生物质炭对土壤和土壤微生物影响的研究进展

黄 韡 吴承祯,2 钱莲文

（1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350000；2.武夷学院，福建 武夷山 353000;3.泉州师范学院 福建 泉州 362000）

前言

生物质炭（bio-char）是农林废弃物、植物组织等在限制供氧的条件下热解而成。制备生物质炭的原料包括各种天然物质及其衍生物，如农业废弃物、木材废弃物、城市固体垃圾、畜禽粪便、水生植物和藻类等[1]。其中大多数的生物质炭是由农业废弃物热解而来的，施用生物质炭可以减少对环境的污染，实现资源的循环利用。施加一定量的生物质炭能增加土壤CEC，吸附N、P及矿物离子，减少养分流失，并在一定范围内增加作物生物量和产量，因此生物质炭还田是提高土壤肥力和增加碳封存时间的有效途径[2]。生物质炭的高度稳定性和较强的吸附性能，对于增加土壤碳库贮量、提高土壤肥力以及维持土壤生态系统平衡具有十分重要的意义[3]。本文从生物质炭对土壤的改良作用和对土壤微生物的影响两方面进行综述，介绍生物质炭应用于改良土壤方面的研究成果，并对该领域进行了展望。

1 生物质炭的特性

生物质炭是生物质原料在厌氧或者绝氧的条件下进行热解，除了生成CO2、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质以外，所产生的一种含碳丰富的固体物质[4]。生物质原料的不同以及制备条件的差异会令生物质炭的性质存在较大的差异，比如低温制备的生物质炭，碳结构比较松弛，活性比较高，对土壤肥力的贡献比较大[5]；而高温下制备的生物质炭的灰分和表面碱度增加，对提高土壤pH值的效果较好[6]。生物质炭的多孔结构使表层土壤孔隙度增加，容重减小，这种结构有利植物根系的生长，从而促进作物地上部分的生长，提高作物的产量[7]。生物质炭中含有灰分以及灰分中所含有的Na、K、Ca、Mg等矿质元素以氧化物或碳酸盐的形式存在[8]，因此溶于水后呈碱性，其pH值的大小与裂解的温度成正比[9]，所以生物质炭可以用于酸性土壤的改良。

2 生物质炭对土壤的改良作用

2.1 生物质炭对土壤物理性质的影响

生物质炭对土壤物理性质的影响主要体现在提高土壤孔隙度，增加土壤的表面积和降低土壤容重三个方面。在巴西亚马逊流域的某些黑土中，其上部的富碳层厚达35cm，且上层土壤的容重比下层土壤低，土壤容重随土壤剖面深度的增加而增加[10]，这主要是生物质炭起的作用。生物质炭的表面积大小取决于生物质炭的孔隙度，根据孔径的大小可以分为大孔隙（＞50nm ）、微孔隙（＜2nm ）和小孔隙（＜0.9nm ）[11]。大孔隙直接关系到土壤的透气性和持水能力，并为微生物提供了生存的环境；而小孔隙则影响生物质炭对分子的吸附作用和转移。

生物质炭对土壤物理性质的改善作用与生物质炭的施用量和土壤的肥力相关。黄超等[12]研究发现，当生物质炭用量为10 g·kg－1时，对土壤物理性质的影响不明显。当生物质炭用量为 50 g·kg－1和 200 g·kg－1时，对肥力水平较低的土壤的水稳定性团聚体数量、容重和饱和持水量均产生明显的影响；但对肥力水平较高的土壤，生物质炭仅仅对土壤容重产生了明显的影响，对水稳定性团聚体数量和田间持水量的影响不显著；施用生物质炭对土壤肥力水平较低的土壤上的改善效果明显高于肥力水平较高的土壤，在肥力水平较低的土壤中，改善效果与生物质炭的用量成正比；而在肥力水平较高的土壤中，大量施用生物质炭(200 g·kg－1)可导致土壤微生物的生物量下降，对植物的生长产生轻微的抑制作用。

2.2 生物质炭对土壤化学性质的影响

Glaser等[13]研究表明，生物质炭的化学和生物稳定性源于其所具有的多环芳香结构，将生物质炭施加到土壤中，可以提高作物的产量以及增加矿质元素的利用率。周桂玉等[14]研究表明，将秸秆生物质炭和松枝生物质炭添加到土壤中培养45天后，土壤的有机碳含量、胡敏酸和富里酸含量、有效养分含量都有不同程度的增加，且胡敏酸的色调系数△lgK降低，有利于土壤有机碳的长期保存。生物质炭表面含有丰富的含氧官能团，使得生物质炭呈现亲水、疏水以及对酸碱的缓冲能力[15]，其所产生的表面负电荷使得生物质炭具有较高CEC[16]，将生物质炭施加在土壤中可以提高土壤的CEC，且土壤的CEC随着生物质炭在土壤中存在时间的增加而增加[17]。

生物质炭通过对土壤化学性质的影响能降低环境污染，有利于保护环境。目前铝毒害是酸性土壤地区作物生长不良的主要原因，袁金华等[18]实验添加稻壳炭使红壤和黄棕壤有毒形态铝的浓度分别比对照下降47%和42%(P＜0.05)，从而缓解铝对植物的毒害作用，总可溶性铝浓度的降低使得酸性土壤中铝的活性和移动性减小，进而减小可溶态铝由陆地向地表水的迁移，有利于保护地表的水体。Arvelakis等[19]以橄榄残渣和麦秆为原料，在氮气保护下采用热分解法制备生物质炭，并将其用于汞离子污染物的捕获。Jones等[20]研究发现生物质炭对除草剂有强烈的吸附作用，有效降低除草剂的流失和土壤微生物群对除草剂的降解作用，从而减少除草剂的使用量，降低土壤和环境污染以及这些污染物可能通过食物链对人体造成的危害。

2.3 生物质炭对土壤持水能力的影响

土壤持水能力是评价土壤涵养水源和水文调节的重要指标，主要与土壤容重和土壤孔隙度有关。根据土壤孔隙的性质和孔径大小的不同一般分为3级：通气孔隙、非活性孔隙和毛管孔隙，其中通气孔隙不能保持水分，而毛管孔隙则容易保持水分，当毛管上升水达到最大量时的土壤含水量是作物能利用的有效水[21]。生物质炭通过使土壤的孔径和分布发生变化，继而改变了土壤水分的流动路径、停留时间和渗滤模式[22]。Glaser等[23]研究发现含黑色碳丰富的土壤，其表面积是周围无炭土壤的3倍，田间持水量增加18%。生物质炭对于砂质土壤的持水能力有较为显著的效果，生物质炭用量的增加使砂土的容重减小、总孔隙度增大，结构逐步得到改善，饱和导水率减小，因而持水能力增强[24,25]。

而Chun等[26]发现作物秸秆炭在300℃的裂解温度下持水量为 13×10－4ml/m2，而在 700℃下减少到 4.1×10－4ml/m2，这是由于裂解温度越高，生物质炭表面的极性官能团变少，因而导致持水量减少；还有研究者将不同性质的生物质炭施用在含有高有机质的土壤中，发现有些种类的生物质炭能提高土壤田间持水量而有些则不能[27]。

可见，在对土壤持水能力影响方面，生物质炭以及供试土壤的种类和性质都应被列入考虑。总的来说，用生物质炭来提高土壤的持水能力仍是一种行之有效的方法。

3 生物质炭对土壤微生物的影响

土壤微生物主要指土壤中那些个体微小的生物体，主要包括细菌、放线菌、真菌，还有一些原生动物和藻类等（Martin A，1964）。生物质炭对土壤微生物的影响机理较为复杂，其多孔性和表面特性可以为土壤微生物提供附着位点和较大的空间。土壤pH值是反映土壤特性的重要指标之一，也是影响根际微生物生长发育的重要因素，真菌喜好酸性土壤，细菌则偏好中性土壤，二者对土壤pH值的要求有所不同使得土壤pH值的变化与微生物数量的波动相关，而施用生物质炭能使土壤的pH值提高[28]，进而对土壤微生物产生影响。

3.1 生物质炭对土壤微生物活性的影响

生物质炭孔隙中能够贮存水分和养分，因而生物质炭的孔隙和表面能够成为微生物可栖息生活的微环境。有研究者认为[29]由于生物质炭的高度芳香化，生物量的增加并非是因为生物质炭提供了微生物生长所需要的养分，而是因为生物质炭大的比表面积增加了微生物的生长空间。

生物质炭能促进土壤微生物的侵染能力、数量及活性。Steinbeiss等[30]研究发现利用磷酸脂肪酸法（PLFA），生物质炭显著增加了土壤中真菌和革兰氏阴性菌的生物量，其孔隙中储存微生物所需养分及水分，利于土壤微生物的生长代谢过程，尤其是对丛枝状菌根真菌(AMF)或泡囊丛枝状菌根真菌(VAM)的影响极为显著。菌根真菌不同于固氮菌，其可将菌丝生长于生物质炭的表面及孔隙内，并汲取营养和水分而产生孢子，因此生物质炭对菌根真菌有很好的促进作用。Khodadad等[31]发现在生物质炭处理的土壤中，微生物的总多样性减少，但放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度却增加。韩光明等[32]实验表明添加生物质炭能够非常显著地提高土壤细菌、真菌以及放线菌的数量和微生物量，尤其是细菌中的反硝化细菌、好氧自生固氮菌和氨化细菌的数量显著增加，认为适量的生物质炭对促进氮代谢微生物的活性可能具有一定作用。

3.2 生物质炭对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物代谢熵(qCO2)是将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机联系起来，其变化与土壤微生物群落组成的变化有关，并且随着土壤熟化程度的增加而减小，代谢熵可以度量土壤微生物的能量利用率，用来反映土壤微生物利用碳源的效率；随着生态系统由初级向高级的演替，代谢熵值呈现下降趋势；在代谢熵较低的土壤中，微生物对碳的利用效率较高，维持相同微生物生物量所需的能量就越少，土壤质量也就越好。匡崇婷等[33]研究表明在添加生物质炭0.5%和1.0%时使土壤微生物代谢熵分别降低2.4%和26.8%，代谢熵随着生物质炭添加量的增大而显著下降；在添加0.5%和1.0%生物质炭的土壤70%田间持水量条件下培养90天后，土壤微生物代谢熵明显低于不加生物质炭的土壤。

Graber等[34]认为施加生物质炭增加微生物群落，提高植物的生物量，增强作物抵抗病虫害的能力。Grossman等[35]研究在含有生物质炭和不含生物质炭的土壤中微生物群落的种类，发现前者的土壤种类和微生物种类基本相同，与后者中的微生物种类大不相同，说明生物质炭可影响微生物群落分布特征。Warnock等[36]研究认为土壤中施人生物质炭后，作物根部的真菌繁殖能力增强，菌根的真菌丰度增加，进而促使微生物群落发生变化。Hamer等[37]研究认为某些微生物会把黑色碳作为生存的唯一碳源，说明加入生物质炭后会促进土壤中某一类群微生物的生长。Pietikainen等[38]研究了生物质炭对土壤中腐殖质、pH值和腐殖质中微生物群落生长率的影响，认为添加生物质炭能够提高微生物群落的呼吸代谢速率，改善微生物对基质的利用格局，进而改良土壤肥力。

4 展望

目前国内开展生物质炭研究还处于起步阶段，制约该领域研究的瓶颈主要有两个方面：一是生物质的多样化和制备工艺的差异化，使得用于研究的生物质炭种类繁多，性质差别较大，研究结果的可比性较差，因此有必要针对生物质炭制定相关的标准；二是国内土壤类型复杂，生物质炭在不同土壤上的表现有所不同，需要开展国内多点联网的研究，且生物质炭对土壤植物的效应研究上，目前多集中于宏观方面，其改良土壤和植物的作用机理仍需进一步探究。同时，土壤微生物生态学研究方法都有一定的局限性，需要更多新的方法应用到土壤微生物群落结构研究方法上，进而推动在生物质炭对土壤微生物的作用机理方面的研究。

[1]Ozcimen D，Ersoy-Mericboyu A. Characterization of biochar and bio-oil samples obtained from carbonization of various biomass materials[J]. Renewable Energy，2010，35(6)：1319-1324.

[2] 张文玲，李桂花，高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J].中国农学通报，2009，25(17)：153-157.

[3] 刘玉学，刘微，吴伟祥，等.土壤生物质炭环境行为与环境效应[J].应用生态学报，2009，20(4)：977-982.

[4]Sohi SP，Krull E，Bol R. A review of biochar and its use and functioninsoil[J]. AdvancesinAgronomy，2010，105：47-82.

[5]Joseph SD，Camps-Arbestain M，Lin Y，et al. An investigation into the reactions of biochar in soil[J].Australian Journal of Soil Research，2010，48(7)：501-515.

[6]Novak JM，Lima I，Xing B S，et al.Characterization of designer biochar producted at different temperatures and their effects on a loamy sand[J].Annals of Environmental Science，2009，3：195-206.

[7]Whalley W R，Clark L J，Gowing D J G，et al. Does soil strength play a role in wheat yield losses caused by soil drying?[J]. Plant and Soil，2006，280：279-290.

[8] 谢祖彬，刘琦，许燕萍，等.生物炭研究进展及其研究方向[J].土壤，2011，43(6)：85-861.

[9]Yuan J H，Xu R K，Zhang H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology，2011，102(3)：3488-3497.

[10]TeixeiraWG，WartinsGC.Soilphysicalcharacterization[C].Dordrecht，KluwerAcademic.2003：271-286.

[11]Downie A，Crosky A，Amunroe P. Physical properties of biochar[C]. London：Earthscan，2009：13-32.

[12] 黄超，刘丽君，章明奎.生物质炭对红壤性质和黑麦草生长的影响[J].浙江大学学报，农业与生命科学版，2011，37(4)：439-445.

[13]Glaser B，Haumaier L，Guggenberger G，et al. The‘Terra Preta’phenomenon：amodel for sustainableagriculturein the humid tropics[J]. Naturwissenschaften，2001，88：37-41.

[14] 周桂玉，窦森，刘世杰.生物质炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响 [J].农业环境科学学报，2011，30(10)：2075-2080.

[15] 袁金华，徐仁扣.生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展[J].生态环境学报，2011，20(4)：779-785.

[16]Van Zwieten L，Kimber S，Morris S，etal. Effectsof different temperatureon surfacefunctional groupsof black carbon[J].Ecology and Environmental Sciences，2010，19(3)：528-531.

[17]Clough T J，Condron L M. Biochar and the nitrogen cycle：Introduction[J]. Journal of Environmental Quality，2010，39：1218-1223.

[18] 袁金华，徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果 [J].生态与农村环境学报，2010，26(5)：472-476.

[19]Arvelakis S，Crocker C，Folkedahl B，etal. Activated carbon from biomassfor mercury capture：Effect of the leaching pretreatment on the capture efficiency[J]. Energy and Fuels，2010，24(8)：4445-4453.

[20]Jones DL，Edwards-Jones G，Murphy DV. Biochar mediated alterations in herbicide breakdown and leaching in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43(4)：804-813.

[21] 高海英，何绪生，耿增超，等.生物炭及炭基氮肥对土壤持水性能影响的研究 [J].中国农学通报，2011，27(24)：207-213.

[22]Major J，Steiner C，Downie A，etal. Biochar effectson nutrientleaching[C]. London，Earthscan.2009：271-287.

[23]Glaser B，Lehmann J，Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biology and Fertility of Soils，2002，35(4)：219-230.

[24]Chen Y，Shinogi Y，Taira M. Influence of biochar use on sugarcane growth，soil parameters，and groundwater quality[J]. Aust JSoil Res，2010，48(7)：526-530.

[25] 文曼，郑纪勇.生物炭不同粒径及不同添加量对土壤收缩特征的影响[J].水土保持研究，2012，19(1)：46-50，55.

[26]Chun Y，Sheng GY，Cary TC，Xing BS.Compositions and sorptive properties of crop residue-derived chars[J].Environ. Sci. Technol. ，2004，38：4649-4655.

[27]Novak JM，Lima IM，Xing B，et al. Charcaterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand[J].Annals of Environmental Science.2009(3)：195-206.

[28]MatthiasCR，Marcel W，Mohamed S，etal. Material derived fromhydrothermal carbonization：Effectsonplantgrowth and arbuscular mycorrhiza[J]. Applied Soil Ecology，2010，45：238-242.

[29]Blackwell P. Can bichar help drivebiological farming？[R].Western Mineral Fertilisers，Update，2008，(8)：11.

[30]Steinbeiss S，Gleixner G，Antonietti M. Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity[J]. Soil Biologyand Biochemistry，2009，41(6)：1301-1310.

[31]Khodadad，Andrew R. Zimmerman，Stefan J. Green.Taxa-specific changes in soil microbial community composition induced by pyrogenic carbon amendments[J].Soil Biology and Biochemistry，2011，43(2)：385-392.

[32] 韩光明，孟军，曹婷，等.生物炭对菠菜根际微生物及土壤理化性质的影响 [J].沈阳农业大学学报，2012，43(5)：515-520.

[33] 匡崇婷，江春玉，李忠佩，等.添加生物质炭对红壤水稻土有机碳矿化和微生物生物量的影响[J].土壤，2012，44(4)：570-575.

[34]Graber ER，Harel Y M，Kohon M. etal. Biochar impacton developmentand productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media[J]. Plant Soil.2010，337(1-2)：481-496.

[35]Grossman JM，0’Neill BE. Tsai SM，etal. Amazonian anthrosolssupportsimilar microbial communitiesthatdiffer distinctly from those extant in adjacent，unmodified soils of the samemineralogy[J]. Microb Ecol，2010，60(1)：192-205.

[36]Warnoc DD，Lehmann J，Kuyper TW，etal. Mycorrhizal responsesto biochar in soil conceptsand mechanisms[J].Plant Soil，2007，300：9-20.

[37]Hamer U，Marschner B，Brodowski S，etal.Interactivepriming of black carbon and glucose mineralization[J].Organic Geochemistry，2004，35(7)：823-830.

[38]Pietikainen J，Kiikkila O，Fritze H. Charcoal as a habitat for microbesand itseffectsonthemicrobial community of theunderlyinghumus[J]. Oikos，2000，89：231-242.