生物炭对土壤理化特性及作物产量的影响

何振嘉

[摘要]生物炭是指秸秆、木屑以及动物粪便等生物质在低氧或缺氧环境下通过高温热解而产生的含碳量丰富且性质稳定的有机物，由于其具有孔隙度大、密度小、比表面积大、吸附能力强、与土壤中离子交换能力强以及含碳量高等特点和优势，因此具有广泛的利用途径。生物炭对土壤理化特性的调节具有显著的影响，对土壤微生物生多样性和丰富度也有显著的促进作用，且有助于作物生长和产量的提高。因此，本文围绕生物炭施加对土壤理化特性、土壤微生物以及作物生长和产量的影响进行研究，以期丰富生物炭的利用途径，为生物炭的应用和推广提供一些思路。

[关键词]生物炭;土壤理化特性;土壤养分;作物产量

中图分类号：S513 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

土壤是作物生长和微生物进行物质分解、交换的重要场所，是保障粮食生产和粮食安全的重要保障[1-2]。近年来，随着生态环境不断受到污染，以及对耕地保护不重视、保护措施不到位，我国耕地的土壤质量不断下降。对此，我国通过大量的工程举措和农田管理行为来优化土壤质量，但取得的效果并不显著[3-5]。在长时间人类活动下，伴随化工污染、农业生产等行为产生各类重金属、固体废弃物、生活垃圾、废水废气以及农药化肥残留物，通过降雨淋溶、冲刷等作用进入土壤和大气中，通过生态循环系统引发严重的土壤污染。由于土壤理化特性以及生物学特性会受到土壤污染物的影响，甚至部分污染物造成的土壤污染是永久性且不可逆的。相关学者通过大量的研究发现，生物炭施用对土壤理化特性的调节具有显著影响，且有助于作物生长和产量的提高[6-8]。生物炭是指秸秆、木屑以及动物粪便等生物质在低氧或缺氧环境下通过高温热解产生的含碳量丰富且性质稳定的有机物[9-11]。生物炭含碳量一般可达到40%～75%，且含有少量矿物质，整体偏碱性，稳定性较强[12]。生物炭由于孔隙度大、密度小、比表面积大、吸附能力强、与土壤中离子交换能力强，还具有含碳量高等特点和优势，在众多领域都有广泛的应用[13-14]。

1 生物炭对土壤理化特性的影响

大量研究表明，生物炭对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用，张功臣等[15]使用小麦秸秆生物炭对连作土壤理化特性的影响进行了研究，结果表明，生物炭施加对提高作物全氮含量、全钾含量、速效氮和速效钾含量效果显著，但对于全磷含量和速效磷含量的影响不显著。张曼玉等[16]通过对石漠化土壤施加生物炭的研究发现，生物炭施加量对土壤总孔隙率、毛管孔隙率、土壤含水率、饱和含水率、土壤有机质以及土壤养分含量的变化呈显著正相关关系，而与土壤容重变化呈负相关关系。单瑞峰等[17]研究了不同生物炭原料对土壤持水性的影响，结果表明，灰分含量越大，各不同原料制备的生物炭pH值也越大，由鸡粪制备的生物炭对土壤养分的提高和土壤持水性能的改善效果最佳。王芬等[18]针对生物炭和牛粪混施对土壤理化特性的影响进行研究，发现不同比例的生物炭和牛粪混施用均可增加土壤有机质和土壤养分含量，对土壤理化特性的改善均有显著效果，而50%牛粪和50%生物炭混施对土壤理化性质的改善效果最好，且能显著促进土壤对氮素的吸收和利用效果。刘会等[19]以红富士和平邑甜茶制备的生物炭材料为试供肥料，研究了其对苹果园土壤理化特性和养分状况的影响，结果表明，生物炭用量的增加，可显著降低土壤pH值，显著增加土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，同时能够提高氮肥的利用效率。

2 生物炭对土壤微生物的影响

土壤微生物通过参与土壤有机质分解、腐殖质合成、养分转化等，能够对作物的生长发育产生显著的影响，而土壤中微生物群落种类和数量情况，往往可以作为评定土壤质量的一项重要标准。通过合理的田间管理以及施肥措施，能够改善微生物生存和活动环境。而众多学者通过研究发现，对土壤施加生物炭，也能显著促进土壤中微生物活性的提高，保持良性发展。蓝兴福等[20]通过对稻田土壤施加生物炭和炉渣混合物研究其对土壤微生物的影响，结果表明，生物炭和炉渣混施虽然在一定程度上提高了土壤中微生物数量，但并未达到显著性水平，而有机碳可以显著提高土壤中细菌数量。于小彦等[21]研究了生物炭添加对不同水分条件下土壤微生物群落结构的影响，结果表明，生物炭的添加会降低土壤微生物磷脂脂肪酸量，且会通过改变土壤理化性质而影响土壤微生物群落结构。土壤水分含量对微生物群落结构和生长有重要影响，在土壤水分含量为75%田间持水量的条件下，生物炭的添加会促进微生物生长，当超过75%田间持水量时，生物炭会对大多数微生物的生长产生抑制作用。

卢晓蓉等[22]研究了不同杉木凋落物生物炭添加量条件下对土壤微生物群落结构的影响，结构表明，生物炭施用可使土壤中的微生物总磷脂脂肪酸、细菌、真菌含量增加，且与施加量呈显著的正相关关系。3%生物炭添加量条件下，真菌、丛枝菌根真菌、放线菌、革兰氏阳性细菌以及革兰氏阴性细菌含量均达到最大值。张晟等[23]利用水稻秸秆制备的生物炭对土壤微生物群落结构的影响进行研究，结果表明，生物炭施加可降低CH4和N2O排放量，优化土壤微生物群落结构，但对CO2含量排放的抑制效果并不显著，当制备温度达到500℃时，生物炭抑制温室气体的排放效果最佳。张梦阳等[24]研究了生物炭添加对土壤细菌以及氨化微生物的影响，结果表明，施用生物炭后，黄棕土壤的微生物丰富度以及多样性均有显著提高，对于潮土而言，仅提高了其多样性指数，而对黑土并未起到显著影响。

3 生物炭对作物生长和产量的影响

土壤质量对作物健康生长和产量的提高具有决定性作用，因而通过各类措施提高土壤质量也是当前研究的一个热点问题。

现阶段，提高土壤质量的主要方式是土地翻耕以及化肥施用，但由于部分农户对肥料特性的了解不全面，对作物需肥特点的了解不彻底，化肥的施用往往会引发严重的污染问题，反而导致作物产量下降。基于此，大量学者围绕生物炭添加对作物生长和产量的促进作用进行研究，并取得了顯著成果。校康等[25]研究了添加生物体对小麦生长的影响，结果表明，生物炭添加可通过减少土壤中钠离子促进小麦幼苗生长，在增施生物炭量为4g/kg时，土壤钠离子量降低了9.43%，小麦幼苗的钾钠比和钾素利用效率分别提高了56.80%和25.48%，麦苗生物量增加了15.72%。宋婷婷等[26]研究了添加生物炭对小麦和黄瓜生长的影响，结果表明，生物炭添加虽然对黄瓜和小麦种子的发芽率具有显著的促进作用，但当生物炭添加量超过160g/kg时，会对小麦和黄瓜根、茎的生长产生抑制作用。南江宽等[27]研究了不同水分条件下秸秆生物炭对高粱生长的影响，结果表明，0.5%秸秆生物炭对增加高粱生物量具有显著的促进作用，而生物炭含量超过1%，时则会对高粱株高生长产生阻碍作用。孙海妮等[28]对冬小麦施加生物炭，研究了对其产量的影响，结果表明，小麦的水分利用效率和产量随生物炭施用量的增加表现为先增加后减少的变化，当生物炭量为30t/hm2时，小麦产量最大为18.1kg/hm2。房彬等[29]通过添加不同比例的生物炭研究了其对玉米生长和产量的影响，结果表明，生物炭添加使玉米籽实提高了7.6%～20.3%，玉米根茎叶生物量较不添加生物炭提高8.6%～46.8%。张云舒等[30]研究了风沙土添加生物炭对玉米产量的影响，结果表明，添加生物炭有利于改善风沙土的土壤养分和土壤肥力，生物炭施用玉米产量提高了10.2%～42.1%。

徐绮雯等[31]研究了不同梯度生物炭施加对油菜产量和品质的影响，结果表明，生物炭与化肥联合施用可显著改善土壤肥力状况，提升土壤微生物活性，促进微生物对碳源的利用程度和油菜增产和籽粒品质的改良。雷蕾等[32]研究了生物炭施加后控制灌排对水稻生长发育及产量的影响，研究发现，生物炭添加可显著提高水稻株高，缩短水稻节间长度、增大茎壁厚度及节间外径，并显著提高水稻的抗倒伏能力。董飞等[33]探讨生物炭施用量在不同浇水条件下对冬小麦的增产效果，结果表明，不灌溉条件下，小麦产量及水分利用效率随生物炭施用量增加先增加后减少，且能显著提高作物返青期土壤温度。

4 结 论

土壤污染是引起耕地质量下降的重要因素，严重的土壤污染会造成土地无法耕种，出现大量作物减产、绝收，甚至耕地撂荒现象，对我国粮食生产和粮食安全产生巨大威胁。将生物炭施加于土壤中，能显著调节土壤理化特性和改善微生物环境，有利于作物生长和产量的提高，具有广阔的应用前景。因此，本文通过研究生物炭施加对土壤理化特性、土壤微生物以及作物生长和产量的影响，以期为丰富生物炭利用途径以及为生物炭的应用和推广提供一定借鉴。 因此，利用生物炭进行土壤中重金属物质修复方面的应用同样具有广阔前景。

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