生物炭施用对土壤中蚯蚓的影响※

●吴 玲 张孟豪 钟鹤森 侯舒雨 林晓钦 Cevin Tibihenda 戴 军 张 池※※

（1.华南农业大学资源环境学院 广东 广州 510642；2.国检测试控股集团京诚检测有限公司 广东 广州 511400）

蚯蚓作为土壤中生物量最大的土壤动物，被认为是“生态系统工程师”，对土壤的结构和功能产生深远影响[1-2]。蚯蚓能够通过取食、掘穴和排泄分泌行为，将地上部有机物质与土壤混合，改变土壤孔隙率、空气和养分含量等性质，整体改善土壤的物理、化学和生物学性状，提高土壤质量，促进土壤生物多样性，有助于地上部植物的生长[1-4]。因此，蚯蚓长期以来被作为表征土壤健康的重要指标[5-6]。另外，蚯蚓作为一系列哺乳动物、鸟类、爬行动物和两栖动物的食物来源，是食物链的组成部分，其自身的改变也会对生态系统产生影响[7]。

生物炭是生物质材料在缺氧状态下热解形成的细粒度、多孔性的固体残留，其主要成分是难分解的芳香族有机碳、灰分[8]。由于其不易分解的特性，制备生物炭被认为是一种增加土壤碳封存以应对全球气候变化的技术。同时，生物炭拥有大比表面积和高孔隙率，具有极强的吸附效应，已广泛用于重金属和有机污染土壤的修复中[9]。此外，生物炭含有大量灰分，被视为一种养分补充剂，施用于农田中能够促进植物生长[10]。生物炭的制备作为一种良好的有机废弃物处理手段，施用到土壤中能够影响土壤物理和化学特性，改善土壤质量，提高土壤碳封存，调节气候变化[11-12]。生物炭在碳封存、提高土壤肥力和土壤污染修复中意义重大且效果良好，但有报道显示土壤中施用生物炭会对蚯蚓造成伤害[13-19]。

蚯蚓作为生物量最大的土壤动物，对土壤生态系统意义重大，且蚯蚓受到的影响可以通过食物链传递到其他物种并最终波及整个生态系统。然而，生物炭对蚯蚓的影响研究十分有限。本文从蚯蚓的生态特征、生物炭的特征及对土壤的作用等方面对现今的研究成果进行综述，以期为未来的研究方向提供建议。

1 蚯蚓

蚯蚓依据生态类型可分为表栖型、内栖型和深栖型。表栖型蚯蚓在地面和0～5 cm的浅土层活动，主要取食地面凋落物，吞食少量表层土壤；内栖型蚯蚓在0～20 cm的土层活动，取食有机质含量较高的土壤颗粒；深栖型蚯蚓在更深的土层中活动，取食地面凋落物的同时吞食大量土壤形成纵深孔道[1-3]。不同种类的蚯蚓虽然生态类型不同，但存在相似的特征。蚯蚓都会取食有机质和微生物含量丰富的土壤，且大多数蚯蚓都在土壤中栖息。因此土壤环境的改变也会影响到蚯蚓的生存。土壤密度、含水量、pH值和污染物含量等土壤特性的变化会显著影响蚯蚓的生存生长和繁殖，进而对土壤生态系统和食物链造成一系列影响[7]。

2 生物炭

生物炭由生物质材料在缺氧条件下高温热解产生，秸秆、畜禽粪便和污泥等有机废弃物都可作为原材料进行生物炭烧制[20-21]。从这个角度讲，烧制生物炭可以作为一种有机废弃物处理手段，使废弃物减量化和资源化[22]。生物质材料在高温缺氧条件下持续数小时，最终得到多孔性的颗粒状黑炭，其主要成分是大量难分解的芳香族有机碳、少量易分解的有机碳和矿质养分[23]。生物炭有机碳丰富、疏松多孔且矿质养分丰富的特性，使其能够同时兼顾土壤固碳和土壤理化性质的改良。影响生物炭特性的主要因素有热解温度和材料来源等。生物炭特性不同，对土壤产生的影响也不尽相同[24]。

2.1 原料来源

生物炭原料来源广泛，农作物秸秆、畜禽粪便、食品加工废弃物和园林废弃物都可作为原料制备生物炭[25]。不同原料来源的生物炭性质差异显著。

不同原料制备的生物炭，碳、氢含量不同。碳含量介于31.8%～90.1%，整体呈现为木材生物炭＞果皮生物炭＞甘蔗渣生物炭＞干藻生物炭＞芒草生物炭＞沙蒿生物炭＞秸秆生物炭＞畜禽粪便生物炭[26-28]。氢含量介于0.25%～36%，畜禽粪便生物炭的氢含量显著高于秸秆生物炭和木材植物炭等生物炭[26，29-30]。生物炭的摩尔氢碳比表征碳的芳香化程度，摩尔氢碳比值越低，芳香化程度越高，越难分解。生物炭摩尔氢碳比（H/C）介于0.036～9.619，不同原料来源生物炭摩尔氢碳比（H /C） 整体呈现为食品加工废弃物生物炭＜木材生物炭＜秸秆生物炭＜畜禽粪便生物炭，在土壤中的难分解程度整体呈现为食品加工废弃物生物炭＞木材生物炭＞秸秆生物炭＞畜禽粪便生物炭[26，29-30]。

不同原料制备的生物炭灰分含量介于2.8%～27.6%，其中秸秆生物炭灰分含量高于木炭数倍。灰分含量与氧化硅成分密切相关，并影响生物炭疏水性及化学持留性。灰分含量越高，对土壤盐分含量提高越明显，可能对土壤产生不良影响，秸秆生物炭对土壤盐分含量的提高显著强于木材生物炭[26，29-32]。

生物炭一般为碱性，碱性来源主要为原料所含的钾盐和钙盐，生物炭表面的硅酸盐、碳酸盐、酚基、羧基和羟基。生物炭碱性过高会导致土壤pH剧烈提升，不同原料制备的生物炭对土壤pH的改变整体呈现为秸秆生物炭＞畜禽粪便生物炭＞木炭[26，29-30]。

不同原料来源的生物炭的比表面积也差异巨大，导致其在土壤中的吸附能力也不尽相同，其中木材生物炭比表面积和吸附能力都高于秸秆生物炭[26，33-34]。除此以外，原料来源不同导致生物炭中氮、磷、钾、钙等元素含量也有所不同。原料来源显著影响生物炭的产率，灰分，碳、氮、磷、钾、钙含量，酸性碱性官能团数量，芳香化结构，孔隙度及比表面积等理化性质，进而对土壤环境造成不同的影响。

2.2 热解温度

热解温度显著影响生物炭产率和理化性质。Novak等[35]使用花生壳、核桃壳和柳枝在250～700℃的温度下生产生物炭，结果发现更高的热解温度导致更低的生物炭质量回收、更大的比表面积、更高的pH和灰分含量。在较高的热解温度下，挥发性化合物散失也导致生物炭具有较高的碳百分比和较低的氢和氧含量。Yuan等[36]研究了油菜、玉米、大豆和花生秸秆在不同温度（300℃、500℃和700℃）生物炭的碱形态，生物炭的碱度和 pH 值随着热解温度的升高而增加，碳酸盐是高温生成的生物炭的主要碱性成分。王煌平等[37]以鸡粪、猪粪渣和牛粪为原料，在350～750℃条件下制备生物炭，随着温度提高，生物炭灰分、pH电导率、盐分和全量磷钾含量逐步上升，产炭率下降。刘杰等[38]使用稻壳和棉花秸秆在不同温度下烧制生物炭，热解温度越高，对Pb2+的吸附效果越好。马洁晨等[39]以龙虾壳为原料，在300～600℃条件下制备龙虾壳生物炭，随着温度升高，生物炭产率下降、pH提高、孔径增大、芳香性提高、灰分含量提高。闫代红等[40]以稻秆和杉木凋落物为原料，在不同温度下制备生物炭，随着热解温度的升高，生物炭pH上升显著，高温制备的生物炭芳香化程度升高，稳定性增强。

整体而言，不同热解温度制备的生物炭组分和理化性质差异巨大。组分方面，随着热解温度上升，生物炭芳香族碳含量提升，在土壤中被分解更加难；灰分含量提高，进而导致土壤盐分含量提高。物理性质方面，生物炭微孔体积、孔隙度、比表面积等随着温度上升变大，其在土壤中的吸附能力增强。化学性质方面，随着热解温度上升，生物炭酸性官能团减少，碱性官能团增加，导致生物炭pH持续上升呈碱性，将其施用到土壤中会导致土壤pH剧烈提高。

3 土壤施用生物炭对蚯蚓的影响

3.1 直接影响

生物炭的主要成分——芳香族碳和灰分无法成为蚯蚓的食物来源，而蚯蚓在土壤中的取食和掘穴行为会被动接触和摄入生物炭进而造成物理损害，造成短期内蚯蚓的快速死亡[14]。然而有研究结果显示，湿润的生物炭能够避免蚯蚓的死亡，只使其减重。Li等[41]接种蚯蚓到混有苹果木生物炭的土壤中进行回避试验、生长和繁殖试验及氧化应激试验，以评估苹果木生物炭改良土壤的潜在毒性，结果表明水分不足可能是生物炭影响土壤中蚯蚓行为的关键因素。土壤中施用生物炭后立即湿润能够有效避免生物炭导致的蚯蚓快速死亡，而只使其减重[14]。

不同材料来源和热解温度制备的生物炭对蚯蚓的影响也不相同。材料来源不同，制备的生物炭性质不同。Liesch等[42]发现畜禽粪便制备的生物炭因pH、含盐量、含铵量过高会对蚯蚓造成毒害，甚至是死亡，而以松木为原料制成的生物炭对蚯蚓未产生显著的毒害作用。随着热解温度升高，生物炭易分解碳含量逐渐降低，芳香族碳和灰分含量提高，在土壤中会对蚯蚓产生更强的毒性。唐行灿[43]发现700℃条件下制备的玉米秸秆生物炭对蚯蚓的毒性强于350℃ 生物炭。生物炭拥有大比表面积和高孔隙率，具有极强的吸附效应，能够吸附土壤有机污染物和重金属。蚯蚓摄入生物炭的同时土壤污染物也进入蚯蚓体内，对蚯蚓产生更强的毒害。

值得一提的是，也有研究结果显示蚯蚓取食生物炭并未直接造成伤害。Ferreira等[44]接种南美岸蚓到不同坚果壳生物炭添加量（0、2.5%、5%、10%）的土壤中，培养28 d后蚯蚓存活率和体重并未显著下降，且在蚓粪中存在生物炭颗粒，表明蚯蚓摄入了生物炭并使其发生物理分解和化学变化。不同种类的蚯蚓对生物炭的反应可能不同，因此不同种类蚯蚓的生物炭毒理学研究仍需进行。

3.2 间接影响

蚯蚓不会取食生物炭，在土壤中会避开生物炭含量较高的区域。Topoliantz 和Ponge[45]接种南美岸蚓到一半混有60%生物炭、另一半空白的土壤中，培养14 d后发现混有生物炭+土壤一侧的土壤中蚯蚓掘穴形成的孔道和蚓粪数量极少，空白土壤一侧的土壤孔道和蚓粪数量是前者的数十倍，该结果表明蚯蚓可能不喜欢混有生物炭的土壤。同时，在生物炭+土壤一侧未观察到取食孔，所有的取食孔都只存在于对照土壤中。这一观察结果，加上蚓粪产量的差异，表明蚯蚓不会主动摄入生物炭作为食物来源，会推开或避开有生物炭的土壤。一定程度上，生物炭施用到土壤中会压缩蚯蚓的生存空间。不仅如此，生物炭疏松多孔的特性，使其可以作为微生物良好的栖息地，大量土壤微生物定植在生物炭的孔径中，进而减少蚯蚓的食物来源。值得一提的是，Topoliantz和Ponge的研究采用了60%的生物炭添加量，生产实践中较低的添加量可能不会产生如此巨大的差异。

生物炭通过改变土壤pH对蚯蚓产生影响。生物炭多为碱性，Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子含量较高，在土壤中会交换H+和Al3+，显著提高土壤pH使土壤呈碱性。而大多数蚯蚓都存活在中性和微酸性土壤条件下，pH迅速提高至碱性会对蚯蚓的生存、生长和繁殖产生不利影响，尤其是土壤pH提高至8以上时，大多数蚯蚓无法生存[19，46]。

生物炭通过改变土壤污染物组成对蚯蚓产生影响。Malev等[15]接种安德爱胜蚓到添加生物炭的多环芳烃污染土壤中，发现少于4环的多环芳烃优先被生物炭从土壤中清除，导致危害性更高的成分（4～5环多环芳烃）被蚯蚓富集，对蚯蚓产生毒害。

不同的生物炭施用量对蚯蚓的影响不同。Zhang等[47]接种赤子爱胜蚓到不同小麦秸秆生物炭添加量（0、1%、3%、10%）的农药甲基磺草酮污染土壤中，发现1%和3%的生物炭施用量未显著影响蚯蚓的生存生长，而10%的生物炭抑制蚯蚓生长、对蚯蚓造成DNA损伤。Elliston和Oliver[17]接种赤子爱胜蚓和陆正蚓到不同添加量（10%和20%）的水稻和小麦秸秆生物炭土壤中，蚯蚓出现轻微的回避行为，不同处理对蚯蚓生存率的影响不一致，但一些蚯蚓个体表现出明显的身体损伤和死亡现象（图1）[17]。

图1 赤子爱胜蚓（a）和陆正蚓（b）在添加生物炭土壤中受到的物理损伤

还有研究发现适量生物炭的施用，减少了蚯蚓的重金属富集量的同时仍然抑制了蚯蚓的生长。Lilian等[48]接种两种蚯蚓到添加畜禽粪便生物炭（2%）的重金属污染土壤中，培养结束后蚯蚓体重下降10%，且生物炭添加显著降低蚯蚓的重金属富集量。虽然蚯蚓受到损伤的原因仍需进一步研究，但是大多数研究结果都显示土壤中施用生物炭会对蚯蚓造成损伤。

4 结论与展望

生物炭在固碳和改良土壤方面意义重大，但在施用过程中会改变土壤环境，对蚯蚓产生不可忽视的影响。不同原料来源和热解温度制备的生物炭对蚯蚓产生的影响不同，高热解温度和施用量可能对蚯蚓产生更强的毒害。生物炭对蚯蚓的影响分为直接影响和间接影响。直接影响方面，蚯蚓在土壤中直接取食生物炭可能会造成物理损伤。间接影响方面，生物炭的施用压缩了蚯蚓的生存空间，减少其可食用微生物来源，提高土壤pH，改变土壤污染物组成对蚯蚓产生不利影响。

蚯蚓作为生物量最大的土壤动物，在土壤生态系统和生物链中扮演着重要角色。然而，土壤中施用生物炭对蚯蚓的影响研究仍然不足。用于生物炭生态毒理学的研究蚓种多选用赤子爱胜蚓，很少采用本地种蚯蚓，不同生态类型蚯蚓的取食活动和栖息条件不同，可能导致赤子爱胜蚓得到的试验结果无法用于其他本地种蚯蚓。另外，该类型研究田间试验极其缺乏，长期田间定位施用生物炭，监测其对蚯蚓长期生长繁殖和群落组成的研究十分必要。