生物炭对土壤肥料的作用及未来研究

纵海英

（安徽省淮北市杜集区农业农村水利局，安徽 淮北 235000）

土壤健康和农业可持续发展是当前科研和社会关注的热点领域之一。为了提高土壤质量和增加农作物产量，研究人员一直在探索各种土壤改良剂。其中，生物炭凭借其优异的性质和特征，引起了广泛关注。生物炭是由生物质经过热解或气化过程制得的炭材料，其具有高碳含量、多孔性和高比表面积等独特特点。它既是一种重要的碳封存手段，又是一种环保的可再生能源。不仅如此，生物炭还能改善土壤结构、提高土壤肥力，对作物生长和土壤生态系统的健康起到积极作用。

1 生物炭的性质与特征

1.1 性质

生物炭的碳含量通常高达60%～90%，远超过原始的生物质。这种高碳含量使得生物炭成为一种重要的碳封存手段，有助于减少大气中的二氧化碳浓度。富含碳的特性也意味着生物炭可以作为能源使用，虽然其能量密度可能低于某些传统化石燃料，但其是一种更为环保的可再生能源。

生物炭的内部结构充满了微小的孔隙，这些孔隙为生物炭提供了大的比表面积。这种多孔性质使得生物炭具有很强的吸附能力，不仅可以吸附水和养分，还可以吸附土壤中的污染物。多孔性质也让生物炭成为土壤改良的好选择。它可以改善土壤的结构，增加土壤的通气性和渗水性。

生物炭中的碳在土壤中可以稳定存在数百年，这意味着一旦生物炭被添加到土壤中，其可长期给土壤带来益处，无需重复添加。这种稳定性也使得生物炭成为一种安全的碳封存手段。与一些其他形式的碳封存相比，生物炭中的碳不易被释放到大气中[1]。

1.2 特征

生物炭的生产过程中，生物质被热解或气化，产生的主要是生物炭和生物质气体。这个过程排放的二氧化碳量远低于生物质自然分解过程中的排放，因此，它是一种环保的生产过程。在农业应用中，生物炭可以减少化肥和农药的使用，进一步减少这些化学品对环境的负面影响。

当生物炭被添加到土壤中时，它可以提高土壤的pH，使其更加碱性。这种改变有助于土壤中的养分变得更易于植物利用。生物炭的多孔性质可以帮助土壤更好地保持水分和养分，减少养分流失，促进植物的生长。

生物炭的吸附性能不仅可以应用于土壤改良，还可以用于水处理。它可以吸附水中的重金属、有机污染物等，提高水质。在某些研究中，生物炭还被用于吸附大气中的污染物，虽然这一应用仍处于研究阶段，但它展示了生物炭在环境治理方面的巨大潜力。

2 生物炭对土壤的改良作用

2.1 生物炭对土壤有机质的作用

大卫·米勒：米勒在2020年的《生物炭与农业可持续性》一书中提到，生物炭的应用可以促进土壤团聚体的形成。这种团聚体可以保护有机质免受分解，从而长期保持土壤的肥力。首先，通过低温缺氧裂解的过程，生物炭形成了稳定的碳结构。这种碳结构不易受到微生物的分解，因此当生物炭被添加到土壤中时，它可以长期存在，从而有效提高土壤的有机质含量。这种稳定的碳结构为土壤提供了一个长期的碳源，有助于维持土壤的健康和肥力。其次，生物炭的多孔性质增加了土壤的表面积。这不仅改善了土壤的物理性质，还为土壤微生物提供了更多的生存空间。这些微生物在生物炭提供的良好环境中活跃起来，促进了有机质的分解，并将其转化为植物可以利用的养分。这种转化过程进一步促进了植物的生长，为农田和生态系统的繁荣提供了条件。最后，值得一提的是，生物炭还可以促进土壤团聚体的形成。这种团聚体对土壤有机质起到了保护作用，减少了其被微生物分解的机会，使得土壤有机质能够长期保存。这种保护机制确保了土壤有机质的稳定和持久性，为土壤的可持续利用提供了支持[2]。

2.2 土壤物理性质

生物炭的加入对土壤的物理性质产生了显著的影响，进一步改善了土壤的整体环境。首先，通过促进土壤团聚体的形成，生物炭与土壤颗粒和有机物共同作用，创建了一个更稳定、更健康的土壤结构。这种团聚体的存在大大提高了土壤的通气性和渗透性，使得空气和水分能更容易地在土壤中流动。对于植物根系而言，这意味着它们能够更轻松地获取生长所需的氧气和水分，为其提供了更优良的生长环境。不仅如此，生物炭的多孔性还为土壤保水性做出了重要贡献。它能够吸收并储存大量水分，然后在干旱期为植物提供所需的水分。这种特性在多个方面表现出色，不仅提高了土壤的保水能力，减少了水分的流失，还在一定程度上缓解了干旱对植物造成的压力。除了增强土壤保水性外，生物炭的多孔性也改善了土壤的通气性。这种改善使得土壤中的好氧微生物得到了更好的生长和活动条件，进一步促进了有机物的分解和养分的释放。这意味着土壤生态系统得到了平衡，植物也能从中获取更多的养分，从而更健壮地生长。值得一提的是，生物炭的颜色较深，这一特性使其能够吸收更多的太阳能并将其转化为热能。在寒冷地区，这一转化过程有助于提高土壤温度，从而为植物创造更适宜的生长条件。相反，在炎热地区，生物炭则有助于稳定土壤温度，减少波动，保护植物免受过度热害的影响。

2.3 土壤化学性质

（1）土壤pH调整

生物炭是由生物质经过热解或气化过程制得的炭材料，由于其制造过程，通常呈碱性。这种碱性特性使得生物炭在农业应用中具有独特的优势。酸性土壤通常缺乏重要的营养元素，如钙、镁和钾，而且容易导致铝和锰的毒性增加，对植物生长造成不利影响。然而，通过添加生物炭，我们可以调整酸性土壤的pH，从而创造一个更适宜植物生长的环境。这对于喜欢碱性环境的植物尤为重要，如一些特定的花卉、蔬菜和果树。因此，生物炭的应用有助于改善酸性土壤的质量，促进植物的健康生长，为农业生产提供更可持续的解决方案。

（2）土壤阳离子交换能力（CEC）提升

生物炭由于其制造过程和多孔结构而拥有丰富的表面电荷，这使得它在土壤改良中具有重要作用。土壤的阳离子交换能力（CEC）是评价土壤质量的关键指标，它决定了土壤吸附和交换阳离子的能力，进而影响土壤养分的保持能力。通过添加生物炭，土壤的CEC得到显著提高，这使得土壤能够更好地保留关键养分，如氮、磷、钾。因此，生物炭的应用不仅增加了土壤中养分的有效性，还促进了植物对这些养分的吸收效率。更为重要的是，这种提高的CEC在长期中具有持续效益，它能够持续为植物提供所需的养分，促进植物健康生长，并减少养分的流失，从而降低对环境的负面影响。

2.4 土壤微生物

生物炭对土壤微生物具有显著的影响。其多孔性和高比表面积的特性为土壤微生物提供了一个良好的栖息环境，这有利于微生物的生长和繁殖。同时，生物炭富含碳源和营养元素，这可以有效促进微生物的代谢活动，进而提升微生物的多样性。此外，生物炭对某些有益微生物的生长具有特别的促进作用，例如，它可以促进固氮菌、解磷菌的生长，从而增加土壤中的氮、磷等养分含量，改善土壤肥力。不仅如此，生物炭还具有一定的抑菌作用，能够抑制一些病原菌的生长，这可能与生物炭中含有的某些对病原菌具有毒性或抑制作用的化合物有关。因此，生物炭的施入能够显著改善土壤微生物的群落结构，增加有益微生物的比例，降低病原菌的比例，最终改善土壤的整体健康状况。

2.5 生物炭的作物效应

首先，它可以改善土壤结构，增加土壤孔隙度，并提高土壤的保水能力，从而为作物提供一个更优越的生长环境。这种改良后的土壤条件不仅促进了作物根系的生长，还增强了作物对养分的吸收能力，进而有助于提高作物产量。其次，生物炭富含碳元素，可作为土壤中的有机肥料，为作物提供丰富的营养，而且其作用相对持久，能够逐步释放养分以满足作物生长的需求。因此，使用生物炭还能改善作物的品质，例如增加蛋白质含量，改善口感等。此外，生物炭的应用还有助于增强作物的抗逆性，它可以提高土壤的抗旱性、抗寒性和抗病性。生物炭具有良好的保水性能，在干旱条件下能够减少土壤水分的蒸发，为作物提供稳定的水分供应。同时，它还能提高土壤温度，有助于作物在寒冷地区的生长。生物炭中的有益微生物还能抑制病原菌的生长，防止作物病害的发生。

3 肥料增效载体

首先，由于生物炭具有多孔性和高比表面积的特性，它能够有效地吸附并保存肥料中的养分，降低养分的流失和挥发，从而提高肥料的利用率。这不仅有助于提高农作物的产量和品质，而且能够减少肥料的浪费，降低对环境的污染，对于农业生产的可持续性和环保性具有重要意义。其次，生物炭的添加能够显著改善土壤的物理性质，增加土壤的孔隙度和透气性，提升土壤的保水能力和抗旱性，有利于植物根系的生长和养分的吸收，进一步促进作物的健康生长。再者，生物炭还可以作为肥料的缓释载体，通过吸附和缓慢释放肥料中的养分，延长肥料的有效期，减少农民施肥的频率，既减轻了农民的劳动强度，也有助于减少养分的流失，降低对环境的污染。最后，生物炭富含碳源和矿物质，它为土壤微生物提供了一个良好的生存环境，从而促进了微生物的活动。这些微生物的活动不仅有助于分解有机物质，释放养分，促进植物的生长，同时也能改善土壤的结构和肥力，形成一个良性的生态循环[3]。

4 土壤生物炭固碳潜力

首先，生物炭是由生物质经过热解或气化过程制成的富含碳的固态产品，其碳含量较高。由于经过热处理，其碳结构更为稳定，不易被微生物分解，因此可以在土壤中长期保存，这增加了土壤的碳储量。其次，生物炭的施入不仅直接增加了土壤的碳输入，而且改善了土壤结构，提高了土壤肥力。这种改良效应促进了植物的生长，进而增加了植物残体的归还量，间接地增加了土壤的碳输入。最后，生物炭具有多孔性，能够改善土壤的通气性和保水性，其表面丰富的官能团可以吸附土壤中的养分和重金属，从而提高土壤的化学性质。这些物理和化学性质的改善都有助于提高土壤的肥力，进一步促进植物生长，并增加土壤的碳储量。更为重要的是，生物炭的应用对于应对气候变化和土壤退化具有积极意义。通过增加土壤碳储量，生物炭有助于减少大气中的二氧化碳浓度，缓解气候变化。它还能改善土壤性质，提高土壤应对极端气候事件的能力，减少土壤碳的损失。对于退化的土壤，生物炭的应用能够促进土壤结构的改善和肥力的提升，从而推动土壤生态系统的恢复[4]。

5 未来研究

生物炭与土壤微生物的互作是一个值得深入研究的领域。尽管已知生物炭能为土壤微生物提供有益的生存环境，但具体受益的微生物种类以及这些微生物如何影响土壤肥力仍需进一步探索。此外，当前的研究主要关注生物炭短期内的效应，但其长期（如几十年）对土壤肥料的影响仍然不明确，因此未来研究应更多关注生物炭在土壤中的长期变化和对土壤肥力的长期影响。同时，探索生物炭与其他土壤改良剂（如有机肥、矿质肥料等）的配合使用，以产生协同效应并提高土壤肥力，也是重要的研究方向。考虑到土壤类型和气候条件可能对生物炭的应用效果产生影响，研究不同土壤类型和气候条件下的生物炭应用效果对于其推广应用具有重要意义。最后，尽管生物炭能提高土壤肥力，但其生产过程的环保性也是一个需要关注的问题。如何环保、高效地生产生物炭将是未来研究的重要方向，以确保其在农业和环境领域的应用能够持续并具有广泛的影响力[5]。

6 结语

生物炭作为一种具有潜力的土壤改良剂和肥料增效载体，具有独特的性质和特征，对土壤和作物表现出多方面的正面影响。它不仅可以增加土壤的有机质含量和肥力，改善土壤结构和水分保持能力，还能提高作物的产量和品质，增强其抗逆性。另外，生物炭对土壤微生物的互作也具有重要意义，能够促进有益微生物的生长和活动，进而改善土壤生态系统的健康状况。此外，作为肥料的缓释载体，生物炭可以提高肥料利用率，减少肥料的浪费和环境污染。未来的研究应进一步深入探索生物炭与土壤微生物的互作机制，长时间尺度下的效应，以及与其他土壤改良剂的协同应用。