生物炭对土壤养分及水分的影响

孙爱华，华 信，朱士江

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)



生物炭对土壤养分及水分的影响

孙爱华，华 信，朱士江

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

生物炭是在完全或部分缺氧条件下经生物质热解产生的一种难溶的固态物质，是含碳量高，结构稳定，孔隙大，吸附能力强，呈碱性的多用途材料。生物炭单独作为添加剂应用于土壤可以改善土壤理化性质，增加土壤持水能力，保持土壤养分，提高农作物的产量。与肥料混施，具有缓释功效，能延缓肥料在土壤中释放，降低养分的流失，提高肥料利用率。本文主要从生物炭特性以及生物炭对土壤理化性质、土壤持水能力、土壤养分等方面的影响展开综述，指出了目前研究中需要加强的方面，为生物炭在农业领域的应用推广提供了一些想法。

生物炭；理化性质；持水；养分

生物炭(Biochar)是在一种完全或部分缺氧的条件下，由农作物秸秆、木质材料、禽畜粪便等有机材料经热解(通常<700 ℃)碳化所产生的一类高度芳香化的难溶性固态物质[1]。生物炭作为土壤改良剂是源于南美亚马逊盆地黑土(Perra Preta)的发现和研究[2]。这种发现让人们对生物炭的研究产生浓厚的兴趣，进而揭开研究者对生物炭研究的序幕。生物炭本身含碳量高，具有结构稳定、孔隙结构发达、比表面积大等特性[3]。这些特性跟生物炭在改善土壤理化性质上有一定的联系。目前，许多专家在挖掘生物炭对农业和环境方面的一些良性作用，但在不同的变量因子下各专家得出的结论仍有争议。生物炭目前还处于试验研究阶段，想在农业方面推广仍需大量的研究工作。笔者结合国内外有关生物炭的最新研究进展，重点阐述了生物炭的特性以及生物炭对土壤理化性质、持水能力、养分固持等方面的影响，以供研究者参考借鉴。

1 生物炭的特性

1.1 组成元素及结构生物炭主要由C(一般含量在60%)、H、O、N、S等元素组成。生物炭的组成元素与制炭过程中的温度有关，具体表现在一定范围内，伴随着炭化温度的升高，C含量有所增加，H和O含量降低，灰分含量也大大增加[4]。生物炭熔沸点极高，可溶性极低，具有高度羧酸酯化、芳香化结构[5-6]和脂肪族链状结构[7]。羧基(-COOH)、羟基(-OH)、酚羟基(C6H6-OH)、脂族双键以及芳香化等典型结构特征[8]，使得生物炭具备极强的抗氧化能力和吸附能力[7]。1.2 pH生物炭呈碱性，pH一般在7～11，且随着裂解温度的增加，pH随之增加[9]。生物炭之所以呈碱性，与生物质原料中所含矿质元素(如Na、K、Mg、Ca等)有关。在生物炭热解的过程中，这些矿质元素的浓度升高，而且用不同生物质原料在相同条件下制成的生物炭pH不相同，所含矿质元素浓度高的生物质原料制得的生物炭的pH越高[10-11]。张千丰等[12]用Ca、Mg元素含量大小顺序为大豆秸秆>玉米棒芯>水稻颖壳的生物质材料在相同条件下制作生物炭，得到大豆秸秆生物炭pH>玉米棒芯生物炭pH>水稻颖壳生物炭pH。1.3 比表面积生物炭巨大的比表面积使其具有极强的吸附能力，将其施用于土壤能有效吸附土壤中的养分供植物吸收。程海涛等[13]研究了竹炭比表面积主要受碳化温度和碳化时间的影响，发现在碳化温度为800 ℃、碳化时间2～3 h下，制得的竹炭的比表面积最大为554.79 m2/g，且温度在500～800 ℃竹炭比表面积随温度升高而增大，800～1 500 ℃竹炭比表面积随温度的升高而减小。生物炭经过活化后其表面积显著增加。Shinogi等[14]研究表明，用稻壳、污泥、牛粪烧纸的生物炭在未活化时比表面积小于100 m2/g，活化后大于200 m2/g。刘洪波等[1]研究表明，在碳化温度为700 ℃、碱/炭质量比为4、活化温度为900 ℃、活化时间为1 h的条件下制得比表面积为2 610 m2/g的高比表面积活性炭。

2 生物炭对土壤理化性质的影响

2.1 生物炭对土壤物理性质的影响生物炭的容重远远小于土壤的容重。将生物炭加入土壤后可以降低土壤的容重[15-16]，降低土壤的抗压强度[17]，使得土壤硬度下降，阻力减小[18]，有助于种子的萌芽和植物根系在土壤中的生长，提高土壤的耕性。张峥嵘等[17]向红壤中加入一定比例的生物炭，红壤的抗压强度减少了约50%，土壤的板结度大大降低。向土壤中加入生物炭后，土壤的孔隙度增大，水分在土壤中的停留时间、渗透模型等得到改变[19]，增加了土壤的持水能力，作物根系可利用的水分和矿物离子得到增加，有利于植物的吸收。与此同时，土壤中的有机质也会随着土壤水分的增加而加快分解[20]。

2.2 生物炭对土壤化学性质的影响

2.2.1生物炭对土壤pH的影响。不科学的农业生产活动造成土壤酸碱化、盐基离子流失，导致土壤贫瘠，严重影响农作物的生长。生物炭作为土壤的改良剂在降低土壤酸度、增加土壤有机质含量、增加土壤阳离子交换量(CEC)、降低养分流失方面具有一定的功效。生物炭本身含有一些盐基离子(如K+、Ca2+、Mg2+等)。这些离子进入土壤后会有一定程度的释放，交换土壤中的Al3+和H+，降低Al3+和H+的浓度[21]，提高酸性土壤的盐基饱和度，从而提高土壤的pH[22]。很多试验表明，生物炭加入土壤后会提高土壤pH[23]，提高土壤团聚性[24]。徐振华[25]研究表明，在控制温度为300、400 ℃的条件下制得的花生壳生物炭施入土壤后分别使土壤的pH提高了0.58和0.80个单位。赵牧秋等[26]在酸性砖红壤中添加5 g/kg椰糠生物炭时pH的变化范围为4.49～4.90，当添加20 g/kg时pH变化范围在4.98～5.67，添加50 g/kg时pH变化范围为5.03～5.94，得出pH对酸性土壤的改良效果随生物炭添加量的增加而增强。 Novak等[27]把pH为7.3的核桃壳生物炭加入到酸性土壤后，土壤的pH从原来的4.8增加到6.3。通过以上研究，发现生物炭对酸性土壤改良和喜碱作物的生长具有重大意义，但对碱性土壤的影响还需要进一步去探究。

2.2.2生物炭对CEC的影响。CEC是反映土壤吸收和供给可交换养分的能力，是衡量土壤肥力的重要指标之一。已有研究表明，生物炭施入土壤能增加土壤的CEC。这是由于生物炭比表面积大，本身具有很强的吸附能力，能吸收土壤中的矿质元素。陈红霞等[28]向土壤中混合施入2 250、4 500 kg/hm2生物炭，使得土壤的CEC分别增加了14.7%和24.5%。Glaser等[29]在高度风化的热带土壤中大量施用生物炭后，土壤CEC提高了50%。生物炭并不是对所有的土壤都能增加CEC。有研究表明，对于CEC本底值高的土壤，施入生物炭会引起土壤CEC在一定程度地降低[30]。因此，生物炭对土壤CEC的影响也是有限的。它与土壤的类型、制炭原料、生物炭在土壤中的留存时间有关[31]。

3 生物炭对土壤持水能力的影响

土壤中的水分在物理形态上以固态、液态和气态3种形式存在，其中液态水按运动特性分为吸着水、毛管水和重力水。土壤的保水能力(Soil’s water holding capacity)取决于土壤孔隙的分布和连通性，而且在很大程度受土壤纹理、结构特征和土壤有机质的影响[32]。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面积，使得土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径发生改变[19]。已有大量的试验表明，施用生物炭可提高土壤水分含量，减少土壤水分蒸发，提高土壤持水能力。Glaser等[33]通过田间试验表明，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭处理的至少增加了18%。Karhu等[34]研究表明，施用9 t/hm2生物炭使得土壤保水性能提高了11%。也有试验表明，生物炭提高土壤的田间持水量对砂性土壤意义更大，效果更好。Oguntunde等[35]研究表明，添加生物炭的砂质土壤饱和导水率增加，土壤容重减少，土壤孔隙度增加，土壤渗透率增加。Tryon[36]研究了生物炭对不同质地土壤水分的影响，指出在沙质土中加入生物炭会增加18%土壤有效水，然而在肥沃的土壤中没有观察到这种现象；在沙质土壤中，存在生物炭里面的水会随着土壤变干和土壤基质增加而出现，在土壤干旱前期加入生物炭会增加土壤水的有效性，减少土壤水分的流失。另一方面，生物炭加入土壤也会增加土壤的斥水性(Soil water repellency)。这是由于生物质炭中有机物多含疏水性基团，故其保水作用有限[37]。生物炭的斥水性主要表现在，当水洒在含生物炭的土壤表面时，水会以液珠的形式滞留在土壤表面，在很长时间内不能下渗，导致水在土壤表面蒸发。高海英等[38]采用土柱入渗法开展研究，发现砂质土壤和壤质土中混入生物炭后土壤持水量均有所增加，但这种增加效应是有限度的，超过一定量(80 t/hm2)后土壤的持水量反而会降低。

4 生物炭对土壤养分的影响

俗话说“庄稼一枝花全靠肥当家”。在农业生产活动中，施肥是农业生产环节中不可缺少的一个环节。肥料能够补充土壤养分，供农作物吸收，提高农作物的产量。但是，传统的施肥观念是以巨量的化肥投入来换取农作物的增产。据统计，现阶段我国农业生产中化肥的有效利用率只有30%～35%，比发达国家低15～20个百分点[39]。化肥的流失也造成大量的环境污染。一些未被利用的化肥随着地表径流和农田渗漏严重污染湖泊和地下水源。这一问题严重制约我国农业的可持续发展。

近年来，随着生物炭在土壤改良方面研究的不断加深，生物炭不仅可以降低土壤中肥料养分的淋洗损失，而且延缓肥料养分在土壤中的释放、吸附和负载肥料养分[40]。这是由于生物炭表面积大，孔隙结构丰富，吸附能力强；它的化学官能团较活跃，能够电离产生电荷，通过静电吸附负载肥料的养分离子，羧基和羰基可以进行化学反应，通过化学反应负载肥料养分。生物炭通过减少水溶性营养离子的迁移避免营养元素的损失，并且在土壤中缓慢而持久的释放，生物炭充当营养物质的缓释载体[41]，从而达到保持土壤养分的效果。

现阶段，人们研究生物炭对土壤养分的影响主要是针对贫瘠的土壤。生物炭本身就含有植物生长所需的氮、磷、钾等各种元素，施入土壤可以在一定程度上补充土壤养分,又由于生物炭拥有巨大的CEC，可以吸收大量的养分离子。有研究表明，生物炭对NH4+、NO3-有较强的吸附能力，能够增加土壤中有效氮的质量分数[42]。此外，生物炭还能够通过激活硝化细菌的活性来促进硝化反应的进程[43]。与氮元素不同，磷元素在生物质热解过程中通常以可溶性的形式被保存下来。生物炭施入土壤中能够提高土壤中有效磷(P)含量。生物炭除了本身可以向土壤中释放P外，还可以通过改变P的吸附和解吸来改变P的循环和有效性。

张忠河等[40]应用多次田间试验表明，当农田施入生物炭的量达到20 t/hm2时，可以减少约10%的化肥施用量。在化肥残留较多的田中，当季甚至可以不用化肥只加入生物炭就可以达到增产的效果。刘玮晶等[39]在温室中采用土培方法模拟作物生长环境种植青菜，按照炭土比0、1∶100、3∶100的生物炭量分别与0.50、1.50、2.50、3.50 g/kg尿素混合施入土壤；3%的炭与2.50 g/kg尿素混合青菜生物量最高；当化肥施入量相对过高时，生物炭还能够缓解青菜烧苗现象；施入3%的炭后,土壤硝态氮含量最高，说明生物炭能有效地固定土壤中硝态氮养分。

5 研究展望

(1) 目前，生物炭的研究正处于起步阶段。文献报告上关于生物炭应用农业领域改良土壤都是针对不同土壤和不同生物质制得的生物炭，比较片面，也缺乏可比性，所以需要统一生物炭的制备和使用规范。

(2) 生物炭对土壤的理化性质、土壤生物质的有关研究报告大多都在理论研究的基础上，进行的都是小规模盆栽和局域性田间试验，对大田试验数据统计的较少，存在一些不稳定因素，所以需要进行全面的分析。

(3) 炭与肥料混合施入几乎都是正效应，但是从不同的试验可以看出，生物炭和肥料混施的比例各不相同，需要研究出在什么比例下它们的协调正效应最大，制定出一个比例标准。

(4) 目前，在对生物炭改良土壤方面，人们只对其进行了短期的研究，得出的是土壤短期内性质的改变，而更长时间后期形态、特性以及与土壤环境的作用仍有待研究。

(5) 今后，需要对生物炭施用的成本、效益、生命周期进行综合评价，评估生物炭可能对环境产生的不利因素。

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Effect of Biochar on Soil Nutrient and Moistrue

SUN Ai-hua, HUA Xin, ZHU Shi-jiang

(Institute of Water Conservancy and Environment, Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

Biochar is an insoluble solid matter, being pyrolyzed by biomass in the condition of fully or partly hypoxic and is alkaline multi-purpose material of high carbon content, stable structure, porosity, strong adsorption capacity.Biochar can improve the physical and chemical properties of soil, increase soil water holding capacity, keep the soil nutrient, and improve crop yield as an additive to soil.The mixture of biochar and fertilizer applied into the soil has the function of slowly release effect including delaying the release fertilizer in soil, reducing nutrient loss and improving the utilization rate of fertilizer.This article deployment overview mainly from the biochar properties, effects of biochar on soil physical and chemical properties, soil water holding capacity and soil nutrient.It is pointed out that what needs to strength of the current research and provides some ideas for the application and popularization of biochar in agricultural field.

Biochar; Physical and chemical properties; Water holding; Nutrient

三峡大学人才启动基金(KJ2011B025)。

孙爱华(1981-)，黑龙江黑河人，讲师，博士，从事农业节水理论与技术方面的研究。

2015-01-27

S 216

A

0517-6611(2015)08-064-03