生物质炭对土壤改良及农业生态效应响应的研究进展

王 政， 沈燕金， 敖金成， 夏时波

(1.广西中烟工业有限责任公司， 广西 南宁 530001； 2.云南省烟草公司 文山州公司， 云南 文山 663000； 3.云南农业大学 植物保护学院， 云南 昆明 650201； 4.云南绿盎生物科技有限公司， 云南 昆明 650212)

生物质炭(Biochar)是生物材料在低氧或缺氧环境下，高温热解产生的一类碳含量高、孔隙结构发达、吸附能力强和富含氧官能团的多功能材料[1]。因而农田施用生物质炭在改良土壤[2-5]、重金属及农药残留污染土壤的修复[6-12]和促进作物增产[13-14]等方面具有较好的潜力。何绪生等[15]认为，以生物炭农业应用为核心，可以解决农业、能源、环境及气候等多方面的问题，是一举多赢的战略。但生物质的起始成分和其转化为炭的条件决定了生物质炭材料在孔隙率、表面积和表面化学性质方面[16]，以及木质素和矿物质含量不同，其热稳定性及碳封存潜力也不同[17]。近年来，生物炭的生产及农业应用已引起许多国家的高度重视。魏春辉等[18-19]概述了生物质炭在农业上的应用，但对于生物质炭在农业应用上的最新研究进展，以及生物质炭对土壤酶活性、农药残留和重金属污染的土壤修复、有害生物防控方面未见综述报道。为农业生态环境治理及同类研究提供参考，从调控土壤化学性质及物理性状、改善与提高土壤微生物生境及酶活性、去除与防控土壤农药残留/重金属污染与有害生物和促进与提高作物生长及产量等方面概述了生物质炭对土壤改良及农业生态效应响应的研究进展，指出了未来生物质炭应用的研究方向。

1 调控土壤养分与理化性状

1.1 土壤酸化

土壤pH与土壤养分的有效性[20]、重金属的迁移转化过程[21-24]密切相关，而土壤酸化是土壤质量退化和中国耕地面临的主要问题之一。我国酸性土壤分布广泛，遍及四川、广东、广西和湖南等14个省(区)，总面积达2.03×106km2，约占全国耕地面积的21%；且随着工业的快速发展和人类活动的加剧，土壤酸化问题进一步加剧[25]。刘成等[26]基于整合分析方法(Meta-analysis)的研究表明，土壤质地和酸碱度是影响作物增产幅度的重要因素。土壤pH的升高可能是引起N2O排放量降低的重要原因[27]。因此，土壤pH调控成为提高土壤养分有效性及降低重金属超标的重要措施。生物质炭一般呈碱性[28]，且草本植物生物炭的pH一般较木本类生物炭高[29-30]，施用生物质炭对土壤pH的调控机理是生物质炭的pH较高，尤其是秸秆生物质炭类pH较高[31]，施入土壤后可中和土壤中的H+[32]，有效地缓解土壤的酸化程度[2,32-33]。因而生物质炭对改良土壤酸性具有较好的应用潜力[34]，但生物质原料不同，对土壤pH的调控作用存在差异[35]。

1.2 土壤养分

1.3 土壤物理性状

添加生物质炭能有效改善土壤物理性状。容重增大、孔隙度减小和通透性下降等土壤物理性质变差是导致土壤肥力降低的重要原因之一[57]。生物质炭是多孔材料，容重一般较低(0.09～0.74 g/cm3)[58-60]，因而施入土壤后会起到“稀释作用”，从而降低单位体积内土壤质量[61-63]，这与生物质炭的多微孔结构和较大的比表面积有关[62]，且其颗粒越大土壤容重越易降低[64]。生物质炭对土壤物理性状的改良作用随生物质炭原料类型和用量不同而不同，与土壤类型也有关，其作用机理也存在差异[57,65-66]。施用生物质炭对土壤容重存在“稀释效应”，但也不能完全归结于生物质炭的稀释效应[67]。另外，生物质炭对土壤物理性状的改善作用还体现在生物质炭促进土壤矿物质颗粒的团聚作用，尤其是促进大团聚体的形成，增加团聚体的稳定性[68-71]。

2 改善土壤微生物生境及提高土壤酶活性

2.1 改善土壤微生物生境

土壤微生物是土壤中物质循环和能量流动不可或缺的参与者[72]，也是土壤养分的“源”与“汇”[73]，决定土壤肥力的高低。由于生物质炭的多孔性和吸附性，施用生物质炭能有效提高土壤微生物活性及多样性，改善土壤微生物菌群结构[74-78]，说明施用生物质炭是一种改善土壤微生物生境的有效农业措施。候建伟等[75]研究指出，施用秸秆生物质炭显著增加16SrRNA基因的拷贝数，较对照增加43.1%～68.8%。连作棉田施用生物质炭根际土壤的Shannon指数呈升高趋势[44]。陈义轩等[30]研究认为，生物质炭自身的特殊理化性质和土壤理化性质(酸碱度、土壤电导率、比表面积和孔径等的变化)是导致土壤微生物群落变化的主要原因。但生物质炭对土壤微生物活性和群落结构组成的改变往往与试验条件、生物质炭的性质、土壤质地及肥力水平等密切相关[79-80]。一方面，生物质炭的孔隙结构及水肥吸附作用有效改善土壤微生物的栖息环境，有利于细菌群落的繁殖[76]，并减少其生存竞争[81]。另一方面，生物质炭能降低土壤容重，从而改善土壤通气条件，对土壤微生物细胞获取养分[82]及微生物的转移[83]产生影响。施用生物质炭4年后，旱地红壤pH、生物质炭及微生物生物碳氮均随生物质炭施用量的增加呈上升趋势，土壤容重呈下降趋势[84]。另外，生物质炭还可作为功能菌的载体，提高接种菌在土壤中的存活率[85]。可见，生物质炭对微生物的活性及其多样性具有正效应，是改善土壤微环境的优良材料。

生物质炭对土壤酶活性具有间接调控作用。土壤酶主要来自于微生物、土壤动物和植物根系分泌物和植物残体的分解物，在土壤-植物系统的养分循环中，土壤酶活性与施肥密切相关[86]，且在一定程度上能反映土壤的养分状况、物质周转和有机体生长代谢[87]。ZHU等[88]研究发现，生物质炭可改变土壤微生物的数量与活性，在提高土壤酶促反应速率的同时，增加酶-底物复合物的稳定性，从而提高土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。施用生物质炭显著影响旱作花生单株根瘤固氮酶的活性，其在花期和结荚期分别提高30.5%和42.7%[89]。施用生物质炭可显著提高新疆沙壤土壤酶活[90]，促进碱性磷酸酶和反硝化酶活性，降低β-D-葡萄糖苷酶和β-D-纤维双糖苷酶活性[91]。说明，施用生物质炭对多种土壤酶活性具有调控效应，且存在差异。

2.2 提高土壤酶活性

需要注意的是，吸收液和闪烁液的配比是可以变化的，这取决于测量仪器和不同的化学试剂。在变更化学试剂或测量仪器之后都需要重新做配比试验已选择当前最合适的配比，以期取得最佳的校正，有效降低测量误差。

3 去除土壤农药残留/重金属污染及防控有害生物

3.1 农药残留

随着我国农业的进一步集约化，农药施用量及农药残留问题已引起广泛关注。农药残留是土壤健康管理需要重点解决的问题之一，也是农业面源污染不可忽视的一环。生物质炭对土壤农药残留具有较好的吸附效果。邢泽炳等[92]研究认为，土壤中施用1%的柠条生物质炭即可对其中残留的敌草隆产生显著吸附效果。河岸带土壤施用生物质炭可使乙草胺和阿特拉津的吸附容量显著增大，从而降低乙草胺和阿特拉津的迁移性[93]。中国是世界上抗生素使用大国，其中畜用抗生素占52%[94]，然而抗生素进入人畜体内后仅有少部分被消化吸收，大部分以母体化合物的形式通过粪便等排除体外，进而对水体及土壤环境造成污染，对人畜健康构成潜在的威胁[95]，因而施用受抗生素污染的牲畜粪便作为肥料是土壤污染的重要来源之一。程扬等[6]研究指出，三桠苦药渣生物质炭和玉米秸秆生物质炭对四环素的吸附作用均符合二级动力学方程(R2分别为0.954 0和0.835 5)，对水体和土壤中的四环素均有较好的吸附作用。生物质炭可以介导猪粪中抗生素的吸附，依据生物质炭的类型，混合粪肥可降低移动性和增强氯霉素类、氟喹诺酮类和磺胺类药的生物有效性[96]，但热解条件影响废茶生物质炭对磺胺甲嗪的吸附效果[97]。总体看，生物质炭通过吸附作用及富集土壤微生物的分解实现对土壤农药残留的消减效应，降低作物的农药残留风险。

3.2 重金属

在发明啁啾脉冲放大技术之前，激光脉冲的强度似乎是有限制的。增加功率可能会改变激光介质的光学特性，使光束扭曲，甚至损坏介质。这成为阻碍激光科学发展的主要问题，需要建造庞大的激光器，直到斯特里克兰和穆鲁改变了这种情况。

3.3 有害生物

适量添加生物质炭对植物病虫害具有一定的防控和抑制作用。王光飞等[105]研究表明，木霉菌、曲霉菌、芽孢杆菌、假单胞菌和链霉菌是生物质介导下防控辣椒疫病的主要生防微生物。李成江等[29]研究不同种类生物质炭对植烟土壤微生物及根茎病害发生的影响时指出，施用生物质炭能较好地改善土壤微生物状况及其对碳源的利用，减少青枯病和黑胫病的发生。国内外关于生物质炭对土壤病原菌的调控作用已有较多研究报道。研究结果认为，生物质炭对青枯菌(Ralstoniasolanacearum)[106]、灰霉病菌(Botrytiscierea)[107]、镰刀菌(Fusarium)[108-109]和辣椒疫霉菌[110]的防控均表现出正效应，可能与生物质炭的施用改善了土壤微生态环境，提高了土壤微生物的活性和多样性，且有利于生防菌的增殖及活性提高有关。关于添加生物质炭对土壤害虫的影响报道较少[111-112]。可见，生物质炭-有害生物的关系尚不清晰，其作用机理及调控范围亟待进一步深入研究。

4 促进作物生长及提高其产量

我国种植业化肥施用量2016年首次实现零增长[113]，说明我国的农业生产在高效、精准和循环发展方面已有质的提升，未来农业生产更加注重生产质量，而生物质炭可能会成为一种保障农业高效的重要手段。但原料不同，生物质炭组分及性质差异显著，其材料种类和投入量均极显著影响小麦和黄瓜根、茎的早期生长，且交互作用显著[114]。增施生物质炭显著提高辣椒的产量与产值，其增幅分别为17.91%～28.74%和20 351～29 700元/hm2，而且生物质炭和脲酶抑制剂配施，辣椒果实中的硝酸盐含量降低6.32%～34.00%[115]。在温室大棚土壤中添加一定量生物质炭可实现蔬菜优质高产[116]。复配木醋液的生物质炭基肥在促进植物生长方面具有很好的潜力[117]。刘成等[26]基于整合分析方法(Meta-analysis)研究指出，施用生物质炭可显著提高作物产量，增产幅度平均为15.1%，其中旱地作物平均增产16.4%，水稻增产10.4%；土壤质地和酸碱度是影响作物增产幅度的重要因素。可见，生物质炭对作物的生长发育具有良好的促进作用，添加生物质炭能有效提高作物品质。由于增施生物质炭具有改善土壤结构和增强土壤的蓄肥保水能力，从而提高土壤养分含量和促进植物菌根生长作用，进而提高植物地上部分生产力[118]、作物产量[119-120]、土壤微生物量和根瘤菌量等[121]，达到提高作物品质的目的[122-123]。但关于其促生机理仍然缺乏足够的了解[124]。

如其反是，則星辰凌犯，彗孛衝破，遂生刀兵，水旱流離，凶虋以致，死亡兆庶也。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷一，《中华道藏》30/532）

5 展望

近年来，国内外对生物质炭在农业上的应用研究表明，生物质炭施入土壤后，因为其稳定性而具有解除土壤板结、改善土壤理化性状及微生物性状、提高土壤肥力水平和酶活性，促进作物生长发育，降低土壤重金属和农药残留含量，并在一定程度上对作物病虫害具有调控作用。然而，目前生物质炭在农业上的应用研究仍存在不足，在以下几个方面有待进一步深入研究。1) 我国气候、土壤和作物类型较多，生物质炭作为一种新型多功能材料，其生态环境效应与原料来源、生产工艺密切相关，虽然在土壤生态效应方面开展了大量研究，但在实际生产中应用较少，可能应用成本较高是其主要限制因素，因此进一步探索生物质炭的长效和可持续利用机制是今后研究重点。2) 生物质炭对土壤病虫害具有一定的调控作用，但功能型炭基肥开发及对土传病害、作物害虫的生殖与发育，以及植物抗逆性的调控机理仍需进一步深入探究。3) 生物质炭作为一种优良的新型缓释材料，加快生物质炭基肥增效技术研究是未来主要的研究方向。