生物炭对土壤微生物影响的研究进展

刘金灵，张亚茹，王宇光，耿贵,2

(1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080)

0 引言

生物炭（Biochar，又称为生物质炭或生物焦）是有机物质在没有空气的情况下热降解（热解）的产物，包括木炭、稻壳炭和秸秆炭，具有较大的比表面积和孔隙率，具有较强的吸附和抗氧化能力。不同的原料和制备条件会导致生物炭的物理和化学性质发生变化，如质地、pH、灰分和营养物质含量，从而产生不同的环境效应[1]。合理地使用能够有效地提高农业生产力，增加土壤的供肥保肥能力，另外还可以净化水质，还能有效减少现代农业化学肥料的使用量降低环境危害，在农业生产和环境保护方面表现出巨大的应用潜力，近年来中国也在生物炭土壤改良方面加强了高度的重视。

土壤微生物对土壤代谢和植物生长有着巨大的影响，通过对土壤微生物的研究，了解了土壤微生物在植物营养与养地和平衡生态方面的作用。对于作物而言，它们可以增强植物吸收养分的能力，并有助于防止作物生长过程中遇到的障碍。此外，它们还可以形成有机物质，以提高土壤肥力、增强植物根系吸收养分和水分的能力，促进植物生长；同时它们也能提高作物对病虫害等其他不良环境条件的抵抗能力。土壤微生物作为土壤生态系统中的一个重要成分，尤其是在土壤的理化反应中发挥了极其关键的作用[2]。土壤微生物活性的强弱能有效地反映土壤环境的变化程度，因此土壤微生物的多少和群体结构是评价土壤质量好坏的重要指标之一[3]。通过对土壤添加生物炭，从而研究土壤微生物的前后变化，能够准确的判断出该地区土壤肥力状况和养分供应能力。对于提高当地农业生产效率有着十分重要的意义，本研究重点介绍近年来生物炭对土壤微生物影响的研究进展。

1 生物炭对土壤特性的影响

大量研究表明，生物炭对土壤质量有积极的影响。施用生物炭可以提高土壤有机质含量，从而提高土壤肥力[4]。根据生物炭生产中使用的原料和热解特性，它可以含有一些养分，但由于其高度多孔的结构，它可以改善养分在土壤中的保留。此外，生物炭可以降低土壤酸度，增加土壤电导率和阳离子交换容量，从而提高养分有效性[5]。有数据表明，生物炭会降低植物对微量元素的可利用性。NAMGAY等[6]发现，玉米幼苗镉、镉和钯的浓度在处理后显著下降。然而，生物炭的应用，重金属的吸收及其对植物的有效性是不同的，这取决于金属和生物炭的施用速率。GLASER等[7]报道，施用生物炭降低了铝对植物根系和土壤微生物的毒性。考虑到与耕地土壤重金属污染相关的环境问题，生物炭具有修复耕地土壤的潜力。FREDDO等[8]报道了4种植物生物炭中金属、类金属和多环芳烃的浓度低于污泥和堆肥的可接受浓度。生物炭具有较高的总孔隙度，因此它可以在小孔隙中保持水分，增加土壤的持水能力[9]。

2 生物炭对土壤理化性质的影响

生物炭有效地改变了土壤的阳离子交换量、容重、质地、孔隙结构和比表面积[10-11]。 BLANCOCANQUI[12]研究发现，生物炭总体上提高了土壤团聚体稳定性(3%～32.26%)、孔隙度(14%～64%)、容重(3%～31%)和土壤水分有效性(4%～130%)，但对土壤渗透阻力的影响不显著。此外，生物炭原料来源和热解温度不同，土壤孔隙分布、大小和体积也不同。生物炭的中孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)有利于保水，是微生物的唯一栖息地。生物炭的纳米孔或微孔(＜0.9 nm)决定了生物炭的吸附和化学性质[13]。土壤颗粒容易与生物炭的细颗粒相互作用，通过调节水分滞留和孔隙形状形成土壤团聚体[14]。在热解过程中，许多挥发性化合物以气体的形式释放出来，增加了生物炭的表面积，并产生蜜蜂状的多孔结构，导致更高的养分保留和持水性[15-16]。例如，WEBER等[17]发现，大部分生物炭的生物量表面积在100～800 m2/g 之间，而污泥产生的生物炭表面积为100 m2/g。也有研究报道发现，杨树的生物炭比玉米秸秆产生的生物炭表面积更小。研究表明，生物炭对土壤孔隙度的增加并不均匀，主要取决于土壤质地等级和土壤类型。一般而言，施用生物炭对细质地土壤孔隙度的改善较粗质地土壤小。报道发现，在土壤中加入生物炭可以改善土壤性质，改变水分入渗，降低颗粒密度和抗拉强度。TARIN 等[18]报道了水稻秸秆对土壤理化性质的影响，并建议在缺磷土壤中使用生物炭改良剂可以对抗土壤酸化和磷(P)有效性。在另一项研究中，SADEGH-ZADEH等[19]发现，施用50 g/kg 的水稻生物炭可以修复盐碱化土壤。研究人员发现生物炭表面的Mg2+和Ca2+可以在土壤胶体上交换Na+，从而导致Na+从盐碱化土壤中淋失。此外，生物炭是一个重要的碳(C)来源，其应用改善了土壤的团聚性[20]。QAYYUM等[21]的报告称，施用粗碱生物炭显著提高了土壤pH至pH 3.8～7.5之间。综上所述，与未处理土壤相比，添加生物炭的土壤显著提高了土壤阳离子交换量、容重、质地、孔隙形状、孔隙结构和表面积、团聚体稳定性和土壤水分有效性。

3 生物炭对土壤微生物生长的影响机制

生物炭是一种新的土壤改良材料，能够改变土壤中的微生物种群，并增强其功能。生物炭对微生物的具体影响可以简单地分为几类：（1）具有多孔结构和高表面积的生物炭充当土壤微生物的庇护所。（2）生物炭为土壤微生物提供碳源、氮源等养分。（3）生物炭改善土壤的性质，促进微生物的生长。

3.1 生物炭是微生物在恶劣环境下的避难所

据报道，大多数土壤微生物的直径小于生物炭的平均孔径[22]。因此，热解过程中挥发分的损失导致生物炭表面粗糙，结构疏松，为微生物附着和繁殖提供了良好的机会。例如，生物炭的大孔隙会影响土壤通气和水分保持，而小孔隙则会促进营养分子的运输，从而促进微生物的定殖。真菌菌丝可以穿过生物炭的孔隙，证实了生物炭可以作为真菌避难所的猜想[23]。同时，活的微生物细胞可以直接粘附在生物炭内部，避免了土壤污染物对其的毒性，增加了微生物的丰度[24]。在没有生物炭保护的情况下，一些直接接触污染物的微生物细胞会收缩或破裂，甚至形成凹面。因此，生物炭可以作为一种极好的载体和屏障能保持微生物活性，提高去除土壤污染物的效率。例如，在重金属污染的土壤中添加生物炭可以通过吸附、促进金属的沉淀和金属-有机配合物的形成，降低金属的可及性和毒性[25]。微生物在生物炭表面和孔隙内部的定殖具有明显的差异。这是因为生物炭对土壤矿物质和有机化合物的吸附，使得生物炭-土壤界面外表面的孔隙被堵塞。另一方面，微生物定殖的稀缺性是由于新鲜生物炭中高水平的矿物盐和多环芳烃对微生物的威胁。

3.2 生物炭为微生物提供营养

施用生物炭能促进微生物群落的生长，这与生物炭所支持的营养物质有关。生物炭提供的难溶有机物和无机物在微生物生长过程中被分解或吸收利用，从而引起微生物结构的明显变化，促进微生物群落的增殖。生物炭能为微生物提供养分，不仅是因为生物炭本身含有或吸附的养分，还因为它能改善土壤条件，增加土壤养分。生物炭中含有多种营养元素，如N、P、K等。生物炭具有丰富的矿物质，添加一定量的灰分后可作为生物刺激剂，增加对污染土壤的修复作用。

添加生物炭后，土壤可提取养分元素的比例提高幅度为60%～670%。例如，土壤中的钾含量从42 mg/kg上升至324 mg/kg[26]。虽然生物炭中含有丰富的碳，但由于其芳香结构的高稳定性，使得生物炭中的大部分碳无法被微生物利用。然而，生物炭中也存在可被微生物利用的碳，如溶解有机碳(DOC)，可为土壤微生物提供养分。作为肥料，生物炭释放缓慢，但给土壤微生物带来很大的好处。生物炭的原料会影响DOC 的组成，而原料选择的差异会导致生物炭中DOC 的不同。大豆秸秆生物炭的DOC含量高于其他原料生物炭（如污泥、花生生物炭、水稻秸秆生物炭），表明大豆秸秆生物炭可能更有利于微生物活性[27]。生物炭中DOC 的含量也受热解温度的影响。一般来说，高温热解生产过程中生物炭的芳构化缩合会导致DOC 含量的降低[28]。在较低的热解温度下生成的生物炭用于土壤改良时，其较低的炭化程度可能导致较高的DOC 含量，有利于微生物的生长。例如，与450℃和550℃热解的生物炭相比，350℃热解的生物炭在其结构中保持了更多的DOC[29]。

3.3 生物炭改善土壤的性质，促进微生物的生长

由于生物炭与土壤基质之间的复杂联系，生物炭可以作为粘合剂材料来改善土壤结构，并相应地促进微生物活性[30]。多孔生物炭通过改变生物炭与土壤颗粒之间的空隙，使微生物有更多的运动空间，从而增加土壤孔隙度和容重。生物炭还可以提高土壤碳储量和稳定性，以通过增加土壤聚集为微生物提供充足的养分[31]。添加生物炭可以提高土壤pH，促进微生物群落多样性的增加[32]。由于生物炭的原料和热解条件不同，有报道称，不同CEC 的生物炭可以不同程度地改善土壤的CEC[33-34]。而生物炭对酶活性的促进是对土壤质量和养分有效性的响应[35]。因此，在土壤中添加生物炭可以调节土壤的性质，为微生物提供更好的生存条件，从而影响微生物的活性[36]。

4 生物炭对土壤微生物群落多样性的影响

4.1 对土壤微生物群落数量特征的影响

土壤微生物群落生物量可以反映土壤肥力和生态系统生产力。土壤微生物群落的多样性和丰度是通过土壤碳和养分循环来保持土壤健康的基本功能，在生态系统可持续性中起着关键作用。生物炭富含碳和微生物生长所需的微量营养元素。其大的比表面积可以防止孔隙中的一些微生物被捕食，从而有效增强土壤微生物活性，提高微生物量和多样性。SINGH等[37]在田间条件下施用稻壳生物炭，研究其对土壤微生物和水稻产量的影响，发现不同试验条件下微生物量碳、氮、磷均高于对照[38]。与对照相比，生物炭与氮肥混合施用提高了大豆根际微生物的总生物量[39]。HUA等[40]人也指出，生物炭明显提高了土壤微生物生物量中的碳和氮。

除了为微生物提供良好的生存空间外，微生物还可以将自己附着在生物炭上，以避免过热、干燥或浸出。细菌附着在生物炭的表面，阻碍了生物炭的浸出，这增加了细菌的丰度，但不会显著改变真菌的丰度，这可能是由于菌丝网络的存在[41]。HALE等[42]发现，利用300℃热解的松木生物炭作为植物促生根际细菌-阴沟肠杆菌UW5 的载体，可以提高细菌在土壤中的存活率。YANG等[43]发现玉米芯生物炭对苏云金芽孢杆菌的吸附量最大。生物炭在微生物上的吸附具有一定的选择性，这可能与微生物的性质如细胞大小和表面电荷有关。吸附可以通过疏水吸附或静电吸附的不同机制进行[44]。XU 等[45]发现细菌多样性的增加与生物炭的添加比例成正比。芽单胞菌、嗜酸菌和绿藻的相对丰度下降，放线菌、变形菌和拟杆菌的相对丰度上升。

生物炭的碱性是调节土壤pH的重要因素，不同类型的微生物对pH变化的敏感性不同。ROUSK[46]等研究指出，在将pH以外因素的影响降至最低后，细菌比真菌更容易受到pH 的影响。细菌的相对丰度和多样性与pH高度相关。pH对细菌群落结构具有显著的直接影响，这可能是由于细菌最佳生长的狭窄pH范围。而pH对真菌群落结构的影响较小，这与真菌纯培养结果一致，表明真菌生长的最适pH范围通常较大。大多数研究证实，生物炭的利用在一定程度上增加了微生物丰度，但变化仍受多种因素影响，表现出不同程度的促进和抑制作用。LI等[47]将玉米秸秆生物炭的水提取物、有机提取物和2 次提取后的残余固体应用到具有生物炭的紫色土中进行培养。30 d 后，真菌的丰度和多样性增加，而细菌的丰度没有明显变化。

4.2 对土壤微生物群落结构特征的影响

在土壤中加入生物炭能够使微生物的生存环境发生改变，从而导致某些优势种的丰度发展或某些病原体的生长受到抑制。土壤pH、持水力、土壤养分等特性的改善有利于微生物的繁殖。研究者发现生物炭的添加增加了不同氮沉降水平下变形菌门的相对丰度，而它对酸杆菌群有不同的影响。据相关报道，生物炭的根际微生物丰度也有显著增加，其中与磷循环相关的短波单胞菌、与磺酸盐脱硫相关的节杆菌和嗜铜菌增加了100 倍[48]。WANG 等[49]研究表明，真菌和细菌的相对丰度以及PLFA含量随着玉米生物炭施用量的增加而降低。这可以用生物炭的碱性来解释，它往往会在短期内抑制土壤微生物活性，从而减少群落组成。JIN[50]研究结果表明，在温带土壤中增加生物炭的添加量会导致玉米根际和非根际土壤中细菌群落组成的差异增加。高比例施用生物炭的根际土壤与施用少量或不施用生物炭的土壤最为不同；相反，高比例施用生物炭的土壤与施用少量或不施用生物炭的根际土壤最为相似。

5 生物炭对土壤微生物活性的影响

在土壤有机碳降解、营养元素转化、土壤结构保持等方面，土壤微生物发挥着至关重要的作用[51]。施用生物炭可以使微生物的活性和群落结构发生明显的变化[52]，如孔隙空间、表面积、孔隙度、矿物质、有机化合物、官能团、自由基和pH。生物炭含有氮、磷、钾和其他养分，释放到土壤溶液中后，可对微生物生长产生长期有益影响。此外，生物炭中孔和微孔中储存的可溶性物质可促进微生物活性，并改变土壤中微生物的丰度和组成[53]。KARIMI等[54]在石灰性土壤中施用1%和2%(w/w)的玉米渣生物炭后，观察到与对照相比，土壤微生物量增加了20%至124%。SELEIMAN 等[55]观察到，在向日葵上联合施用稻草生物炭和叶面硅与未用生物炭处理的土壤相比，在缺水条件下，向日葵产量增加约27%，菌根孢子增加182%～277%。

6 生物炭对土壤微生物酶活性的影响

生物炭影响土壤胞外酶的活性，这些酶负责有机碳的降解和其他重要的氮矿化或磷溶解酶的活性[56]。这种影响因生物炭的性质、土壤类型和酶类型而异。土壤酶主要来源于动物、植物和微生物的分泌物。它们的活性大致反映了生物化学反应、微生物活性和营养物质的活性，它们是土壤质量的重要指标[57]。土壤酶活性受pH、阳离子交换量、持水量和孔隙结构等因素的影响。前期研究表明，生物炭可以提高土壤酶活性。AMELOOT等[58]发现高温和低温生物炭能使酶活性产生不同的变化，研究表明生物炭对土壤酶活性的影响因生物炭类型和土壤酶类型而异；生物炭含有磷、钾、镁和其它营养物，其可促进土壤微生物活性，从而提高土壤中的整体酶活性[59]。由于生物炭的强吸附性能，也增加了土壤酶的复杂性。生物炭对反应底物的吸附有助于酶反应并促进土壤酶活性。另一方面，酶在生物炭上的吸附可降低结合位点的可用性，所述结合位点对于催化酶促反应至关重要，从而抑制酶促反应的进行[60]。但由于土壤酶和生物炭类型种类繁多，很难对这两者之间的因果关系下结论。但过量使用生物炭可能会引入有毒物质（重金属、多环芳烃等）进入土壤，从而抑制土壤酶的活性，这是未来生物炭应用中必须考虑的问题。施用生物炭后的另一个研究热点是植物根际土壤微生物与酶活性的关系。

7 生物炭对土壤微生物生态功能的影响

土壤中生物炭的利用影响微生物的功能[61]。CHEN 等[62]研究了20 年和60 年茶园中生物炭对土壤氮素淋溶和持留的影响及其微生物学机制，结果表明，生物炭添加量为6%时，减缓氮素淋溶和提高全氮含量的效果最为显著。土壤酶活性和微生物量呈上升的趋势，促进了土壤氮素循环，增强了微生物对氮素的固定作用。ABBRUZZINI 等[63]将生物炭应用于种植小麦的热带土壤，发现生物炭的使用减少了一氧化二氮排放，增加了谷物中N的含量，提高了氮的利用率，并提高了植物获得氮并将其转化为粮食产量的效率，从而改善了作物性能。土壤微生物在固碳中也起着重要作用，固碳包括增加有机物的合成和减少土壤碳的分解，从而减少温室气体排放。SHENG 等[64]将不同比例的生物炭应用于铁铝土和黑土。生物炭的吸附作用增加了黑土中贫营养细菌的丰度，降低了黑土中二氧化碳的排放。然而，观察到拟杆菌和芽生单胞菌的增长以及酸杆菌的下降，这是由二氧化碳排放的增加引起的。BASHIR 等[65]报道，种植在废水灌溉土壤中的11株植物中，有5株经过4种植物类型的生物炭处理，可降低土壤中镉的迁移性，植物芽中镉的吸收也被有效降低。添加生物炭后，多金属污染土壤中富集的镉、砷和钯显著减少。结果还表明，多环芳烃的降解效率显著大于连作模式[66]。微生物可以通过形成土壤团聚体来减少有机质的分解，对土壤固碳和土壤肥力的提高有很大影响。研究发现，玉米秸秆生物炭对放线菌和酸杆菌有积极影响，可以改善土壤团聚体的稳定性。

8 总结

随着近些年来国家提倡的绿色农业发展概念，作为环境友好型的土壤改良剂生物炭近年来得到了广泛的关注。生物炭由于其合成原料十分广泛因此不同类型的生物炭对于土壤的影响也是有所区别的。很难通过实验确定对土壤的影响程度，因此无法有效地推广生物炭在土壤改良剂方面的使用。近些年来国内外有许多科学家研究生物炭对土壤微生物的影响，也发表了许多科研成果，为后期的研究提供了相应的科学依据，但目前生物炭的研究大多都在试验田内进行短期的研究，还没有真正的大规模投入的农业生产。因此生物炭的研究过于单一和分散，在不同地区差异较大。生物炭的使用和对环境的影响目前仍有许多不确定性，还需要更加深入地研究。