生物炭对土壤理化性质及玉米生长影响的研究进展

夏璐，赵蕊，金海燕，王金龙，臧凤艳，李子芳，吴锡冬



生物炭对土壤理化性质及玉米生长影响的研究进展

夏璐，赵蕊，金海燕，王金龙，臧凤艳，李子芳，吴锡冬通信作者

（天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384）

生物炭具有多孔性、高阳离子交换量和低容重等良好的理化特性，对改良土壤性状及作物生长有一定的积极作用。本文分析了生物炭的特性，探讨了生物炭对土壤理化性质及玉米生长方面的影响，对生物炭今后的研究趋势与前景进行了展望，说明了生物炭在农业领域存在巨大的发展潜力，旨在为生物炭对土壤相关特性及玉米生长方面的影响研究提供参考。

生物炭；土壤；理化性质；玉米

从20 世纪末“生物炭”概念出现至今，有关生物炭的研究已经被越来越多的学者所重视。尤其是随着农业、环境、能源等问题的日益显著，生物炭已经逐渐成为这些领域研究所关注的焦点[1]。尽管其本身所具有的理化特性决定了生物炭在各个领域有广泛的应用，但满足绿色环保、低碳循环、可持续发展的需求，仍然是生物炭研究应用的关键所在。特别是在近几年环境污染等问题愈演愈烈的背景下，生物炭的潜在应用价值和发展空间被进一步拓展[2]，科学家在作物生产领域进行了有益探究，认为生物炭的理化性质对于改良土壤性质及结构、作物增产、微生物活动等方面具有积极的影响[3]。

本文就近几年国内外对生物炭的研究进行简要分析，重点评述生物炭对土壤理化特性及玉米生长的影响，总结规律，为今后生物炭的研究应用提供参考。

1 生物炭的概念及其特性

1.1 生物炭的概念、性质

生物炭（biochar）是在缺氧的情况下，生物残体经高温裂解产生的一类具有高度稳定性、难溶的、高碳素的固态物质[4]。生物炭的主要组成元素是碳、氢、氧，以烷基和芳香结构为主要成分，且多为细小颗粒、质地较轻的以高度富含碳为标志的黑色蓬松状固态物质。所谓生物炭的碳封存作用是指由于生物炭中富含稳定性强且很难被降解的芳香族碳，使其能在土壤中稳定存在，提高土壤中碳含量的效应[5]。相关研究表明，生物炭制备过程中的热解温度与制备完成后的成品生物炭含碳量有决定性的关系，且生物炭中含碳量和灰分含量与热解过程中的温度成正比；而生物炭灰分含量的多少也是衡量其肥效好坏的一个重要指标[6]。

生物炭灰分中含有大量的钙、镁等矿质元素以及碳酸盐等物质，使得生物炭一般都呈碱性[5]。生物炭的可溶性极低，溶沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构[6]。羧基、酚羟基、羟基、脂族双键以及芳香化等典型结构特征[7]，使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力[6]。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定是生物炭固有的特点也是生物炭能够还田改土、提高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础[8]。

1.2 生物炭的基本特性

在国内外的相关研究报道中对生物炭的基本特性认识较为一致，由于生物炭富含碳元素，主要由芳香烃和单质碳等类石墨结构构成[9]，所以其理化性质稳定，抗生物分解能力强。研究表明，在土壤中施入的生物炭量越多，土壤容重越小，说明生物炭有降低土壤紧实度、改善土壤结构的作用[10]。生物炭具有丰富的空隙结构，具有提高化肥利用率、增加土壤阳离子交换量、消减水体污染和养分淋溶损失的作用[11]。生物炭本身含有一些释放到土壤中可增加土壤养分含量的钙、镁、钾等矿质养分和微量元素，可对贫瘠土壤补充养分[12]。与此同时，生物炭含碳率高，具有丰富的孔隙结构、较大的表面积和稳定的理化性质[13]。生物炭的基本特性决定了其在自然条件下难以被转化，可较长时间存在于土壤中且不易发生分解。有研究表明，生物炭具有复杂的芳香环结构和疏水性脂肪族碳结构，这一特性使生物炭可长时间保持稳定，且施入土壤后不易被矿化[14]。

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

2.1.1 生物炭对土壤容重及土壤孔隙度的影响

生物炭对土壤物理性质方面的影响，一方面取决于土壤本身的质地，另一方面与生物炭本身颗粒大小、比表面积以及在土壤中的施用量等有关。研究结果表明，因生物炭自身比重较小且质地疏松，可降低土壤容重从而改善土壤的紧实程度[15]。从农学专业知识角度来说，不同的土壤容重会对农业效益产生不同的影响。通常来说，土壤有机质含量越高、在一定范围内容重越低的土壤更有利于土壤中营养的释放与保留，并且可以有效地降低土壤板结程度，使种子在更加疏松的土壤中萌发，进而提高种子的发芽率[16]。由此可见，生物炭可以在一定范围内降低土壤容重，提高土壤生产力。如Laird等研究结果表明，施用生物炭后，可以使土壤容重显著降低[17]。

生物炭改善土壤结构这一功能，是通过促进团聚体的形成，增加土壤中微生物含量的方式实现的[18]，具有多孔结构的生物炭应用到土壤中，可以使土壤孔隙度增加[19]。Devereux等通过扫描土壤孔隙发现，施用生物炭会对土壤总孔隙度产生显著影响，并且平均孔径的大小与生物炭施用量成反比。由于生物炭自身孔隙度大且多分布在土壤颗粒之间，使土壤孔隙平均孔径减小[20]。

2.1.2 生物炭对土壤水分的影响

对于土壤生产力来说，土壤水分含量及其有效性是非常重要的衡量指标。生物炭自身表面可吸附大量的土壤有机分子，从而增大土壤的持水容量；其表面积大的特性使得土壤持水力上升，从而增强土壤水分的渗透性。制备生物炭时，热解温度会影响其表面积的大小。相关研究表明，生物炭的比表面积与热解温度成正比，生物炭的高比表面积可能会在一定程度上增加土壤的吸附能力和含水量。当在土壤中施入适量的生物炭时，增大了土壤的表面积，对土壤整体的吸附能力有很大的促进作用，从而提高了土壤的保水性[4]。

张娜等研究结果表明，土壤田间持水量随生物炭施用量的增加而增大。在土壤含水量较低时，施用适量的生物炭能提高土壤含水量，但过高的施入量反而可能引起含水量的下降[21]。有研究表明，富含黑色炭的土壤，田间持水量显著高于周围无炭土壤[22]。此外，生物炭还能促进土壤团聚体的形成，增加土壤团聚体数量，改善土壤持水性能[23]。有研究指出，生物炭的保水性能在不同水势条件下有所不同，并且不同类型的生物炭对同一土壤含水量影响不同，即使是同类生物炭对不同类型土壤含水量的影响也截然不同。研究表明，生物炭可以增加砂土含水量，降低黏土含水量，但对壤土含水量没有显著的影响[24]。

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

近年来，由于长期大量施入化肥，导致耕地土壤酸化，支配土壤酸碱度的盐基离子大量流失，致使土壤贫瘠，影响作物生长[21]。由于大多数生物炭灰分中含有一定量的以氧化物或碳酸盐形式存在的矿质元素，溶于水后呈碱性，因而大多数生物炭呈碱性[25]，且含有大量的盐基离子，因此它可以在一定程度上调节土壤的酸碱度[26]。生物炭提高酸性土壤的pH值主要是通过使土壤的盐基饱和度增加，降低可交换铝的水平来实现。研究表明，生物炭之所以能够引起土壤pH值升高，是因为其中的碱性物质很容易进入到土壤组分中，并且这种使土壤碱性增大的效果会随着生物炭在土壤中施入量的增大越来越明显[27]。许多学者的研究表明，生物炭改善酸性土壤的有效性不仅与生物炭本身的碱度有关，还与生物炭热解过程中形成的碳酸盐和有机酸根等有关[28]。

2.2.2 生物炭对土壤阳离子交换量（CEC）的影响

土壤阳离子交换量（CEC）能够很好地反映土壤保肥供肥性能和缓冲能力，是衡量土壤肥力的重要指标之一。土壤中有机质含量、pH以及矿质类型等因素都影响着土壤中阳离子交换量的多少。生物炭由于比表面积较大，使土壤对阳离子的吸附能力提高，从而增加了耕层土壤的CEC含量。Hall等研究发现，在黏土中添加生物炭后，土壤中CEC的含量增加了40 mmol/kg[29]。Zwieten等也证实，在红壤土中施用纸屑生物炭后，显著提高了土壤CEC的含量[30]。这些研究结果说明，生物炭确实有提高土壤CEC的作用。同时众多研究结果表明，土壤类型、生物炭种类都会对施用生物炭后土壤CEC产生不同的影响[31]。对于酸性土壤和低CEC的土壤，生物炭具有良好的改良效果。Chintala 等发现，无论在酸性还是碱性土壤中施加生物炭，都能使土壤的阳离子交换能力提高[32]。此外，随着生物炭在土壤中作用时间的增加，生物炭会与多种生物和微生物之间发生产生官能团的氧化反应，从而进一步增大了土壤中阳离子交换量，使生物炭的电荷量或CEC增大，发挥土壤改良剂的作用[33]。

2.2.3 生物炭对土壤有机质的影响

在土壤的众多组成成分中，土壤有机质占有举足轻重的地位，尽管它在土壤中的含量很少，但在保护环境、维持土壤肥力等方面都起着极其重要的作用[34]。生物炭富含有机碳，施入土壤后可显著提高土壤中有机碳及腐殖质的含量。生物炭对土壤有机质的影响程度不仅与生物炭本身的种类和性质有关，还与其作用土壤的性质有不可分割的关系。生物炭可以提高土壤中有机质的含量，这一方面因为生物炭的吸附作用，可以通过表面催化作用促进有机小分子聚合成土壤有机质[35]；另一方面由于生物炭可通过分解促进腐殖质的形成，从而提高土壤肥力[36]。Glaser等研究发现，在热带地区，由于土壤中含有生物炭使土壤具有高度的稳定性，并且生物炭可以显著提高土壤中有机质的含量[37]。生物炭提高土壤有机碳含量水平主要是由其用量和稳定性决定[38]。随着生物炭施入土壤后时间的延长，其表面大量易挥发物质和易被氧化的官能团发生钝化，与土壤相互作用产生一种保护物质，这种物质可使有机碳更稳定地存在于土壤中，从而提高土壤有机碳的积累[39]。

3 生物炭对玉米生长及产量的影响

3.1 生物炭对玉米根系生长的影响

由于土壤类型及生态气候条件的不同，会导致生物炭施入土壤后对作物生长发育的影响产生差异，但总体上以有益影响的报道居多。发达而健壮的根系是作物生长发育良好，实现高产的基础，土壤容重低、通透性好是作物高产土壤的主要特征之一[40]，这种土壤有利于玉米根系的发育，对提高玉米产量具有促进作用[41]。生物炭施入土壤后能降低土壤容重、增大总孔隙率，是由于其本身具有多孔结构和比表面积大的特征决定的[42]。生物炭能够改善根系周围土壤的物理性状，改善作物生长环境[43]，从而提高根系周围养分供应水平，在玉米生育后期使根系保持较强生理功能和较高的活力，延缓衰老，保障地上部分光合产物的形成、积累与转化，从而提高产量[44]。

蒋健等研究表明，土壤中施入生物炭能增加玉米根系的总根长、根体积和根干重，并且能起到提高玉米根系总吸收面积的作用[44]。在玉米生育后期，生物炭可在一定程度上延缓根系的衰老，维持较为适宜的根冠比，从穗长、穗行数、行粒数和百粒重等产量构成因素方面提高产量。程效义等探究生物炭对玉米根系生长、氮素吸收及产量的影响，结果表明，施用生物炭对玉米根系特征有显著正效应的影响，并且对籽粒氮素的积累和根系对氮素的吸收有促进作用；增加玉米灌浆期的总根长、根表面积等，从而提高玉米产量[45]。

3.2 生物炭对玉米茎秆生长的影响

在玉米的营养器官中，茎秆不仅可以作为疏导系统负责植株体内水分、养分、光合产物的运输，还对玉米植株的生长起到支柱性支撑作用，从而对产量的形成起到十分重要的作用。影响玉米茎秆特性的因素主要包括：茎秆形态特征和茎秆质量性状等相关指标[46]。唐春双等试验结果表明，土壤中施加生物炭的玉米茎杆中钾含量和干物质量都高于未施加生物炭的玉米茎杆，并且能够起到增大玉米茎粗，增强茎秆弹力和外皮穿刺力的功效。生物炭对玉米茎秆性状、钾含量及产量的影响均会随施用量的增加而表现出先增大后减小的趋势[46]，产生这一现象的原因可能是生物炭改良了土壤性质[47]，使植物对土壤中水溶性钾的吸附性变强[48]；还有一种可能是生物炭本身的钾含量较高，可以供给作物生长发育。而将生物炭施入土壤中进一步增加了土壤的含钾量，对植物吸收钾的能力产生了积极的影响[49]。

3.3 生物炭对玉米叶片生理指标的影响

叶片是玉米产量形成的重要“源”器官，衡量作物光合能力的主要指标则是叶绿素，叶片叶绿素含量增加有助于有效捕获光能，提高光能利用率，且合理的叶面积指数也是玉米高产的基础[50]。生物炭与化肥互作在作物生长的关键时期，可同步保持较高的净光合速率和蒸腾速率[51]。刘国玲等研究表明，大田试验中，生物炭有增加玉米叶面积指数和叶绿素含量的作用，在玉米生育后期维持了较高的叶绿素含量，增加了植株光合作用面积、延长了光合作用时间，从而促进干物质的积累，为后期产量的形成奠定基础[52]。张娜等研究表明，施用较多的生物炭会在生长前期增加植株的叶面积指数，促进光合速率的提高；但较低量的生物炭则在生长后期更有利于叶片光合作用的进行[21]。

3.4 生物炭对玉米产量的影响

目前，国内外有关施用生物炭增加作物产量的报道逐渐增多，大量研究表明，生物炭对作物生长起到促进作用。然而各学者在生物炭对作物生长发育方面影响的意见各不相同。张娜等采用大田试验研究生物炭对夏玉米产量的影响，认为施用不同用量的生物炭均显著提高夏玉米产量[53]。蒋健等研究表明，生物炭对产量构成因素也有不同程度的影响，高量施用生物炭对夏玉米穗粒数的发育有促进作用，相反，低量施用则无明显促进作用。添加生物炭处理的穗长、穗行数、行粒数、百粒重均高于对照，这些指标的提高是增产的主要原因，说明施用适量的生物炭对提高玉米产量具有重要作用[44]。植株中钾元素含量的多少对作物产量也有影响。生物炭本身富含钾可供植物生长发育所需，对作物增产也有正向的效应[53]。常莹等通过对不同钾肥施用量对玉米抗倒性能及产量影响的研究发现，适量的钾素可使玉米增产，但过量施入反而会导致产量下降[54]。

生物炭本身的理化性质决定了其对作物生长发育和产量都有一定的影响，但与此同时，土壤的理化性质等也是产生影响的部分因素，因此，在今后的研究中仍需要进一步深入探讨如何高效利用生物炭达到作物增产增收的目的。

4 生物炭的应用前景及展望

生物炭是最近几年才出现在学者视野中的新兴研究领域，虽然大部分试验证明生物炭有提高作物产量、改良土壤性状的作用，但生物炭对土壤以及农业生态系统产生的影响和发挥功能的根本机理至今仍无法准确预测，探究这些更深层次的机理需要通过今后开展长期的定位试验来解释说明。尽管针对生物炭原材料、性状以及对土壤作用机理等方面，国内外学者已经进行了大量的试验和研究，但在世界范围内对生物炭的生产和使用还处于初级阶段，对生物炭的生产、应用还没有成熟的理论指导，特别是针对生物炭理化性质参数方面的研究。例如，当前对于生物炭的哪些性状对土壤及作物的哪方面影响最大等，还没有非常确定的论据来证明，再加上不同类型生物炭在生产上的应用尚处于探索阶段，导致其功效不能有效地发挥。目前，大多数研究都是针对单独某一种类型的生物炭进行，缺乏对于不同原料生物炭的组合研究。生物炭的农田施用及产业化生产等研究已获得了一些初步成果，但是对于以热裂解的方式生产生物炭的工艺、参数等方面研究还不够深入；对生物炭与肥料复合后的增产效益改善等方面的研究也缺乏系统性；同时还缺乏足够的实验数据对生物炭的碳固定以及碳减排方面的作用进行支撑。在今后应加强生物炭的施用对于土壤微生物、理化性质、污染系统等整个土壤生态系统的方面研究，特别是要加强生物炭在负面效应方面的研究，为在生产中进一步推广生物炭做好相关理论基础的铺垫，为生物炭在今后实际生产中的有效应用提出更为全面的指导性建议。

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责任编辑：宗淑萍

Research progress of the effects of biochar on physicochemical properties of soil and growth of maize

XIA Lu, ZHAO Rui, JIN Hai-yan, WANG Jin-long, ZANG Feng-yan, LI Zi-fang, WU Xi-dongCorresponding Author

（College of Agronomy Resource and Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Porosity, high cation exchange capacity（CEC）and low bulk density are main features of biochar, and it has a positive effect on improvement of soil properties and crop growth. The characteristics of biochar was analyzed, the influence of biochar on soil properties and growth of maize was discussed and biochar application in the future was given in the paper. The huge potential of biochar in the agricultural fields was also illustrated. Our principal objective in this paper was to provide relevant references for the research about the impacts of biochar on soil properties and growth of maize .

biochar; soil; physicochemical properties; maize

S141；S513

A

1008-5394（2018）02-0064-06

10.19640/j.cnki.jtau.2018.02.016

2018-01-02

国家重点研发计划课题（2017YFD0200808）

夏璐（1993-），女，硕士在读，主要从事玉米栽培生理研究。E-mail：529097213@qq.com。

吴锡冬（1962-），男，教授，硕士，主要从事作物栽培与耕作学研究。E-mail: wuxidong@tjau.edu.cn。