生物炭对土壤修复的研究进展

万洪琼，韦性霞，雒爱红，王旭霞，顾梦鹤

（1.靖远县科学技术开发咨询服务中心，甘肃 靖远 730600；2.中国科学院西北生态环境资源研究院/沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000）

随着巴西亚马孙河流域“黑土壤”（Terra Preta）的发现，生物炭（Biochar）进入人们的视野，成为科学家的研究热点。制备生物炭的原材料很丰富，主要利用农业废弃物，包括作物秸秆、木材、家畜家禽粪便等，在缺氧以及密封条件下，通过高温热解（＜700 ℃）生成的一种固态物质，它的特点是富含碳素（≥60%）并且比较稳定[1-5]。生物炭的孔隙结构发达，表面富集官能团，自然条件下呈碱性，其pH为8～13，有研究证明生物炭可以改良土壤，主要体现在能够增加田间持水性、促进土壤阳离子交换效率、抑制矿质元素流失、维持矿质元素的平衡并提高其利用效率，还可以较好地控制农田土壤中氮和磷的流失[6-9]。此外，在土壤中施用生物炭以后，土壤中的营养元素可以更多地吸附和保持在其巨大的表面及发达的孔隙结构中，从而增加土壤有机质及土壤养分，实现土壤肥力增加，促进农作物增产[10-12]。生物炭的优良性质使其近年来受到关注，在农业生产和生态环境保护方面得到了广泛应用。本文围绕生物炭对土壤理化性质、土壤有机质、土壤微生物群落以及土壤酶的影响等方面的研究进展进行了分析综述，为今后生物炭的深入研究提供理论基础。

1 生物炭对土壤pH 和田间持水量的影响

1.1 生物炭对土壤pH 的影响

土壤酸碱度过高或者过低都会影响土壤养分的吸收利用，是影响土壤肥力的重要因素之一。现代农耕中,长期施用化肥会引起土壤盐基离子的流失，逐渐形成酸化土壤，土壤酸碱度下降，影响植物对土壤养分的吸收效率，导致生产力下降，作物减产。土壤中盐基离子的含量在很大程度上决定了土壤酸碱度，生物炭中富含碳元素和盐基离子，因此，相对于其他改良材料（早期的熟石灰改良剂），它是更理想的土壤改良剂。王颖[5]的研究指出，生物炭对于酸性土壤的改良效果达到显著水平，但是在碱性土壤中，没有明显改良效应。杨艳丽[1]、刘祥宏[2]、管恩娜[13]的研究发现，在土壤中施用石灰，可在一定程度上改良酸性土壤，但同时会导致土壤中钙离子的大幅增加，影响农作物养分利用效率，影响其产量和品质。有研究表明，烟草种植区的土壤pH 偏低，施用石灰用以改良酸性土壤，会引起植烟土壤中营养元素的变化，诸如钾、钙、镁等元素的不平衡[13-15]。随着对生物炭的深入研究，王义祥等[8]的实验表明，在酸性土壤中添加生物炭以后，其中的可溶性离子快速进入土壤，增加了土壤盐基饱和度，土壤pH 上升，在强酸性茶园土壤中施用生物炭和石灰改良土壤，分析表明，在低用量施用石灰和添加生物炭以后，生物炭的调节作用不如石灰，当添加量为40 g/kg时，生物炭施用对土壤pH 影响最大，盐基饱和度提高了0.85%～40.90%，达到最优土壤改良效果。王颖[5]的研究还指出，在半干旱区的酸性土壤中施入生物炭可以显著增加土壤pH，从而改良土壤，在碱性土壤中改良效果不显著。与其他材料的土壤改良剂相比，生物炭中大量存在的阴离子，在施入土壤后，可以和H+迅速结合，中和土壤酸度，降低土壤pH，因此生物炭对土壤的改良作用迅速且持久。吴愉萍等[7]的研究表明，生物炭的盐基离子进入土壤后，会释放部分Mg2+、Ca2+、K+与土壤中Al3+、H+进行交换，从而使土壤中H+浓度降低，盐基饱和度增加，提高土壤pH。

1.2 生物炭对土壤田间持水量的影响

田间持水量是衡量土壤保水性的重要指标，也是进行农田灌溉、作物水分管理的重要参数。Brodowski等[16]的研究表明，土壤中施入生物炭以后，土壤的物理结构会逐渐发生变化，包括土壤团聚性增强以及土壤的孔隙度增加，物理结构的变化引起土壤性能的变化，增大土壤水分入渗速率，提高土壤的持水性，从而达到改良土壤的效果。王丹丹[17]在半干旱区（陕西杨凌）的研究表明，在土壤中施用生物炭用以改良土壤，施用6 个月以后进行田间取样，发现田间持水量随着生物炭的添加量增加而增加，同时降低土壤的入渗性能，可以提高土壤持水性能。然而，生物炭的加入量并非和土壤含水量成比例增加，有研究发现，在实验中持续添加生物炭含量，土壤含水量呈下降趋势。Asai 等[18]的研究发现，生物炭施入土壤后会引起土壤水的入渗率及初始导水率下降，当水分达到饱和后，土壤导水率会有所改善。Dugan等[19]的研究结果表明，在土壤中玉米秸秆炭的添加量分别为5 t/hm2、10 t/hm2和15 t/hm2时，田间持水量有显著增加，添加量由10 t/hm2增加为15 t/hm2时，土壤田间持水量的增加幅度下降。刘祥宏[2]在黄土高原的研究发现，生物炭可以很好地提高风沙土的持水能力，在黄绵土和沙黄土等的试验效果不显著。吴愉萍等[7]选取7 种不同原材料制备的生物炭（4 种秸秆碳，1 种食用菌基质碳，1 种猪粪碳，1 种稻壳碳）进行试验，设置0.5%、1%、2%、5% 这4 个添加浓度，数据分析表明，添加浓度为2%时，7 种生物炭的施用均显著提高了土壤持水量，其中水稻秸秆碳的效果最显著，增幅达到12.3%。Bohara 等[9]研究发现，在土壤中添加家禽粪便和松木生物炭以后，与对照组比较，二者均显著提高田间持水量和植物可利用水。

2 生物炭对土壤养分的影响

2.1 生物炭对土壤氮磷钾的影响

土壤有机质和矿质元素是土壤的重要组成部分，其中氮磷钾三种元素可以直接或间接地被植物根系吸收，是作物生长必需的矿质元素，对农作物产量有很大影响[20-22]。有研究认为生物炭制备过程中导致氮的挥发，使其转化为可利用态，在土壤中施入生物炭可以提高有机碳含量，同时提高土壤的碳氮比[23]。张晗芝等[20]的研究表明，在玉米幼苗土壤中施入生物炭，方差分析表明土壤全氮和有机碳含量显著增加，土壤全磷和碱解磷含量增加，差异不显著。周桂玉等[24]研究发现，在土壤中添加分别为0.4%、1%和2%的生物炭时，可增加土壤碱解氮、有效钾、有效磷、有效钙以及有效镁含量，黄超等[22]和Glaser 等[25]也有类似的研究结果。徐琪等[21]的研究显示，在春小麦土壤中施用生物炭，土壤表层的碱解氮有积累趋势。

尚杰等[26]在陕西杨凌进行田间实验，研究发现施用不同量（20 t/hm2、40 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2）的生物炭均提高了土壤微生物量氮储量，在0～20 cm的土壤表层，施用量为40～60 t/hm2时，微生物量氮达到最大值；在20～30 cm 的土层，施用量为80 t/hm2时，微生物量氮达到最大值；土壤中磷和钾两种矿质元素的含量可以表征土壤供磷和供钾能力，它们的迁移和转化受到很多因素的影响。王宁等[12]的研究表明，施用生物炭可显著增加土壤中的速效养分（速效钾和速效磷）含量，同时，由于生物炭的结构特性（巨大的表面积和强吸附性），可在一定程度上降低土壤中磷和钾养分的淋溶。陈智伟[4]的研究表明，施用水稻秸秆制备的生物炭，显著提高了土壤全碳含量、土壤氮和磷全量养分含量以及速效养分含量（速效钾和速效磷），并且显著提高了土壤碳氮比（C/N）。生物炭是经高温加工而成，其中丰富的碳素和其他元素成分比较稳定，在土壤中合理施用可以增加作物对土壤氮元素的吸收效率，同样也可以提高作物对土壤磷钾的吸收效率。Masto 等[27]在田间实验设计了玉米不同生长期内的两种生物炭添加处理，单独添加4 t/hm2的杂草生物炭、混合添加2 t/hm2的杂草生物炭和褐煤煤灰生物炭，方差分析表明，两种添加处理中土壤速效养分含量（速效钾和速效磷）和对照组相比均有显著增加；两种生物炭混合添加对于土壤速效磷含量的增加效果优于单独添加，且增加量有显著差异；而两种生物炭分别单独添加，对于土壤速效钾含量的增加效果优于混合添加，且增加量有显著差异。Jin 等[28]的研究表明，分别在粉砂壤土和黏壤土中施用0.5%和1.5%的猪粪生物炭，两种施用量均可显著提高土壤速效磷和速效钾含量，且1.5%的施用量效果优于0.5%的施用量效果。管恩娜[13]的研究表明，添加生物炭显著提高了烤烟土壤中有效磷和有效钾的含量，在烤烟器官中氮磷钾的积累量随着施碳比例的增加先上升后下降，其中施用2%和4%的比例效果较好。

2.2 生物炭对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，虽然在土壤中含量不多，但对于维持土壤结构、改善土壤团聚体的稳定性、提高土壤肥力、提高土壤养分的吸收效率具有重要作用。生物炭是经高温裂解得到的，稳定性比较高，在土壤中难以分解，有研究认为生物炭可以在土壤中留存多年，甚至达数百年。因此，施用生物炭是增加土壤有机碳含量的重要途径，增加程度取决于生物炭的施用量和稳定性，同时也影响土壤有机碳的矿化率[3,6,28-29]。Glaser 等[25]的研究表明，较高的炭化温度提高了生物炭的表面积，改善了生物炭的交换性能，有利于提高土壤碳库含量和土壤有机碳含量，提高土地生产力。韩光明[23]的实验表明，在4 种不同类型土壤中施加不同浓度梯度的生物炭，4 种土壤中土壤有机质含量和土壤全碳均有显著提高，其中生物炭浓度为40 t/hm2时增加量最大。周桂玉等[24]的研究发现，施用生物炭以后的土壤有机碳含量比对照组显著提高，且增加量随生物炭浓度增加而增加。罗梅等[3]发现，在油菜和玉米轮作条件下，在紫色土壤中施用不同浓度（0 t/hm2、4 t/hm2、8 t/hm2、16 t/hm2）的生物炭，方差分析表明3 种施用浓度均显著增加土壤有机碳含量，增加量最大达到74.41%。生物炭施用量并非越高越好，章明奎等[30]的研究发现，在土壤中高浓度长时间施用生物炭会引起土壤有机质活性下降，造成土壤有机碳的品质下降，因此要选择合适的施炭比例以提高土壤有机质的含量。宋丹丹[31]的研究表明，植物+生物炭组合和单施生物炭均能改善黄壤土质量，提高土壤有机质含量，且组合模式优于单施模式。

3 生物炭对土壤酶活性的影响

土壤酶是一种生物催化剂，土壤中许多生物化学反应都离不开土壤酶的参与。例如腐殖质的合成与分解、动植物残体的分解等。土壤酶主要来源于土壤中的动植物残体和土壤微生物，其中土壤微生物是土壤酶的重要来源，酶活性的高低可代表土壤新陈代谢的繁盛程度，也可以反映土壤的微生物学特征，影响土壤微生物的群落结构和组成[32-34]。生物炭具有强吸附性的特质，酶分子可以很好地被吸附在其巨大空间里，有利于土壤酶高效发挥作用，提高土壤酶活性。许多研究表明，施用生物炭能够影响土壤酶活性及增加土壤微生物群落多样性[26]。

生物炭疏松多孔、表面积巨大，在土壤中添加生物炭以后，土壤微生物有了更好的生长和繁殖环境，多样性和丰富度增加，土壤酶活性提高。尚杰等[26]在陕西杨凌设置5 个生物炭添加浓度（0 t/hm2、20 t/hm2、40 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2）的试验，研究发现土壤酶活性与添加生物炭浓度正相关，当添加量为60 t/hm2时，土壤酶生物活性指数达到最大值，添加量为80 t/hm2时土壤酶活性指数开始降低，生物炭的添加在一定程度上改善了土壤生物环境。另外，不同的作物，土壤酶指数对添加生物炭有不同的响应。有田间试验发现，小麦地的土壤酶指数随生物炭添加浓度的增加而增加，玉米地的土壤酶指数随生物炭添加浓度的增加而减小[33]。Han 等[11]的研究发现，施用负载零价铁的生物炭，腐殖酸的加入提高了沉积物中的酶活性，随着培养时间的增加，碱性磷酸酶和脲酶的活性有上升趋势，过氧化氢酶例外。Akmal 等[10]的研究结果表明，总施肥量20 g/kg，单独施肥和生物炭+堆肥混合施肥相比较，混合施肥增加了碱性磷酸酶活性和脲酶活性，增加比例分别达到143%和10%，而10 g/kg 生物炭+10 g/kg 堆肥混合施肥后，土壤脱氢酶活性增加了100%。Sial 等[29]的研究发现，香蕉皮生物炭+化肥混合使用和橙皮生物炭+化肥混合使用，和对照组比较两种处理均提高了β-葡糖苷酶和脱氢酶活性，随着施用生物炭量的增加，土壤酶活性综合指数呈现降低趋势。Khadem等[34]在钙质土壤中研究酶活性变化，研究发现施用生物炭可以增加钙质土壤的酶活性，制备生物炭过程中的裂解温度较低时有利于酶活性的增加。王颖[5]在黄土高原干旱区的研究表明，土壤中施用槐树皮生物炭和梧桐锯末生物炭均可降低土壤脲酶活性，增加碱性磷酸酶活性，梧桐锯末生物炭的促进效果更好。

4 生物炭对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤环境的重要组成部分，在土壤成土发育、营养元素循环、生态环境维护等过程扮演重要角色，土壤微生物群落的功能与多样性是维系土壤生态系统稳定与健康的重要因素[35-38]。

生物炭疏松多孔的结构以及表面丰富的碳源和氮源，可以为藻类、细菌、真菌、土壤动物提供栖息场所，有利于促进微生物活动并提高群落数量和活性。另一方面，生物炭的多孔结构和巨大的表面积便于储存水分和养分，也为微生物生长繁育提供良好的微环境，为特殊类群微生物的生长提供了生长环境，从而促进土壤营养元素的循环[5,37-39]。目前针对生物炭短期应用对微生物影响的研究已有不少。Hu 等[36]发现，短期添加（96 d）生物炭到红色氧化土壤中，改善了土壤细菌群落结构和组成，表现在细菌多样性增加，主要的细菌类群丰富度增加。Liao 等[37]的研究有相似结果，生物炭的施用能够改变细菌群落的α-多样性。Xu 等[35]的研究表明，在金属污染的稻田土壤里施加酒糟生物炭，增加了稻田土壤中细菌群落的多样性，但丰富度下降，适当增加酒糟生物炭浓度，菌门菌、厚壁菌、放线菌、菌体和蓝细菌的相对丰富度增加。Liu 等[38]在种植大豆和玉米的土壤中研究细菌群落的变化，分别施用不同浓度的生物炭，施用4 年后检测到前者土壤中细菌群落组成和结构发生显著变化，后者土壤中细菌群落组成未观察到显著变化，随着生物炭施用浓度增加，土壤中的细菌丰富度呈现降低趋势，方差分析表明差异显著。Abujabhah 等[40]研究了木材生物炭对黑色黏壤土、红壤土和棕色沙壤土微生物群落的影响，采用3 种不同浓度（2.5%、5% 和10 %）的生物炭施用，研究发现3 种浓度的生物炭均可以提高黑色黏壤土中硝化细菌菌群丰富度和棕色沙壤土中硝化螺菌菌群丰富度，3 种土壤中根瘤菌和固氮螺菌菌群丰富度与生物炭施用浓度表现为显著正相关关系。

5 结论与展望

生物炭中的碳元素含量丰富且稳定，其中含有的磷、钙、锰、锌等元素也为植物生长提供了必要的补充，但是不同生物炭中所含元素的含量差异很大，其他的理化性质差异也很大，这与制备材料类型、制备条件（热解温度、加温时间、升温速率）以及制备方法有很大关系，未来的研究需要进一步探究不同热解温度对不同热解材质理化性质的影响，包括原材料在制炭过程中物理结构、表面官能团、比表面积、孔径大小等的变化，以便探究生物炭制备的适宜原材料以及热解条件，更好地利用废弃生物材料进行土壤改良。

目前，许多研究已证明生物炭在改良土壤方面有较好的效果，土壤中施入生物炭，可以优化土壤结构，改善土壤理化性质，增加土壤微生物群落的多样性和丰富度，引起土壤酶活性的变化，但许多文献报道都是短期试验及结果，缺乏长期研究和土壤效应分析。长期施用生物炭，土壤结构变化、理化性质的变化以及对作物产量和品质的影响，目前尚无科学的结论，以后的研究方向更应该注重生物炭施用的长期效应。同时，在生物炭的施用量方面有待深入的研究，低的施用量达不到好的改良效果，高的施用量，会增加改良土壤的成本，而且有可能达不到最优改良效果。今后的研究需要进一步探索生物炭的施用比例，以期实现较好的改良效果和合理的经济成本相结合。

许多研究表明，生物炭对土壤酶活性以及土壤微生物群落的影响程度与土壤质地、土壤肥力、土地利用方式以及生物炭自身特性（材料来源、热解温度）等密切相关，因此，还需进一步探讨土壤酶以及土壤微生物群落和生物炭的作用机制，更精确地掌握适宜土壤酶活性和微生物群落的热解温度以及制碳材料，为生物炭制备过程中的材料选取和热解温度提供理论依据。