生物炭对土壤环境质量的影响研究进展

刘术新 李汉美 丁枫华

摘要：连作障碍是导致土壤质量降低的重要原因之一。文章综述了生物炭对土壤肥力和环境质量的影响效应及其机制。生物炭凭借其特殊的结构和理化性质影响着土壤的理化性状，对减少土壤养分流失、提高肥料利用率、消減有机污染和农药残留、抑制污染物富集、降低污染物生物有效性等具有积极作用。生物炭在设施栽培和果园连作中能有效缓解连作障碍，在提高土壤微生物群落多样性和酶活性方面有巨大潜力，应加强其在土壤连作障碍治理及其可持续性利用方面的研究。

关键词：生物炭;土壤;连作障碍

中图分类号：S154.3     文献标志码：A     文章编号：1001-1463（2020）02-0084-08

Abstract：In yellow river irrigation areas of middle Gansu province，effects of different water supply conditions on yield and water production effect of processed potato cultivar Atlantic were studied. The results showed that yield of processed potato was significantly increased by increasing irrigation quantity and times from squaring period to flowering period;On the basis of adequate water supply in flowering stage， increased irrigation quantity moderately from final flowering period to mature period， it is beneficial to improve potato yield and water use efficiency. Under the condition of water and fertilizer integration， the suitable water management mode of processed potato cultivar Atlantic is that irrigated water volume was 2 400 m3/hm2 and irrigated 16 times from squaring period to flowering period， irrigated water volume was 900 m3/hm2 and irrigated 6 times from final flowering period to mature period. Under this water management mode， the number of tubers per plant and the weight of tubers increased significantly， which increased by 2.02%～16.91% compared with other treatments， and the commercial property of potato tubers was relatively optimized.

Key words：Water and fertilizer integration;Processing potato;Atlantic;Yield;Water use efficiency

随着集约化种植程度的不断提高，作物连作以高投入和高产出带来的以土传病害和自毒效应为主的连作障碍问题日益凸显。长期单一连作，植株出现生长发育受阻，土传病害严重发生而导致大幅减产的连作障碍，已成为农业可持续发展的重大问题之一[1 - 2 ]。在国外被称为忌地现象或再植病害。连作障碍的普遍存在，严重地制约了农业的可持续发展[3 ]。国内外研究者曾从不同的角度对连作障碍的成因进行了系统研究，一般认为连作障碍的产生原因有以下几个方面：连作使土壤理化性状变劣导致养分亏缺;土壤微生物变化，土传病害加重[4 ];根系分泌物和残茬腐解物引起的自毒作用。一些学者认为，根系分泌和残茬腐解物所产生的自毒作用，以及自毒物质引发的病原菌增殖是导致作物连作障碍的主要因素[5 ]。

酚酸类物质是公认的化感自毒物质[6 - 8 ]，被研究者作为化感自毒作用的研究重点。酚酸类物质通过影响植物细胞膜透性、水分和营养吸收、光合作用、蛋白质合成、植物激素活性、抗氧化酶活性等多种途径对植物生长产生抑制作用[9 - 10 ]。随着对根际微生态环境中植物-土壤-微生物相互作用各过程的深入了解，研究者认为土传病害的发生和植株发育不良是作物连作障碍发生的直观表象，但致病的根本原因是根系分泌物和腐解物中酚酸类化感物质引起的土壤微生态失衡，最终导致土壤中病原菌激增而引发严重的土传病害[11 - 13 ]。

土壤熏蒸是防治植物土传病害的重要措施。然而由于熏蒸剂的广谱性，在杀死有害微生物的同时，也会杀死土壤中有益微生物，因此在土壤熏蒸后通常需要添加微生物有机肥或其他有助于微生物群落恢复的物质，使土壤微生态得以修复，这就增加了投入成本。常用的土壤熏蒸剂溴甲烷还会损害臭氧层，因此土壤熏蒸逐步被淘汰[14 - 15 ]。间作是增加农业生物多样性的有效措施，利用作物间作减轻连作自毒作用引发的土传病害已在多种间作体系得到证实。苏世鸣等[16 ]研究发现，西瓜与水稻间作使西瓜幼苗的鲜重和株高分别提高了186.0%和80.5%，且降低了西瓜枯萎病的发病率。小麦与黄瓜间作、毛苕子与黄瓜间作、三叶草与黄瓜间作均降低了黄瓜角斑病、白粉病、霜霉病以及枯萎病的病情指数，提高了黄瓜产量。韭菜的水浸提液对尖孢镰刀菌表现出较强的抑菌作用，减轻了香蕉枯萎病的发生，为韭菜和香蕉间作控制香蕉枯萎病提供了理论依据。董艳等[17 - 18 ]研究发现，小麦与蚕豆间作可减轻酚酸物质引起的枯萎病危害，促进蚕豆生长，是缓解自毒效应的有效措施，但因小麦生产效益偏低，且间作耗时较长，故在实际生产中不易推广。因此，寻求安全有效地缓解和克服蚕豆连作障碍的措施非常重要。

生物炭是将秸秆、木材、畜禽粪便等生物质原料，在部分或完全缺氧条件下，通过高温热解（< 700 ℃）生成的一类稳定的、纹理细腻的富含碳的多孔状材料。生物炭起源于亚马逊河流域“印第安黑土”的發现，这种“黑土”含有大量的营养元素，如N、P、K、Ca等，且有机质含量高[19 ]。生物炭由于廉价易得、环境友好而被广泛应用于农业、环境保护等领域。

1   生物炭的概念和性质

生物炭是生物质在有限供氧的密闭环境中于相对较低的温度条件下（<700 ℃）热解生成的一类富含碳素（C%≥60%）、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态物质[20 ]。与传统木炭不同，“生物炭”强调其在农业生产和生态环境领域的功能与应用[20 - 22 ]。

由于具有芳环化的大分子结构，生物炭在土壤中具有较高惰性和抗降解性[23 - 27 ]。根据14C标记试验估算，生物炭在土壤中的平均存留时间可长达2 000 a，半衰期约为    1 400 a[23 ]。不仅如此，生物炭通常具有较为发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，这使生物炭能够有效提高土壤阳离子交换量（CEC）和持水性，减少矿质元素流失，提高矿质元素利用效率，对农田N、P流失引起的水体富营养化具有重要控制作用[28 - 33 ]。另外，由于含有大量矿质灰分（以K、Ca、Na、Mg为主）[34 ]和丰富的离域π电子[35 ]，生物炭大多呈碱性（pH > 7），且随热解温度的升高碱性增强。

2   生物炭对土壤肥力质量和环境质量的影响效应与产生机制

将农业废弃生物质通过热解炭化技术制备为生物炭并作为土壤改良剂施入农田，对于改善耕作土壤的理化性质和生物学特性、增加土壤肥力、修复土壤污染、提高作物产量和品质具有重要作用[36 ]。

2.1   生物炭对土壤水分的影响及其机制

生物炭施入农田后在不同程度上有利于增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度，从而提高土壤田间持水量和有效水含 量[37 - 39 ]，这对于增加作物根系对土壤水分和水溶性矿质养分的利用效率具有重要意义。勾芒芒等[40 ]在每千克砂壤土中分别施入10～60 g花生壳炭，发现土壤毛管持水量增加至对照样的1.2～1.7倍，表明生物炭在一定施用量范围内能够通过增加土壤毛管持水量而提高土壤有效水含量。田丹等[41 ]将秸秆炭和花生壳炭分别按5%、10%和15%添加比例施入砂土和粉砂壤土中进行水平土柱试验，结果显示，两类生物炭处理分别使土壤水分扩散率降低了52%～89%和83%～ 96%，从而显著提高了两类土壤的持水能力并有效控制水分入渗。

2.2   生物炭对土壤矿质养分生物有效性的影响

由于含有高浓度矿质元素、丰富的表面官能团以及较高的CEC值，生物炭在农业土壤中的施用将会在不同程度上提高土壤养分的生物有效性。首先，生物炭灰分中含有的水溶性矿质元素能直接提高耕作土壤中的营养元素总量和作物可利用态营养元素的含量[42 ]。田间微区试验发现，秸秆炭和竹炭的加入使稻田土壤速效磷含量分别增加了33.5%和29.3%，速效钾分别增加了98.5%和54.8%[43 ]。其次，生物炭能通过其表面酸性官能团和金属氧化物羟基化表面对矿质阳离子产生吸附与持留作用，从而有利于提高耕作土壤CEC值，减少营养元素的淋溶损失[44 - 47 ]。在土柱模拟降雨试验中，生物炭（2%添加比例）与N/P混施处理使N淋失量降至单施N处理的57.9%[48 ]。类似地，李际会等[49 ]在土壤中按2.5%～10.0%的比例添加Fe（III）改性生物炭，发现与对照相比，硝态氮和有效磷的淋失量分别显著降低20%～ 59%和45%～75%，表明生物炭能够有效降低土壤N、P的淋失量。第三，生物炭在土壤中持续发生的缓慢氧化反应能够通过生物炭表面含氧官能团的不断生成而提高土壤CEC值，从而对耕作土壤的可持续生产力产生调控效应。由刺槐树皮所制备的生物炭在30 ℃条件下与石英砂混合共育120 d后，其CEC值由起始140 mmol/kg升高至214 mmol/kg[50 ]。Laird等[51 ]研究发现，木基生物炭以5～20 g/kg的比例施入中温性典型湿润软土（Mesic Typic Hapludolls）中，共育500 d后，土壤有效阳离子交换量（ECEC）值较对照增加了4%～30%。

2.3   生物炭对酸化土壤的改良效应

自20世纪80年代至2008年，由于铵态氮肥的大量施用及酸雨沉降，导致我国六大类农业土壤pH平均降幅达到0.13～0.80[52 ]，这是我国农业土壤肥力质量快速退化的重要指征;同时，大量H+在土壤中的富集将加剧其中重金属水溶性、迁移性和作物有效性的升高。而生物质热解过程中产生的大量无机灰分使生物炭对于酸化土壤改良具有重要价值。张祥等[53 ]通过盆栽试验发现，花生壳炭（1%～2%）与底肥（改良Hoagland和Arnon肥料配方）配施可缓解或消除单施化肥对酸性红壤的酸化效应，单施底肥土壤在共育270 d后pH较对照降低了0.87，而底肥+ 1%生物炭混合处理土壤pH仅降低了0.21，底肥+ 2%生物炭混合处理土壤pH则提高了0.65。类似的，Yuan等[54 ]将不同原料制备的生物炭以10 g/kg的比例施入土壤，在25 ℃下共育60 d，发现在以油菜、稻草、玉米等非豆科作物秸秆为前体制备的生物炭处理下，土壤pH增加了0.18～0.66;而在以绿豆、花生、大豆等豆科作物茎叶为基质制备的生物炭处理下，土壤pH增加了0.59～1.05。与此同时，绿豆茎叶基生物炭使土壤的交换性酸度由5.95 cmol/kg（对照样）降低至2.62 cmol/kg，盐基饱和度较对照则增加了30.62%。

2.4   生物炭对土壤微生物区系的影响

生物炭较为发达的孔隙结构、对水肥的持留作用及其对土壤酸度的缓冲效应将直接影响土壤微生态环境，进而对土壤微生物群落結构、种群数量和活性产生调控作用[55 - 58 ]。Sun等[59 ]将玉米秸秆基生物炭（含5%黏土）按10%比例施入土壤中，进行室内盆栽大豆试验，30、60、120 d后分别收集土样，发现土壤中施加生物炭后会培育出更多真菌，并且会刺激周围细菌的生长，但是菌群数量的变化并不是一直升高：加入生物炭的土样真菌含量在前60 d不断升高，而从第120 d开始出现下降。Chen等[60 ]将小麦秸秆基生物炭以20、40 t/hm2施入水稻田中，在种植了两季水稻之后采集土样，发现细菌16S rRNA基因拷贝数分别较对照增加了28%和64%，而真菌18S rRNA基因拷贝数分别较对照降低了35%和46%。另外，在40 t/hm2生物炭处理的稻田土壤中，嗜甲基菌（Methylophilaceae）和嗜氢菌（Hydrogenophilaceae）丰度较对照降低了70%，而厌氧绳菌（Anaerolineae）较对照则增加了45%。以上研究表明，生物炭施入农田后极有可能改变土壤各类微生物数量、活性和群落组成，从而对土壤中由微生物驱动的C、N、P等矿质元素循环和形态转化产生影响，最终使耕作土壤肥力质量和功能发生改变。

2.5   生物炭对农作物产量和质量的影响

生物炭对土壤物理、化学和生物特性的改变将最终影响农作物产量和品质。研究表明，生物炭在农业土壤中的施用有利于提高多种作物产量，包括青菜、水稻、小麦、糜子、玉米、番茄、胡椒等。Steiner等[61 ]在亚马逊河流域进行田间试验，将木炭以11 t/hm2的比例与肥料混合施入土壤，发现该处理可使水稻和高梁产量提高到单施肥料的2倍;同时，该处理土壤中的C流失率仅为8%，远低于对照样土壤（25%）。张伟明等[62 ]采用盆栽试验，将玉米秸秆基生物炭以1%、2%和4%施入砂壤土中种植水稻，培育90 d后，各生物炭处理使水稻平均增产25.3%，其中以2%生物炭处理下的水稻产量最高，较对照提高了33.2%;与此同时，生物炭共育使水稻根系体积、鲜质量、总吸收面积和活跃吸收面积显著增加。张娜等[63 ]的研究表明，添加生物炭能够有效地提高农作物的产量。勾茫茫等[40 ]研究表明，生物炭能够促进番茄根系的发育和产量的提高，在添加量为40 g/kg土条件下，番茄根系主根长、主根直径、总根系鲜质量和产量分别是对照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。刘阿梅等[64 ]研究发现，生物炭添加量为10%时可明显促进圆萝卜和小青菜的生长发育，提高鲜重。

2.6   生物炭对土壤中有机污染物的吸附

生物炭的添加可影响有机污染物在土壤环境中的迁移转化，降低污染物的生物有效性。余向阳等[65 ]研究发现，添加生物炭的农田土壤，对农药的吸附量提高了5～125倍，且吸附56 d后的农药解吸率降低了96%。在土壤中添加5%生物炭对莠去津、乙草胺、毒死蜱等产生明显的吸附作用，添加1%生物炭处理的土壤六氯苯、五氯苯和1，2，3，4-四氯苯的残留率分别显著高于对照29.9%、18.0%、5.2%。

2.7   生物炭对连作土壤的影响

程效义等[66 ]研究发现，施用生物炭有利于改良连作设施土壤，促进黄瓜根系发育。顾美英等[67 ]研究表明，施用生物炭能提高新疆灰漠土和风沙土连作棉田根际土壤养分和微生物多样性。王枚等[68 ]的研究表明，施用生物炭能减少苹果连作土壤中有害酚酸类物质的积累，增强土壤酶活性，优化土壤真菌群落结构，提高连作条件下苹果幼苗的生长发育，对缓解苹果连作障碍有一定的效果。

3   结束语

生物炭独特的理化特性使其在稳定固碳的同时能够有效提高土壤持水保肥能力，有利于提高土壤营养元素利用效率，进而减少N、P外源输入与径流损失，并能对有机污染物产生吸附作用，改善土壤环境，提高作物产量和品质。在设施土壤、果树生产和经济作物连作土壤上施用生物炭均有改善连作障碍的效果。未来应加强生物炭在土壤连作障碍治理及其可持续性利用方面的研究。

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（本文责编：郑丹丹）