生物炭添加对农田土壤环境及作物生长影响研究

任芳芳，张金霞，刘兴荣，丁 林

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

因为人们对作物产量的高度关注，伴随着化肥的过度施用从而导致农田土壤环境的加剧恶化，所以大家都希望找到一种有效的解决途径，以快速、经济地降低化肥对于农田土壤环境的不利影响。近年来，亚马逊流域的黑土成为国内外学者研究的热点。黑土是人们通过动物粪便、鱼、动物骨头和植物废物等制造而成，它多产、肥沃，对恢复贫瘠土壤肥力有很显著的效果。与一般土壤相比较，它富含有机碳，且具有较高的生产力。生物炭与黑土相似，都含有较高含量的有机碳，并且对作物生长有积极的作用。因此，学者们把生物炭用于土壤改良，它能促进作物生长，使得作物有较高的产量。将生物炭添加到农田土壤当中，以此来改善土壤性质，该方法一经提出，就受到了国内外学者的广泛关注[1]。

生物炭又叫生物质炭，它是生物质在高温(小于700℃)下，在完全或部分缺氧条件下热裂解的产物[2]，其主要含有C、H、O、N和S等元素，且具有性质稳定的特性。生物炭具有孔隙度高、比表面积大的特点。它能有效改善土壤通气性，提高保水保肥能力，促进作物根部生长。生物炭还具有吸附能力强、容重小、含碳量丰富、性质稳定等特点，且一般为碱性。在农田土壤中添加生物炭可以改善土壤质量，提高作物的产量，其在修复被污染的土壤、固碳减排[3]、减少污染物对生态的危害、废弃生物质资源化等方面也表现出了很大的优势[4]。

综上，研究添加生物炭对农田土壤环境和作物生长的影响具有重要的实际生产意义。生物炭的特有性质可以对作物的生长发育有积极的作用，也在其他方面表现出巨大潜力，如污染土壤的修复、污染水体治理等。

1 施用生物炭对土壤理化性质的影响

1.1 生物炭对土壤物理性质的影响

1.1.1生物炭对土壤容重的影响

土壤容重是体现土壤物理性质的一个重要因素，土壤容重与土壤孔隙紧密相关，它可以表现出土壤的疏松程度和土壤结构，即土壤容重越小越疏松。因生物炭的容重小，所以将其施入土壤中可降低土壤容重。陈红霞等的研究就证明了这一点，其结果表明生物炭对耕作层土壤容重有较好的降低作用，并且土壤容重随生物炭施入量的增加表现为逐步减小的趋向[5]。李玉梅等通过对不同施用量的生物炭的试验研究发现，其土壤的容重平均减小了0.126(g·cm-)3；且在添加量达到一定水平后，土壤容重的降低呈现平缓趋势[6]。

1.1.2生物炭对土壤团粒结构和水分的影响

团粒结构良好的土壤具有多级孔隙，这有利于改变土壤的通气性、透水性和保水能力，对土壤肥力也有良好的协调作用。土壤团粒结构可以影响作物根系的良好生长，而生物炭能够很好地改善土壤团粒结构，从而促进作物生长。付玉荣等研究表明：生物炭的使用可以优化土壤团粒结构，提高土壤肥力，调节田间持水能力，也能够很好地减少土壤体积质量(表层土壤表现明显)，提高土壤含水率[7]。张皓钰等也发现，生物炭添加到土壤中可以使得土壤的持水能力增强，并且持水能力的变化量随生物炭量的增加而增大，也提升了各类土壤的饱和含水量(0.7%～17.6%)和低吸力段的持水能力，表现为砂质土持水能力提升、残余含水量增大；而壤质、黏质土持水能力下降，残余含水量、田间持水量及凋萎系数均降低[8]。也有研究表明，生物炭的施用量和土壤肥力水平对土壤物理特性有较大影响，即对肥力水平较低的土壤影响显著，对肥力水平高的土壤影响不太明显，且不同添加量的影响不同[9]。

综上，生物炭孔隙率高、比表面积大、容重小的特点，使得它可以优化土壤团聚体结构，提高土壤的透水和通气性。生物炭也能提高土壤持水能力，降低土壤容重，改善土壤结构并且改变土壤的物理性质，最终提高土壤肥力，促进作物生长。

1.2 生物炭对土壤化学性质的影响

1.2.1生物炭对土壤pH值的影响

生物炭在生产制备的时候，其pH值会受温度高低的影响，且它的灰分中含有较多的致碱矿物和碳酸盐，最终使得生物炭一般成碱性[10]。生物炭本身的这种碱性特质，使得它直接影响土壤pH值。张伟明研究发现[11]，生物炭能够明显降低土壤酸性，增加生物炭的用量会逐渐增加土壤的pH值。尹小红等试验研究发现[12]，生物炭施入稻田土壤后，土壤pH值极显著地升高，达到了7.16，但这并没有影响水稻的正常生长。也有研究发现，酸性土壤的pH值受生物炭的影响更为明显，但中性或者碱性土壤受的影响较小或无明显影响。刘园等试验结果就表明，在华北平原的潮土(pH=8.30)土壤中施入生物炭，pH并没有明显的改变[13]。

1.2.2生物炭对土壤阳离子交换量的影响

土壤阳离子交换量(CEC)是土壤保肥能力的一种体现，CEC越高，说明土壤保肥能力越好。陈红霞等[5]研究表明，生物炭对耕层(0～15cm)土壤的CEC有明显的增加作用，与对照相比，氮磷钾肥+高量秸秆炭(4500kg·hm-2)和炭基缓释肥(750kg·hm-2)处理的土壤阳离子交换量值分别增加24.5%和14.7%。陈心想等[14]发现，由于施用生物炭，新积土的土壤CEC显著增加，增幅为1.5%～58.2%。张新帅等[15]也发现，与对照比较，生物炭能使土壤CEC含量增加57.25%～155.30%，且随生物炭量的增加而增大，这也说明了生物炭对CEC有非常显著的影响。蒋少军等[16]也得出相同结论。

1.2.3生物炭对土壤养分和有机碳的影响

土壤养分是保证作物生长所必需的营养元素，也是作物获得养分的重要来源之一，土壤养分包括氮、磷、钾等多种元素。顾美英等研究发现[17]：在低养分的风沙土中施入高量生物炭，可以显著提高土壤养分含量。李明等[18]试验表明，在土壤中施入生物炭后，土壤有机碳、速效磷和速效钾含量分别比对照增加26.1%、20.6%和281.8%，说明生物炭可以提高红壤土中的养分含量。曾爱等[19]研究表明，在小麦生长发育过程中，当生物炭用量增加时，土壤中的速效钾含量也增大，而碱解氮和速效磷含量则表现为先增后减。

土壤有机碳不仅是耕地土壤质量评估的核心指标，也是全球碳循环的重要组成部分[20]。在土壤中施用生物炭后，可以在不增加土壤CO2释放量的情况下，大大提高土壤有机碳含量，具有良好的固碳减排效果。生物炭能在短时间内(30d)显著提高土壤有机碳(SOC)含量，且在培养1年后，秸秆炭和木质素炭都能显著提高SOC含量[21]。

1.3 生物炭对土壤酶活性的影响

土壤酶活性与土壤微生物活性密切相关，土壤酶活性的变化在一定程度上可以反映土壤物质代谢活跃程度和肥力水平，在一定程度上体现了土壤肥力水平。研究表明，作为一种土壤改良剂，生物炭不仅可以改善土壤的理化性质，而且在提高土壤酶活性方面发挥着重要作用[22]。

张继旭等[23]发现，添加不同水平的生物炭，酶活性也表现出不同情况，具体表现为：脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性随生物炭施用量的增加而升高，过氧化氢酶活性随生物炭施用量的减少而降低，但高添加量的处理下无影响。黄剑[24]表明，生物炭的施用对土壤酶活性有显著影响，其中土壤转化酶、脲酶、土壤碱性磷酸酶的活性显著提高，但也出现了相反的情况，就是当施用生物炭的量较高时，生物炭将抑制脲酶活性。陈心想等[25]也发现，生物炭可显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶活性和玉米收获后碱性磷酸酶活性，并显著提高土壤酶指数，但施用生物炭对蔗糖酶和小麦季碱性磷酸酶活性影响并不明显。与常规施肥处理相比较，在添加生物炭的处理下，土壤的酶活性呈现出较高的水平，这表明生物炭对酶活性有积极的影响，但需注意的是不同量生物炭对不同酶的影响效果各不相同。韩志旺等[26]研究结果表明，对照得出，生物炭施入土壤以后，蔗糖酶和中性磷酸酶活性有所降低，过氧化氢酶活性无较大变化，但脲酶活性却有明显提高。王妙芬等[27]发现，生物炭添加显著提高了β-葡萄糖苷酶、纤维素水解酶、过氧化氢酶活性(1%添加除外)，其中低水平的添加量(1%、2%)会降低酸性磷酸酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，高水平的添加量(3%、4%)则与之相反。

综上所述，将生物炭施入土壤后，土壤pH值的变化表现为生物炭添加量增大，pH值增加，其中酸性土壤的pH值变化较中性和碱性土壤更为明显。将适量生物炭施入土壤中，能够明显提高土壤养分和土壤有机碳含量，且在贫瘠土壤中施入效果更加明显。也有研究发现，生物炭添加到土壤后，对土壤物理和化学性质的改变是长期的。许云翔等[28]发现，生物炭施入土壤6年后，土壤有机碳、有效磷、速效钾水平显著提高，分别增加了34.6%、12.4%和26.2%；土壤pH值和容重显著降低，土壤脲酶和酸性磷酸酶的活性显著升高。

2 生物炭对作物的影响

2.1 生物炭对作物养分吸收的影响

汪勇等[29]研究发现，生物炭可以明显促进水稻对磷、钾的吸收。郑瑞伦等[30]在京郊沙化苜蓿地的试验发现，施加生物炭后，苜蓿地上部生物量和苜蓿体内的钾含量分别增加了91.1%、45.7%，氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰、锌和硼在苜蓿地上部的总吸收累积量分别增加110.0%、130.9%、200.4%、82.6%、44.8%、89.5%、99.5%、102.7%和104.7%，这都说明施用生物炭对苜蓿中钾、氮、磷的吸收均有显著的促进作用。周加顺等[31]研究发现，生物炭显著促进了作物对钾素的吸收，尤其是提高了茎叶中钾的含量，但氮、磷因作物不同而有所差异。王典等[32]试验发现，施用生物炭后，油菜根、茎、叶、角果和籽粒等的干物重均增加，油菜地上部氮磷的浓度降低，钾浓度升高，也有助于油菜对磷、钾等养分的吸收。陈芳等[33]通过盆栽试验发现，水稻秸秆炭、水稻谷壳炭和果木木炭3种生物炭在一定范围内都能促进水稻干物质积累和产量形成，干物质量和产量呈现先增后降趋势，施炭量在20t/hm2时达到最高。

但也有相反的结果出现。比如，张晗芝[34]研究发现，小麦植株的氮磷钾含量及其吸收和干物质重量并没有因为生物炭的施用而产生明显影响，更甚至有抑制作用。这也表明，生物炭对作物的增产有临界值，并且不会总是随生物炭的增加而增加[26]。

2.2 生物炭对作物生长的影响

张继旭等[23]发现，生物炭可以促进烤烟的生长，其株高、叶面积、地上部茎、叶生物量都有所增长，但在高水平的添加量的处理中生物炭呈抑制作用。韦琦等[35]通过田间试验发现，在不同量生物炭的作用下，番茄的茎粗和株高都有较高的增加。汪勇等[29]研究发现，生物炭能够增加有效穗数、每穗粒数和结实率，从而显著提高早稻和晚稻的产量及地上部生物量，有利于作物的生长和增产。周劲松等[36]研究表明，浓度为5.0%的生物炭会显著增加水稻秧苗的株高和干物质累积量，浓度为10.0%～15.0%的生物炭则使得株高达到最高值，再进一步提高生物炭的添加量就会使株高和干物质累积量下降。杨刚等[37]的研究表明，不同添加量生物炭处理的玉米株高比原土处理提高了12.44～13.13cm；与原土玉米相比，茎粗增加了0.11～0.18cm，但当生物炭施用量达到15g/kg时，株高、茎粗和叶片数增加不明显。武梦娟等[38]也发现，当生物炭浓度为5.0%时，绿豆幼苗长势最好，但是，当生物炭浓度超过25.0%后，叶绿素含量出现显著波动，绿豆幼苗的株高则一直呈现递减的趋势。

由此，在作物的生长发育过程中，适量添加生物炭有利于作物的生长，而单一追求高量的生物炭施用对作物生长并没有明显的作用，甚至有时会过犹不及，出现抑制作用。有学者的研究也发现，生物炭对作物的促进作用不只受添加量这一个因素的影响，生物炭的特性和施用量、土壤的肥力和原始性质以及作物类型都将对其产生一定影响[39]。

3 生物炭的其它影响

刘桃妹等[40]研究发现，生物炭对水溶性重金属的有毒离子有非常好的固定作用，并将其转化为无毒化合物，能够有效缓解土壤中的重金属污染，而生物炭吸附重金属离子的能力也与pH值和温度密切相关。杨凯等[41]研究发现，在温度湿度一定、干湿交替和冻融循环条件下，在添加玉米秸秆生物炭的处理中，铅的有效态含量分别降低了47.4%、16.1%和45.0%。它对污染土壤中的铅具有稳定的钝化作用，对土壤酶的综合活性指示的土壤生物学活性没有负面影响，在铅矿区污染土壤的原位修复中具有很高的潜力。

连念[42]研究表明玉米秸秆生物炭对废水中Ni2+的去除率会随着吸附时间的增加而增加；其中在120min时，在300、500、700℃的温度下玉米生物炭的去除率分别会达到76.1%、81.4%、92.8%。另外，生物炭对废水中的甲醛也有较好的吸附效果，一定条件下甲醛的去除率可达92.31%[38]。

综上，生物炭可有效吸附重金属元素，对于污染土壤的改良有积极的促进作用，也对污染水体的治理有良好的效果。

4 存在的不足及展望

综上，生物炭对土壤物理化学性质的改变有积极作用，也对作物的生长发育有明显的促进作用，除此之外，生物炭也对污染土壤修复及污染水体的治理等其他方面也表现出一定的优势。

但是，目前关于生物炭的添加对农田土壤环境及作物生长影响的研究也还存在以下一些不足。首先，目前对于生物炭单独施用的研究虽较多，但关于生物炭和肥料结合施用的研究却较少。并且其大部分研究集中在蔬菜等经济作物上，而对小麦和玉米等粮食作物的研究较少。如何将生物炭与肥料配施，让其发挥更大的优势，更有利于作物的生长发育，应进一步加深关于这部分的研究。其次，关于生物炭对于土壤及作物的影响，短期内影响的研究较为广泛，但生物炭一次施用后对于土壤性质及作物的长期影响的研究还很有限，可深入探究生物炭一次施入土壤后的长期作用机制。再则，由于各类生物炭的制备工艺有所不同，导致其性质也不同，这会影响生物炭的适用范围，不同性质的生物炭对土壤和作物的影响也不同，所以有必要进一步阐明不同性质的生物炭对各种土壤类型和作物的影响。最后，目前关于生物炭的研究内容都是其积极的方面，而生物炭对作物、土壤和生态环境等是否还有负面的影响，亟待更深入的研究。

5 结语

土壤环境问题的日益严重使得人们更加迫切的寻找一种方法来解决这一问题，生物炭的独特属性使得它在使用时具有很大的优势，对土壤改良和作物生长有着积极的促进作用，也在修复污染土壤和水体等方面表现出很大的潜力。综合考虑生物炭自身性质、融合使用和长期效果的影响，进一步明晰生物炭对土壤及作物生长的作用机理，对提高耕地生产能力和促进作物生长提供理论依据，将有利于生物炭的在农业中的应用。