生物炭对土壤肥力提升影响的研究进展

刘金霞

(海南省农民科技教育培训中心，海南 海口 571100)

我国农业生产规模不断扩大，尤其是机械化设备的广泛应用，极大地提升了农业产量，但由于无规划的大量使用农药和化肥，致使可耕种土地的土壤结构、成分发生了显著变化，很多区域土壤肥力下降严重，耕种的农作物产量和品质远不如从前。为了改善此类问题，不断提升农业科技水平，土壤改良剂作为生态型肥料逐渐被有效应用，可以有效改善土壤污染问题严重和肥料降解能力差的问题。生物炭作为一种代表性的生物肥料，有助于改良土壤结构，增强土壤养分含量，在满足农作物生长需要的同时，还可以实现秸秆材料的有效回收利用，降低农业用地负担，实现农业发展与环境保护同步落实。

1 生物炭概念和理化性质

生物炭是在含氧量较低环境下对有机化合物低温处理，裂变反应后形成的固体生物炭，可以实现废弃的生物能源有效开发和利用，改善土壤结构和土壤环境，提升土壤养分含量。就生物炭构成成分来看，有大量的碳物质，在增强离子交换力和碳元素吸附能力方面效果显著[1]。

生物炭构成元素细化有碳、氢、氧、Mg、Ca、K、P、N等，其来源较为广泛，包括竹炭、木炭、稻壳炭、秸秆炭和松木屑碳等，生物炭孔隙结构发达，是羧基及衍生物、纤维素、苯酚、呋喃、烯属烃类衍生物等含碳物质的整合体，构成成分较为复杂。从本质上讲，影响生物炭结构的因素有多种，如热解温度能直接影响生物炭结构比表面积及极性官能团，随着温度升高，比表面积也将随之扩大。有学者[2]用红外光谱检测生物炭，发现其中包含羧基、酚羟基、羟基等，还有吡喃酮、内酯和羰基等基团，携带负荷，因此赋予了生物炭较强的吸附性。在生物炭的理化性质研究中，采用热解-气质-质谱方法来分析崩积土中的木炭，发现其中主要是芳香化合物，还有少部分的含氮化合物和脂肪族物质[3]，由于生物炭芳香化合物结构的存在，相较于其他有机碳而言，具有更强的热稳定性和生物化学性，可以长期保存，应用在农业耕地土壤改良中可以显著改善土壤肥力。

2 生物炭对土壤结构的影响

生物炭作为一种外源有机质，对于土壤结构变化有着显著的影响。秸秆作为一种常见的农作物副产品，传统的处理方式通常是焚烧，但是此种方式对环境污染较大，因此在可持续发展背景下，国家大力提倡秸秆还田，将其处理后作为养分来改善土壤结构，对于提升农作物产量和品质具有重要作用。结合相关研究成果可以了解到，生物炭能有效减少土壤的容重，促使土壤中阳性离子交换量提高，以此来实现土壤团聚结构改良的作用[2]。文曼等[4]研究生物炭对土壤结构的影响，通过离心机法进行测定生物炭不同粒径下对于土壤收缩性的影响，研究结果表明，压力同等情况下，随着生物炭含量增加，土壤比容积也将随之增加，合理化运用生物炭有助于减少土壤收缩程度，实现土壤结构改良优化。生物炭本身结构比较复杂，且有一定的惰性。通过对生物碳与腐殖质关系的分析归纳，有助于了解二者之间的转化关系。生物炭因其烷基团和芳环分布非常紧密，生物炭应用会导致土壤水溶性物质富里酸分子结构变化更加复杂，分子量扩大，并且有助于促使芳香化结构程度得到显著提升[5]。由于生物炭的烷基结构和芳香环堆积十分紧密，表面有机结构通过力的作用可以促使土壤团聚体形成，减少后期土壤分解微生物的可能性。

3 生物炭对土壤肥力的影响

3.1 生物炭对土壤养分离子的影响

关于土壤生物质炭在土壤肥力变化影响研究方面，如巴西亚马逊河流因早期人类开垦造田，形成了大面积的肥沃黑土，土壤中含大量的生物质碳素，在此区域种植农作物，其产量远超其他土壤[6]。越来越多学者希望效仿此种方法来培育肥力较强的土壤，改善土壤结构，进而提升农作物产量和品质，同时还可以实现物质能量循环利用。铵态氮肥的广泛施用，酸雨现象频频出现，致使土壤酸化，土壤肥力随之下降，土壤中的金属元素Mn和Al活性随之增强[4]。多数生物炭是碱性，因此在酸性土壤中加入一定量生物炭，表面-COO-和-O-等官能团为碱的主要存在形式，可以显著增强土壤pH值。生物炭灰分中有大量镁、钙、钠、钾等盐基离子，施加到土壤中同H+、Al3+交换，降低金属浓度，提升土壤pH值。

通过使用生物炭，对于土壤肥力退化的土地还可以起到增强土壤肥力的积极作用，补充土壤中损耗的有机质。如，袁金华等[7]基于室内培养试验，在红壤和黄棕壤中分别加入20g·kg-1的稻壳炭，发现2种土壤的交换性盐基数量和pH值均在一定程度上增加，可以丰富土壤有机质含量，增强小分子气体和离子吸附能力，对于提升土壤肥力具有积极作用。

3.2 生物炭对土壤碳转化影响

生物炭作为一种代表性的土壤改良剂，在实际应用中有助于提升土壤的碳含量水平，改善土壤理化性质，在此种土壤上栽种的农作物含量也将得到显著提升。基于光合作用下，促使CO2进入到秸秆中转化成生物炭，经过物理沉降、掩埋或风化等循环处理，与土壤富里酸发生反应，形成土壤碳库，最终实现改善土壤肥力的作用[8]。贾俊香等[9]在生物炭对土壤肥力影响研究中，发现对于煤矿复垦区中大量施加生物炭可以有效改善采矿造成的污染，改善土壤结构，丰富土壤中有机质含量，经过有效处理后可以满足农作物种植需要，促进农作物产量提升。周桂玉[10]在研究中提出，生物炭是促进土壤有机质形成和累积的主要途径，但是否可以长时间留存却存在一定的争议，但自然状态下的生物炭可以留存千年，是无可争议的事实。尽管随着时间推移会有一定量碳元素流失，但绝大多数仍然能够留存，还有部分成为微生物C的组成部分。同时，其他研究表明，秸秆还田形成的生物炭，微生物分解速度较快，人工裂解形成的生物炭驻留时间远比自然状态形成的碳驻留时间短，但通常也可以在百年以上。

生物炭对土壤有机碳分解影响较大，基于13C标记方法来研究土壤中加入适量黑炭对有机碳分解所产生的影响，添加稻草能加速土壤中有机碳的分解，添加适量的黑炭会抑制土壤中有机碳的分解。有研究[3,7-9]表明，在盆栽实验中添加一定数量的生物炭能提高土壤有机质的积累、提高其稳定性，减少土壤水溶性有机碳，在短期内可以提高土壤中的微生物量碳。施用生物炭后，对灰漠土中的有机物和组分也有一定的影响。与其它土壤有机质相比，生物碳对阳离子的吸收性能要好得多。由于其本身的化学惰性，具有CO2锁定功能，加入到土壤中可以有效减少土壤中温室气体甲烷产生量[11]。但由于研究深度不足，关于土壤碳变化和温室气体排放之间影响关系还有待进一步试验和研究。

3.3 生物炭对土壤氮转化影响

土壤中加入一定量生物炭，大豆生物固氮作用将得到显著改善，并且可以起到减少土壤中N、P养分流失作用，增加农作物产量同时，减少不必要的化肥用量，在促进农作物含量和品质提升同时，还可以减少农业面源污染情况。对于风化程度高的酸性土壤，加入生物炭具有改善生物固氮的作用，促使农田土壤氮输入量增加。土壤中施加生物炭，土壤固氮增加是由于生物炭促使土壤中C、N含量增加，同时还可以发挥生物炭吸附作用来增强氮素养分吸收和利用，最终实现丰富土壤微生物含量的作用[12]。如，韩翠莲等[13]在关于生物炭对土壤肥力及玉米产量的影响研究中，通过比较施加生物炭15t·hm-2(ST1)、30t·hm-2(ST2)、45t·hm-2(ST1)、60t·hm-2(ST1)几个处理，与不施加生物炭的玉米地块比对分析，探究生物炭施加量对玉米土壤有机碳、速效钾、速效磷含量以及产量的影响，结果表明，玉米全生长期施加生物炭比不施加生物炭，土壤有机碳高出19.46%～74.56%，差异显著，有统计学意义(P<0.05)；土壤速效钾含量平均高14.01%～51.42%，差异显著，有统计学意义(P<0.05)；土壤速效磷含量平均高35.10%～111.37%，差异显著，有统计学意义(P<0.05)；施加生物炭的土壤，玉米产量得到显著提升，其中ST3效果最为显著。

生物炭可以有效吸附NO3-和NH3物质，在后期也可以减少农田土壤中氨气过量挥发和养分落实，在增强氮素资源利用率的基础上，促进农作物产量和品质有效提升。但生物炭可以保留土壤中无机氮物质，容易受到炭量、生物炭来源以及施肥方式等因素影响[14]。结合土壤无机氮物质实验结果表明，土壤干湿状况有效把控下，分析生物炭不同施用情况，在不同温度热解碳将影响到土壤N2O含量，木炭相较于家禽粪肥的N2O和无机氮持续留存效应更强，减少N2O排放量和土壤无机氮淋失，但土壤中加入含氮量较高的家禽肥，在400℃环境下加工形成的生物炭，有助于促进N2O释放量和氮淋洗增加。有别于干生物固体对土壤氨态氮淋溶影响，加入一定量生物炭可以减少氨态氮流失情况，在植物根系周边吸附氮素物质，提升资源利用率，满足农作物生长养分需求[15]。

4 生物炭对改善土壤污染的影响

对于一些受到污染的土壤，加入生物炭还可以起到改善污染的重要功能。生物炭的微孔结构、较大的比表面积、较强的吸附能力，可以起到减少土壤中的污染物含量，大量吸附有机污染物净化污染的作用。土壤中有机污染物相较于重金属污染而言，可以经过水解的方式予以处理，具体有光解、氧化等方式，生物炭则是基于分子之间引力作用导致微观吸附。有学者基于平衡吸附实验、淋溶实验方式，探究生物炭对亚甲基蓝污染物去除效果[5,8-10]，实验结果表明，生物炭具有较强的吸附亚甲基蓝的效果，但稻壳炭、秸秆炭等不同生物炭之间效果有着显著差异。另外，生物炭对于土壤中重金属物质同样具有吸附效果，充分发挥生物炭吸附力较强的优势作用，显著改善土壤重金属形态、迁移行为。

5 展望

生物炭在农业生产上的广泛应用，是解决提升土壤肥力、农业环境可持续的一个重要途径，不但能改良土壤肥力、提高农产品产量质量，还能有效解决农业面源污染问题，具有广阔的应用前景和提高农业经济效益。但也存在一些不足，如生物炭的原料生产、加工工艺的标准不完善，致使生物炭品质的差异性较大；生物炭的应用技术缺乏深入研究，致使生物炭的应用效果存在不确定性；生物炭的作用机理、生物循环和土壤交互作用等方面的研究深度不够，导致生物炭应用质效不能保障；生物炭在土壤改良、低产田改造、农业生态环境等方面应用研究少，在特殊农业环境中不能得到有效应用。因此，在今后的生物炭应用研究中应多关注以下几方面：对生物炭的原料生产、加工工艺、制造标准等方面进行标准化、系统化研究；针对生物炭的作用机理、土壤理化特性、生物间作用、土壤交互作用机理等方面进行系统研究，进一步提升生物炭的生产上应用质效；针对生物炭基肥提升土壤肥力增效作用机理研究，开发生物炭基肥料和土壤改良产品，进一步提升土壤肥力，实现农业环境和土壤肥料同步可持续发展。

生物炭对于土壤肥力提升影响较大，学术界研究中取得了相对可观的成果。为了进一步确保我国农业产业未来朝着科学化系统化方向发展，需结合实际情况增添生物炭以改善原有土壤的有机质含量，对于提升农作物品质和产量有着重要作用。当地政府以及有关部门也需加大对于土壤改良的力度，通过政府、企业以及研究所等多个主体融合发展的方式共同促进土壤改良以及粮食增产。