生物炭及其对土壤环境的影响

韩光明，蓝家样*，陈温福，张 涛，詹先进，孟 军，陈全求，黄 云，孙世清

(1.湖北省农业科学院经济作物研究所/农业部长江中游棉花生物学与遗传育种重点实验室，湖北武汉430064;2.沈阳农业大学，辽宁生物炭工程技术研究中心，辽宁沈阳110866;3.潜江市农业科学研究所，湖北潜江433100)

生物炭是在限氧条件下以及在低温下热解炭化得到的一种碳含量非常丰富、性质也非常稳定的物质，如以作物秸秆、木屑、动物粪便等为原材料生产的生物炭［1］。生物炭根据不同原生质来源分为木制炭、稻壳类炭、秸秆类炭和竹类来源的炭等［2－3］。由于研究年代不同，所使用炭的名称也不尽相同。为了便于评述，将有关研究中所涉及的符合生物炭范畴的不同名称统称为生物炭。

土壤中加入生物炭后改善了有机质含量和土壤肥力，其耐降解的特性延长了碳在土壤中的降解时间，还有助于作物生长、土壤改良及修复污染、减少温室气体排放等作用。因此，近年来越来越多的学者开始研究不同热裂解方式或来源于不同的生物质生产的生物炭，并且将其运用到修复障碍性土壤、改良土壤环境、提高作物产量等方面。我国生物炭的生产资源丰富，虽然在农业、土壤环境中应用的研究尚处于起步阶段，但其在农业土壤环境中的应用越来越受到重视。鉴于此，笔者就生物炭特性、环境效应及其对土壤环境的影响机理等方面进行了综述。

1 生物炭的基本特性及环境效应

1.1 生物炭的基本特性 生物炭表面多孔性特征显著，具有大量的孔洞，空隙大小不一，小到纳米，大到微米。生物炭这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长。生物炭容重小，吸水、气能力强，且带有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场［4－6］，使得生物炭具有很好的吸附特性［7－8］，有助于植物对营养物质的吸收，还有助于吸附土壤中重金属和有机污染物，降低农药在土壤中的残留［9］。在化学成分上，生物炭除含有丰富的有机碳外，还包括很多矿物质和无机碳酸盐类，具有高度的芳香化、生物化学抗分解性和物理的热稳定性［10］。由于原料、热解温度和制作工艺的差异，生物炭在结构、比表面积、含碳量、C/N等理化性质上表现出很好的多样性。这也使其表现出不同的环境效应［11］。这对土壤生态系统有很好的调节作用，如调节作物产量、改良土壤、减轻温室效应等。

1.2 生物炭的环境效应 生物炭施入土壤后将生物质固定的二氧化碳以生物炭形式固定于土壤，可以减少CH4、NxO等温室气体的排放［12］。生物炭对污染物有强烈的吸附作用，能有效地去除Cu2+等重金属离子和除草剂及农药等，有效地降低其对土壤环境的危害［13］。生物炭对提高土壤质量也具有一定的贡献，能提高对土壤水分和土壤N+、N－等离子的吸附能力，增加土壤持水性能和养分有效性［14］。生物炭还可以提高土壤阳离子交换量［6］，进而增加土壤的保肥能力，提高肥料养分利用率［15－17］，也可以改变土壤微生物群落结构和丰度［18－19］，对土壤微生物的改变会影响营养循环和土壤结构，因此对植物的生长产生间接影响。向亚马逊黑土中施入生物炭，将增加土壤微生物种群结构多样性的变化和微生物数量［20］。生物炭制成的缓释肥料可以延长肥料的作用时间，提高土壤对养分的吸附能力，减少淋溶损失［21－22］。

2 生物炭对土壤理化性质的影响

2.1 生物炭对土壤p H的影响 农业生产上每年大量化肥的施入致使盐基离子流失，土壤酸化贫瘠，进而影响作物的正常生长。生物炭中K、Na等灰分元素呈可溶态，添加到土壤后提高酸性土壤的盐基饱和度，从而降低土壤中交换性H+和 Al3+水平［23］，以提高土壤的 pH［24］。诸多试验表明，施用生物炭可以提高土壤 pH［25－26］，提高土壤团聚性［27］。大田试验表明，当以阔叶树为原生质生产的生物炭450 g/kg施入土壤后，盐基饱和度增加了10倍。在不同质地的土壤，施用生物炭后土壤pH升高的幅度有很大差异，pH升高幅度在黏土中比沙土和壤土中大。亚马逊河流域用生物炭处理后，其 pH 提高了0.4 个单位［28］。袁金华等［29］试验表明，加入稻壳炭在不同程度增加了红壤和黄棕壤pH。Zwieten等［30］研究指出，施入10 t/hm2生物炭可以显著增加土壤的pH。Novak等［31］研究指出，高温热解的生物炭能更好地提升土壤pH。

2.2 生物炭对土壤矿质营养的影响 生物炭在土壤中具有保持水分等作用，同时对土壤中营养元素有很好的调控作用。Glaser等［32］认为，生物炭表面氧化形成的羰基、酚基和醌基引起土壤阳离子交换量的增加，进而增加对阳离子的吸附。Novak等［23］研究发现，向土壤中添加2%的生物炭，67 d后土壤的pH、有机碳以及Ca、K、Mn、P含量明显升高，说明生物炭对一些特定的元素(如Ca、K、Mn、P)具有很强的吸附性。生物炭施入土壤后吸附NO3－、NH4+，使得氨的挥发得到减缓，进而增强土壤的保肥能力。Glaser等［33］发现，在氮贫瘠的土壤中加入生物炭后，短期内作物的生长率会降低，其原因是施加生物炭后，土壤中C/N比提高，从而限制土壤氮素的利用度。Laird等［21］利用温带土壤研究了不同比例生物炭添加对营养元素淋洗的影响，发现生物炭的添加比例明显影响滤出液中N、P、Mg和Si总量，随生物炭添加量的增加而显著降低。

张晗芝等［34］研究表明，生物炭(12、48 t/hm2)能显著提高土壤全N、有机碳含量，但对土壤全P、有效P、pH没有显著影响。Zwieten等［30］研究表明，添加最高比例的生物炭能显著增加沙土NO3-N含量，而降低NH4-N含量，增加速效磷含量和微生物活性。Taghizadeh-Toosi等［35］采用15N－同位素标记研究生物炭应用对土壤NH3-N含量的影响，发现添加生物炭能够吸附NH3-N，显著减少土壤中NH3的挥发。郭伟等［14］研究表明，华北高产农田连续3年施用生物炭，耕层土壤中碱解氮的质量分数虽有下降，但差异不显著。Lehmann等［36－37］以室内培养试验为基础，但他们研究结果不同，生物炭通过阳离子交换吸附土壤中NO3－、NH4+，增加了土壤中有效氮含量。

3 生物炭对土壤微生物数量和种群结构多样性的影响

3.1 生物炭对土壤微生物数量的影响 生物炭对土壤微生物数量的影响与生物炭的特征及土壤的基本性质有关［38］。生物炭表面多孔结构为微生物提供栖息场所，也提高微生物结构多样性。孔隙结构小到1纳米，大到几十纳米，甚至数十微米。生物炭疏松多孔的结构以及巨大的表面积能够储存水分和养分，成为微生物可栖息生活的微环境［39－40］，为特殊类群微生物的生长提供了温床，从而促进土壤营养元素的循环。Knicker［41］指出，生物炭的高芳香烃结构易成为土壤微生物的栖息地，给土壤微生物生长提供场所和养分。这种变化还可能与土壤理化特性改善、养分有效性增加［33，42］、生物炭自身提供养分［11，43］等因素有关。一些研究者通过大田或室内培育试验就不同材质生物炭施用于土壤对土壤微生物数量的影响进行了研究。

Castaldi等［44］田间试验表明，添加木材生物炭(500℃热解)3、14个月后土壤微生物量无显著变化。Dempster等［45］室内培养试验表明，添加不同量木材生物炭(0、5、25 t/hm2，600℃)后，高量生物炭与对照相比显著降低了微生物量碳。匡崇婷等［46］采用室内培育试验，研究添加生物炭对江西红壤水稻土壤有机碳矿化和微生物生物量碳的影响，发现添加0.5%的生物炭处理土壤微生物生物量碳含量比对照高111.5% ～250.6%，添加1.0%的生物炭处理土壤微生物生物量碳含量比对照高58.9% ～243.6%。Lehmann 等［47］研究表明，新鲜生物炭施用后引起的土壤微生物响应会随着时间进行而发生变化。

土壤微生物对环境变化的响应最敏感，对生物炭施用的响应快。施用生物炭对土壤微生物的影响，与施用其他有机质对其的影响差异较大。这是因为生物炭稳定性较高，并且缺少可利用的能量和碳源［48］。Wardle 等［49－50］在生物炭的长期应用效应中都发现了土壤微生物量的显著提高。

土壤微生物量对生物炭的响应非常复杂，可能与生物炭来源(材料类型、热解温度和时间)、土壤肥力状况及试验时间等因素均有关系，其内在机制还需要进一步探讨。

3.2 生物炭对土壤微生物种群结构多样性的影响 土壤环境的改变包括土壤资源基础(有效碳、氮和水)、非生物因素(pH、有毒元素)的改变、不同的生境。这些均会成为影响土壤微生物的主要因素，导致微生物组分和结构的变化。土壤中的特殊功能菌如根瘤菌、硝化细菌等对生物炭的施加更敏感［28，51－52］。Steinbeiss等［53］利用磷酸脂脂肪酸法研究生物炭施用对土壤中四类主要微生物的影响，发现来源自酵母的生物炭会促进真菌的生长，而来源于葡萄糖的生物炭主要促进革兰氏阴性细菌的生长。土壤微生物群落结构和多样性的变化从另一方面反映生物炭对土壤微生物组成的影响。

近年来，一些学者利用分子生物学和生物化学技术(如DGGE、T-RFLP和PLFA等)，研究微生物群落结构的变化对生物炭的响应。O’Neill等［18］采用16SrRNA技术检测亚马逊富碳土壤中微生物种群，发现应用生物炭可以提高微生物数量和细菌群落结构多样性。Pietikainen等［54］采用PLFA技术研究生物炭施用对土壤微生物群落结构的影响，认为生物炭对总体微生物量的影响不大，而对其群落结构的影响较大，主要有利于个体较小而生长速度较快的微生物的生长。Kolton等［55］研究发现，施用生物炭后，细菌几个不同的优势属的变化各不相同，有的属增加，有的属降低，但其变化都有助于植物生长和抵抗病害。

4 展望

人们越来越关注生物炭在土壤中所产生的作用，却往往忽略了生物炭在生产和处理方式上对土壤和大气造成污染。因此，要搞清其污染性与生物炭类型、安全应用比例的关系以及原料特性和热解条件。另外，在生物炭生产过程中，需要仔细地对产生的大气污染物进行定性和定量分析。这也为原料的开发和热解条件的优化，进而处理这些污染物奠定良好的基础。

在一定条件下，生物炭在土壤中起着碳库的作用。然而，在集约化农业系统中并未发现生物炭长期滞留的现象。生物炭降解可能是由集约化农业措施(耕地、犁地和耙地)和重型机械的使用引起的，因而潜在地降低了其滞留时间。需要更深入的研究来阐述生物炭在不同土壤类型、不同气候条件下的载荷能力，从而使生物炭在土壤中达到最大量，而不影响土壤的功能。此外，作物产量方面的重点应放在生物炭施用于土壤中域值的研究，不能影响土壤的物理性质，比如引起pH升高、田间持水量下降、产生疏水作用;或影响土壤的化学性质，如向已存在盐渍化土壤中添加含盐量高的生物炭;或影响生态系统的组成，如溶解的有机C进入地下水。因此，土壤中生物炭的载荷能力应该根据环境条件和生物炭的品质而变化，针对特定地点(土壤、地貌、水文和植被)的环境条件而变化。

由于土壤微生物在调控生态系统和土壤功能上起着重要的作用，生物炭添加到土壤中对土壤微生物的影响也是需要引起人们高度的重视。土壤具有较高的异质性，在进行科学合理的预测前需要对土壤物理、化学性质和生物学特性进行广泛的研究，探究生物炭添加到不同气候条件下原生土壤区的作用。

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