土壤属性和作物生长对生物炭施用的响应和反馈研究进展

李 毅, 冯 浩， 梁嘉平， 陈 克， 陈俊清， 梁志杰， 姚 宁，3

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所中国农业科学院农业水资源高效安全利用重点实验室，河南 新乡，453002；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌，712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌，712100；4.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌，712100)

农田土壤的结构、水力性质、养分运移影响作物的生长发育和产量形成。农业生产实践技术的提高和科技的快速发展为粮食安全提供了重要的保障。然而，目前农业生产的发展仍然受多种因素的影响，变化环境下干旱-半干旱地区水资源短缺，各种气象和农业系统灾害和极端事件发生频繁，中低产田养分匮乏等都对农业系统的稳产增产造成了不利影响，不利于粮食增产。提高中低产田所种植作物的水分利用效率和经济效益，始终是干旱-半干旱地区农业高效用水和优质生产迫切需要解决的问题。目前在农业生产中，有多种中低产田改良方法，包括工程、水利、农业、生物和植物修复及化学改良措施等，旨在最大程度保持土壤质量和优化环境，以满足作物生长需求。生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧条件下，经过300～1 000 ℃高温热裂解后产生的含碳量极其丰富的有机物。生物炭本身含有大量的碳，可以显著增加土壤有机质含量，稳定土壤结构，优化土壤物理结构；生物炭是一种良好的养分载体，可以提供基本的土壤矿物质养分(P、K、Ca和Mg)；生物炭不仅能提高土壤阳离子的交换能力，还可提高土壤养分的利用率，促进植物对养分的吸收，进而减少因淋溶引起的养分流失；生物炭还可改善土壤微生物学特性，增加土壤中微生物数量；更重要的是，生物炭结合其他农田管理措施(覆盖、施肥、膜下滴灌等)能使农业增产，从而有利于社会经济发展。

由于生物炭对土壤和作物生产具有改善效应，近年来国内外在利用生物炭改善土壤质量及提高农业产量方面进行了大量的研究和尝试，获得了非常多的成果。本文从土壤物理性质、化学性质及作物生长对生物炭的响应和反馈方面入手，梳理和总结目前生物炭在农业系统中应用的最新进展，从而揭示农田土壤属性和作物生长对生物炭的响应和反馈机制，以期为生物炭在农业生产中进一步应用提供参考。

1 土壤物理性质对生物炭施用的响应

1.1 土壤容重

土壤物理性质包括土壤容重、孔隙度、土壤水分、土壤温度等，这些土壤物理性质是反映土壤健康的重要指标。其中土壤容重反映土壤的紧实程度，与土壤孔隙度有密切关系。由于生物炭自身的容重显著低于土壤的容重，以往研究结果比较一致地表明，施用生物炭可以降低土壤容重约8%～11.2%，而且降低幅度和被施用土壤的性质、生物炭施用量、生物炭自身属性、试验条件及生物炭施用年限都有关系。刘祥宏通过研究不同生物炭施用量(0，4，8，16 g/kg)对黄土高原5种土壤(塿土、黑垆土、黄绵土、沙黄土和风沙土)容重的影响发现，生物炭施用量越高，降低土壤容重的效果越显著。Githinji将生物质炭与砂壤土按不同体积配比混合处理发现，施用25%生物炭的土壤容重与对照组相比降低了18%。孟繁昊等研究表明，施加生物炭(8，16，24 t/hm)使0—20 cm土层容重降低1.19%～11.18%。李倩倩等通过连续5年的试验研究发现，随着年限的延长以及生物炭施量的增加，20—30 cm土层的土壤容重显著降低。然而，另有研究表明，生物炭对土壤容重的影响因土壤有机质含量不同而产生不同效果。Herath等指出，施用生物炭能够显著降低有机质含量低土壤的容重，但不会减小高有机质含量土壤的容重，该结论也先后被Tammeorg等和Moragues-Saitua等证实。总体上，由于受到外部环境、生物炭来源和土壤本身质地结构等具体条件的影响，生物炭对土壤容重的调控机理较复杂，这种复杂性不仅涉及土壤容重等物理性质，也对土壤化学性质及作物生长—产量等构成潜在影响。

1.2 土壤孔隙度

施用生物炭改变了土壤容重，从而影响土壤孔隙度。生物炭改善土壤孔隙的机制归因于高孔隙度生物炭材料的孔隙贡献、通过产生堆积或孔隙来修饰孔隙系统及改善整体稳定性。经过生物炭改良后的土壤主要表现为微、中和宏观孔隙度的增加。将25 t/hm的生物炭添加到粉砂壤土中能够使0—10 cm 土层的土壤总孔隙度显著提升6.4%，且同时增加大孔隙度和微孔隙度，随着生物炭施加量的增大，土壤孔隙度呈线性增加的趋势。特定情况下生物炭的添加不改变土壤的总孔隙度，但对土壤的孔隙组成产生一定的影响，降低大孔隙比例而显著提高中孔隙的比例，继而对作物生长产生积极作用。

1.3 土壤水力性质

已有研究表明，施加生物炭对土壤有效含水量、田间持水量以及凋萎系数具有积极的作用，而且这种增加与生物炭降低了土壤容重同时增加了孔隙度有直接关系。生物炭的粒径、比表面积、施用量等均可影响土壤的保水能力。施用粒径为1～8 μm的生物炭可最大程度地增加0.06 m/m的水分，从而增加土壤的保水能力。较高比表面积且粒径为1～2 mm的生物炭可提高沙质土壤的田间持水量。生物炭施加量22.5 t/hm可使土壤有效水提升28.8%。王浩等研究表明，随生物质炭比例增加，土壤的吸水系数、凋萎湿度、田间持水量和饱和含水量都有所增加。Githinji在向壤质砂土中施加生物质炭的试验中发现，当生物质炭施用量超过25%后，继续增加生物炭施用量，会使累积入渗量呈线性下降。Liang等基于3年大田试验，系统地研究了连续施用生物炭对土壤水分分布和储水量的影响，结果表明，生物炭施用量为22 t/hm对土壤储水有最佳效果，生物炭施用量过高(100 t/hm)导致土壤储水量降低。

生物炭较高的孔隙度和比表面积对土壤水分的时空分布、运动规律(包括入渗、蒸发及再分布等)产生影响。在一定程度上添加生物炭和炭基肥能够提高垂直土柱中土壤的持水性能。此外，生物炭在一定程度上降低了土壤水分的淋滤与运移。当土壤含水率较低时，添加生物炭会抑制土壤水分扩散。生物炭对土壤的水力特性也有影响，已有研究表明，施用生物炭可增加表层土壤饱和导水率和不同质地土壤的水分扩散率。然而，也有研究表明，生物炭对土壤饱和导水率无显著影响。

1.4 土壤温度和热性质

热性质包括土壤热容量、导热率和导温率等。生物炭呈黑色，施用后明显加深土壤颜色，从而增加土壤吸收热量，降低地表反射率，改变土壤温度。与对照相比，生物炭可使地表温度增加31.3%～58.1%，且生物炭施用量与土壤温度之间呈显著的正相关关系。施加生物炭后土壤的容重增加，降低土壤的热扩散率和热导率，降幅达3.48%～7.49%，这也是生物炭影响土壤温度的原因之一。添加生物炭还可以调节土壤温度的波动和温度极值，削弱热胁迫。然而，以往对生物炭影响土壤热性质的结论并不统一，Ventura等发现，施用生物炭增加了表层土壤温度，但未显著影响7.5 cm深度的土壤温度。生物炭对土壤温度的影响是一个多因素综合作用的结果，其影响机制并未深入揭示，还需要进一步的研究。

2 土壤化学性质对生物炭施用的响应

2.1 土壤盐分

土壤盐分含量高引起的土地质量退化是限制作物生产和农业可持续发展的主要障碍。已有研究表明，施用生物炭能缓解微咸水灌溉条件下土壤盐分表聚现象，对土壤具有一定的降盐作用，避免盐胁迫造成离子毒害，减轻作物受盐胁迫的程度。对玉米田，当生物炭施用量为30 t/hm时可起到有效的节水降盐增产效果。校康等研究发现，施用生物炭可使土壤溶液中的Na离子降低9.43%，且在4 g/kg的生物炭处理下降盐效果最为明显。Zhao等研究表明，施用生物炭可增加盐渍化土壤阳离子交换量，进而降低土壤盐分和钠离子含量。此外，施用生物炭能够通过调节土壤的养分状况，克服盐分对土壤和作物的有害影响。

由于施用生物炭有降低土壤容重、增加土壤饱和导水率的效果，因此土壤物理性质改善将增加盐分的淋洗效果，降低土壤钠吸附比，减轻盐分胁迫。但同时由于生物炭携带一些化学物质进入土壤，因此随着生物炭施用量的增加，土壤电导率也随之增加。但由于生物炭可降低土壤容重、增加土壤孔隙度和土壤导水能力，因而又能促进土壤盐分的淋洗。Zhang等研究证实，施用生物炭可大大降低土壤电导率以及可交换Na、Cl含量，进而减轻盐胁迫对水稻幼苗的抑制作用。

2.2 土壤pH

生物炭的来源、是否酸化、施用年限及施用量决定了施用后的pH变化幅度。生物炭能够有效地调节土壤pH，其调节效果取决于生物炭和土壤pH的差异，若前者大于后者，则土壤pH增加，反之则土壤pH降低。生物炭施用年限越长，土壤pH的增加越趋于弱化。Kannan等通过连续3年的田间试验发现，施加生物炭最终增加了土壤的pH。Jin等通过连续5年的田间定位试验研究发现，施入生物炭第1年后，土壤pH显著增加，且40 t/hm的生物炭处理可使土壤pH增加0.53，但随着施用年限的延长，pH明显降低，尤其第5年40 t/hm生物炭处理的pH降低最多。张明月研究表明，当生物炭施用量与土壤的体积比超过2/3时，可使棕壤土与褐土的pH分别增加0.44和0.30。Aamer等发现，施用生物炭可将酸性土壤的pH从5.48提高到6.11。陈乐等研究指出，生物炭施用量越高，对酸性土壤的pH提高幅度越大，特别是50 g/kg的生物炭使4种酸性土壤pH分别提高0.68，0.97，1.29，1.71。

2.3 土壤养分

氮、磷和钾是作物生长的重要营养元素。生物炭能够吸附土壤中的NH和NO，进而减少土壤氮损失。Esfandbod等研究表明，应用低pH的生物炭能有效降低盐碱地或苏打土中的NH挥发，以提高氮的保留和使用效率。生物炭能够显著增加表层土壤养分含量，且随着生物炭施用量的增加，有机质含量呈线性增加趋势，而有效氮、有效钾和有效磷呈先增加后减小的趋势。但由于生物炭施用成本高，因此不宜高量施用，20 t/hm的施用量能获得土壤养分含量的最大值，施用量较大时，会造成土壤氮损失。

磷素的有效性直接受土壤pH和有机物含量的影响，且pH在5.0～7.5是磷的最佳释放范围，土壤pH>7.0的土壤中有效磷减少。盐渍土限制了土壤磷的有效性，而生物炭可以作为磷肥增加盐渍土的有效磷，提升磷的有效性和作物吸收磷素。da Silva Carneiro等研究表明，生物炭基肥料可以在短期和长期完全或部分替代传统的可溶性磷肥，提升土壤磷的有效性和磷利用率，促进植物对磷的吸收。生物炭为土壤提供了可溶和可交换磷，通过影响磷相关的络合和代谢作用来提高内生土壤磷的利用率，改善土壤对磷的吸附，有助于扩大土壤磷库，增加其利用率，并减少淋失。

我国土壤有效钾含量低，钾的利用率不高，且过量施肥增加了环境污染和经济损失风险。施用生物炭能够增加钾的有效性，2%的生物炭能够替代40%的常规钾肥，加速缓慢利用的钾向可用钾转化。

3 作物生长对生物炭的响应和反馈

植物在土壤中的生长是一个复杂的过程。根系在植物对水分和养分的吸收、化合物的生物合成和储存以及与土壤环境中的非生物和生物因子的相互作用中起至关重要的作用。健康的土壤中植物生长良好；而问题土壤则阻碍水分和养分的吸收并抑制植物生长。类似土壤属性，作物生长对生物炭也有其响应和反馈。由于作物种类多，篇幅所限，以下将以棉花为主评述作物生长对生物炭的响应和反馈。

3.1 棉 花

棉花是重要的经济作物。适量生物炭使其长势更好、产量更高；而过高施量既不经济，又不利于产量提升。近年来生物炭对作物生长影响的研究集中于生物量、生长指标和产量上，部分研究涉及作物养分利用效率。王荣梅等研究表明，10%的生物炭施量可倍增喀什绿洲灌淤土的田间持水量；在混合施用方式下，生物炭显著提高棉花产量；5%的施量提高皮棉产量26%。苏倩等研究表明，施用生物炭可提高棉花生物量和养分吸收量。李琦等研究表明，施用生物炭能够使棉花的干物质和氮素吸收分别增加9.2%～17.3%和29.5%～48.8%，且随施用量增加，棉花的干物质也逐渐增加。田晓飞研究表明，生物炭能够提升棉花花期和铃期叶片的叶绿素相对含量、净光合速率、蒸腾速率和棉花产量。侯艳艳等在新疆灰漠土开展田间试验发现，添加棉秆生物炭相对对照组能明显提高棉花产量7.9%～21.3%，棉花茎粗、株高及生物量等虽然有所提高，但效果不显著。Wu等研究表明，1%的生物炭施用量可增加棉花的芽、铃和有效果枝数，且当75 mg/kg的KO与1%的生物炭结合时最有利于提高棉花产量、农艺效率和经济效益。凌遵学等研究表明，施用生物炭基尿素能延长棉花的生育期，提升棉花株高、单株果枝数、单株结铃数、单铃重和棉花产量。Qayyum等发现，施用生物炭不仅使棉花株高增加11.71%～22.47%，单株铃数增加0.74%～13.75%，平均铃重增加35.44%～36.22%，籽棉产量提高14.48%，而且还可使棉花的纤维长度和马克隆值分别增加4.3%和24.5%。此外，生物炭的合理施用也有利于减轻棉花病虫害。

3.2 其他作物

甜菜是重要的糖类作物，其经济价值很高。施用生物炭可减轻甜菜幼苗受除草剂的毒害，促进甜菜的植株生长，改善甜菜的根系形态、增加根冠比和甜菜的含糖量。施用生物炭还可增加碱胁迫下的甜菜出苗率、块根产量、含糖率和产糖量。生物炭和氮肥配合施用，不仅增加甜菜的出苗率，还可提升甜菜各生育期内叶片和块根的干物质量，增加甜菜的光合速率和叶绿素含量，进而提高甜菜的产量和含糖量。

在生物炭对玉米生长的影响研究方面，Xia等认为，氮肥与生物炭配合使用对改善玉米的氮素利用效率和促进土壤质量具有积极的作用，生物炭不仅增加了土壤养分和有机质，还使植物的氮利用率提高11.08%，根的δN含量从11.97 mg/kg增加到21.3 mg/kg，芽的δN含量从50.8 mg/kg增加到82.3 mg/kg。屈忠义等采用3种不同的改良措施(包括施加生物炭22.5 t/hm、脱硫石膏和秸秆还田)研究了盐渍土上种植葵花产量的差异，结果表明，生物炭更具优势、增产率最高，达32.28%。在生物炭对作物根系的影响方面， Xiang等对136篇文章的2 108对观察结果进行了分析发现，施用生物炭可以使植物根系的生物量、根系体积、表面积、根长、根尖数及根直径分别增加32%，29%，39%，52%，17%，9.9%。除了对作物的生长有正面影响外，生物炭施用后也可能降低作物产量。然而Spokas等指出，只有50%的研究中生物炭使作物增产，而其余50%的研究显示其对作物增产没有影响，甚至减少了作物产量。

生物炭影响作物生长的主要原因有：(1)生物炭含有一定成分的灰分，可为作物生长提供氮、磷、钾等养分;(2)大多生物炭呈碱性，可有效降低土壤的酸度，缓解重金属胁迫，提高作物的生产效率；(3)适量生物炭添加可以有效提高土壤的持水性能，缓解旱田作物的干旱胁迫，提高作物产量；(4)生物炭还与土壤中微生物协同作用，改善根系微生物的群落环境，促进根系发育，对作物生长有积极作用。

4 生物炭施用的关键技术参数

生物炭施用的方式、年限、施用量等技术参数的变化导致施用效果差异明显。合理的生物炭施用量对作物生长有明显的促进作用，当施用量过高会显著抑制作物生长。Li等研究表明，与40 t/hm施用量相比，20 t/hm的生物炭处理可获得最高的作物产量。勾芒芒等和Li等分别通过盆栽和田间试验研究指出，在40 t/hm生物炭施用量下番茄地上生物量、产量、水肥生产力以及经济效益显著高于60 t/hm的施用量。Jin等开展了不同生物炭(0，5，20，40 t/hm)与氮肥(0～120 kg/hm)结合对油菜籽和红薯产量的影响试验，结果表明，当生物炭和氮肥的施用量分别为11.4 t/hm和102 kg/hm时可获得最高作物产量和净收入。梁嘉平通过对南疆重度盐碱地连续3年施用生物炭(0～100 t/hm)进行研究，推荐10 t/hm作为棉花和甜菜经济效益最高的合理施用量。Reyes-Cabrera等在添加生物炭和酒糟情况下分析了棉花-花生轮作与甜高粱的产量和土壤含水量等指标，认为30 kg N/hm结合5 t/hm生物炭是最佳组合。综合来看，最佳生物炭施量依不同的作物类型、土壤及气候条件而变化，推荐25 t/hm以下为经济效益最佳的生物炭施量，此外，结合施肥及其他耕作措施有益于同时提高土壤养分和作物产量。

5 结论与建议

本文通过对比国内外生物炭相关的研究进展，发现生物炭的施用对土壤物理性质(包括容重、孔隙率、水分和温度)、化学性质(pH、盐分)及作物生长和产量有正效应。合理的施用方式、年限、生物炭来源可促进作物的生理生长和发育过程，从而可获得最佳产量和经济效益。然而，由于生物炭自身的理化性质较为复杂，加上不同研究者的试验条件有很大差异，土壤、气候、作物类型等具有较大的区域差别和时空变异性，土壤属性和作物生长对生物炭施用的响应和反馈规律不同，甚至施用生物炭对同一土壤属性或作物类型的影响，结果并不一致。大部分结果证实，土壤属性和作物生长对生物炭具有正响应。目前相关研究成果虽然非常丰富，但在生物炭对土壤环境的调控和作物促生机理方面的观点不一致，今后应在机理机制研究方面进行重点研究和分析，在生产实践中需注意因地制宜制定施用策略。建议将生物炭与其他施肥、灌溉、田间管理措施有效结合，合理制定施用方式、年限及施用量，为我国粮食安全作出更大的贡献。