郜禮陽，林威鵬，張風姬，周巧儀，劉淑媚，熊 蔓，凌彩金

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所/廣東省茶樹種質(zhì)資源創(chuàng)新利用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.英德市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 英德 513049；3.東莞市農(nóng)業(yè)科學研究中心，廣東 東莞 523086）

土壤酸化是指在自然因素和人為因素共同作用下土壤 pH值（≤5.5）下降的過程［1］。土壤酸化伴生于自然成土過程且進程極其漫長，但近些年來，受高強度人類活動的影響，土壤酸化過程大大加速［1-3］。有報道指出，酸性土壤面積約占全球潛在耕地面積的40.0%～50.0%，占地球面積的30.0%，大多分布于熱帶亞熱帶地區(qū)［2-3］。我國酸化土壤主要分布在長江以南地區(qū)，其面積約占全國土壤面積的22.7%，pH在4.5～5.5之間，一些地區(qū)甚至低于4.5［4］。張福鎖院士團隊研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀80年代到本世紀初，我國農(nóng)田土壤pH下降0.5個單位，未來土地利用趨向集約化且糧食需求量有所增大，土壤酸化程度或?qū)⒗^續(xù)增加［5］。

土壤酸化將引起產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量安全與健康問題，如養(yǎng)分流失、肥力下降、土壤生物活性降低、作物減產(chǎn)、重金屬活化增加潛在風險等。首先，土壤酸化使H+濃度升高，導致凈負電荷量減少，K+、Ca2+、Mg2+等鹽基性養(yǎng)分陽離子因缺少結(jié)合位點而大量淋失，最終土壤鹽基飽和度下降，有效態(tài)營養(yǎng)元素含量急劇減少，土壤肥力下降［6］。其次，酸性土壤中Ca、P等大量元素和Mo、B等微量元素有效性降低，不僅嚴重影響作物吸收［7］，更加速礦物的風化，導致土壤陽離子交換量（CEC）減小，對鹽基陽離子和NH4+的吸持能力減弱，土壤保肥能力降低［8］。然后，隨著pH值降低，微生物種類、活性及分布也遭受影響，嚴重阻礙土壤有機質(zhì)的礦化、無機物的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，進而影響植物吸收利用［9-10］。再者，土壤酶活性隨土壤酸化程度降低而降低，且pH越低對酶活性的抑制作用越強［11］。還有研究表明，土壤酸化會導致水稻［12］、玉米［13］、葡萄［14］、番茄［15］、黑麥草［16］、煙草［17］等作物大幅減產(chǎn)。最后，伴隨酸度增強土壤重金屬元素的溶解度、遷移性及生物有效性大幅增加（如Al毒、Mn毒等），對產(chǎn)地環(huán)境、作物及其產(chǎn)品的質(zhì)量安全產(chǎn)生負面影響，最終對人類的健康甚至生命構(gòu)成威脅。

目前，針對酸性土壤改良的主要技術(shù)包括施用石灰、土壤調(diào)劑，堿性肥料、有機肥和生物炭等［4］。其中，生物炭因原料來源廣泛、理化特性突出作為一種新興土壤改良劑備受國內(nèi)外學者的關(guān)注。

1 生物炭材料及其特性

生物炭是不同來源有機物質(zhì)（如作物秸稈、生活污泥和動物糞便等）在限氧條件下通過較低溫度（≤700 ℃）熱裂解產(chǎn)生的一類含碳、穩(wěn)定、高度芳構(gòu)化的碳質(zhì)材料［18-19］。生物炭原料的獲得性極強且成本低廉，這也是生物炭較為突出的優(yōu)勢之一。常用的原材料有農(nóng)林廢棄物，如小麥秸稈［11,16-17］、竹子［12］、木屑［15］、水稻秸稈［18］、桉樹樹葉［19］等；畜牧業(yè)廢棄物，如牛糞［20］、雞糞［21］、墊料［22］等；生活廢棄物，如廚余垃圾［23］、庭院廢棄物［23］、生活污水污泥［18］等；草本植物，如鹽生草［24］、美人蕉［25］等。上述這些原料中，植物類秸稈最為常見。生物炭的制備工藝相對較為簡單，當前“限氧熱解炭化法”較為常用，其他的還有氣化熱解法、水熱炭化法、微波熱解法等［23］。生物炭制備過程中除了產(chǎn)生固體物質(zhì)生物炭外，還有氣體和液體物質(zhì)伴生，如裂解氣（H2、CO、CH4）、焦油和木醋液等［26］，這些副產(chǎn)物大多用于替代能源、化工原料等方面。生物炭的應用主要集中于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，生物炭及炭基肥料主要用于耕作障礙土壤的修復與改良，如重金屬污染土壤修復、酸化土壤改良、貧瘠土壤肥力提升等；工業(yè)領(lǐng)域，生物炭主要用于工業(yè)能源供應、功能材料的開發(fā)、水體重金屬污染修復等［27］。

生物炭的理化特性（表1）使其在農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等領(lǐng)域備受關(guān)注。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達，比表面積普遍較大，每克生物炭的比表面積從幾平方米到幾十平方米不等［18,20,24］，為其吸附功能提供了更多的點位；自然狀態(tài)下生物炭呈現(xiàn)堿性且pH值較高［18,21,24-25］，可作為酸性土壤改良劑；其元素組成也相對較為豐富，主要包括C、H、O等大量元素及N、P、K等重要的養(yǎng)分元素［20-21］，可實現(xiàn)C的固定和養(yǎng)分的循環(huán)與補充。此外，生物炭表面還含有種類多樣的基團，主要是羥基（-OH）、羧基（-COOH）、內(nèi)酯基（-COOR）等含氧官能團，它們在吸附過程中同樣發(fā)揮著不可替代的作用［28］。

表1 生物炭主要理化特性Table 1 Main physical and chemical properties of biochar

2 生物炭對酸性土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 團聚體

團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的必需條件之一，團聚體的大小、分布和穩(wěn)定性決定著土壤養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)與利用效率［29］。

生物炭的疏松多孔及表面積巨大等特性，能有效吸附土壤膠體，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。豐富的團粒結(jié)構(gòu)使土壤中固液氣三相協(xié)調(diào)穩(wěn)定，因而土壤可耕性良好、板結(jié)度降低，有利于作物根系生長，有利于農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。有學者研究發(fā)現(xiàn)［16］，酸性土壤施用生物炭后，水穩(wěn)定性團聚體比對照增加了15.0%～37.0%，達到顯著水平。李江舟等［30］進行了3年大田長期定位試驗的結(jié)果表明，生物炭施入酸性土壤后，＞0.25 mm粒級團聚體數(shù)量比對照增加57.8%～77.8%，生物炭連續(xù)施用可大幅提高耕作層土壤團聚體穩(wěn)定性，且提升效果與用量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系。然而，有些學者的研究結(jié)果并不支持上述結(jié)論，比如，葉麗麗等［31］的室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭不僅不能提升紅壤中團聚體含量，甚至還造成團聚體穩(wěn)定性下降，進而導致土壤粘結(jié)力減弱，水土流失風險升高；Peng等［32］的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭使團聚體穩(wěn)定性有所下降（1.0%～17.0%）。另有學者［29］發(fā)現(xiàn)，施用生物炭雖然提高了團聚體的含量，但對團聚體的形成和穩(wěn)定性無顯著影響，還有的研究結(jié)果［30］顯示，生物炭對酸性土壤0.053～0.25 mm粒級的團聚含量無顯著影響，且這一效應與用量大小無關(guān)，但＜0.053 mm粒級的團聚體含量下降28.6%～39.5%。由此可見，生物炭對團聚體的影響是多因素、多方面共同作用所致。生物炭可以增強土壤生物的活性，促使其產(chǎn)生更多團聚體形成所需的膠結(jié)物質(zhì)，從而提高團聚體的穩(wěn)定性，但不易分解且分解過程不產(chǎn)生促進團聚體穩(wěn)定物質(zhì)，可能不利于團聚體的形成與水穩(wěn)定性，還可能與酸性土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、土壤環(huán)境等相關(guān)。

2.2 容重

容重是表征土壤熟化程度的重要指標，熟化程度較高則容重較小。一般來說，有機質(zhì)含量較高且容重較低的土壤有利于土壤養(yǎng)分持留和緩釋，有利于土壤板結(jié)度降低并促進作物種子萌發(fā)［33］。

有學者發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠降低土壤容重，改善土壤總孔隙度，增加毛管孔隙度，提高土壤水分涵養(yǎng)能力，且效果優(yōu)于秸稈還田和農(nóng)家有機肥［34］。也有學者報道，生物炭的施用不僅能顯著降低土壤容重、提高土壤熟化程度，還可以增加土壤肥力、促進作物健康生長［33］。還有一些類似的研究結(jié)果，如閻海濤等［35］在植煙的弱酸性土壤進行試驗，結(jié)果表明容重隨生物炭添加量增大而逐漸減小，最高可降低12.7%且達到顯著水平；熊薈菁等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄園的酸性土壤中施用生物炭后，土壤的孔隙比增加、透氣性增強、容重顯著下降9.4%；黃超等［16］也發(fā)現(xiàn)生物炭施入酸性土壤后，其容重顯著降低（6.2%～11.7%）。綜上表明，酸性土壤容重降低可能與生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積巨大且質(zhì)量遠低于礦質(zhì)土壤有關(guān)。

2.3 水分持留

水分持留反映土壤水分含量及其有效性，是衡量土壤生產(chǎn)力的重要指標之一。有研究表明，生物炭具有很強的持水能力，可以增強水分的滲透性，提高土壤水分和養(yǎng)分含量［32,36］。黃超等［16］發(fā)現(xiàn)，酸性土壤施入不同用量的生物炭，田間持水量可增加7.5%～9.6%，且這一數(shù)值與生物炭施用量在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)正比關(guān)系。施用生物炭的酸性土壤含水率顯著升高（7.4%～18.0%），當生物炭施用量為40.0 t/hm2時，達到峰值18.0%［35］。另外，熊薈菁等［14］將生物炭施入酸性葡萄園土壤，發(fā)現(xiàn)土壤的儲水能力顯著增強，其含水量提高了35.4%。然而，潘全良等［34］的干旱模擬試驗卻發(fā)現(xiàn)，與生物炭相比，豬廄肥更能提高土壤保水能力，其含水量比生物炭高6.0%。

上述結(jié)果出現(xiàn)的原因可能有，生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)、強大吸附能力，使得土壤中的水分、礦質(zhì)離子和有機粒子等被牢牢地吸附在點位上，水分得以儲存，養(yǎng)分得到更高效利用；然而，不同物質(zhì)之間吸水性能存在較大差異，生物炭大多含有疏水基團，而豬廄肥等農(nóng)家肥本身吸水性較強，并且生物炭加深了土壤顏色吸熱更多，也可能導致水分含量略低于農(nóng)家肥。

2.4 有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)是植物營養(yǎng)的主要來源之一，它可以促進植物生長發(fā)育、改善土壤物理性質(zhì)、促進土壤生物活動以及提高土壤的保肥性和緩沖性。

生物炭施用顯著改變酸性紅壤的有機質(zhì)組成，隨著用量的增加，腐殖酸比例雖有所下降，但胡敏素等有機物質(zhì)顯著增加［16］。有研究表明，施加生物炭可以大幅提升酸性土壤有機質(zhì)含量，與對照相比，添加生物炭的處理中有機碳含量顯著提高了45.6%［29］；也有研究發(fā)現(xiàn)隨著施用年限累積和施用量的增加，酸性紅壤耕作層中有機碳含量逐年增加（38.7%～60.1%）［30］。熊薈菁等［14］將生物炭連續(xù)施入酸性葡萄園中，與常規(guī)施肥相比，第二年和第三年土壤有機質(zhì)含量分別提高52.0%和94.3%，且均達到極顯著水平。張阿鳳等［17］研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中施用1.0%～3.0%的生物炭，土壤有機碳含量顯著提高了381.0%～302.3%，但提升效果與用量之間無顯著相關(guān)關(guān)系。有研究認為，生物炭主要通過促進土壤中有機質(zhì)的分解與釋放，提高土壤微生物的活性進而促進土壤腐殖質(zhì)的分解，最終提升土壤有機質(zhì)含量［42］。也有學者［43］報道稱生物炭表面的芳香結(jié)構(gòu)在酸性土壤中鈍化生成的保護基質(zhì)提升了有機質(zhì)的穩(wěn)定性，確保有機質(zhì)不易被分解，間接提高其在土壤中的含量。

2.5 重金屬

土壤常見重金屬包括Pb、Cu、Cd、Cr等，可導致植物營養(yǎng)不良、根系和葉片等出現(xiàn)病變，引起動物呼吸系統(tǒng)紊亂、免疫力降低、各器官疾病等。為此，眾多學者針對酸性土壤重金屬污染開展了大量研究。其中，Chintala等［37］通過土培試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭可不同程度地降低酸性土壤中重金屬的含量。楊蘭等［38］研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤中有效態(tài)Cd含量的降低作用明顯（37.2%），堿改性生物炭更是達到58.8%的降低比例。Herath等［15］利用MgCl2萃取土壤重金屬的方法，發(fā)現(xiàn)酸性土壤中可交換態(tài)重金屬濃度隨生物炭用量增加而顯著降低，其中重金屬Cr含量下降幅度最大（95.0%～99.0%），幾乎喪失生物可利用性，完全被固定在土壤中。還有部分學者發(fā)現(xiàn)［15］，添加生物炭的試驗植物生長率顯著高于對照組，表明生物炭可以固定土壤重金屬，顯著降低其生物可利用性，保障植物的正常生長。

生物炭較強的堿性可以提高土壤pH，促使土壤中的重金屬形成固結(jié)物或凝結(jié)成礦物，即土壤重金屬離子由可交換態(tài)向更穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低其在土壤中的遷移性［39-40］。同時，生物炭中的含氧官能團可與土壤中的重金屬發(fā)生絡(luò)合反應鈍化或固定重金屬，降低土壤重金屬的生物有效性和毒害作用；生物炭巨大的比表面積、疏松多孔的結(jié)構(gòu)和表面的負電荷可以直接吸附土壤中的重金屬，降低生物可利用態(tài)的重金屬含量［15,38］。

2.6 pH值

土壤pH值與土壤養(yǎng)分的有效性密切相關(guān)［17］。土壤pH值較低時，可能出現(xiàn)肥力減弱、質(zhì)量下降、作物無法正常生長等現(xiàn)象，而生物炭大多呈現(xiàn)堿性且pH值較高。眾多學者研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭施用后，酸性土壤pH值呈不同程度的上升［32,35-36,41］，從零點幾到1個單位不等，有的pH甚至升高1.5個單位以上［38］，最高上升2.1個單位［15］。張阿鳳等［17］研究發(fā)現(xiàn)，在酸性植煙土壤中加入生物炭，其pH值上升0.5個單位，且差異顯著。同樣地，Chintala等［37］在酸性土壤中分別加入等量的3種植物源生物炭，結(jié)果顯示，土壤pH值均有不同程度的上升（0.2～0.9），Yuan等［39］利用多種植物秸稈生物炭進行酸性土壤改良，豆類植物生物炭處理pH值顯著高于非豆類，非豆類植物秸稈生物炭也能提升酸性土壤pH（0.1～0.4），但豆類植物秸稈生物炭效果更為顯著（0.4～0.7）。

大量研究表明，生物炭影響酸性土壤pH值潛在機制可能有以下幾種：（1）生物炭大多自身含有較強的堿性物質(zhì)，進入土壤后堿性物質(zhì)釋放，提高土壤pH值［39］；（2）生物炭進入土壤后能夠促進土壤中有機氮的礦化，而氮的礦化過程會消耗質(zhì)子，因此土壤pH值得到提高［39］；（3）生物炭具有優(yōu)良的吸附性能，進入土壤后能夠吸附土壤中的NH4+，進而抑制硝化作用，而硝化作用會產(chǎn)生質(zhì)子，因此生物炭間接提升土壤pH值［39］。（4）生物炭制備過程中形成的碳酸鹽（如MgCO3、CaCO3）和有機酸根（—COO—）施入酸性土壤后發(fā)生脫羧作用，或者生物炭表面的官能團之間發(fā)生了配體交換，消耗了環(huán)境中的質(zhì)子，因而土壤pH值有所升高［15,37］。

2.7 養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的重要指標之一，其含量直接影響作物的生長及產(chǎn)量。Chintala等［37］發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中施用生物炭后，與對照相比，總氮含量急劇上升，其中柳枝生物炭更是達到32.0倍。張阿鳳等［17］在酸性土壤中施用不同比例的生物炭，結(jié)果與對照相比，全氮含量均顯著提升，最高提升41.7%，同時，施用最佳比例生物炭后，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮相比對照分別提高48.8%和90.5%。閻海濤等［35］發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中全氮含量與生物炭添加量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（24.7%～134.0%），全氮最高比對照提升2.3倍。熊薈菁等［14］研究表明，施用生物炭兩年后，葡萄園酸性土壤中堿解氮的含量分別提高了1.4%和6.7%，且第3年已達到顯著水平。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭連續(xù)施用會導致耕作層土壤中的堿解氮含量略有下降，但不顯著［33］。

同時，生物炭施用能提高土壤中P素的含量、有效性以及植物的吸收利用效率。Chintala等［37］發(fā)現(xiàn)，不同來源生物炭施入酸性土壤后，其總磷含量均大幅提升，最大升幅為112.2%。張阿鳳等［17］發(fā)現(xiàn)，施用不同比例生物炭后，土壤速效磷含量顯著上升（148.6%～282.4%），其中施用比例為2.0%時增幅最大，達到282.4%。熊薈菁等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)施用生物炭后，酸性土壤中的速效P顯著提高了18.0%～21.8%。也有學者發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加對酸性土壤速效磷含量并無顯著影響，且這種影響不隨添加量的改變而有所改變［35］。還有學者報道［41］，隨著生物炭的施入土壤有效P的含量略有下降，可能與生物炭提高土壤pH值有關(guān)。

此外，有研究者［32］表示，生物炭的施用可以增加植物對K的吸收并提高土壤重養(yǎng)分的利用效率。也有研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，酸性土壤速效K含量呈現(xiàn)不同程度升高，最高可增加9.7%，顯著改善土壤中的養(yǎng)分條件［35］。熊薈菁等［14］研究顯示，不同年份添加生物炭可以顯著提升酸性土壤速效K的含量（29.5%～31.0%）。張阿鳳等［17］的研究也得出類似結(jié)果，與對照相比，施用生物炭的酸性土壤中全鉀含量提高了114.0%。同時，根際土壤中速效鉀的含量也顯著增加，當施用比例為3%時達到最高值474.8%。

生物炭提高土壤養(yǎng)分含量的原因可能是：（1）生物炭自身含有較高的速效養(yǎng)分，與土壤混合后看直接輸入到土壤中；（2）生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)增強了其對營養(yǎng)元素的吸持能力，減少了養(yǎng)分元素的淋溶，使得土壤養(yǎng)分被固定且具有緩釋作用；（3）生物炭發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供適宜的棲息環(huán)境，提高了土壤保肥性能；（4）生物炭通過提升土壤pH、CEC降低Fe、Al交換量來增強P素有效性；降低土壤養(yǎng)分含量的原因可能是：（1）生物炭施用過多造成土壤中碳氮比過大引發(fā)N素的固定；（2）生物炭中的揮發(fā)性物質(zhì)影響了土壤微生物等的活動，導致土壤養(yǎng)分含量略有下降。

2.8 陽離子交換量（CEC）

CEC值可以估算土壤吸收、保留和交換陽離子的能力，是反映土壤保肥性能的重要指標之一。CEC值增大可使土壤緩慢釋放營養(yǎng)物質(zhì)并使有機質(zhì)趨于穩(wěn)定，從而促進植物對營養(yǎng)成分的充分吸收。

研究表明，生物炭因其巨大的比表面積顯著提升了土壤對陽離子的吸附效果，從而增加耕作層土壤 CEC值［16,36,38］。有學者［16,36］在酸性土壤中施用生物炭，一段時間后取樣檢測，發(fā)現(xiàn)土壤CEC值大幅提升（4.0%～21.3%），效果顯著。Chintala等［37］利用不同種類農(nóng)林廢棄物制備的生物炭改良酸性土壤，結(jié)果表明施入黃松木碎屑生物炭處理比對照CEC值顯著提高12.3%，玉米秸稈生物炭的改良效果更佳（32.2%）。Yuan等［39］研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用后酸性土壤CEC值顯著提升，尤其是可交換堿性陽離子的飽和度，且豆類秸稈生物炭效果明顯優(yōu)于非豆類。還有學者［38］發(fā)現(xiàn)酸土壤中添加生物炭后，游離態(tài)的K+、Ca2+、Mg2+等交換性鹽基離子呈不同倍數(shù)增長（1.4～2.0倍），且其增量與生物炭的施用量相關(guān)。關(guān)于生物炭對土壤CEC的作用機制主要有以下兩種觀點：（1）生物炭表面有很多負電荷及陰離子，施入后增強了土壤膠體對鹽基離子的吸附性，進而提高酸性土壤CEC［37］；（2）生物炭表面的芳香族化合物氧化形成羧基官能團的過程中，增加了對陽離子的吸附值，提升了酸性土壤CEC［16］。

3 生物炭對酸性土壤生物活性的影響

3.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的載體，在土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機碳礦化—固定過程中起著關(guān)鍵作用。土壤微生物通過在植物根系周圍構(gòu)建相對穩(wěn)定的微生態(tài)環(huán)境，對植物根系的保護、病原菌和害蟲侵害的減少、養(yǎng)分的供應等均有積極影響。此外，土壤微生物還能敏銳地反映土壤微生態(tài)環(huán)境的變化。

生物炭因其特殊的理化性質(zhì)，在調(diào)控土壤微生物數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要作用。有學者［15］發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以提高土壤真菌的繁殖能力和活性，促進細菌、真菌和放線菌等的生長，并且顯著提高真菌和革蘭氏陰性菌生物量。閻海濤等［35］也發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，不僅使作物根部的真菌繁殖能力顯著增強，而且改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和相對豐度，并且這種影響在真菌的門和屬水平上均有所體現(xiàn)。然而，Herath等［15］通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，酸性蛇紋石土壤中，細菌和真菌的數(shù)量隨生物炭添加量的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中，添加2.5%的生物炭時，土壤中微生物群落數(shù)量達到峰值。黃超等［16］研究表明，酸性土壤肥力水平直接影響生物炭的使用效果，肥力較低的酸性土壤中添加生物炭可顯著增加土壤微生物總量，且土壤微生物總量與生物炭添加量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，最大增幅達248.8%；肥力較高的酸性土壤則完全相反，土壤微生物總量隨生物炭添加量的增加而降低，最大降幅20.6%。另有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后，微生物生活動收到不利影響［33］；還有一些報道認為，過量添加生物炭可能導致土壤微生物總量大幅下降［15-16］。生物炭對土壤微生物的影響機制尚不明確，目前主要有以下觀點：（1）生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)、較強的吸附能力及豐富的養(yǎng)分元素，不僅為土壤微生物棲息提供良好的保護性空間與環(huán)境，還為其生長繁育提供場所和養(yǎng)分，從而增加微生物整體數(shù)量及活性；（2）生物炭用量過高可能導致碳氮比升高引發(fā)N素固定，或者無機養(yǎng)分及有機小分子被生物炭吸附固定，微生物因缺少營養(yǎng)物質(zhì)造成群落結(jié)構(gòu)改變及種群數(shù)量減少。

3.2 對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來自土壤微生物和植物根系，直接參與土壤中所有的生物化學過程（如有機物分解、養(yǎng)分循環(huán)等），其活性可以反映生化過程的活躍程度、微生物活性和養(yǎng)分循環(huán)狀況等，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標。此外，土壤酶與土壤有機質(zhì)、N素和P素存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，可以揭示不同條件下的土壤肥力狀況。

有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的輸入能夠提高多種土壤酶的活性，如土壤脫氫酶、過氧化氫酶、熒光素水解酶、酸性和堿性磷酸酶等，且酶活性與生物炭的用量呈正相關(guān)關(guān)系［44］。也有研究報道，生物炭的施用使葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶［45］、土壤反硝化酶和土壤脫氫酶［11］、土壤脲酶和蔗糖酶［17］的活力得以增強。張阿鳳等［17］研究表明，與對照相比，適量的生物炭處理可使根際土壤脲酶活性增強35.0%，土壤蔗糖酶活性顯著增強200.0%左右；但生物炭添加比例較高（0.5%～3.0%）時，土壤脫氫酶的活性下降，且活性隨用量增加呈現(xiàn)V字型下降，最大降幅達63.6%；Wu等［46］的研究也有類似發(fā)現(xiàn)。然而，黃劍［47］研究發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性隨生物炭用量增加而增強，但用量較高（4 500.0 kg/hm2）時，脲酶、葡糖苷酶和纖維雙糖苷酶活性卻被抑制。目前關(guān)于生物質(zhì)炭對土壤酶活性的作用機制研究較少，可能與生物質(zhì)炭自身性質(zhì)、施用量、供試土壤的理化性質(zhì)及目標底物之間進行的各種反應等有關(guān)。

4 生物炭對酸性土壤作物的影響

在農(nóng)業(yè)方面，生物炭不僅可以用作土壤調(diào)理劑，還可以用作肥料。近年來，關(guān)于生物炭對作物影響的報道日益增多。生物炭具有獨特的理化性質(zhì)且影響土壤養(yǎng)分的含量及有效性，施入土壤后可顯著促進種子萌發(fā)和植物根系生長，進而提升作物生產(chǎn)力、產(chǎn)量及品質(zhì)。

眾多學者開展了生物炭對酸性土壤作物的影響研究，其中，Dong等［12］使用作物秸稈生物炭進行還田試驗，施用后的第1年水稻產(chǎn)量便增加了13.5%；也有學者［13］發(fā)現(xiàn)，施入生物炭20 000.0 kg/hm2，第2年玉米產(chǎn)量增加28.0%，第4年產(chǎn)量提高了140.0%。Peng等［32］的研究數(shù)據(jù)也支持上述結(jié)果，此外還發(fā)現(xiàn)生物炭與NPK配合施用，模式作物生物量可比對照增加9.4倍。熊薈菁等［14］將生物炭與常規(guī)肥料配施，結(jié)果相比常規(guī)施肥，葡萄產(chǎn)量顯著增加（11.7%～20.1%），總糖含量顯著提高（6.3%～10.3%），同時葡萄的總酸含量下降（6.3%～11.7%），糖酸比不同程度提升，葡萄原料的品質(zhì)得到提高，所釀制葡萄酒的口感較佳。Herath等［15］開展番茄種植試驗，發(fā)現(xiàn)在酸性蛇形土壤中添加5.0%的生物炭，收獲時其生物量竟比對照提高了40倍。張阿鳳等［17］在酸性植煙土壤中施用3%生物炭，結(jié)果煙葉最大葉面積比對照增加了155.3%，煙草葉片數(shù)量增加了21.5%，地上部鮮重增加43.7%，干重增加44.2%。

然而，有研究表明生物炭用量及土壤肥力的差異也會對作物產(chǎn)生較大影響，一般用量較少時可提高作物產(chǎn)量，用量較多時作物產(chǎn)量反而下降［16,36］。例如，生物炭能顯著提高低肥力土壤上黑麥草的產(chǎn)量且增幅隨用量增加而增大（7.0%～53.0%），而對高肥力土壤上黑麥草產(chǎn)量的影響不顯著，并且當用量達到一定數(shù)量時，生物炭甚至抑制黑麥草的生長進而造成產(chǎn)量有所下降［16］。還有的報道顯示，無論有無外源N素添加，生物炭用量過大（100.0 t/hm2）時，都無法阻止作物產(chǎn)量下降，且下降幅度隨生物炭用量增加而有所增大［36］。

綜上所述，生物炭添加后作物增產(chǎn)的原因可能是：（1）生物炭施用提高土壤pH，減少Al毒侵害，增加了有效P、有效K等含量；（2）生物炭的巨大比表面積有效吸附土壤養(yǎng)分，且為微生物群落提供生存空間與營養(yǎng)物質(zhì)；（3）生物炭發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)增加了土壤的孔隙度和持水性，改善了植物根系的生長環(huán)境；（4）生物炭的連續(xù)施用對于土壤中養(yǎng)分、有機質(zhì)與酶的活性等具有一定的正向累積效應。減產(chǎn)原因：（1）酸性土壤自身肥力較高，生物炭的施用使得土壤的鹽分過高；（2）生物炭通常堿性較強，添加后土壤的pH值過高，降低了P與一些微量元素的有效性；（3）生物炭施入造成土壤中C/N升高，引發(fā)N素的固定，土壤中N素含量和有效性下降。

5 展望

前人的研究表明，生物炭作為一種新型土壤改良劑，在酸性土壤理化性質(zhì)改善、生物活性增強、作物產(chǎn)量與品質(zhì)提升等方面效果較佳。然而，生物炭由理論研究轉(zhuǎn)為應用推廣，從科研實驗走向?qū)嶋H生產(chǎn)，這個看似簡單的過程中仍然存在一些尚未解決的問題。

（1）建立標準統(tǒng)一的生物炭評價體系，生物炭的原料廣泛多樣，方法不盡相同，成本差異顯著，潛在風險未知，應用價值不明等，這些問題均阻礙生物炭更深入的理論研究與應用推廣。因此，需要建立一套標準統(tǒng)一的評價體系，規(guī)范從原料選取到實踐應用的各環(huán)節(jié)技術(shù)參數(shù)，以期在實現(xiàn)廢棄物利用的同時創(chuàng)造更多更大的價值。

（2）開展生物炭對酸性土壤大尺度、長期影響研究，小尺度、短期的試驗結(jié)果，大多呈現(xiàn)正面效應，但生物炭pH值普遍較高，且內(nèi)含少量多種重金屬元素，大面積、長期施用，可能產(chǎn)生重金屬累積、土壤過堿等負面效應。因此，需要進行相關(guān)研究，明確生物炭的作用周期及周期內(nèi)正負效應變化規(guī)律，以規(guī)避大尺度、長期施用生物炭的潛在風險，實現(xiàn)生物炭的高效可持續(xù)利用。

（3）開展生物炭與酸性土壤相互作用機制研究，目前的研究多數(shù)為生物炭對酸性土壤的影響，但生物炭添加至酸性土壤后，二者勢必相互影響，若能探明生物炭與酸性土壤的相互作用機理，便可知曉生物炭是直接作用于酸性土壤，還是通過其他媒介間接影響酸性土壤。這一機制的明晰將進一步豐富生物炭的理論研究，也為生物炭應用的定向化提供參考。