生物炭对土壤肥料的作用及应用前景研究

吕慧捷 周鸿淼 王向未 付国胜

摘 要：将生物炭运用到农业生产中，可有效改善土壤质量，为农业生产提供肥料，改善土壤的理化性质，满足现代农业的需求。以生物炭为研究对象，对生物炭在土壤肥料中的作用进行了详细研究，结合当前的研究现状，分析了其未来的应用前景。

关键词：生物炭;土壤肥料;农业;未来

文章编号：1004-7026（2020）18-0096-02         中国图书分类号：S158        文献标志码：A

对于农业生产来说，土壤是开展农业活动的基础条件。在实际的农业生产中，常常出现土壤肥力不足的现状，严重制约了农业的可持续健康发展。为了保障现代农业生产持续发展，必须要维持和提高土壤肥力。施肥是人为增加土壤肥力最直接和有效的措施。在诸多种类的肥料中，生物炭作为一种新型的有机肥料，在提升土壤肥力方面具有不可替代的作用。

1  生物炭特性分析

生物炭属于一种多功能材料，已经在各个行业和领域中得到了广泛应用。生物炭是一种固体材料，是在缺氧或无氧的环境下进行高温裂解，最终产出的一种富含碳元素的物质。从生物炭原材料的来源进行分类，生物炭可分为木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭、动物粪便炭等多种类型;从生物炭的组成元素来说，生物炭是由少量矿物质、大量碳物质、挥发有机物共同构成，属于一种碱性炭。

结合生物炭自身的特性，将其应用到农业、环境资源和林业中，可提升土壤的肥力和质量，最大限度促进农业生产。生物炭表面积大且疏松多孔，具有极强的吸附性。

生物炭主要为芳香化结构，具有极强的固碳能力，表面具有丰富的官能团，能直接与土壤固相组分之间相互作用。生物炭在形成过程中，受原料和热解条件的影响，其理化性质呈现出差异性，可发挥出不同的作用。基于生物炭的特性，将其应用到土壤中，可改善土壤pH值，增加土壤水分和有机质含量，进而提升农作物产量[1]。

2  生物炭对土壤肥料的作用分析

将生物炭应用到土壤中，可显著提升土壤肥力，改善土壤质量。具体来说，生物炭对土壤肥料的作用集中体现在以下4个方面。

2.1  改善土壤的微生物数量和活性

土壤微生物正常的代谢活动是维持生态系统功能的重要保障，在物质循环和能量流动过程中发挥着核心作用。

将有机物料作为生态系统中重要的碳源及养分施入土壤后，能够改变土壤微环境，使土壤中微生物的数量、活性及群落组成发生变化，影响微生物的活动，进而影响土壤氮素循环[2]。其中，与施用其他有机质的影响相比，施用生物炭对土壤微生物的影响差异较大。

生物炭的孔隙结构能够为微生物生存提供附着位点和较大空间，同时生物炭的高芳香烃结构也容易成为土壤微生物的栖息地[3]，能为微生物生长提供养分，从而增加土壤中微生物的数量[4]。另外，生物炭不仅能够改变土壤环境（如营养组成、pH值、水分等）[5]，使土壤中优势菌群发生变化，改变群落的组成和结构，还能够提高微生物群落的呼吸代谢速率，改善微生物对基质的利用效果，使土壤中的真菌和革蘭氏阴性菌的生物量显著增加[6]。

有研究指出，随着生物炭施入量的增加，微生物的基础呼吸作用、微生物生物量、微生物功能均呈线性增加[7]。

例如亚马孙的黑土与西部原始森林中的土壤细菌群落比较相似，但是多样性提升了约25%，而且土壤中固氮菌的数量也在生物炭的作用下得到了明显提升，这就使得土壤农作物根部的真菌繁殖能力逐渐增强，土壤中微生物的数量和活性增加，提升了土壤肥力[8]。

2.2  利用生物炭改善土壤的物理性质

生物炭本身具有多孔的特性，其空隙之间的距离较大，具有极强的亲水性。结合生物炭这一特性和优势，将其应用到土壤中，可达到疏松土壤、降低土壤板结程度的效果，最终提升土壤肥力，为农业生产提供坚实基础。

生物炭可调节土壤含水量，因为生物炭的多孔性利于保持水分，可以保障土壤肥力4大因子中的水分要求。同时生物炭可以吸附某些污染物，降低污染风险，保持土壤肥力[9-10]。

2.3  借助生物炭改善土壤的化学性质

将生物炭应用到土壤中，可以有效改善土壤的化学性质。生物炭可以改善土壤酸碱性，提高酸性土壤的pH值。近年来，农田土壤生态系统温室气体氮氧化物（NxOy）排放剧增以及农田氮素养分淋失引发的水体富营养化等一系列重大环境问题频发。将生物炭作为土壤改良剂输入后，一方面可以利用其高孔隙特质吸附持留氮素，另一方面可以通过阳离子的交换作用吸附土壤氮素，减少氮素淋失，使可溶性氮在土壤中持续而缓慢地释放，达到保持土壤肥力的效果。这是其成为研究热点的原因之一[11-13]。

2.4  生物炭的作物效应分析

生物炭对地上植物氮素吸收的影响结果并不一致。有研究发现，在热带农田作物生态系统中施加生物炭能够促进地上部分植物对氮素的吸收，增加作物产量[14-15]，这可能是由于生物炭改善了酸性土壤环境、降低了Al毒性、增强了阳离子交换量等。

在日本和哥伦比亚的土壤中，生物炭可增强氮素的可利用性，促进植物对氮素的吸收。在肯尼亚的土壤中，虽然添加生物炭有利于作物生长，但并没有促进植物对氮素的吸收[16-18]。

3  生物炭对土壤肥料的研究展望

在当前的生物炭研究中，对其具体的用量没有形成统一标准，制约了生物炭的应用效果。地域不同，土壤类型不同，生物炭的施用量也有所不同。另外，可以将生物炭与其他肥料配合使用，使两者之间相互融合补充。因此，在生物炭应用研究中，必须要对生物炭与其他肥料配合使用时的比例进行深入研究[19-20]。

要进一步加深生物炭的长效性研究。当前的生物炭研究大多偏向于短期性特征，并且部分生物炭的特性都是在实验室中得出的。对生物炭在土壤中的具体应用效果，则需要长时间持续研究。因此，未来研究生物炭的过程中，必须要加强生物炭的长效性研究，为生物炭在土壤中更好地应用奠定坚实基础[21-22]。

4  结束语

在农业发展过程中，要充分发挥生物炭的积极作用，提升土壤质量，为农业生产奠定良好的基础。要认识到应用生物炭可对土壤微生物、物理性质、化学性质和农作物产生较大作用，进而提升土壤肥力。要立足于生物炭对土壤肥料的研究现状，明确未来的研究思路，使生物炭在土壤中得到更好的应用。

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