生物炭施用对农业生产与环境效应影响研究进展分析

勾芒芒 屈忠义 王 凡 高晓瑜 胡 敏

(1.内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系，呼和浩特 010070；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；3.内蒙古农业大学寒旱区灌溉排水研究所，呼和浩特 010018)

0 引言

生物炭广义上是黑炭的一种，是指生物有机材料(如木材、有机肥或者农林废弃物)在缺氧或低氧条件下热裂解(小于700℃)的固体产物。常见生物炭有竹炭、木炭、稻壳炭、秸秆炭等。这些生物炭含大量有机碳，大多由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，含羟基、烯烃。生物炭可溶性极低，具有较大比表面积、孔隙度及离子吸附交换能力，这些基本性质使其具备了较强吸附性、抗氧化性和抗生物分解能力，可广泛应用于农业、工业、能源、环境等领域。生物炭生产原料大多是废弃生物质资源，如农作物秸秆、家禽粪便、发酵渣、酒糟、果核等，这些废弃生物质资源量大、易收集，能为生物炭生产提供大量原材料。炭的制备技术从人类长期生产实践中摸索出来，随着科学技术发展，炭生产由原始土窑、砖窑，发展为现代工业热裂解、生物质热裂解、快速热裂解及微波热裂解等技术，使得生物炭生产效率及炭品质均有所提高。

然而，不同生产工艺及工艺参数对生物炭性质、品质及特征有着较大影响，也直接导致生物炭在土壤改良、农业环境改善及固碳减排应用等方面研究结果的不一致，给生物炭技术大规模应用带来了阻碍。本文结合国内外最新研究进展，总结生物炭在农业领域、固碳减排及盐碱地改良等方面的研究成果，分析现存问题，并对未来生物炭在农业领域的研究应用进行探讨，为生物炭广泛应用提供借鉴和参考。

1 生物炭性质与制备工艺

生物炭中主要组成成分是碳、氢、氧等元素，其中碳元素质量分数在70%左右。由于生物炭是由许多紧密堆积且高度扭曲的芳香环片层组成，所以具有多孔性、比表面积大等特点。同时，生物炭含有的羟基、羧基、苯环等主要官能团赋予了其特有的强大吸附能力和较大离子交换量[1-2]。复杂的芳香环结构、疏水性脂肪族和氧化态碳等特点使得生物炭在施入土壤后可以长时间保持稳定而不易被分解和矿化。由于生物质资源高温裂解后形成的生物炭基本上都是纯碳，它们埋藏在地下几百年甚至上千年都不会分解消失，相当于把碳封存到了土壤中，施于土壤可以有效降低温室气体排放，起到固碳作用。

生物炭不仅解决了农林废弃物带来的环境问题，还能改良土壤、提高水肥利用效率。生物炭中有许多微孔，具有良好的吸附和通气性，为聚集营养物质和微生物生长创造了条件，能够有效储存大量土壤水分及养分，提高土壤持水性，减少化肥淋失[3]。生物炭中含有大量碳、氮、磷、钾等有利于作物生长的元素，能够增加土壤中有机物含量[4]。生物炭能够有效吸附农药、除草剂及重金属等污染物。然而，由于制备生物炭的原材料、制备工艺不同，使得生物炭的结构、孔容、灰分含量、pH值、持水性能、比表面积等特性不尽相同[5]。目前，国际上常见生物炭包括秸秆炭、木炭、竹炭、稻壳炭等，不同种类制备的生物炭，其理化性质差异较大。例如，500℃下制备木炭和竹炭，其灰分比秸秆炭低，燃烧后秸秆炭灰分较多，但前两者固定碳比例和热值均高于秸秆炭[6]。同时，原材料来自畜禽粪便的生物炭较以上几种生物炭具有较高矿质养分[7]。热解温度和速度不同也直接影响生物炭性质。生物炭在低温下(300～400℃)制备，其pH值小于7；较高温度下(700℃)pH值大于7。一般认为，在中间温度下(500℃)进行慢速热裂解，生物炭产量将占到原材料50%，具有较高pH值，持水性强，比表面积大，具有较高阳离子交换量[8]。

2 生物炭在农业领域的应用

生物炭可用来改良农林业土壤，科研工作者在生物炭改善土壤理化性质方面进行了大量研究。生物炭从物理、化学、生物等方面来改善土壤结构，增加土壤碳库储量，改善土壤微生物生长生态环境，提高作物产量及土壤生产能力。近些年，国内外有关生物炭改良土壤的研究备受关注，同时也有大量报道证明生物炭在改良土壤方面具有积极作用。

2.1 生物炭对土壤理化性质的影响

由于生物炭本身特殊性质使得其施入土壤后改变了土壤理化特征，主要表现在对土壤结构、土壤持水性、土壤pH值及阳离子交换量等方面的改变，进而直接参与土壤形成、变化及作物吸水吸肥过程，影响土壤有机质运移、微生物活动及土壤呼吸。生物炭可有效降低砂质土壤容重，改变土壤孔隙度，并随着施炭量的不同而有所差异。

韩晓日等[9]研究发现，与对照土壤(1.25 g/cm3)相比，施炭量3.0 t/hm2和6.0 t/hm2处理后土壤容重分别降低5.6%和9.87%，总孔隙度增加10.7%，土壤pH值增加0.32。田丹等[10]、勾芒芒等[11]研究发现添加生物炭能促使砂土、粉砂壤土容重减小。按照土炭比(0.05、0.1、0.15 g/g)添加玉米秸秆炭后，砂土容重(1.54 g/cm3)降低幅度为6.73%～11.27%；添加花生壳炭后，砂土容重降低幅度为9.28%～18.63%。对于粉砂壤土(1.39 g/cm3)，添加玉米秸秆炭后，土壤容重降低幅度为1.26%～7.66%；添加花生壳炭后，土壤容重降低幅度为6.42%～19.06%。从生物炭对土壤总孔隙度影响来看，生物炭可增大砂土孔隙度，且随着施入量增加呈现增长趋势。而对于粉砂壤土而言，只有高炭处理的土壤孔隙度出现增加趋势，低炭处理总孔隙度低于对照。高炭量处理可有效增加土壤pH值。较高炭处理可使砂土阳离子交换量(CEC)提高12.22%。郑瑞伦等[12]应用生物炭对沙化地进行改良发现，施用生物炭(14 t/hm2)后土壤容重降低11.5%，总孔隙度增加11.3%，土壤pH值增加0.2，然而土壤CEC没有显著变化，原因是观测期可能不够长，不足以使土壤表面氧化生成羧基，或者分析过程可能不够精确，无法检测出CEC的微小变化。阎海涛等[13]研究表明，褐土(1.34 g/cm3)中施入小麦秸秆生物炭(10、20、40 t/hm2)容重降低4%～12.7%。王睿垠等[14]按照玉米秸秆炭占黑土(1.139 g/cm3)土壤体积分数(2%、4%、6%、8%)试验后发现，土壤容重降低2.5%～7%，土壤pH值增加0.30。吴崇书等[15]室内模拟试验研究表明，炭土1%、2%处理后的粘土(1.35 g/cm3)、粘壤土(1.36 g/cm3)、壤土(1.31 g/cm3)、壤质砂土(1.38 g/cm3)容重分别降低3%～5%、3.6%～5.8%、3.1%～4.6%和2.2%～4.3%。李昌见等[16]野外大田试验研究表明，施用生物炭能明显减小土壤容重，增大土壤孔隙度，增加土壤含水率。与不施炭相比，处理组水分和肥料利用效率分别最少提高27.7%和87.4%。

可见，添加生物炭改良材料，可以改善土壤结构，能促使土壤容重减小，改变土壤孔隙度。然而受限于生物炭种类和配比不同，观测时间不同等因素改良效果影响不同。砂土孔隙度增大可能因为生物炭在结构上呈多孔性，微孔形状各异，数量较多，添加到土壤中可以填充土壤大孔隙，使之分割成许多小孔隙，同时生物炭本身多孔结构也是砂土孔隙度增加原因之一，随着添加量增大，砂土孔隙率愈加接近壤土孔隙率，这对砂土结构改良意义重大。粉砂壤土中添加较多生物炭才能增大土壤孔隙度，且增幅空间不大，这在实际应用中并不经济。

生物炭对土壤水分特征影响主要体现在对土壤含水量、土壤入渗和扩散能力、土壤导水性能等方面。王丹丹等[17]应用锯末和槐树皮制成生物炭改善黄土高原地区黑垆土和湘黄土，结果表明，土壤田间持水量随着生物炭添加量增加而增大，锯末生物炭添加处理较对照分别增加2.7%～8.1%，槐树皮生物炭增加5.41%～16.22%。施炭后土壤饱和导水率降低，土壤入渗性能下降，且随着施入量增加降低趋势显著，这是因为原有土壤质地粗，大孔隙较多，生物炭颗粒充实到大孔隙中，土壤大孔隙渗漏性降低。吴昱等[18]研究发现生物炭可有效改善黑土区坡地水土流失状况，土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力均随生物炭施用量的增加而增加。岑睿等[19]采用玉米秸秆生物炭改良黏壤土，通过入渗模型模拟土壤入渗规律，结果表明：施用量为30 t/hm2较不施炭相比，施用层(0～40 cm)入渗速率增加44.6%，耕作层土壤含水率增加8.9%，累积入渗量增加45.45%。比较3种模型的入渗过程拟合结果，认为Kostiakov经验公式拟合效果符合实测规律，为研究区改良土壤水分入渗过程提供了理论依据。

研究结果表明生物炭可改变砂土土壤结构，使其大、中孔隙度较对照减小，小孔隙度较对照增大，导致持留在土壤小孔隙中水分增多，土壤有效含水量增加，供作物可吸收利用水分增加。较砂土相比，生物炭对粉砂壤土和黏土的持水性改良效果不显著。

2.2 生物炭对土壤微生物的影响

生物炭作为改良剂可改善土壤结构，生物炭的较大比表面积和多孔性为土壤微生物提供了良好栖息之所。研究表明，添加生物炭可提高微生物生物量、改善土壤微生物群落，提高土壤酶活性，但影响效果与生物炭类型、施用比例以及土壤性质密切相关。生物炭本身有机碳含量较高且易分解，其表面氧化后为微生物提供有效碳源。匡崇婷等[20]研究发现，与对照相比，添加生物炭有效提高微生物生物量，且随着施入量增加而增大。添加0.5%生物质炭处理土壤，微生物生物量碳、氮含量分别比对照高111.5%～250.6%和11.6%～97.6%，添加1.0%后生物量碳、氮含量分别比对照高58.9%～243.6% 和55.9%～110.4%。BARGMANN等[21]室内研究发现，应用甜菜根和啤酒糟制备生物炭施入土壤56 d后土壤微生物生物量碳显著高于对照，增加30%。研究也证明土壤中施入生物炭可显著提高微生物丰度[22]。然而，也有研究认为生物炭施入土壤中对微生物生物量影响效果不显著。这与生物炭的材料类型、热解时间和温度、土壤类型及试验观测时间长短都有联系。ZAVALLONI等[23]发现短期内生物炭按照5%比例施入土壤中不能改变微生物丰度。DEMPSTER等[24]应用桉树生物炭改善粗质砂土，发现生物炭的施入显著降低了土壤微生物生物量。

生物炭对土壤微生物群落影响主要体现在改变细菌群落和真菌群落方面。研究表明土壤中施入生物炭可以增加土壤中总细菌丰度。NIELSEN等[25]研究发现农田土壤中生物炭雨酸杆菌门的响应性较强，可以增加其丰度值。ANDERSON等[26]在室内盆栽试验和田间小区试验结果均显示生物炭可以提高土壤中某些功能细菌丰度。同时，土壤中细菌也可以有效降解生物炭复杂芳香类化合物。真菌相比于细菌更容易降解生物炭中顽固性碳，且能够更好地生长，故在施入含较难降解碳的生物炭时更有利于真菌生长。BAMMINGER等[27]添加2%生物炭于农田土壤中，37 d后发现土壤中真菌和细菌丰度均呈现增加趋势，真菌丰度增长更快，主要是因为生物炭具有较高碳氮比，且真菌对碳利用率更高。然而，也有研究认为生物炭对土壤真菌群落结构没有长期影响。ROUSK等[28]通过3年长期监测发现生物炭并不能影响土壤中微生物群落变化，可能因为生物炭长期施用后表面盐基离子被淋溶损失，生物炭pH值趋于中性，失去了影响效应。土壤酶活性也是土壤微生物活动过程的重要指示，酶活性越高说明微生物过程越活跃。研究表明，生物炭施入土壤中对碳、氮、pH值、阳离子交换量等土壤理化性质产生影响，而这种影响也间接对土壤酶活性产生作用。同时，生物炭中含有营养物质，例如P、K、Mg等元素促进了土壤微生物活性，也相应提高了土壤酶活性。但这种影响也与生物炭类型及性质、土壤结构和质地等密切相关，并体现出不同影响效果。AWAD等[29]研究发现同一种生物炭施入砂壤土中酶活性较施入砂土中酶活性高。周震峰等[30]应用花生壳生物炭后土壤中尿酶和蔗糖酶活性显著升高，且随着施炭量增多而增大。然而，也有研究表明生物炭中重金属和多环芳烃等毒性物质会抑制土壤酶活性。顾美英等[31]研究发现，施入小麦秸秆生物炭于灰漠土中，结果显示生物炭对脲酶有显著抑制作用。

通过研究可知，添加生物炭使土壤微生物群落、丰度、土壤酶活性等产生变化，影响了土壤微生物特性，但其间相互作用机理还需要进一步研究，尤其是不同生物炭对不同土壤微生物影响机理还需进行长期观测和探索。

2.3 生物炭对作物生长性状的影响

生物炭对作物产量影响的报道最早可追溯到1879年，探险家赫伯特·史密斯在《Nature》杂志发表文章中阐述了亚马逊河流域的黑土可使当地种植的甘蔗和烟草产量大幅度提高，因为这种黑土中含有丰富生物炭。UZOMA等[32]将牛粪生产制备生物炭应用在砂质土壤玉米种植中，结果显示，随着生物炭施用量增加玉米产量显著提高，但处理中施加15 t/hm2的玉米产量比20 t/hm2高。MAJOR等[33]通过4年研究表明，在Colombian Savanna土壤中施加生物炭(0、8、20 t/hm2)后，第1年玉米产量无显著影响，随后影响效益显著，施入20 t/hm2生物炭后玉米产量可提高140%。据KIMETU等[34]报道，在肯尼亚贫瘠土壤中添加生物炭(7 t/hm2)，2年内连续施用3次后玉米产量翻倍增长。VAN ZWIETEN等[35]通过试验发现，施加生物炭(10 t/hm2)后小麦、萝卜和番茄的产量增幅均已超过50%。无土栽培条件下，生物炭和灰岩混合(按其体积的1%～5%)，辣椒和番茄生物量可提高28.4%～228.9%，果实产量提高16.1%～25.8%。近年来，国内有关施加生物炭增加作物产量报道逐渐增多。张伟明等[36]研究表明，以不同标准在砂壤土中施入生物炭，水稻产量均比对照平均提高21.98%，其中每1 kg土加10 g生物炭处理水稻增幅最大。同时，在研究对大豆生长影响中，3 t/hm2和6 t/hm2生物炭施用量均比对照产量提高近11%。黄超等[37]在每1 kg红壤土中施用10、50、200 g生物炭种植黑麦草，产量分别增加7%、27%和53%。唐光木等[38]在新疆灰漠土中添加生物炭种植玉米，表明施入40 t/hm2生物炭的玉米产量提高近50%，增产效果显著。

然而，在生物炭对作物生长作用方面还存在一些不同观点。KISHIMOTO等[39]认为，在壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)使大豆产量增加50%；然而，随着施用量的增加产量出现减少趋势且15 t/hm2时减产近70%。邓万刚等[40]在海南花岗岩砖红壤土上添加不同比例生物炭(炭土比分别为 0.1%、0.5%和1.0%)，通过试验反而得出不同处理与对照相比，在一定程度上均降低了王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量。张晗芝等[41]研究在中层砂浆水稻土中施加生物炭对玉米影响，发现在玉米苗期生物炭抑制了植株生长发育，表现为添加量越大抑制效果越明显，随着玉米生长抑制效应逐渐消失。

通过研究可知，生物炭对作物生长及产量提高具有促进作用。生物炭对作物生长特征产生的影响与土壤类型、观测时间等密切相关，适宜生物炭用量与土壤结构是影响作物生长的主要因素。

2.4 生物炭与化肥耦合作用影响

氮肥利用率低一直是农业生产中面临的难题，而我国主要粮食作物氮肥利用率不足1/3。如何提高氮素利用率，减少消耗和面源污染，一直是农业生产中亟待解决的关键问题。大量研究表明，添加生物炭可减轻土壤氮素淋洗，提高土壤水分和养分利用率。同时，学者发现单纯以生物炭代替化肥还存在一定难度，为了既发挥其自身优势又能减少肥料投入带来的负面影响以达到作物增产增收目的，沈阳农业大学生物炭研究中心以生物炭为基质制造炭基缓释肥料施入土壤中，作物增产效果明显。

葛少华等[42]研究表明，连续两年进行生物炭(2.4 t/hm2)和化肥配施，有效提高烤烟土壤中硝态氮含量，施氮量减少15%用量后仍可提高烤烟氮素利用效率。据统计，生态炭本身含有丰富有机碳，施用后可以增加土壤中有机质及腐殖质含量，大大改善土壤微结构，从而提高土壤肥力。随着土壤中有机碳含量增加，土壤中碳氮比相应提高，进而提高了土壤对氮素和其他养分吸持能力。有机质和腐殖质含量是土壤肥力重要指标，生物炭吸附土壤中有机分子，通过表面催化活性促进小分子聚合从而形成土壤有机质，生物炭可以延长有机质分解时间从而有助于腐殖质形成，改善土壤肥力。吕一甲等[43]研究发现，施用生物炭肥料可有效提高耕层土壤有机质、速效磷及速效钾含量。

其实，生物炭本身也含有一定矿物养分，例如氮、磷、钾、镁等，但由于生物炭制备原料和控制条件不同，其所含有养分含量不尽相同。如果生物炭与其他肥料同时施用，可以提高土壤养分含量，因为生物炭可以延缓肥料养分在土壤中释放过程，降低肥料养分淋失，有效提高肥料利用效率。STEINER等[44]研究表明，使用生物炭结合化学改良法(氮磷钾肥料和石灰)与单用肥料相比，平均粮食产量连续四季翻一番。生物炭与化肥配施3a后土壤团聚结构和数量显著增加，与单施化肥相比，团聚体数量增加16.7%，平均质量直径增加62.4%。聂新星等[45]研究表明，生物炭与化肥配施显著提高土壤pH值和速效磷含量，分别提高0.03%和12.6%，土壤容重降低2.0%。炭肥配施提高了土壤中细菌含量，对真菌有一定抑制作用。炭肥配施后有效增加小麦籽粒干质量，提高率达到16.5%。勾芒芒[46]研究表明，生物炭与化肥耦合施用可以提高土壤含水率，同一施肥水平下土壤中施加较高生物炭量可以有效提高土壤的持水、保水能力；同一施炭水平下，低肥处理的土壤含水量对番茄生长具有积极的促进作用。

炭肥耦合施用可增加土壤有机质含量，提高氮素利用率。在同一施炭水平下，减少化肥施用量可显著提高作物植株生长能力，增加干物质积累，提高作物产量和品质。

2.5 生物炭对土壤重金属的影响

生物炭具有比表面积大、孔隙度大、呈碱性、吸附溶解性有机质等特点，修复重金属污染土壤的研究较多，作为环境修复和固定土壤材料受到研究者广泛关注，但因为生物炭原材料、技术工艺、热解条件等不同使得其对土壤重金属吸附效应差异较大。UCHIMIYA等[47]研究发现山核桃生物炭呈酸性，生活垃圾制备的生物炭呈碱性，它们施入酸性土壤中对Cu的吸附要比在碱性土壤中吸附效果好。佟雪娇等[48]发现不同秸秆炭对Cu(Ⅱ)的吸附效果不同。玉米秸秆生物炭对Pb、Cd吸附量显著高于小麦秸秆。CHEN等[49]研究表明生物炭特性使得其对土壤重金属具有静电吸附量，表面丰度的含氧官能团(如羧基、羟基、酚基等)可以增加土壤对重金属吸附量，降低重金属迁移率，从而减少对土壤环境污染及作物毒害。

生物炭通过提高土壤pH值和有机质含量改变土壤氧化还原电位，从而降低重金属生物有效性。BEESLEY等[50]通过土柱淋洗试验发现，土壤中加入生物炭后Cd含量降低为原来的1/300。袁金华等[51]通过室内试验发现，稻壳炭降低酸性红壤中有毒形态铝含量。生物炭可以固定可溶性重金属(Pb、Cu、Cd、Ni)并限制其生物有效性。相比于其他重金属，As是比较稳定的元素，但施加生物炭后仍可被固定。LUKE等[52]通过对番茄根茎及果实检测可知，与对照相比施炭处理根系中As浓度显著降低，果实中浓度也很低，有效改善作物对重金属吸收，进而降低重金属生物毒性。高德才等[53]研究发现土壤pH值增加后，Al、Cu、Fe的金属可交换态含量显著降低。

通常情况下，重金属污染的土壤肥力较低，要考虑生物炭用量及长期监测效果才能体现出生物炭修复污染土壤的效果。

3 生物炭在固碳减排方面的应用

3.1 固碳减排潜力

农田生态系统是重要温室气体排放源之一，占全球总排放量 10%～20%，且呈现增长趋势。CO2、CH4和N2O是温室气体的研究对象。气候变暖及土壤盐渍化问题对土壤固碳减排要求日趋增加。作为农业大国，我国超过50%秸秆随意丢弃或焚烧[54]。粗放农业管理方式直接增加农业生产温室气体排放量。我国土壤生态系统具有巨大固碳减排潜力，《“十三五”控制温室气体排放工作方案》中指出应大力发展低碳农业，坚持减缓与适应协同，抑制和降低农业领域温室气体排放，减少农田氧化亚氮和甲烷排放，推进农林废弃物综合利用。这些秸秆废弃物在缺氧或无氧环境下裂解得到生物炭重新回归到土壤中的生态循环模式，能将碳有效存于土壤较长时间，减轻气候变暖，修复区域环境。同时，增加土壤碳汇，减少温室气体排放，抑制其释放能力。

3.2 固碳减排效果

大量研究发现施用生物炭不仅增加碳汇，调节碳循环，而且对土壤温室气体排放起到抑制作用。研究表明，不同生物炭施用量对温室气体排放效果存在差异。高德才等[53]通过土柱试验表明，2%以上生物炭添加量会抑制CH4排放，同时会降低N2O排放；4%以上生物炭添加量，能大幅降低CH4和N2O排放，从而缓解温室效应；而低于0.5%生物炭添加量对温室气体排放的削弱作用不显著。屈忠义等[55]采用静态暗箱-气象色谱法研究玉米农田施加生物炭后对温室气体排放特征影响，结果表明：添加生物炭(15、30、45 t/hm2)后显著降低CO2和N2O季节累积排放总量，与对照相比最大降幅分别为24.6%和110.35%。添加生物炭降低CH4和N2O综合增温潜势(GWP)及排放强度(GHGI)，且随着生物炭施用量增加而降低，最大降幅GWP为109.9%，GHGI为100.03%。SHENBAGAVALLI等[56]研究认为一定量生物炭会抑制温室气体排放，对CO2及N2O效果明显。生物炭降低土壤容重、改善土壤通气性、封存土壤中碳含量，从而减少CH4、N2O排放量。生物炭添加后，冻融期间可促进土壤吸收CH4。添加30 t/hm2生物炭有效降低玉米农田土壤季节累计排放总量，降低玉米农田土壤CH4和N2O综合增温潜势(GWP)和排放强度(GHGI)。常规施肥基础上添加生物炭是提高作物产量、降低增温潜势的有效农业措施。施加生物炭对抑制农田N2O排放具有巨大潜力，排放高峰均出现在施肥(基肥和追肥)后，累积排放量占整个生育期排放量的一半。

也有少量研究表明生物炭的施用会促进温室气体的排放，王月玲等[57]研究表明生物炭施用量与CO2排放呈正比，一方面生物炭为微生物活动提供大量碳源和能源，增加其对土壤有机质的分解作用，另一方面生物炭的特殊结构对土壤理化性质具有改善效果，增强了微生物活性。SINGLA等[58]发现生物炭增加使土壤中的有机质可利用率提高，促进CH4的排放。总之，导致结果存在差异的原因是否与生物炭性质、土壤类型、施肥方法、作物种类等有关，还需进一步深入研究。

3.3 固碳减排影响机制

王妙莹等[59]研究发现，影响温室气体排放因素较多，主要与外源物、土壤性质、微生物等相关，有研究表明施用生物炭显著抑制CO2和CH4排放，细菌数量与CO2和CH4通量显著正相关。真菌/细菌与CO2和CH4通量显著负相关，硝化细菌种群与N2O通量显著正相关。生物炭通过改善土壤通气性、生物多样性及甲烷营养微生物丰度，缓解温室气体排放。何飞飞等[60]研究结果表明不同施炭量对N2O、CO2影响不同，而铵态氮主要影响N2O排放，pH值是CO2排放的主要影响因素。张阿凤等[61]试验表明，作物秸秆制备生物炭具有稳定芳香化结构性和抗分解生物化学性；大幅提高土壤碳库，利于固定和保持养分，提高其有效利用率，从而达到增产增收目的。宋敏等[62]的研究显示施加30 t/hm2的生物炭对N2O气体释放抑制效果较好，在相对稳定的环境条件下，温度是影响N2O排放主要因素。吴震等[63]研究发现，施入新生物炭和多年陈化生物炭均能降低综合温室效应和温室气体强度，且陈化生物炭能更有效地减少温室气体排放并提高作物产量。因此，生物炭对固碳减排和改善作物生产具有长期效应。

冯政君[64]研究发现，与适当比例氮肥配施，高碳氮比(大于 30)生物炭对土壤N2O排放具有抑制作用。土壤CO2通量对生物炭响应随着热解温度或生物炭碳氮比增加而降低，随着生物炭pH值降低而下降。因此，应考虑土壤属性、土地利用类型、农业实践和生物炭特性，以评估生物炭缓解气候变化实际潜力。

4 生物炭在盐碱地治理方面的应用

我国降水时空分布不均匀，水资源匹配极不合理，特别是作为我国用水大户的农业领域用水非常紧缺。同时，针对我国盐渍化土资源总量多且分布广泛等特点，合理利用大面积盐渍化农田，将对我国粮食安全保障和提高我国农业生产力具有重要意义。由于盐渍化土壤结构性差、肥力低、对作物生长有毒害作用，严重限制农业可持续发展，且盐碱地治理符合国家生态安全战略方针，是生态与农业可持续绿色发展的必要举措。目前，针对盐渍化土壤改良措施较多，包括工程措施、化学措施、生物措施等，随着人类对资源高效利用和保护生态环境意识的提高，更多绿色可持续材料进入研究领域。由于盐碱地有机质含量低，养分贫瘠，具有高生物质含量、保水保肥特性的改良材料备受关注。生物炭作为农林生物质材料的再生产品，在酸性土壤改良方面已经取得较好成果，碱化度较高的土壤研究较少，但生物炭对盐碱土壤理化性质和作物生长特性改良也取得了研究进展。

4.1 生物炭对盐碱土改良效果

生物炭具有改善土壤结构、保水保肥、强吸附性等特性，可以对盐碱土理化性质和作物生长特性产生影响(表1)。王荣梅等[65]研究发现，炭土比10%的生物炭用量可以提高盐碱土田间持水量，显著提高棉花产量，但5%施用量提高幅度高于10%。许健[66]研究显示，当生物炭添加量较低(小于5%)时，能抑制土壤蒸发和降低土壤表层返盐量，当生物炭含量较高时(大于10%)，增强土壤蒸发能力，加剧表层土壤盐碱化程度。夏阳[67]研究认为，较低生物炭施用量(如1.5%)能够降低盐碱土pH值和盐度，提高土壤有机质含量、碳氮比和CEC，提高植物根际土壤养分。然而也有研究成果与以上观点不同。代红翠等[68]在碱性土壤中施用生物炭后提高了土壤pH值和CEC，从而抑制了小麦出苗和幼苗生长。李阳等[69]研究表明，生物炭能将酸性黄壤土改变为中性或弱碱性土壤，而且能够有效改善黄壤氮磷钾养分含量。ALI等[70]研究发现，在干旱或盐分胁迫下，生物炭可以增加植物的光合作用，改善养分吸收和改良气体交换特性。在盐胁迫下，生物碳减少Na+吸收，增加植物对K+的吸收，调节气孔导度和植物激素。对比其他改良剂，生物炭具有自身优势，施用生物黑炭比施用石灰更能增强土壤对酸的缓冲性能，提高土壤阳离子交换量、盐基饱和度、交换性钙、镁、钾和钠含量。

表1 生物炭对盐碱土理化性质和作物生长特性的影响Tab.1 Effects of biochar on physicochemical properties of saline-alkali soil and crop growth

4.2 生物炭与其他物质复配对盐碱土改良效果

由于生物炭呈碱性，对碱性较强的盐碱土不利，但考虑与一定量的酸性物质复配施用，可以弥补生物炭副作用或改良效果。适宜生物炭与木醋液施用量可以满足降盐抑盐效果，有效抑制表层土壤盐分积聚；施用木醋液可以降低土壤pH值。非生育期春汇洗盐结合改良剂改良，可以提高脱盐率，满足生育期内作物对盐分阈值要求。

刘玉明等[83]应用生物炭和木醋液改良盐碱土效果显著，在其含盐量0.5%～1.35%，pH值大于10的盐碱地中，可大幅提高土壤质量和作物生长特性。韩建刚等[84]研究发现，生物炭垫层应用于沿海滩涂盐碱地土壤改良，有效控制农业面源污染，促进盐碱地土壤改良及农业生态良性发展，改良后土壤可用于种植水稻、小麦或盐碱资源植物等。韩剑宏等[73]使用玉米秸秆和污泥基生物炭能改善盐渍土土壤养分含量和肥力指数，显著提高有机碳含量；可溶性盐含量显著下降，并能降低土壤盐分。袁晶晶等[85]将生物炭(10 t/hm2)施入土壤后发现，氮肥300 kg/hm2为适宜施肥量，提高土壤肥力同时也可以减少化肥投入。但XU等[86]研究认为，当生物炭与磷肥一起施用时，盐碱土壤中发生磷酸盐沉淀/吸附反应，导致盐碱土壤中植物磷有效性和植物产量下降。生物炭与磷施肥之间的负相互作用效应表明生物炭在盐碱土壤中应用价值有限。

4.3 生物炭对不同类型土壤改良效果

由于不同类型土壤理化性质存在差异，生物炭改良效果也不尽相同。曹雨桐等[71]研究发现，在海涂围垦区盐碱土中添加2%生物炭能使土壤饱和导水率提高46.4%；土壤总有效孔隙度和半径大于100 μm有效孔隙度分别增加8.3%和10.2%。魏永霞等[72]认为施用生物炭能降低黑土区土壤残余含水率，增加土壤饱和含水率和田间持水量，其中对残余含水率影响最显著；施用生物炭能明显降低土壤水分扩散率，施用生物炭可以提高大豆产量。聂新星等[45]研究认为，生物炭能有效改善灰潮土土壤理化性质，提高细菌和放线菌数量，且在一定程度上提高冬小麦产量。生物炭与N、P、K配施改善风沙土理化性质，促进玉米生长及产量增加，且生物炭施用量越高，其效果越明显。孙嘉曼等[78]发现，生物炭处理有利于改善石灰土水分与养分供应状况，且随着施用量增加，改良效果不断加强。施用生物炭可改善喀斯特山地石灰土土壤质量，促进刺槐苗期根系发育和生长，对改良喀斯特石灰土和恢复植被具有重要意义。

5 问题与展望

大量研究成果表明，生物炭在农业土壤改良、固碳减排及改良盐碱土方面均有巨大潜力。在改善农业水土环境、抑制温室效应、助力发展绿色可持续农业等方面可发挥积极促进作用。然而，在大面积实施和应用生物炭方面还存在许多不足，需进行深入研究，主要体现在：

(1)由于制备生物炭的原材料、制备方法以及研究方式大不相同，有关生物炭物理和化学性质各有差异。在实际应用过程中应积极开展生物炭标准化、系统化研究。此外，应开展根据不同土壤类型制备和筛选适宜生物炭的研究。

(2)虽然应用生物炭提高作物产量方面研究成果较多，但大多数研究还停留在室内盆栽和小区试验阶段，如何应用适宜生物炭类型及其用量开展长期和大规模示范区建设还需投入大量工作。同时，大规模应用生物炭改善作物土壤、提高作物产量之前还必须考虑如何使生物炭成本更廉价、更实效，改变施用方式，采用穴施、沟施等专用设备，以便充分发挥生物炭节水增收优势。

(3)生物炭对微生物和酶活性作用机理还不清楚，需要进行深入研究。

(4)生物炭对土壤改良是一个长期过程，对土壤改良及固碳是否具有持续效果，还需要长期定点观测；生物炭与其他物质复配施用对气体排放影响机理还不明确。

(5)虽然有关生物炭改良盐碱土成果与日俱增，但针对盐渍化土壤开展生物炭及其复配材料(如其他土壤调理剂)的应用成果并不多见，应加大力度开展这方面研究。

(6)研究开发各种专用生物炭基肥，实现生物炭高效利用，为绿色农业发展提供有力支持。