生物炭和有机肥配施对土壤养分影响的研究进展

马丹妮，盛建东，张坤，毛洁菲，常松，王耀锋

（1新疆农业大学资源与环境学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052；2新疆大学生态与环境学院，乌鲁木齐 830017；3中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011；4中国科学院中亚生态与环境研究中心，乌鲁木齐 830011）

0 引言

在经济高速发展的背景下，对农作物生产和畜禽生产也提出了更高的要求，随着它们规模和专业化的不断扩大，农业废弃物（农作物秸秆和畜禽粪便等）的产生量不断增加，也对生态环境产生一定影响。农业废弃物资源利用化，是提高农业生态环境质量的重要途径之一。以农业废弃物为原料，制备有机肥料和生物炭是当前广受欢迎的利用方式。有机肥中不仅含有大量的有机质，而且施用输入农田的微量元素含量远高于土壤，长期施用有机肥的土壤很少缺乏微量元素[1]。然而有机肥中的养分含量比化肥少，且释放速率太慢，不能为高产作物提供足够的养分，因而很难满足作物生长在短期内养分的需要[2]。相反，生物炭可以延缓肥料养分的释放，增加土壤养分的吸附交换，提高土壤的保肥能力和养分利用率，但生物炭缺少活性的有机碳组分[3-4]。有机肥和生物炭结合能否达到协同作用[5]，实现作物生长的养分和有机碳平衡需要持续关注。因此，本研究在介绍有机肥养分组成、含量及改善土壤养分的基础上，关注生物炭中养分元素的组成及保水和保肥性能，提出生物炭添加对有机肥制备的影响，详细阐述生物炭和有机肥的配合对土壤理化性质和微生物的影响，进一步探究两者配合对农作物生产的影响，并对今后相关研究方向进行了展望，以期对畜禽粪便资源在农业生产中的高效利用提供借鉴。

1 有机肥

有机肥是常见的肥料之一，大部分由农户家就地取材自行制备[6]，又称为农家肥。有机肥含有丰富有机质和养分元素，不仅能改善土壤酸碱性，增加土壤有机质和养分含量，改善土壤酶活性和微生物群落结构，促进土壤新陈代谢[7]，还能为农作物生长提供所需的多种养分[8]。

1.1 有机肥养分元素种类及含量

有机肥含有丰富的有机质、氮、磷、钾及微量元素[1]。由于原料的多样化，有机肥的种类也较多，主要包括粪尿类、秸秆类、绿肥、饼肥、厩肥、堆肥、沼气肥等，其中粪尿类在中国有机肥料基础资源中占有最高比重，约占80%[9]。由于不同动物的粪便质量不同，所以粪尿类有机肥的养分含量和有效性亦不同[10]。另外，畜禽有机肥养分含量在不同区域差异较大[11-13]，这可归因于不同地区畜禽品种、养殖饲料及气候的差异性[14]。虽然有机肥对提高土壤生产效率发挥了重要作用，但养分含量存在差异且受限因素较多。

1.2 改善土壤养分

随着人口对土壤生产粮食的巨大需求，化肥的大量施用导致了土壤有机质含量的不断下降，严重制约了农业生产的绿色高效发展。与化肥相比，施有机肥对土壤更友好，主要原因是有机肥含有丰富有效的营养元素，促使土壤一直处于良好的养分供应状态[15]。同时，经有机肥处理后的土壤有机质含量显著增加，形成了一种稳定的颗粒结构，使土壤中孔隙疏松，从而有效地改善了土壤的水肥条件[16]。此外，土壤中的大部分微量元素溶解度较低，很难直接被植物根系所吸收，而有机肥可以将土壤中的微量元素从非溶解态转化成有效态[16]。

由于耕地的农业活动强度高，化肥施用量大，导致水土流失和养分流失等问题严重[17]。虽然有机肥会刺激土壤微生物生长，但微生物中的养分仅是暂时固定，因此施入有机肥后的养分浸出损失可能会更高[18]。这是因为有机肥中约40%氮为有机形式，不易浸出，当种植季节后有大量排水或降水时，大部分有机氮极有可能矿化[19]，植物不能充分利用矿化氮，随后土壤中未使用的矿物氮开始逐渐淋溶[20]。可见，想要合理利用有机肥中养分，使其养分达到最大化利用，在施用时需了解不同有机肥之间的特点，选择合适的有机肥，在合理条件下施用，还可考虑与其他肥料或改良剂产品配合施用。

2 生物炭

生物炭是含有丰富的营养物质的热解固体产物，具有较大表面积、高度多孔结构等特点[21]。其特殊结构能够提高土壤的保水性，固持土壤养分元素，进而改善土壤肥力。因此，生物炭作为新型改良剂备受关注，在农业、工业和环境修复等方面有着广泛的应用前景。

2.1 元素组成特征

生物炭的组成元素种类多样，其中碳含量最高（通常高于60%）[22]。生物炭虽含有丰富的有机碳，但矿质养分含量差异较大。根据以往的研究试验数据，我们总结了几类不同原料下制备的生物炭中元素含量（见表1）。当炭化温度相同时，以高木质素原料制备的生物炭，其总碳含量最高。如700℃时，山核桃壳生物炭可达92.8%，竹片生物炭达92.28%，而污泥生物炭仅20.4%。从养分含量上评估，相比其他种类生物炭，畜禽粪便类N、P、K 养分含量明显更高，尤其750℃鸡粪生物炭P 含量为43.79 g/kg；而污泥生物炭中P 含量仅有0.49～0.74 g/kg。不同生物质制备的生物炭中的元素差异可能同其中与所涉及元素相关的键类型[23]、生物炭的比表面积和碳的结构排列[24]等有关。

表1 生物炭元素组成特征

随着炭化温度升高，生物炭中各类元素（除碳外）含量有明显的升降趋势。如小麦秸秆生物炭总氮含量从300℃的1.38%降低至500℃的0.85%；畜禽粪便类生物炭P、K 含量随温度升高逐渐升高；而污泥生物炭P含量随温度升高逐渐降低。研究表明其主要原因是升高炭化温度能促进生物炭孔隙结构的发展以及增加灰分、电导率等[25]，相同原料制得生物炭表面含氧官能团总量减少，吸附性能总体会呈先上升后下降的趋势[26]。因此，不同原料、温度制备的生物炭中元素含量差异较大，施用时应注意其养分含量的变化情况，并结合当地的土壤背景值，确定施用生物炭的适宜范围。

2.2 提高土壤的保水性

由于生物炭具有微孔多、表面积大、吸附能力强等特性，能吸收自身重量1.5～2.5倍的水分[36]。通常施用生物炭的土壤，其田间持水量较周围普通土壤增加18%[37]。这主要是因为生物炭施入土壤后，本身的巨大比表面积和多孔结构加强了土壤对水分的吸收能力[38]，对土壤微生物群落和土壤整体的吸附能力都有益，可进一步提高土壤的保水性[39]。因此，添加生物炭可能增加土壤抵抗重力水的流失，并提高水分在土壤中的固持时间[40]。另外，生物炭的吸水性能和保水能力与生物炭性质密切相关。有研究表明适宜热解温度是保留生物炭较高养分残留率的关键[33]。这说明施加生物炭能够有效提高土壤的保水性能，而保水效果因生物炭类型、热解条件等因素而异。

2.3 促进土壤保肥性

生物炭的比表面积和孔隙率可以通过吸附和解吸过程调节土壤养分的供应[41]，不致因太多肥料而伤害植物根系或随雨水淋溶流失。当土壤中速效养分被作物吸收利用后，生物炭中贮存养分又能释放出来，达成新的动态平衡，为植物生长提供持久充足的营养[36]。WANG[42]等试验表明，添加秸秆生物炭增加了土壤15N肥料的固氮能力和植物对土壤中氮的吸收，降低了土壤无机氮含量，并且这种吸收能力持续时间长。这表明生物炭具有延缓土壤中氮素释放、减少氮的淋溶和固定氮养分的能力，从而提高氮素养分的利用效率[43]。

生物炭的特殊结构与其性能使其能够吸附一定量的磷[44]。刘赛男[45]研究发现添加生物炭后，土壤有效磷的含量随着添加生物炭的浓度的升高而显著提高。此外，有研究发现施用生物炭可增加土壤中NaHCO3提取态磷的含量[46]，其原因可能是生物炭可以促进土壤中难以被作物利用的磷矿化[47]，使其向有效态磷转化，从而增加了土壤磷的有效性。生物炭对土壤的养分淋失的改良随热解温度和土壤类型而变化，不同土壤的pH都可能导致养分吸附能力有异。因此，向土壤施用生物炭之前，应考虑主要影响因素，如热解温度、原料、生物炭施用速率和土壤类型等[48]，并对其进行合理施用。

3 生物炭添加对有机肥制备的影响

随着中国畜牧业的迅速发展，畜禽粪便成为环境主要污染源之一。针对传统的堆肥方式存在二次环境污染问题，有研究发现生物炭能够削弱畜禽粪便中残留的抗生素及抗性基因[49]，从而提高堆肥的腐熟度，进一步影响堆肥的养分含量和微生物群落结构，有效降低堆肥带来的生态风险。

3.1 腐熟度

高腐熟度的堆肥有利于植物根系养分的摄取，增加土壤对植物的养分转移量，减少地下水污染等[50]。当前，生物炭凭借其良好的促腐熟能力而被广泛应用于堆肥调理等领域。有研究显示生物炭在改变堆体热平衡，并提高最终堆肥的成熟度[51]。戚鑫鑫[52]研究认为，添加生物炭后可以加快堆肥的腐熟速度，从而缩短了堆肥周期，且添加5%生物炭时效果最为明显。这可能与好氧微生物降解和堆体内氧含量的平衡有关；另外，生物炭良好的持水性可为微生物繁殖提供更好的保障，增加堆体的腐熟度[53]。可见生物炭能够提高堆肥的腐熟度，影响堆肥效果，优化堆肥品质。

3.2 养分含量

有研究认为添加生物炭可以增加堆肥中有机质的含量，影响有机肥中的养分含量[54]。RAVINDRAN等[55]表示，与单独猪粪堆肥处理相比，混合堆肥对肥料品质和降解率的影响最大，且添加10%的生物炭时，堆肥的降解率和品质有明显的改善。国内有类似研究发现，生物炭发达的孔隙结构能够增强对氨气、铵态氮和可溶性钾盐的吸附，减少了氨气和速效钾的转化，从而降低了铵态氮的损失，促进速效钾含量的增加[56]。此外，有学者证实了生物炭添加剂还能钝化堆肥中重金属，从而提高最终产品的品质[57]。总之，添加生物炭可以减少有机肥中的养分流失，增加有机质含量，提高有机肥的肥效，但具体的定量关系还有待进一步探讨。

3.3 微生物群落

具有良好的物理化学性质的生物炭，可与养分物质进行循环交互[58]，从而有利于堆肥中的微生物生长。DU 等[59]证实添加10%以上生物炭能够促进纤维素酶和过氧化物酶活性，加强酶活性与细菌群落之间的关系，并进一步增强功能细菌群落对堆肥的影响。AWASTHI 等[60]研究结果表明，添加6%的猪粪生物炭可以明显地提高堆肥中的微生物群落的丰度。这是因为生物炭会引起微生物群落结构发生变化，从而使堆肥堆内的堆积密度发生明显的降低，堆积密度的变化可能会改变堆肥堆的自然通风，进一步影响微生物群落结构及其生物量[61]。在堆肥过程中，生物炭的用量对微生物群落的变化影响较大，且在一定范围内二者显著相关。因此，对于生物炭在堆肥中合适比例因生物炭和有机肥种类而异，有待进一步探索。

4 生物炭和有机肥配施对土壤理化性质的影响

生物炭的长期碳储存功能决定了施入土壤后短时间较难降解，较高的碳氮比需要考虑生物炭原料以及加入氮肥等因素[61]。因此，有研究者发现可以选择使用生物炭和肥料进行配施，不仅能够对土壤蓄水能力具有协同正效应[62]，还可能影响土壤酶活性、微生物活性，从而改善土壤性质。

4.1 土壤含水率

土壤含水率是土壤理化特性的重要影响因素之一，也是评价土壤质量的关键指标。大量研究发现生物炭和有机肥均在不同程度上影响土壤的持水能力。LIU 等[62]研究表明，向土壤中添加生物炭可以增加植物水分的获取，且施用生物炭堆肥可将土壤持水能力提高到原有的2 倍。IPPOLITO 等[63]比较单独施用有机肥和生物炭+有机肥处理时，发现两者的保水性都随着时间的推移而增加，而土壤含水率随生物炭的施用量增加显著提高。有研究推测影响土壤水分的原因也可能是生物炭改良土壤后促进了蚯蚓的活动，从而提高土壤含水率，改善了生物的聚集性，创造了良好的孔隙空间[64]。

4.2 土壤养分

与施用有机肥相比，生物炭表面对硝酸盐的吸附有积极影响，淋滤损失较少[65]，但仅靠生物炭并不能显著提高土壤中的部分养分含量，且频繁施加生物炭可能会引起微生物群落结构的变化，因此研究者们将生物炭和有机肥进行混合施用，指出两者混合配施可以提高或保留大部分养分[66]。基于以往的研究数据（见表2），在土壤类型相同的情况下，施加生物炭+有机肥比单一施用更有效，如黄褐土中仅施加9 t/hm2有机肥和4.5 t/hm2生物炭时，土壤有机质含量分别为26.90 mg/kg 和40.91 mg/kg，而配施9 t/hm2有机肥和4.5 t/hm2生物炭时，土壤有机质含量可达65.61 mg/kg；这是因为有机肥可以弥补生物炭中的养分欠缺，生物炭可以有效降低有机肥中的养分淋失[5]。

表2 生物炭和有机肥配施对土壤养分含量的影响

当土壤类型和有机肥用量不变时，部分土壤总氮含量随生物炭施用量增加而升高。在碱性土中，施加25 t/hm2有机肥和2.5 t/hm2生物炭后，土壤总氮含量为0.18%；而施加25 t/hm2有机肥和5 t/hm2生物炭后，土壤总氮含量为0.20%。在灰漠土中，同样施用67.5 t/hm2有机肥时，生物炭施用量由22.5 t/hm2增加至67.5 t/hm2，土壤总氮含量可增加0.07%；调整有机肥施用量为135 t/hm2时，土壤总氮含量随生物炭用量增加而降低至0.17%。这表明土壤施加有机肥时，适当混施少量生物炭可以减少总氮的流失，并降低氮不足的问题[67]。

同土壤总氮不同，土壤有效磷含量不一定随使用量含量增加而增加。如壤土中分别施加11.5 t/hm2和22.5 t/hm2的有机肥+生物炭后，土壤有效磷含量分别为60.17、55.90 mg/kg。这是因为在施用化学肥料的土壤中添加生物炭后，过量的磷被吸附到生物炭的孔隙中，会降低磷的有效性；在无添加化学肥料的土壤中，生物炭通过减少土壤淋溶损失提高磷的有效性[68]。因此，将两者进行合理搭配，可达到协同增效的目的，大大提高有机肥的养分利用率。

5 生物炭和有机肥配施对土壤微生物的影响

5.1 土壤酶活性

土壤酶在土壤微生物中发挥着重要作用，能够催化土壤中的许多反应。有机改良剂和废弃物可通过改变酶活性位点的构象等方式改变酶活性[73]。与畜禽粪便相比，生物炭改良土壤降低其碳矿化，其原因主要是添加粪便后增加了土壤脱氢酶、磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的活性[74]。有机肥单独施用和生物炭复合施用对不同土壤酶活性均有显著影响。DAS 等[75]表明，当土壤添加生物炭后，酸性磷酸单酯酶的活性随着添加量的增加而降低，而碱性磷酸单酯酶的活性则相反。这些变化可以归因于生物炭中较高的碳含量为土壤微生物生长提供充足的碳源，从而保持较高的微生物活性，有效地提高土壤中各类酶的含量，而添加有机肥对土壤中碳氮含量、微生物群落结构有显著影响，对促进土壤酶活性有间接效应[76]。

5.2 土壤生物和微生物

土壤中养分的释放转化，大多依赖于土壤生物和微生物的活动。LIU等[41]经过5年持续试验，发现施用生物炭和有机肥后，土壤线虫丰度和食菌动物丰度分别增加139.88%、299.33%，并对线虫群落结构有显著影响。这可能是有机肥和生物炭施入土壤后，为其提供了生活物料和生存环境[65]。此外，两者配施后在一定程度上可以增强土壤微生物代谢和利用碳源的能力，从而使土壤微生物群落的功能得到有效的改善[77]。通常在生物炭存在的情况下，会降低微生物量碳，导致土壤有机质分解和氮矿化减少，从而进一步使微生物群落的活性降低[78]。配施后很可能使土壤的生态系统功能增强，从而为植物的根系和土壤微生物提供了更好的环境[79]。

6 生物炭和有机肥配施对农作物生产的影响

有机肥含有丰富的营养素，能够提高土壤中的养分有效性，加上生物炭的调节固持土壤养分的作用，可以改善农作物的养分状况和产量[79]。通过统计整合以往试验数据（表3），发现生物炭与有机肥组合后对植物生长具有协同效应。如萝卜在仅50 t/hm2生物炭与仅5 t/hm2有机肥处理后，产量分别为3.2、6.6 t/hm2；而50 t/hm2生物炭+5 t/hm2有机肥处理后，产量可达7.7 t/hm2。这主要是由于两者配施可以提高蔬菜的光合色素含量，促进植物光合作用和养分吸收，从而提高农作物产量[80]。

表3 生物炭和有机肥配施对农作物的影响

随着有机肥的添加，植物可能不需要依赖生物固氮[81]，例如仅施用有机肥对甘薯的N 含量没有明显的影响。但是，当有机肥用量固定时，随着生物炭含量的增加，甘薯的N 含量也逐渐增加。同样，对椰子施用7.52 t/hm2有机肥，当生物炭量由10 t/hm2增加至30 t/hm2时，椰子中的N含量由2.1%升至3.27%。这可能与生物炭能够提高土壤的总有机碳和黑炭含量来增加养分固持能力有关[82]。此外，由畜禽粪便制备的有机肥和生物炭富含P、K 元素[83]，两者配施后能将生物炭的高固碳与有机肥中的不稳定有机化合物相结合，使土壤中总碳量提高，为植物提供了可吸收的营养物质[84]，有效提高农作物中的P、K含量。

针对不同的农作物，施配比对其产量、养分影响也有所不同。甘薯经过不同配比的处理，产量和养分含量均高于单施等量有机肥或生物炭。而芦蒿在单一施用22.5 t/hm2生物炭和有机肥时，产量分别为13.95、14.40 t/hm2；配施两者后，产量仅有14.39 t/hm2。同样，对大麦进行有机肥和生物炭处理后，大麦中N、P、K含量比单施有机肥处理的有所减少，这可能是生物炭和有机肥未达到最佳用量或不同作物类型对此的响应有差异[72]。另外，生物炭施入土壤后会影响土壤pH，进而使pH敏感的植物产量降低[85]。因此，生物炭同有机肥的配施比是影响农作物产量的主要因素，不同土壤类型、农作物种类的配施比例有所差异，但是两者配施后提高农作物产量效果显著。

7 展望

为解决土壤养分缺乏、淋失等问题，本研究归纳了有机肥和生物炭配合研究的主要进展，讨论了生物炭和有机肥的元素组成、生物炭添加对有机肥制备的影响、两者配施后对土壤和农作物的影响，在此基础上提出了以下几点内容并展望，以期对今后研究提供参考。

（1）生物炭可以有效地减少传统的堆肥对环境的危害，同时也会对堆肥的腐熟度、养分含量、微生物群落产生一定的影响。由于添加的生物炭种类以及用量不同，添加到不同有机肥中所得到的结果也不尽相同，故其最佳配比还需进一步探讨。另外，生物炭和有机粪肥制备新型高效有机肥是上述研究的成果，探索在农田不同作物中施用策略，为有机肥高效应用提供重要依据。

（2）生物炭和有机肥皆在土壤性质方面发挥作用，但不同地区土壤类型有所差异，生物炭和有机肥配合的效果也有所不同。在配施时需注意因地制宜，利用有机肥和生物炭各自的优点，发挥其互补协同作用。

（3）生物炭和有机肥配合后能够增加农作物产量，改善养分含量，进一步解决了农业种植问题。然而不同农作物对其响应不同，建议联合施用的同时，综合考虑农作物科属、根系状况、养分吸收情况等因素。

总之，有机肥能提供丰富的有机质和养分，生物炭可以保留养分减少淋失，两者联合施用对土壤和农作物更有益，有利于提高肥效，促进植物生长。