生物炭对东北农田黑土理化性质及微生物特性应用进展分析

王怀鹏, 姜 辉, 孙继英, 王宇先, 高 盼,李 明, 尹雪巍, 史乔丹, 单 莹, 邱广伟

(1.黑龙江省农业科学院克山分院, 黑龙江 齐齐哈尔 161000;2.黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院, 黑龙江 齐齐哈尔 161000)

中国东北黑土地作为世界三大黑土带之一,其拥有深厚的腐殖质层,有机质含量丰富,具有土壤性状良好、肥力高、适宜农耕等优点。东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地,粮食总产量和商品粮产量占全国1/4左右,在保障国家粮食安全和农业发展中发挥了重要作用[1-3]。然而由于多年来对于黑土资源的高强度开垦与利用,导致黑土地肥力呈现逐渐下降趋势,耕层土壤有机质含量降低,土壤变浅、变硬,水肥气热协调能力下降[4-5]。此外,东北黑土区典型地貌大多为漫川漫岗,同时地处中温带半湿润季风气候区,极端的降水、气温和风力吹蚀成为水土流失的重要诱导成因[6-7]。由此可以得出,东北黑土区由“生态功能区”逐渐变成了“生态脆弱区”,严重影响东北地区农业的可持续发展,东北黑土地的粮食生产能力在国家层面上“压舱石”的作用存在动摇风险[8-9]。

1 生物炭在农业领域的应用

随着农作物近年来产量不断提高,作物秸秆产量也急剧上升。据统计,我国每年秸秆产量约为9×108t,而农作物秸秆利用率仅为13%左右,秸秆作为一种富含N、P、K养分和有机质的可利用生物资源应加大科学合理利用[10]。而在众多秸秆深加工利用方式中,生物炭是能够充分利用秸秆特性和新型农业技术需求的副产品,其是由少量矿物质、大量碳性物质和可挥发有机物构成,加之本身的多孔隙性和较大比表面积特征,使其在土壤改良修复及农业生态环境长效发展中起到重要作用[11-13]。

前人研究表明,生物炭凭借其优质的结构和理化性质对减少土壤养分流失、提高肥料利用率、消减有机污染和农药残留、抑制污染物富集和降低污染物生物有效性等方面具有积极作用[14-15]。此外,生物炭在农作物生长发育及土壤微生物环境方面也具有重要促进效应,农田土壤中施入生物炭能够提高作物光合速率,促进植株SPAD值和氮含量增加以及根系生长,从而达到增产效果;同时生物炭还增加了土壤中动物和微生物的种类和数量,在一定程度上改善土壤食物网结构,推动土壤养分物质循环和能量流动[16-17]。

2 生物炭对土壤理化性质的影响

由于生物炭含有的羟基、羧基、苯环等主要官能团赋予了其特有的强大吸附能力和较大的离子交换量基础,而被广泛应用于改良贫瘠土壤和优化酸碱性土壤性状等方面研究[18-19]。王欢欢等[20]和韩光明[21]研究表明,生物炭能够显著提高土壤孔隙度、电导率以及田间持水量,同时降低土壤容重;在化学养分方面,施入生物炭后能够提高土壤有机碳、碱解氮、有效磷和有效钾含量。王冲等[22]通过6年田间定位试验研究表明,生物炭降低黑土0～10 cm土壤容重,提高0～20 cm黑土的pH值、电导率和阳离子交换量,并显著提高耕层黑土的有效肥力,且有效缓解了东北黑土有机质含量的下降趋势。涂超等[23]研究认为,生物炭显著提高了土壤对NH4+的吸附能力,且随生物炭添加量的增加,土壤对NH4+的吸附量增大,通过相关性分析表明,土壤对NH4+的吸附能力与土壤pH和土壤有机质含量呈显著正相关关系。姚钦等[24]研究发现,生物炭对土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖转化酶活性影响较为明显,整体上表现为提高了这三种酶活性,对碱性磷酸酶活性影响不显著。张海晶等[25]通过开展不同用量生物炭对东北黑土理化性质溶解有机质特性影响研究中得出,施用10～30 t/hm2生物炭可显著改善土壤透水性和碳有效性,促进氮素转化和限制土壤磷矿化,达到提高土壤质量和作物产量的目的。

3 生物炭对土壤微生物环境的影响

土壤是微生物生长繁殖的根本环境,优异丰富的微生物环境对于促进植物生长和提高土壤肥力存在至关重要的作用。生物炭通过其本身特性直接或间接地改善土壤理化性质和提高土壤养分有效性,从而对土壤微生物量和微生物群落产生影响[26-28]。王福平[29]研究表明,生物炭的添加量显著提高了整个生长期土壤微生物炭含量,土壤真菌磷脂脂肪酸和细菌磷脂脂肪酸含量与其具有良好的相关性。谭春玲等[30]通过总结生物炭对土壤微生物代谢活动的影响得出,生物炭的多孔结构可以为微生物提供良好的生存环境,其灰分可为微生物提供养分,提高酸性土壤的pH值,从而促进对土壤肥力的提升,污染修复和控制病原微生物。代镇等[31]试验结果表明,土壤总有机碳、活性有机碳、高活性有机碳和颗粒有机碳含量随生物炭添加量的增加而增加,同时也显著增加了土壤碳库指数和碳库管理指数。侯宁等[32]和王颖等[33]研究发现,农田土壤中施加一定量生物炭后,对土壤中细菌群落结构影响显著,表现为提高了相应优势菌门的多样性和数量,其中放线菌门、变形菌门和酸杆菌门等群落变化幅度较为明显,一定程度上改良和优化了土壤微生物环境。

4 展 望

作为我国粮食安全的“稳压器”和“压舱石”,切实合理科学地保护利用东北黑土地,是多年黑土区可持续健康发展的必要措施,理应围绕着“把黑土地用好、养好”的核心理念,系统地开展黑土地保育与产能提升和建立健全黑土地保护利用长期研究工作。生物炭作为一种环境友好型土壤改良剂,随着对其研究和应用的不断深入,生物炭在作物生长、改良土壤环境、改善农田污染以及优化农业温室气体排放等方面发挥着重要且具有现实意义的作用。