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(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

土壤酸化、板結、重金屬超標等問題隨著化肥的過量施用變得日益嚴重。如何在不減少作物產量的前提下減少化肥的施用是解決土壤問題的關鍵。

自然界中存在固氮菌、解磷細菌和解鉀細菌等功能微生物，通過這些功能微生物在土壤中的生長繁殖，達到解鉀、釋磷、固氮的功能，從而為植物生長提供養(yǎng)料，并逐步減少化肥的使用成為了改善土壤現(xiàn)狀的重要可行方案。

而生物炭獨特的理化性質決定其可以作為土壤改良劑，同時可以為微生物的生長提供營養(yǎng)物質與生存空間。在總結生物炭對土壤以及土壤中固氮微生物影響的研究基礎上，探索生物炭作為功能微生物載體的可行性。

1 生物炭的基本性質及對土壤的影響

1.1 生物炭的結構特征

生物炭是生物質在缺氧的條件下熱解得到的固態(tài)產物。生物炭的微觀組成多是芳香環(huán)片層，這些片層高度扭曲、緊密堆積[1]，如圖1所示的電鏡圖片，可見其亂層結構[2]和大的比表面積特征，而不同材質熱解生成的生物炭在結構上有一定差異。生物炭的孔隙率和比表面積是其重要的結構特征，很大程度上決定著生物炭潛在性能的發(fā)揮。一般來說，生物炭的性能與孔隙率和比表面積成正比，表現(xiàn)為生物炭的良好的吸附性與持水性。

圖1 不同材料熱的生物炭電鏡圖

1.2 生物炭對土壤理化性質的影響

1.2.1 生物炭對土壤容重的影響

容重較低且有機質含量高的土壤更有利于土壤中營養(yǎng)的釋放、養(yǎng)分的保留，并降低土壤板結程度，對種子的萌發(fā)具有促進效果。生物炭自身的容重很小，當生物炭與土壤混合后可以降低土壤容重并提高土壤生產力。Eastman[3]在粉砂土壤上施用 25g /kg 的生物炭，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。

1.2.2 生物炭對土壤酸化的影響

大部分生物炭呈現(xiàn)堿性。近幾年來的研究表明，生物炭通過三種途徑進行影響酸性土壤的pH值：1.生物炭自身含有堿性物質，可以對土壤中的酸性物質進行中和。2.生物炭的添加可以促進土壤中有機氮的礦化，消耗質子，從而提高土壤pH。3.生物炭的巨大比表面積可以吸附土壤中的,從而抑制硝化作用，提升土壤pH。張祥等[4]通過試驗得到向土壤中施加2%的生物炭可以使土壤pH提高0.55。

1.2.3 生物炭對陽離子交換量(CEC)的影響

陽離子交換量(CEC)(指土壤能吸附的交換性陽離子(Ca+、K+、Na+、Mg+)的最大量)是評價土壤肥力的關鍵指標。生物炭自身含有部分交換性陽離子，因此將生物炭施入土壤可以提高土壤的陽離子交換量。張雯[5]在土壤中施入20t/hm-2的木炭生物炭，土壤陽離子交換量值從5.7cmol/kg 增大到5.9 cmol/kg。隨著生物炭施入量的增加，土壤陽離子交換量增大程度為0.1～3.7 cmol/kg。

1.3 生物炭對土壤微生物的影響

研究表明生物炭對土壤中微生物的活性產生了積極的影響。Hale等[6]將600℃的松木炭與砂質土混合4周后發(fā)現(xiàn)細菌(腸道桿菌)的數量增加了16%。Ameloot[7]等人將700℃的柳木炭分別施入砂土和黏土中，發(fā)現(xiàn)微生物的生物量增加了29%和62%。 生物炭對微生物活性的積極作用體現(xiàn)在：1.它可以為土壤微生物的生長提供易于降解的有機代謝物和營養(yǎng)物質。2.生物炭具有較強的吸附能力，可以吸附對微生物生長有害的物質(如：鄰苯二酚、甲酚、木糖醇、甲醛、丙烯醛等)。3.生物炭的孔隙可以為微生物提供生存空間，減少了微生物之間的生存競爭，有益于菌根真菌的繁殖與活性。很多文獻認為無論是細菌還是真菌，生物炭的孔隙都能更好地保護其免受競爭者的影響。但究竟是孔隙的物理位置還是表面的吸附為微生物提供保護，還需要進一步的研究來確定。這一問題的揭示將成為生物炭與微生物之間作用機理的關鍵。

2 微生物的氮循環(huán)

氮在自然界中的循環(huán)轉化過程。是生物圈內基本的物質循環(huán)之一。土壤微生物氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是:硝化與反硝化作用、氨化作用和固氮作用。

2.1 硝化與反硝化作用

2.2 氨化作用

氨化作用是微生物分解有機含氮化合物并釋放出氨的過程。土壤中的有機含氮化合物除可溶性氨基酸外，其他物質都不能被植物直接吸收，必須經過微生物分解，將氨釋放出來，才能供植物利用。

2.3 生物固氮作用

氮是合成蛋白質和核酸等生物分子的必要條件。雖然大氣中含有78%的氮氣，但是大多數生物都不能直接利用大氣中的氮。生物固氮是指在某些特定的條件下自然生態(tài)系統(tǒng)中的固氮微生物，在細胞中固氮酶的催化下將大氣中的N2還原成銨的過程。自然界能夠固氮的微生物很多,根據微生物固氮的特點及與植物的關系可分為：自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮。生物固氮是全球生態(tài)系統(tǒng)最主要的氮源，它和光合作用被并稱為地球生命活動的基石。

3 生物炭對固氮效果和固氮微生物的影響

3.1 生物炭對硝化作用的影響

一項研究報告稱，土壤生物炭的添加增加了熱帶地區(qū)可耕地的硝化作用。Song[8]在中國溫帶地區(qū)土壤中添加生物炭后發(fā)現(xiàn)古生菌和細菌的基因拷貝數得到了增加。Nelissen等[9]發(fā)現(xiàn)，土壤在添加生物炭后，總硝化反應增加了13%，總氮化程度增加了34%。

3.2 生物炭對氨化作用的影響

研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加可以促進氨化作用。例如，Nelissen等[10]報告說，在15N示蹤劑培養(yǎng)試驗中，土壤添加生物炭后總氮化量增加了兩倍。利用同樣的方法，Prommer等[11]通過18個月的田間試驗發(fā)現(xiàn)，土壤有機氮的形成減少，總硝化反應的增加。

3.3 生物炭對固氮微生物的影響

一些實驗室和實地研究揭示了生物炭對土壤中微生物固氮的積極作用。通過同位素法和乙炔還原法等固氮效果評價方法，以及分子生物技術——諸如定量聚合酶鏈反應(qPCR)和DNA測序等方法，都證實生物炭增加了固氮酶的活性、根瘤數，以及固氮微生物的豐富程度。

孟穎等[17]發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加不同類型的生物炭，能有效提高玉米苗期的生物固氮作用，促進了纖維素降解菌和固氮菌的生長。宋延靜等[18]利用實驗室模擬的方法向濱海鹽堿土中添加生物炭，通過空白實驗對照發(fā)現(xiàn)添加生物炭可有效改變?yōu)I海鹽堿土固氮菌的群落結構，促進了土壤固氮菌的生長，從而增加土壤氮素輸入，增加了土壤氮素供應。Harter[14]證明生物炭可以增加固氮霉基因的拷貝數量。Anderson[12]等人用不同的生物炭行了盆栽試驗，并使用了T-RFLP與16SrRNA基因測序，闡明生物炭施加應用對微生物群落的影響，結果表明生物炭增加了許多已知的固氮細菌家族的相對豐度，如黃根瘤菌、弗蘭基科和根瘤菌科。同時，利用穩(wěn)定同位素技術對豆科植物共生固氮的研究也揭示了類似的趨勢。在貧瘠的土壤中生物炭也能提高固氮菌的固氮效率。在盆栽試驗中，Rondon[16]等人研究證明，在低肥力的情況下，將木材衍生的生物炭添加到一種低濃度的氧化土中，可以改善普通咖啡豆的共生固氮。Singh R[19]等，發(fā)現(xiàn)在貧瘠的土壤中施加生物炭，有利于根瘤形成。Makoto Ogawa[20]等通過對無氮培養(yǎng)基上培養(yǎng)的游離的固氮菌進行為期一周的木炭接種試驗，證明生物炭可以成為根瘤菌的棲息地，這一結論為生物炭作為固氮根瘤菌載體提供了佐證。

4 結 語

生物炭作為新型的土壤改良劑，還田利用受到人們的關注。生物炭的組成及高孔隙率決定了它可以為微生物的生長提供營養(yǎng)物質與生存環(huán)境。在研究過程中人們發(fā)現(xiàn)了生物炭可以增強土壤微生物的氮循環(huán)，對固氮微生物的生長具有促進作用。筆者通過文獻研究證實了生物炭可以作為固氮微生物的有效載體的可行性。生物炭與功能微生物的未來的研究，應從以下幾個方面入手：1.確定適合固氮菌生長的生物炭基質，研制生物炭基固氮菌肥；2.揭示生物炭促進生物固氮的機理；3.研究生物炭作為其他功能菌載體的可行性，使生物炭最大的發(fā)揮它的土壤效應。