生物炭陈化对玉米产量及土壤肥力的影响

辽宁省凌源市农业综合行政执法队 王国辉

生物炭在提高土壤层肥效、提高作物产量方面具有积极作用，是实现农业低碳、循环和可持续发展的重要科技手段。虽然这种物质的性质比较稳定，但也不是完全固定的，当它被投入土层后，它的物理性质和化学性质均会逐渐发生改变，即陈化，这就会对土壤层的品质和作物的产量产生一定的影响。将生物炭应用在土壤层中，可以改进土壤层结构、提高土壤层营养物质、加强蓄肥保水力，促进植物菌根生长发育，达到提高作物质量及产量的目的，最终能够为农业发展助力。

一、生物炭陈化对玉米产量的影响

生物炭的应用可以降低碱性土壤的容重，显著增加耕层中的钾磷氮含量，增加孔隙，从而提高农作物的产量。根据有关研究，利用好生物炭后，玉米产量将会增长15.1%，水稻将会增长10.4%。单独施用生物炭虽然能提高粮食产量，提高酸碱度和导电性，但也会大大降低活性铝源，比如，Mn 和Fe 等有害元素。另外，生物炭还能起到过滤的效果，对正电性矿物正电性和负电性矿物正电性的吸附较理想；由于其表面面积非常大，可以有效地延长空气的氧化时间，因此，可以提高对养分的吸收效率。同时，这些细菌还可以在较大的空间内高效存活下来。

生物炭的陈化过程可以显著改善土壤层的持水溶性和孔隙率。当土壤的渗透性得到提高时，会为植物根系的生长发育创造更加优良的环境。同时，生物炭的添加还能更有效地抑制微生物的反硝化作用，从而确保土壤中的氮素效应得以充分发挥。通过添加生物炭，提高土著真菌的生存能力，促进植物的生长发育。有关研究结果显示，生物炭的总量及其性质会对农作物的生长和发育有直接的作用，并且还会对其造成一定的影响。

生物炭对大部分玉米作物的生长发育及产量具有显著的推动作用。例如，它可以提高玉米和菜豆等作物的生物量，进而提高玉米的产量。然而，不同的生物炭对作物的生长发育及产量也会产生不同的作用。与矿物成分较低的生物炭相比，具有高成分矿物的生物炭在短期内对作物的生长发育产生的影响更大。另外，高挥发性物质的生物炭可能会抑制作物的生长发育。这种抑制作用可能是由于高挥发性物质增加了土壤层的C/N 值，导致土壤层中的有效氮降低，从而阻碍了植物对氮的吸收和利用。生物炭对作物生长发育或产量的影响也与其使用量有关。适量的生物炭可以促进作物的生长和产量，然而过量的生物炭可能会产生不利的影响。因此，在使用生物炭时，必须考虑其最佳使用量，以确保其对作物产生最大的积极作用。此外，不同类型的生物炭也可能对不同的作物产生不同的影响。因此，在选择使用生物炭时，需要考虑作物的类型及土壤的性质、条件，以确保选择合适的生物炭来促进作物的生长和产量。

由此可以看出，通过对生物炭的合理使用，可以解决土壤层及周围环境中的问题，使耕层变得更好，从而提高农产品的质量。

二、生物炭陈化对土壤层肥力的影响

（一）生物炭陈化对土壤层物理性质的影响

在收获过程中，植物残茬将许多植物养分从土壤层的生态系统中带走。大量试验研究表明，在田间施用生物炭，可以增加土壤碳含量，改善耕层性质，促进土壤有机质生成，提高养分含量，促进作物生长。

Tryon 等将生物碳分别加入贫瘠和肥沃的土地上，发现生物碳对于改善贫瘠的农田土壤具有更好的保水效应。研究结果表明，生物质炭对土壤水分含量具有显著的调控作用。当加入生物炭时，土层中的水分就会变得更加充足，很多土层中的矿物元素都处于可溶解状态，这就促进了矿物养分的迁移，提高了土壤层的肥料利用率，从而更好地被农作物消化和利用。

（二）生物炭陈化对土壤层酸碱度的影响

土壤层的酸碱度是土壤层的一个关键化学特性，通常会对植株的生长、发育及肥料的使用效应产生一定的作用，是土层养分利用率的一个指标。从土层pH 可以看出，土壤层酸碱性的来源是土壤中的腐殖质或有机质、硅铝酸盐黏粒、铁铝水合氧化物、交换性铝、易溶盐和二氧化碳，基本为弱酸，具有一些缓冲容量。在不同的土层中，其养分供应及植株生长发展状况也会有所不同。

土壤的酸碱度主要由盐基正离子控制。由于生物炭具有较多的盐基正离子，它可以通过吸附作用来降低土壤中交换性氢离子和交换性铝正离子的水平。因此，生物炭是一种比熟石灰更有效的土壤改良剂。然而，对于已经呈碱性的土壤，生物炭的作用可能不太明显。在现代农业中，由于连年施用化肥，导致土壤酸化，随着盐分的持续损失，导致土地肥力下降，从而对农作物的生长产生不利的影响。Zwieten 等的研究显示，每公顷施用10 t 的生物碳能够明显改善土壤的酸碱度。诺卡等人注意到，它在提高土壤pH 方面比在较低温度下产生的生物量的效果更好。氮磷钾混合施用对提高盐的正离子饱和程度有促进作用，从而提高土层pH。何绪生等研究表明，生物炭与化肥混施后对作物生长发育及生产量均主要表现为正效用。

（三）生物炭陈化对土壤层阳离子互换量的影响

生物炭陈化可以显著改善土壤层的酸碱度，这是因为生物炭在土壤中会释放有机物质，这种有机物会破坏并生成能提高土地酸性的物质。另外，添加生物炭后，其理化特性得到了明显改善，其孔隙率、保水性等都得到了明显改善。此外，老化处理也会引起土层成分与结构的变化。在生物炭生产中，将农作物秸秆进行炭化，生成一种高稳定、高香味的生物质。这些材料能够改良土地结构，提高土地的稳定性，保持土地的水分和肥沃。同时，老化后的秸秆还能提高土壤中的盐分交换能力，进而提高了土壤中阳离子的交换能力。阳离子交换膜是评价土壤养分保持能力、养分供应能力及缓冲容量的一个主要参数。

生物炭能够对多种矿质元素高效吸附，并激活它的激活态。Lehmann J 等研究表明，该材料中含有丰富的芳环基团和羟羧基功能基团，可以极大地增加土壤中的阳离子交换能力，使土壤中的CEC（阳离子）交换量大大增加，并最终改变植物对营养元素的实际利用。此外，不同类型的生物碳对不同土层的持留期也存在较大差异。在土质偏酸、阳离子交换能力弱的情况下，加入生物质碳对土质有一定的改良作用；不同类型的生物碳对地表阳离子交换膜的影响存在显著差别，含有矿物质的生物碳对阳离子交换膜的影响较大。在土壤中，其会随环境的变化而产生诸如羧酸类等官能团，提高它们的负电荷或阳离子的交换能力，从而可以很好地改善地表环境。

（四）生物炭陈化对土壤层有机碳累积的影响

土壤层有机碳是土壤层的关键构成部分，在土壤层肥效层面起着极为关键的作用，它是土层品质与功能的中心，也是决定耕层肥料利用率与产量大小的重要因子。土壤表层有机碳（SOC）的动态演变规律是评估大气CO2“源-汇”效应的重要基础。全球范围内最大的有机碳储量为全球森林生态系统的2～3 倍，是全球大气有机碳储量的2～3倍，对全球生态系统碳平衡起着至关重要的作用。然而，农田耕层的碳含量受人类活动的显著影响，可以在短期内调节，因此，全球范围的土壤层碳库及其碳汇功能是评估未来全球温室气体排放削减发展潜力的重要基础。

章明奎的研究表明，添加到土层中的生物炭并非静止不动，而是可以缓慢地被分解，只是其溶解速度远远低于土层中普通有机物。其之所以能够长期存在土壤中，很大程度上是因为其具有稳定的结构，能够抑制其在土壤中的氧化作用。生物炭是一种富含单环或多环芳香化合物的生物质，它比原生植物具有更好的物理性能和生物学特性，因此，对微生物的解胞力更加灵敏。

作为土层中最活跃的一种活力成分，其对土层中的有机质循环及养分的排放起着至关重要的作用。土壤层微生物量碳和水溶碳稍低不益于土壤层肥效的提升，章明奎等研究结论说明，施用小麦秸秆可以明显提升土壤层微生物量碳和水溶碳，这表明施用基本有机肥有益于改进土壤层肥效。施用生物炭后，前期对土壤表层的易挥发性成分及表层功能基团发生大气氧化作用，提高了前期生物炭对土壤表层的吸附能力；生物炭自身较高的吸附能力，将表层土壤中的一些微生物物种吸附到其孔隙中，减少了土壤中的有机物与微生物之间的接触，导致后期的有机碳矿化速率下降。添加生物炭显著提高了耕层有机碳的稳定性，增加了耕层有机碳的积累，但长期使用又会降低耕层有机物活性，进而影响耕层质量。

（五）生物炭陈化对土壤层中营养成分影响

生物炭独特的表面特点使其具有正离子吸附互换能力及一定吸附容积，能提高土壤层水饱和溶液中的氨根离子、硝酸根离子、钾离子、磷和氨气等不同形状存在的营养成分元素的吸附能力，提高营养成分的有效性，它就像是一块海绵，可以保持土壤中的水分、气体和饱和的液体，保持土壤的养分和水分。在不同的温度条件下，所生成的生物炭会呈现独特的特性。在低温条件下，将其转变为对极性材料的消化和吸附；经高温处理后形成的生物炭，对无正极材料及弱极性材料均有较强的吸附性。生物炭具有正负两种性质。因此，在对有机物进行消化和吸收所含养分的同时，也可以对有机物所不含的养分进行消化和吸收。研究发现，土壤层中的生物炭通过提高土壤层的阳离子互换量来提高对阳离子的吸附，这主要是因为其表面可部分被轻微空气氧化产生羰基、酚基和醌基。同时，增加生物炭之后土壤层的持水能力和供电能力得到提高，通过减少溶解性养分的溶解，阻止养分流失，并在土层中逐渐缓慢地释放，相当于养分元素的缓释载体，从而达到保持肥料有效性的目的。生物炭老化可调节硝化、反硝化进程，抑制氮素排放；生物炭可提高氨、铵的消化利用效率，减少NO2排放，从而改变氮素循环。DeLuca 等人的研究表明，在相同NH4+供应水平下，假设在秸秆还田的基础上，加入生物炭能使土壤NO3-含量翻一番，并可能通过对秸秆中的硝基化反应进行吸附，缓解其对土壤硝酸盐的抑制作用，从而加速了土壤的硝化进程。同时，由于生物炭具有良好的孔结构和低的相对密度，可以有效提高土壤的通气性，降低土壤中的厌氧水平，从而有效地抑制土壤中的反硝化作用。与其他化肥或无机肥配合施用，增产效果更佳。Lehmann J等认为在地理环境下，在森林土壤中添加未完全燃烧的秸秆还田后，可以改善土壤表层生态，但会导致植物体内氮素含量下降，从而使土壤表层氮素利用率下降。Glaser B 等研究表明，施用生物炭后，低氮土壤层的植物生长速率在短时间内下降，原因是添加生物炭后，土壤层中的C/N提高，进而制约土壤层氮素的运用度。

（六）生物炭陈化对土壤层微生物菌种的影响

生物炭孔道结构及表面特征可为微生物提供黏附位点及相对较大的空间，为特殊微生物提供生长繁殖场所；通过调控土壤层的物理、化学性质，调控土壤层中微生物的生长、发育与代谢，提高耕层肥料利用率。例如，Pietikainen 等研究发现，生物炭老化后，土壤表层的腐殖质pH 及微生物种群的生长速度与其对土壤理化性质的调控作用；生物炭可通过提高pH，促进微生物种群的呼吸代谢，改善土壤养分利用模式，提高耕层肥料利用率。生物炭对土壤表层微生物种群的作用机制与其自身性质和土层基础特征密切相关，是当前生物炭老化领域的研究重点。生物炭具有很大的异质性，不仅养分含量不同，pH 也不同，而且其化学特性和物理特性也有很大的不同。生物炭具有丰富的表面结构，可以吸收疏水性物质、亲水性物质、酸性物质和碱性物质。生物炭孔隙结构是藻类、细菌、土壤层动物生存的场所，也是水分和养分储存的场所，提高了土壤层的生物多样性。生物炭具有易于分解的碳、氮等，有利于微生物生长，因此在前期可以提高土壤中的细菌数量和活性。生物炭内部空间分布广泛，形成了适合微生物生存的微环境。金恩等人利用分子手段对亚马逊黑土区的土壤进行了研究，结果表明，与相邻的土层相比，土壤中细菌分类组件的含量要高25%左右。

添加生物炭可促进菌根菌群的生长，并对表土品质有正面的影响。添加生物炭后，可提高菌根菌数量及活性，并可提高固氮细菌的侵染率、结瘤能力和固氮能力。此外，还可以促进真菌与植物之间的增效作用，提高磷素利用率。生物炭可以增加细菌数量，增加有机物分解速度。Zimmerman 提出，生物炭-土壤层间互相作用，能够通过吸附有机碳的方式提高土壤层C的存储，这需要进一步论证。

关于生物炭作为土壤层改良剂，被普遍认同的是老化后的生物炭难以降解，能高效地提高土壤层的养分，并为生态系统提供服务；生物炭不仅能提供养分，还能保存养分，维护生物量的生成。虽然生物炭对土壤表层的环境效应具有多方面的正面效应，但是大规模使用也会带来负面效应。例如，生物质热解时会生成微量有毒有机化合物；有关生物炭培肥土壤表层的研究，多数以热带、亚热带强风化层为对象，而对于其他区域土壤表层的研究报道较少，有待完善。

目前，关于生物质的研究仍停留在实验室与农田的理论层面，其在工业与农业领域的普及与应用，以及其在实践中所需的支撑等方面仍处于起步阶段。Lehmann J指出，在理论上，生物炭的理论依据简单但并不深奥，其技术方法成熟但不复杂，该技术具有广泛的推广价值。因此，迫切需要结合工业和农业领域的实际需求，对其特性进行有针对性的改进，并针对其大范围、规模化的应用进行可实施性研究和费用收益分析。比如，生物炭具有易燃性的特点，存储转运过程中在氧气和湿冷环境下极易发生爆炸，目前，广泛选用的方式是将生物炭造粒化或与液态物质砂浆化，但从工业生产的视角毫无疑问会提高生物炭的应用成本。因此，在探寻经济好用的存储转运方式层面还需要更深层次地发掘。

三、结语

生物炭陈化在国际、国内的研究仍处在发展阶段，研究使用的生物炭多种多样，研究方式也各有不同，因而研究结论相对欠缺相比性；不同材料、环境温度等条件制取的生物炭特性差别很大。因此，施用作物前应开展风险评估。虽然大量研究表明，生物炭老化对改善耕层、提高粮食生产具有较好的近期效应，但其长期有效性有待深入研究。