生物炭陈化过程对玉米产量及土壤肥力提升的效应研究

在我国农业发展建设过程中，生物炭发挥的作用不容忽视。生物炭属于以农业副产品、天然有机物制作而成的炭，具备储水能力强、高碳含量、肥力持久、多孔等典型特点，在土壤修复中具有重要作用，特别是在热解处理后，生物炭的多孔结构可以有效改善土壤结构，提升土壤透气性及肥力，再加上其富含多种营养元素和微量元素，在农作物生长及产量提高方面有着至关重要的促进意义。生物炭陈化主要指生物炭理化性质会随时间发展产生一定变化，具体表现为土壤层孔隙率、持水溶性等的改变，而这种变化的产生，在玉米产量、土壤肥力提升方面的效应及影响，正是研究的重点所在。

一、生物炭田间自然陈化过程的典型变化

生物炭在田间自然陈化过程中，其所展现出的典型变化主要体现在元素组成、理化性质、表面形貌、官能团四方面。

（一）元素组成

生物炭田间自然陈化过程中，其白面上的氧（O）、铝（AI）、硅（Si）、铁（Fe）等元素含量均会产生较为显著的变化，且高于新生物炭，但是碳元素的含量明显降低。产生这种变化的主要原因，极有可能是生物炭表面会有土壤矿物附着，这些矿物会对碳元素的测定产生稀释。

（二）理化性质

生物炭田间陈化过程中，其孔结构、表面积等理化性质也会产生明显变化。具体而言，在5年内，其比表结构并不会产生持续增加或持续下降的情况，一般情况下其主要随着时间波动。其中，孔结构阻塞、破坏或微孔形成等是推进其变化波动的主要因素。同时，通过文献的查阅发现，在5年时间内，生物炭含氧官能团含量、表面氧含量会产生一定程度上的增加，这种变化可以说明生物炭陈化过程从表面开始，其表面界面性质的变化是生物炭陈化的典型特征。

（三）表面形貌

将新鲜生物炭初期投入田间一年后回收，其表面会出现通道、裂纹，但是老化生物表面一般显示的是平滑覆盖物。这主要是因为生物炭在陈化过程中，其表面覆盖物会堵塞通道、裂纹，进而造成生物炭表面形貌的变化。

（四）官能团

生物炭在陈化过程中，表面含氧官能团会明显增加，在众多官能团中，羧基的增加最为显著，这一变化的产生，会直接造成生物炭表面孔隙率、比表面积增多，并影响生物炭对土壤中污染物的吸附。

二、生物炭在玉米种植中的关键价值

我国是农业大国，玉米产量居世界第二，主要分布于黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古等地，而生物炭的应用可以提高玉米产量、改良土壤肥力、减少化肥施用量。

（一）提高玉米产量

通过土壤条件的改善及优化，生物炭可以促进玉米根系的发育、生长，并提高玉米对多种养分的吸收利用率，玉米的产量也会明显增加。同时，生物炭对土壤中有毒微生物的抑制作用也十分显著，这对作物病虫害发生率的降低十分有益。

（二）改良土壤肥力

生物炭本身具备高比表面积、多孔结构，对土壤中的水分、养分等有充分吸附并保持的作用，可有效增强土壤的保水保肥能力。同时，生物炭还具备调节土壤酸碱度的功能，这对改善玉米生长环境大有裨益。

（三）减少化肥施用量

由于生物炭可以保证养分吸收与保持，因此，可在一定程度上合理控制并减少化肥施用量，这对节省农业生产成本、助力农业领域绿色发展均有较为显著的促进意义。

三、生物炭陈化过程对玉米产量及土壤肥力提升效应分析

（一）生物炭陈化过程对玉米产量的提升效应

1.生长发育。在玉米生长发育过程中，多种因素均会对其产生不容忽视的影响。其中，株高、茎粗、干物质积累量、叶面积指数等，均会受到生物碳陈化的影响。一是株高。一般情况下，玉米株高的最高点是灌浆期，如逐步进入成熟期，其株高就会降低。在生物炭的应用中，生物炭施炭量、年限等是影响玉米株高的主要因素。二是茎粗。玉米茎粗与玉米倒伏情况、玉米植株营养吸收情况均息息相关，玉米茎秆越粗，其抗倒伏能力越强。对玉米各个生长发育期进行分析发现，拔节期、抽雄期的玉米茎秆最粗，而灌浆期、成熟期的玉米茎秆会展现逐步变细的趋势。施加生物炭后，在其陈化过程中施炭量及年限对玉米茎秆的交互影响，主要展现在抽雄期、拔节期。三是干物质积累量。在玉米生长发育过程中，干物质积累量是其籽粒产量的决定性因素。结合玉米生长全生育期来看，玉米干物质积累的关键部位是茎叶，但是在玉米的不断生长发育中，根叶的干物质积累量均呈现不同程度的减少，但是玉米穗的干物质积累量则逐步上升，特别是在玉米成熟期，玉米穗的干物质积累量已经占比最高。在应用生物炭后，玉米的干物质积累量会有明显提升，其中需要注意的是，玉米干物质积累量的差异一般发生在灌浆期、抽雄期。四是叶面积指数。叶面积指数反映的重点是玉米群体的生长状况，叶面积指数的大小和玉米最终产量高低存在直接联系。在常规情况下，玉米如果不施加生物炭，其苗叶期的叶面积指数处于最高水平，而拔节期的叶面积指数则最小。

2.玉米产量。生物炭陈化对玉米产量的影响，主要体现在以下三方面。一是改善土壤孔隙率、保持水溶性。在玉米生长发育过程中，生物碳陈化过程可迅速降低土壤容重，并促进土壤团聚体稳定性的提高，这对土壤孔隙率的增加会产生直接影响。产生这种情况的主要原因是生物炭本身具备较大孔隙率、比表面积。将其施加至土壤中，土壤结构可得到迅速改善，土壤颗粒之间的空间也会产生明显增大，这对玉米生长所需的土壤空气流通、水分保持等均十分有益。同时，在土壤中施加生物炭，还能够提高土壤的水溶性，生物炭的吸附能力较强，可充分吸收土壤中的水分，并借此提升其持水能力。此外，生物炭陈化过程还能够促进土壤有效水含量的增加，这对缓解土壤干旱问题、保证玉米生长所需水分均有十分显著的促进作用。二是提供优良的生长环境。在土壤渗透性的提升中，玉米植株的根系生长会有更为优良的环境。同时，生物炭的施加，对土壤中微生物的反硝化作用，产生十分明显的抑制作用，土壤中的“氮素效应”“土著真菌生存能力”也能够得到更为全面的展现与提升，这对玉米生长及产量的提高十分有益。三是改变土壤团聚体结构，并在其陈化过程中提高玉米产量。这种影响主要表现为粒径较粗的生物炭限制土壤、微生物、生物炭三者之间的相互作用，减缓大团聚体的形成过程。易分解有机碳含量较多的生物炭可以刺激微生物生长，因此，能够较好地改良有机质含量较低土壤的团聚体结构。

（二）生物炭陈化过程对土壤肥力的提升效应

1.生物炭陈化过程对土壤吸持低分子量物质行为、阳离子交换量（CEC）、pH的影响。一是对土壤吸持低分子量物质行为的影响。“Terra Preta”作为一种生物炭实验案例，展示了生物炭对于土壤吸收低分子量的影响。如果将其视为农耕体系的一部分并适当使用，生物炭可以持久提升土壤对营养元素和低分子量有机物的捕获力。这种特性得益于它的大表面积和高孔径率，同时含有大量的来自氢氧化物和羧酸根等官能团的负电荷，这使得生物炭能够高效吸引各类碱金属阳离子、硝酸盐、磷酸盐或偏磷酸盐，并且也具备强力的低分子量可溶性有机物（DOC）吸附功能。这些吸附能力的产生受到生物炭的酸碱度、表面积、碳氧比例、总交换容量等特性和土壤中有机物质含量的调节，同时也受生物炭引发的土壤粒子带电状态和化学性质变化的影响，可以通过人工筛选原料和调整热解过程来实现部分调控。然而，在生物炭陈化过程中，生物炭表面的活性位点会不可避免地与土壤内的特定成分发生反应，从而削弱它的吸附性能。所以，只能在新制的生物炭阶段对其吸附特点做出预判，以助力土壤肥力提升。二是CEC。生物炭增加土壤CEC的原因如下：一方面，生物炭本身的CEC较大；另一方面，生物炭增加土壤pH，增加土壤中可变负电荷的数量，从而增加土壤CEC。举例来说，高温（＞600 ℃）热解的生物炭CEC较低，但是由于具有较大的比表面积和较高的pH，在施加到土壤中后，仍然可以明显增加土壤CEC。与之相反，使用500 ℃生物炭对木本植物进行处理后，施加到沙土中培育91 d，土壤CEC与对照组相比并没有明显变化，原因可能是生物炭的pH和CEC较低造成。生物炭增加土壤CEC的效果受土壤环境条件的影响。与CEC较高的碱性土相比，生物炭更能显著提高CEC较低的酸性土壤的CEC。此外，生物炭陈化过程会促使土壤CEC的增加，因为这个过程会不断生成生物炭表面的含氧官能团。三是pH。过度施用铵态氮肥和酸雨沉降会显著减低土壤pH。这不仅会导致土壤肥力质量下降，还会增强重金属元素的活性。生物炭可以有效增加有机质含量较低的酸性土壤的pH。原因如下：首先，生物炭本身的pH较高。其次，生物炭中的碳酸盐和重碳酸盐可以与土壤溶液中的氢离子结合。随着生物炭在土壤中反应时间的增加，生物炭的pH会逐渐降低。最后，生物炭中带有负电荷的羧基和羟基等含氧官能团可以结合土壤溶液中的氢离子，从而降低氢离子的浓度。例如，经过100 d室内培育后，松木和玉米青储饲料400和600 ℃生物炭的pH较新制备时降低了2.3～3.6。在田间老化3年后，坚果壳和木本植物500～550 ℃生物炭的pH较新制备时降低了1.0～4.4。这表明，生物炭在短期内有利于减轻土壤酸化，但是，对酸性土壤pH的持续调控效果仍存在争议，还需要通过长期定位试验进行进一步的跟踪监测。

2.生物炭陈化过程对微生物性质的影响。生物炭与土壤微生物之间的互动关系相当复杂。通过优化土壤物理化学特性，生物炭可以间接提升微生物活动水平；由于其容易被分解为有机碳成分、具备优秀的空洞构造及较强吸收营养物质和水分的性能，因此，它成为微生物理想的生活场所。这种交互效应可能导致生物碳投入农业领域之后，能有效调整土壤微生物数量、微生物群体构成、酶活性和其他土壤微生物属性，进而调节微生物主导的营养循环和营养形式转换进程，最后塑造出新的土壤肥力和功能模式。

对于生物炭为何能作为土壤微生物理想的生活环境这一问题，有着多种理论解释。一些研究表明，生物炭独特的空洞构造能够给包括细菌、真菌及原始生命体等多种类型的微生物提供安全的环境，以避免被猎杀或者遭受季节性的干燥影响。然而，另一种观点则指出，虽然生物炭的平均空洞尺寸较小（纳米级别），但其仍大于大多数土壤微生物所需的最适生活环境的大小（微米级别），因此，受到空间限制，土壤微生物不能成功驻扎到生物炭的空洞内。支持此种说法的研究者们强调了以下几点原因：一是生物炭可以高效吸收如DOC、速效氮、碱性离子等的化合物；二是生物炭中的元素可以通过溶出和再吸收到外部环境，从而为微生物供应丰富的基础营养。

对生态系统而言，环境因素如气候变化等都可能对其造成重大威胁。其中，一种重要的生态环境问题就是全球变暖现象及其引发的一系列后果——如海平面上升及极端天气事件增多等。为了应对这些挑战并保护地球上的生命体免遭进一步破坏，科学家们正在积极寻找解决方案来减少温室气体排放，以降低大气温度，从而缓解这一危机。然而，除了采取行动控制二氧化碳，还可以充分利用生物炭，它是一种由农林废弃物或动植物残骸经过特殊处理后形成的一种固态化合物材料。对于含有丰富有机物的微粒状土层，其出色的缓冲性能可以在某种程度上有助于减轻生物炭对微生物的影响。通过同步添加如堆肥、粪便等有机材料到土壤中，可以提高微生物能够使用的底物数量，从而减弱这一影响。此外，在生物炭的热解过程中，可能会留下诸如多环芳烃与二噁英之类的有害化学品，部分生物炭中的重金属成分可能过高，这些都可能对微生物造成潜在危害，进而影响土壤肥力的提升。

关于生物炭如何影响土壤中的酶活力及微生物信号分子的问题，目前尚未得出一致的结果。这主要受到生物炭、酶、其所作用的底物这三者交互效应的影响。然而，生物炭可以作为一种活性物质，吸附或者释放酶和它的底物。这种吸附或解吸特性取决于生物炭的孔隙度和表面区域的大小，大孔径且高表面的生物炭有能力吸附细胞外的酶及其底物，从而减缓底物与酶激活部位的结合速度，进而减少酶的活动水平。Ameloot的研究表明，当使用700 ℃处理过的生物炭时，会使土壤中脱氢酶的活性比未添加生物炭的情况低47%；相反，如果用的是350 ℃处理过的生物炭，则会导致脱氢酶活动量增加73%，并直接影响土壤肥力的提升。

四、结语

综上所述，生物炭陈化过程能够有效提高玉米产量，对土壤肥力提升也有积极作用。该研究基于生物炭田间自然陈化过程的典型变化、生物炭在玉米种植中的关键价值，充分探索并剖析了生物炭陈化过程对玉米产量的提升效应、土壤肥力的提升效应，希望能够为我国玉米种植中生物炭的有效应用提供借鉴。

作者简介：赵强（1989—），男，吉林农安人，硕士，助理农艺师，主要从事耕地保护与建设工作。