生物炭对作物的生长效应及机理研究进展

摘 要：不同生物质类型和炭化条件所制备的生物炭，理化性质的不同产生了不同的农业应用效果。已有的研究结果表明，生物炭对作物生长的影响变异较大，既有促进作用，亦有抑制作用或没有作用，这不仅与生物炭能提升土壤肥力、保持土壤容量、转变微生物群落等有关，也可能是其本身含有的挥发性物质对作物生长产生的直接效应。本文综述了生物炭对作物的生长效应及可能的机理研究进展，为生物炭的科学制备标准提供了理论依据，同时也利于农业生产上更好地利用生物炭促进作物生长。

关键词：生物炭；作物生长；效应；机理

中图分类号：S342.1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733048

南美亚马逊盆地黑土（Terra Preta）的发现及研究因其固碳作用而引起了人们的重视，生物炭可作为土壤改良剂提升土壤肥力，促进作物生长，减少温室气体排放等。国外研究者在生物炭理化特征、土壤肥力、作物效应、固碳减排等方面开展了系统的研究，也取得了一定的进展。我国是农业大国，生物炭资源丰富，生物炭农用虽早有报道，但作用机理不清，已有报道的农用效应也存在分歧。鉴于此，本文综述了生物炭对作物的生长效应及机理研究进展，为生物炭的科学制备标准提供了理论依据，更好的地加以利用为农业生产服务，固碳减排。

1 生物炭

生物炭是生物质在无氧或低氧环境条件下缓慢高温分解得到的富含碳的有机物质。农业生产的生物质资源均可以用来制备生物炭，如木质、秸秆、禽畜粪便及其他废料。C、H、O、N是其主要组成元素，多以高分子、高密度碳水化合物形态存在，能与Ca、Mg等矿物质形成无机碳酸盐[1]。生物炭的碳含量达40%～75%，且多以稳定芳香环不规则叠层堆积状态，其次含少量矿物质和挥发有机化合物，呈碱性，不易被微生物分解。生物炭为典型的非石墨化碳结构，多孔性、高比表面积和丰富的表面官能团。生物炭因其制备的生物质来源和炭化条件不同，所制备的生物炭的理化性质差异很大，因而产生不同的作物效应。

2 生物炭应用下的土壤肥力

生物炭因其本身的结构和性质通过调节土壤的水、肥、气、热等环节间接提高土壤肥力和生产力，可从土壤pH、电导率EC、阳离子交换量CEC和养分水平上体现。酸性土壤上施用生物炭，其含有的盐基离子，如Ca、Mg、K、Na可以交换降低H离子及交换性Ag离子，从而提高土壤pH值。生物炭在环境作用下可氧化，能产生诸如羧基等类的官能团，显著增大土壤CEC，提高土壤吸持和供给可交换养分的能力。生物炭的多孔性和高比表面积能吸附更多的养分离子，增加对养分离子的固持，减少渗漏和地表径流引起的损失。此外，向土壤中添加生物炭还可以显著提高大豆的固氮能力，在提升土壤肥力的同时增加对环境N的利用。

3 生物炭施用的作物效应

生物炭添加的作物效应随生态系统变异较大，既有促进作用，亦有抑制作用或没有影响[2]。但是，已有报道指出，生物炭对多数作物生长和产量有促进作用，如水稻、小麦、玉米、番茄、萝卜等。巴西亚马逊河流域氧化土上施入生物炭（11thm-2），经过2a4个生长季后发现，水稻和高梁的产量增加了约75%。哥伦比亚热带草原氧化土连续4a的生物炭施用（20thm-2）后玉米产量提高了140%。在热带与亚热带地区土壤中施入生物炭除了可使高粱、大豆、玉米等作物增产外，还可显著增加植株中的Mg、Ca含量，减少向土壤的流失。在我国南方的红壤上施用生物炭，可使土壤pH提高0.1～0.46、CEC提高3.9%～17.3%、玉米生物量提高64%。在低肥力的土壤上，生物炭能显著提高黑麦草的產量，增加幅度随生物炭施用量的增加而增大；而在高肥力的土壤上，生物炭对黑麦草产量的影响不显著，当生物炭施用量达到一定程度时甚至对黑麦草的生长产生了轻微的抑制作用。同样在肥沃的Anthraquic Gleysols和较为肥沃的Humic Nitisols施用生物炭并没有出现增产效果，甚至在Humic Nitisols上还出现减产情况。

生物炭与有机肥料或无机肥料配合施用的促进效果更佳，配合施用能够增加玉米和花生的产量，使水稻产量提高8.8%～12.1%，玉米生物量提高146%。然而，生物炭对作物生长也存在抑制作用或没有影响，尤其在生长初期，生物炭在一定程度上抑制玉米的生长。

4 生物炭对作物生长效应的可能机理

生物炭对作物生长的双面性的研究主要从生物炭提升土壤肥力、提高土壤离子交换能力、改变微生物群落等土壤的间接作用进行阐述。间接作用是由生物炭施用诱导的土壤养分条件的变化引起的，在一定程度上与施用的土壤肥力状况和土壤类型有很大关系。如在碱性钙质土壤上施用造纸废物高温热解的生物炭后，小麦和萝卜的干生质量减产，而在酸性铁质土壤上施入该生物炭后，小麦和萝卜的干质量显著增加。但是除了生物炭与土壤的间接作用以外，还可能存在生物炭不通过土壤介质，而是直接作用于作物的直接效应。而这种直接作用效应，在过去一直没有得到足够的重视。一般生物炭用量较低时提高作物生物量，用量较高时降低作物生物量，这个剂量效应可能与生物炭的挥发性物质含量有关。挥发性物质是生物质裂解过程中生成的，通常是酚、醛、醇、烯等多种物质的混合体。不同的生物质、不同的裂解条件得到的生物炭含有的挥发性物质的组分相差很大，因此，挥发性物质可能是生物炭影响作物生长的一个重要因素。

Peng等人利用水稻秸秆高温热解制备的生物炭施用于南方红壤上，使玉米生物量增加了64%。张晗之等人采用小麦秸秆高温热解制备的生物炭施用于亚热带湿润地区的水稻土上，生物炭对苗期玉米的株高有显著的抑制作用，同样条件制备的生物炭应用于微区试验也没有显著提高水稻的产量。同是作物秸秆制备的生物炭，对玉米的生长效应却是相反的，仔细比较分析发现所获得的生物炭C：N比相差较大，前者的C：N较小，后者的C：N较大，生物炭的C：N与作物本身对C、N的需求是相对应的。如在无土培养体系下施用生物炭，番茄的株高和叶面积增加了，但花和产量没有变化，而辣椒的生长和产量显著增加。因此，生物炭的C：N可能是生物炭影响作物生长效应的另一个重要因素。

5 展望

生物炭对作物生长效应存在的差异原因和机理需要进一步的探索。生物质材料来源不同及生产工艺缺乏系统界定，导致生物炭的结构和性质没有确切的定义和标准，今后应加强对生物炭基本化学性质的研究，制定生物炭的定义和标准。

参考文献

[1]刘玉学，刘微.土壤生物质炭环境行为与环境效应[J].应用生态学报，2009，20（04）：977-982.

[2]谢祖彬，刘琦.生物炭研究进展及其研究方向[J].土壤，2011， 43（6）：857-861.

作者简介：杨勇（1979-），男，安徽巢湖人，农艺师，硕士，研究方向：农业资源开发与利用。