物秸秆、木材废料、畜禽粪便、城市废物、污水污泥等有机物质在低氧和缺氧条件下高温热解(多为 300～900 ℃)得到的一种富碳固体产物。生物质炭具有呈碱性、多孔性、容重小、比表面积大、表面负电荷丰富及高度生化稳定性等特征，因而具有明显的改善土壤物理和化学性质的作用，如降低土壤容重、改善土壤孔隙、增加土壤的通气性和持水性[5]、促进土壤团聚体形成并增强其稳定性、提高土壤有机质含量等[6]、增加土壤基础肥力和可持续性[7]。目前，农业生产中常见的生物质炭有玉米和水稻秸秆生物质炭、竹炭、稻壳炭、木屑生物质炭等[8]。众多研究发现，由于生物炭的原料和制备条件如热解温度、热解速度和压力环境等的差异，导致生物质炭的比表面积、孔隙、持水性能、亲水性、疏水性和酸碱性等特性不尽相同[9-12]。

1.2 生物质炭比表面积和孔隙度

生物质材料和热解温度对生物质炭表面结构特征具有决定性影响。生物质热解过程中，有机质发生水解、聚合、炭化等复杂化学反应，产生部分挥发损失，同时伴随着不规则的体积收缩，碳骨架结构逐步形成，且保留了原材料的结构特征和基本孔隙。数量众多的微孔隙极大扩展了生物质炭比表面积。生物质炭随裂解温度、原料固有结构等因素的不同，使得生物质炭比表面积存在巨大差异。多数植物源生物质炭比表面积(112～642 m2/g)整体大于粪污、污水污泥生物质炭(5.4～94.2 m2/g)，在孔隙度方面也有类似表现，植物源生物质炭孔隙度(0.076～1.900 cm3/g)高于粪污、污水污泥生物质炭(0.053～0.068 cm3/g)[13]。主要因为植物源生物质炭含有大量的纤维素和木质素，更有助于孔隙结构的产生。多数研究表明，生物质炭比表面积和孔隙度随着炭化温度的升高而逐渐变大。常西亮等研究小麦秸秆在不同炭化温度(200、400、600 ℃)下生物质炭的表征，发现随着温度的提升比表面积从1.72 m2/g增加到521.29 m2/g，总孔隙度从0.008 cm3/g增至0.322 cm3/g，平均孔直径从 18.63 nm 下降到2.47 nm，微孔数量显著增多[14]。田雨等利用稻壳制备生物质炭，热解温度为180～220 ℃，随着炭化时间从4 h延长到8 h，稻壳生物质炭孔隙结构持续改善，吸附性能逐步提升，当制备温度高于220 ℃时，比表面积增大，孔径减小，整体降低了稻壳生物质炭的吸附性能，因为过高温度引起生物炭结构坍塌所致[15]。

1.3 生物质炭表面官能团和pH值

2 生物质炭对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤中有机物质、无机物质和矿物颗粒经胶结、凝聚形成的次生颗粒，是土壤肥力的物质基础，调控土壤的物理、化学和生物过程。土壤团聚体的大小和组成对土壤微生物繁殖、植物根系发育、土壤水分移动和土壤养分释放等有重要影响。土壤团聚体的稳定性是反映土壤结构稳定性的重要标志[21]。生物质炭作为一种有机土壤改良剂，较大的比表面积和强吸附作用等特性使其施入土壤后可与土壤矿物、根系分泌物、微生物等相互作用，从而对土壤团聚体的形成起到促进和稳定作用。

王亚琼等的研究表明，在大棚土壤中添加果木生物质炭，能促进机械稳定性微团聚体形成机械稳定性大团聚体，当添加量大于30 t/hm2时，能显著改良土壤机械稳定性团聚体结构；添加生物质炭能够促进水稳性大团聚体的形成，增加其稳定性；添加生物质炭还能促进土壤小粒径水稳性微团聚体的形成，但对微团聚体稳定性和总含量没有显著影响[22]。悦飞雪等通过丘陵地区5年的田间试验也发现，施用小麦秸秆生物质炭后土壤团聚体分布由小团聚体向大团聚体转化，>0.25 mm的土壤大团聚含量显著增加；土壤团聚体破坏率和不稳定团粒指数降低，土壤团聚体几何平均直径(GWD)和平均质量直径(MWD)增加，提高了土壤团聚体的稳定性[23]。肖欣娟等在雅安黄壤、紫色土和水稻土3种典型茶园土壤的研究中也得到类似的结论，茶渣生物质炭提高了3种土壤0.25～2.00、>2.00 mm粒径大团聚体的占比，且随着生物质炭施用量的加大，效果更为显著；同时降低了0.053～0.250 mm粒径的团聚体比重；明显降低了黄壤和水稻土 <0.053 mm 粒径的团聚体含量，但对紫色土 <0.053 mm 粒径的团聚体含量调控不显著[24]。

生物质炭影响土壤团聚体形成及其稳定性的可能机制包括生物质炭由于比表面积大、表面富含醌基、羧酸等官能团，或与土壤粒子形成了较强的静电场，吸附黏土颗粒，或与矿质颗粒黏结成土壤团聚体和有机无机复合体[25]，同时生物质炭在土壤团聚体的物理保护下得以长期固持；生物质炭含碳丰富，可以直接增加土壤有机碳含量，也可以促进作物根系生长发育并刺激根系分泌分泌物，加快土壤微生物的生长和分解作用，进而增加土壤有机质含量，而土壤有机碳作为胶结物质能增强土粒的团聚性[26-27]，并提高土壤团聚体的稳定性；生物质炭大量的孔隙结构为土壤微生物繁殖和生长提供了良好的场所，而且生物质炭富含营养物质(矿质元素和有机质)有利于微生物生长增殖，进一步增强土壤微生物的活性[28]，同时微生物通过分泌多糖、氨基酸和糖蛋白等有机胶结剂或利用菌丝缠绕土壤颗粒等方式促进土壤团聚体的形成和稳定。

生物质炭结构和施用周期不同对土壤团聚体影响也不同。当添加的生物质炭易分解，有机碳含量较多时，可以为微生物生长提供较多易分解的碳源，通过土壤、微生物、生物质炭三者之间的相互作用，改善有机物质和交换性阳离子含量低的土壤团聚体结构[29-30]。当添加较大粒径的生物质炭时，减缓了三者之间的作用强度，阻碍了大团聚体的形成过程[31]。施用周期上，生物质炭施用短期内，团聚体粒级分布和稳定性的变化较对照不明显[32]。一次性施用2年后，随着生物质炭添加量(20～80 t/hm2)的增加土壤团聚体稳定性指标呈现先增加后降低的趋势[33]。施用6 年后，4.5、 9.0 t/(hm2·年) 的生物质炭施用量处理显著增加了大团聚体(250～2 000 μm)的平均质量直径与团聚体稳定率，进而改善土壤原有有机质和生物质炭本身的稳定性[34]。对土壤团聚体的改善也受土壤类型的影响，有研究表明，生物质炭促进了沙壤土团聚体形成而对黏土没有显著影响[35]。往往质地粗的土壤中有机质匮乏，结构性差，施入生物质炭后可以有效补充土体有机质含量，促进团聚体的形成，进而改善土壤结构。与之相反，Zhou等研究发现，生物质炭提升了沙壤土的持水能力，但对土壤团聚体的数量和结构无显著影响[36]。生物质炭在有机质含量较低的粗质地，倾向于促进有机碳的矿化分解，对土壤团聚体改良效果较差。因此，对有机质含量较低的粗质土壤，生物质炭应搭配其他有机物料一同施用以更好地促进团聚体形成和稳定[37]。

3 生物质炭对土壤孔隙的影响

土壤孔隙是由固相土粒与土粒、土团与土团、土团与土粒之间相互支撑，构成的弯弯曲曲、粗细不同和形状各异的各种间隙，是土壤结构的反映。土壤质地、土粒排列方式、结构、有机质含量以及土壤耕作等都会影响土壤孔隙状况。较多报道显示添加生物质炭可以有效降低土壤孔隙度[6，38-39]。由于生物质炭低容重、多孔性，直接施入土壤能有效降低容重，改善土壤紧实度，增加土壤的孔隙度，改善土壤水、气条件；生物质炭还能促进团聚体形成，改善植物和微生物的区域环境，加强作物根系和微生物等对土体的作用，因而间接影响土壤孔隙[40-41]。

土壤孔隙度与生物质炭施用量的关系在不同类型的土壤中表现并不一致。Githinji在沙壤土中添加体积比为25.0%～100.0%的生物质炭，发现土壤孔隙度随生物质炭施用量增加呈线性增加[6]。岑睿等在黏质粉土中添加1～5 kg/m2的生物质炭，土壤孔隙度增幅呈现先增加再降低的趋势[42]。田丹的研究表明，沙土孔隙度与生物质炭添加量呈显著线性正相关，这可能是因为多孔结构的生物质炭通过填充把土壤大孔隙分割成许多小孔隙，同时生物质炭自身多孔结构也直接增加了沙土的孔隙度，且随着添加量增大，沙土的孔隙度接近壤土；而粉砂壤土孔隙度与生物质炭添加量呈显著二阶多项式相关，低炭处理下土壤总孔隙度降低，高炭处理下土壤总孔隙度小幅度增加[43]，这与Devereux等的研究结果[44]相同。可能因为生物质炭较脆的机械强度，在受外力作用下易破碎成细小颗粒。当添加少量生物炭时，会堵塞粉沙壤土中的小孔隙，导致土壤孔隙率降低[45]；当加大生物质炭添加量时，会增加粉沙壤土的微孔数量，从而提升土壤孔隙度。此外，生物质炭对土壤孔隙度的影响也与生物质炭类型有关。如花生壳炭的孔隙数量较秸秆木炭的多，比表面积更大，添加花生壳炭更有利于沙土总孔隙度的增加[43]。

施用生物质炭还会改变土壤的孔径分布情况。生物质炭孔隙发达，且多为微孔(<2 nm)，施用后易迁移到土壤颗粒之间，降低土壤的平均孔径，随着生物质炭施用量的增加土壤平均孔径进一步降低[44]。Prendergast-Miller等的研究表明，施用生物质炭降低了沙土 60～300 μm孔径的数量，增加了0.2～60.0 μm 孔径的比例[46]，Fan等也得出相似结论[47]。安宁等研究发现，生物质炭能显著提高土壤总孔隙度，其中低量生物质炭增加了> 500 μm和100～500 μm当量孔径的孔隙度；大量生物质炭反而降低了100～500 μm当量孔径的孔隙度[48]。也有部分研究认为，生物质炭多孔的结构特性可以促进土壤大孔隙的增加[49-50]。Zhou等施用玉米芯生物质炭发现，与不施用生物质炭土壤相比，添加生物质炭的沙土土壤大孔隙占比显著提升[36]。Sun等的研究显示，秸秆生物质炭可以显著提高黏性土壤的大孔隙(>75 μm)和中孔隙(30～75 μm)的数量，这是因为生物质炭与黏土颗粒相互作用的过程中，促使生物质炭与周边的土壤微团聚体胶结成稳定的大团聚体，增大了团聚体间的间隙，从而提高了土体中大孔隙和中孔隙的数量占比[51]。

总之，生物质炭的施用可以有效改变土壤的孔隙度和孔径分布，优化土壤孔隙结构，调节孔隙内的水分、空气流通，为黏重、板结土壤的改良提供新的解决思路。但生物质炭对土壤孔隙的影响也不尽相同，具体还受到生物质炭类型、生物质炭施用量和土壤质地等因素的影响。

4 生物质炭对土壤容重的影响

土壤容重不仅与土壤质地、矿物组成和有机质含量有关，还与土壤结构、紧实程度和颗粒密度等密切相关，可判断土壤松紧度。大量盆栽和田间试验研究表明，生物质炭可添加到土壤中能不同程度降低土壤容重[52-54]。一方面，由于生物质炭疏松多孔，体积密度大多在0.05～0.57 g/cm3之间，远低于矿质土壤[55]，施入土壤可以直接降低土壤容重；另一方面，虽然生物质炭弹性较低，土壤压实后不会随着生物质炭的添加而得到有效恢复，但是生物质炭的添加可以增加土壤有机质含量，增强土壤颗粒间的摩擦力从而改变土壤紧实度[10]，还可以促进真菌生长并提高作物生产力，通过根系和菌丝的生长对土壤容重产生间接影响[56]。

随着生物质炭施用量的增加，土壤容重的降幅增加[57-58]，而当生物质炭的添加量很小时，这种作用效果不明显。不同生物质炭对同种土壤容重的改良效果不同，相同生物质炭对不同质地土壤容重的改良效果也不同[59]。相同用量的秸秆木炭和花生壳炭对沙土容重的改良效果好于粉砂壤土；相同配比下，花生壳炭对土壤容重的改良效果好于秸秆木炭，这与不同类型生物质炭的结构有关。在微观结构上，花生壳炭呈现柱状，而秸秆木炭呈现不规则块状；生物质炭横截面上的微孔形态分布和数量也存在一定差异，花生壳炭的微孔形状和大小基本一致，紧密排列，而秸秆炭的微孔大小不均，且数量较少。颜永毫等向黄土高原的塿土、黄绵土、风沙土中添加不同量的苹果树枝生物质炭和锯末生物质炭(密度分别为0.35～0.60 g/cm3)，结果显示，风沙土的容重下降幅度最大，等量施用下，密度较低的苹果树枝生物质炭更能减小土壤容重[60]。

可见，施用生物质炭可以降低土壤容重，而降低效果受生物质炭性质、施用量、土壤质地等因素共同影响。此外，不同原料所制备的生物质炭的密度相差较大，机械强度也不同，生物质炭可能发生机械破碎或其他物理化学作用，使其变成更小的颗粒，进入土壤孔隙中，从而增加土壤容重。

5 生物质炭对土壤水分特性的影响

土壤的持水能力是反映土壤结构稳定性的重要参数之一。由于生物质炭的多孔特性和较大的表面能，具有强大的吸附能，影响土壤持水力[61-62]。生物质炭含有丰富的含氧官能团(羧基、羟基、内酯基等)，其数量还会随着生物质炭在土壤中的表面氧化而增多，会引起生物质炭表面更多的负电荷和吸附电位，从而提高土壤的持水能力，其数量与土壤持水力呈正相关关系[63]。生物质炭早期主要利用巨大的比表面积和丰富的孔隙结构影响土壤持水量；后期生物质炭则通过自身亲水性对土壤持水能力产生重要作用。另外，生物质炭可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度和有机质含量，改善土壤团粒结构，进而影响土壤持水力[64]。田丹的研究也证实生物质炭对沙土物理结构(容重、孔隙度)的改善是持续优化沙土持水性的基础条件[43]。生物质炭特有的吸附性、亲水性以及对土壤孔隙度的增加作用，一定程度上改变了土壤水分的渗透模式、停滞时间、移动路径，并在重力排水平衡上有效持留更多的水分，同时扩大了对水截留的表面积，提升了水分截留潜力，降低了水分扩散率，从而促进土壤的持水性增强[7，65-66]。

生物质炭对土壤水分特性的影响受多种因素的共同作用，其中生物质炭类型是首要因素。苹果树枝生物质炭对塿土、黄绵土、风沙土田间持水量的平均提高程度(4.67%)显著高于锯末生物质炭(2.02%)[60]，这是由于苹果树枝生物质炭的孔隙发育远优于锯末生物质炭，能使土壤保持更多水分。槐树皮生物质炭对黄土高原地区黑垆土和湘黄土土壤容重、田间持水量和导水性能的改善效果优于锯末生物质炭[67]。相同添加比例条件下，花生壳炭对沙土和粉砂壤土土壤水分常数(饱和含水量、毛管持水量、田间持水量、饱和导水率)的影响较秸秆木炭更为显著，与这2种生物质炭在微观结构特征上的巨大差异有关[43]。

生物质炭添加量也对土壤水分特性具有重要影响。随着生物质炭施用量的增加，坡地土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力均增加[67-68]。然而也有部分研究认为，过高的生物质炭施用量会弱化对土壤水分的正向影响，甚至出现负效应。在施用疏水性较强的生物质炭时，这种现象更为明显[69-70]。生物质炭常含有疏水官能团，其种类及数量受制备原料和温度的影响，低温热解制备的生物质炭可增加土壤斥水性，高温热解制备的生物质炭可降低生物质炭自身的疏水性和土壤疏水性[71]，这与制备温度提高引起脂肪族物质分解挥发、生物质炭芳香化程度加深、极性官能团数量减少、疏水性增强、亲水性减弱有关。吴伟祥等认为，400～600 ℃ 条件下制备的生物质炭具有较高的田间持水量和较低的疏水性[72]。

生物质炭对土壤水分特性的影响与土壤类型密切相关。秸秆炭和花生壳炭对沙土水分含量(饱和含水量、毛管持水量、田间持水量)的改良效果优于对粉沙壤土水分含量的改良效果[43]，在粉沙壤土中，只有在生物质炭添加量较大时(15%)，才能提高粉沙壤土的水分有效性，添加量较小时(5%、10%)反而起到阻碍作用。生物质炭对土壤田间持水量的提高程度与土壤黏粒含量存在负相关关系[60]，可能与不同质地土壤原有孔隙结构和生物质炭孔隙结构的相对大小有关。对于质地粗松的土壤，土壤粒径之间孔隙较大，对水分的保蓄能力较弱，施入生物质炭能够增大土粒之间的接触，减少土壤中的大孔隙，增加土壤颗粒之间的微孔隙，加之生物质炭多微孔，可使沙土大、中孔隙度减小，小孔隙度及总孔隙度增加，降低了土壤的渗透性，饱和导水率显著降低；此外，生物质炭因其较大的比表面积，具有了较强的吸水性，实现了对水分的保留，增加了土壤有效水分。对于质地黏重的细质土壤，本身持水性很强，通气状况较差，而生物质炭疏松多孔的特性可改善土壤黏重结构，使土壤大孔隙增加而中、小孔隙减小，在重力作用下从大孔隙当中流出的水分增多，饱和导水率增加，土壤含水量降低[73]。

综上，对于沙质土壤，添加生物质炭可以降低容重、增加孔隙度、增加土壤水分含量，降低水分扩散率和饱和导水率，增加土壤的持水性能；对于黏性土壤，生物质炭可以增大土壤饱和导水率，利于土壤排水通气；但在壤土上的应用效果存在不确定性。因此，在利用生物质炭改善土壤水分特性时需要考虑土壤质地、生物质炭类型、生物质炭疏水性和生物质炭施用量，还要注意生物质炭的作用在土壤中所能持续的时间。

6 问题与展望

近年来，生物质炭凭借自身独特的理化特性，制备原料多样易得，能够改善土壤环境，增加土壤碳储存等优势，在农田系统中扮演的角色也日趋重要，成为国内外众多学者争相研究的对象。随着理论研究和推广应用的持续深入，生物质炭从原料的把控到施用实效的监测等一系列环节中的理论问题和应用问题日益凸显[8，55，74-78]，集中体现在以下几点。

(1)生物质原材料来源复杂，部分生物质存在安全隐患。源头上严格把关生物质原料筛选，制备过程中实时监测品质成分，最后加大对生物质炭化产品质量检测，以防重金属、抗生素和激素等含量超标的生物质炭产品对土壤环境造成二次污染，严重影响农产品质量安全。

(2)生物质炭化工艺标准尚不统一，适用场景尚不明确。针对土壤环境质量问题如土壤酸化、耕地板结和土壤肥力低等，综合土壤质地(黏质土、沙质土和壤土)、作物种类以及地势等因素加快研制功能性生物质炭产品，并制定相应的工艺标准。

(3)生物质炭在土体中长期定位的研究较少，实际应用的理论支撑相对薄弱。需加强对生物质炭在复杂土壤环境条件下的长期观测和研究，聚焦生物质炭在耕地中的衰变过程，以及对土体微域环境包括微生物群落结构、团聚体演化、矿质元素迁移等的中长期影响，构建相应的转运和衰减模型，从而指导生产实际。

(4)生物质炭对土壤环境的负面效应关注较少。大量生物质炭的施入会打破原有土体中的碳氮平衡，提高土壤pH值，加大土体中氨的挥发，进一步加剧土壤碳氮比例失衡，同时造成大量盐基离子和有害物质聚集，对土壤产生持续不良影响。生产中应根据土壤的实际条件和需求合理制定生物质炭施用标准，规范生产实践。

(5)由于生物质炭结构稳定且复杂，目前研究多集中在人工制备生物炭对土壤环境和作物生长的影响，缺乏生物质炭与土壤腐殖质碳，特别是与胡敏酸、富里酸等联系起来进行对比研究。采用最新的表征技术方法，系统比较同为土壤碳库组分的土壤生物质炭或腐殖质碳与腐殖酸组成在结构特征和功能性上有何区别和联系。

土壤功能结构的优劣，直接影响土壤生态系统过程和周边生物多样性，在推进农业生态系统可持续发展的进程中，营造良好的土壤健康结构是构建农业绿色、高产、优质的必要前提。生物质炭作为一种安全可靠的可再生能源材料，如何合理利用其特有的性质，用以改善土壤结构，调节土壤养分有效性，提升土壤肥力水平，优化土壤生态系统，增加土壤碳库等已成为现阶段研究的热点，但就生物质炭与土壤结构的互作研究目前多停留在表观层面，限于技术手段瓶颈，土壤结构的复杂性和难以观测性等诸多因素影响，理论研究难以延伸。笔者认为，以生物质炭为媒介对土壤结构进行改良，有助于农田系统的持续稳定，一定程度上缓解了动植物残骸、城市生活垃圾、污水污泥等的处理压力，响应“两碳”目标的有效举措，推进生态环境整体向好，应用市场和潜力巨大。因此，未来规范应用生物质炭开展长期田间定位试验，进一步阐述生物质炭对土壤改良的长效作用机制，促进生物质炭在土壤改良和污染修复领域的应用。今后，应细化生物质炭结构表征和功能区域的研究，继续加大生物质炭与土壤关联性研究的力度、深度和广度，以期为生态农业可持续发展提供助力。