張美芝，耿煜函，張 薇，林 昕，溫佳旭，陳雪麗，肖 洋

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)資源利用與環(huán)境安全重點實驗室，哈爾濱 150080；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所/黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，哈爾濱 150086）

0 引言

隨著農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高，秸稈產(chǎn)量也急劇上升。中國作為世界上農(nóng)業(yè)大國，據(jù)估算，每年的秸稈產(chǎn)量約為9×108t，農(nóng)作物秸稈的利用率僅為13%，資源利用率不高[1]。作物秸稈是一種富含N、P、K養(yǎng)分和有機質(zhì)的可利用、可再生的生物質(zhì)資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)品[2]。作物秸稈可以在缺氧或限氧的情況下低溫(≤700℃)熱解得到一種穩(wěn)定的、多孔的且高度芳香化富碳物質(zhì)[3]，此類物質(zhì)被統(tǒng)一命名為生物炭。利用秸稈制備的生物炭原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝簡單、價格相對低廉，是改善土壤性質(zhì)和提高植物生產(chǎn)力的有效手段[4]。生物炭因其在農(nóng)業(yè)方面的優(yōu)勢（例如較高的有機碳吸收量、修復(fù)土壤、防止土壤退化、提高土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力以及較低的溫室氣體排放等）引起各界科學(xué)家的廣泛關(guān)注[4-5]。生物炭作為一種土壤改良劑應(yīng)用到農(nóng)田土壤中，能夠在很大程度上改善土壤物理結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率，緩解不合理生產(chǎn)制度所造成的土壤退化問題，對促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、保障國家糧食安全、提高土壤資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

目前，國際上對生物炭研究的重視程度與亞馬遜流域存留的世界上最肥沃的黑土息息相關(guān)[6]。19世紀80年代，日本對生物炭的研究始于木炭，有學(xué)者報道了含有少量化肥的樹皮炭粉對大豆植株的叢枝菌根和根瘤的形成是有效的，提出木炭可以作為一種土壤改良劑來應(yīng)用[7]。2008年Lehmann等成立的國際生物質(zhì)炭協(xié)會使生物炭開始逐步推廣[8]；陳溫福院士提出的“秸稈炭化還田”技術(shù)理念[9]，為中國生物炭研究奠定了基礎(chǔ)，對生物炭的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)揮了重要推動作用[10]；潘根興教授團隊聯(lián)合創(chuàng)建的秸稈生物質(zhì)炭—炭基肥—生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化工程技術(shù)實現(xiàn)了秸稈綜合利用的產(chǎn)業(yè)化，展現(xiàn)了中國在世界生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)科技與工程領(lǐng)域中具備的優(yōu)勢[11]。陳紅霞等[12]在華北平原上的高產(chǎn)農(nóng)田中開展了為期3年的田間定位試驗，發(fā)現(xiàn)施用生物炭3年后可以明顯改善土壤的理化性質(zhì)，并且會對土壤碳匯增加及溫室氣體減排產(chǎn)生積極影響；Mahmuda等[13]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)香蕉皮制作的生物炭對植物生長產(chǎn)生積極影響，為克服化肥的使用和農(nóng)業(yè)廢棄物的回收利用提供了新的途徑。

隨著生物炭的應(yīng)用，土壤和生物炭性質(zhì)的變化會產(chǎn)生不同影響。有研究表明在酸性土壤中施用50 t/hm2的生物炭和牛糞，可使玉米籽粒產(chǎn)量增加50%[14]；而Kishimoto等[15]結(jié)果卻顯示生物炭的添加能夠使大豆減產(chǎn)。不同原料的生物炭對小麥和黃瓜根莖生長有也不同的效果，當(dāng)添加80.0 g/kg花生殼生物炭時效果最優(yōu)，而玉米秸稈生物炭、楊木屑生物炭和竹屑生物炭添加40.0g/kg時就可達到最優(yōu)效果，當(dāng)添加量超過80.0g/kg時會對小麥和黃瓜的根莖產(chǎn)生抑制作用[16]；Simon等[17]通過對全球范圍的綜合分析表明，在平均水平下生物炭對溫帶地區(qū)的作物產(chǎn)量沒有影響，但在熱帶地區(qū)卻能使產(chǎn)量提高25%。目前，國內(nèi)外對生物炭在改善土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力等方面的應(yīng)用進行大量的試驗，雖取得了一定的成果，但尚未形成一套完整的理論體系來闡述生物炭的生產(chǎn)方式、施用量等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

因此，本文通過整合近年來國內(nèi)外專家學(xué)者對生物炭性質(zhì)研究及應(yīng)用后對土壤理化性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，從生物炭與土壤相互作用的角度分析歸納了生物炭在農(nóng)田中施用后對土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量等方面可能產(chǎn)生的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生物炭的應(yīng)用提供理論支持，最后指出目前研究中的不足以及生物炭未來研究的側(cè)重點。

1 生物炭的特性

生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中起源于哥倫比亞的亞馬遜河流域，早期被稱為Terra preta（葡萄牙語），指的是在土壤中發(fā)現(xiàn)的高有機碳含量、高肥力的物質(zhì)，這是因為500～2500年前添加的木炭具有保持營養(yǎng)的能力[18]。一般來說生物炭呈堿性，pH 5.9～12.3之間，平均pH 8.9[19]，是改良酸性土壤的最佳選擇。生物炭是一種富碳的、穩(wěn)定的固體物質(zhì)。含碳量高（含碳量在50%以上）、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高的比表面積、穩(wěn)定的理化性質(zhì)是生物炭固有的特點。生物炭的高孔隙率是由于其高的比表面積,也是它能夠被用做土壤改良劑還田、提高產(chǎn)量、實現(xiàn)碳封存的重要原因[20]。由于生物炭中含有較多穩(wěn)定的碳，在施入土壤后這種碳比原始的有機碳封存時間要長的多，是一種改善土壤質(zhì)量的傳統(tǒng)方法[21]，目的是改善土壤結(jié)構(gòu)、提高作物生產(chǎn)力、隔離土壤中的碳并減少溫室氣體排放[22-24]。在世界許多地區(qū)，將生物炭應(yīng)用于農(nóng)田以改善土壤肥力的方式得到廣泛認可[25]。

因生物炭的原料、生產(chǎn)方法和溫度的不同，其化學(xué)和物理性狀存在很大差異[26-27]。在較高溫度(≥550℃)下生產(chǎn)的慢熱解生物炭往往具有更大的比表面積、更高的pH[28]和更強陽離子交換量(CEC)[29]；但與在較低生產(chǎn)溫度下生產(chǎn)的生物炭相比，其植物有效養(yǎng)分濃度較低[30-31]。生物炭的陽離子交換量也是由生物炭制備溫度決定的，生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的生物炭可減少溫室氣體排放，并有助于改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

2 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

經(jīng)研究表明，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積，在過去十年中大多數(shù)研究都集中在作為土壤改良劑和土壤修復(fù)的應(yīng)用上，能夠顯著改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤保水能力[32-33]。魏永霞等[34]在東北黑土區(qū)通過兩年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭最高可以降低8.70%的黑土容重，最高可以增加3.40%的孔隙度，可以顯著改善土壤結(jié)構(gòu)；劉卉等[35]在湖南煙土區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭可以降低土壤容重，增強田間持水能力，在一定程度上改善土壤的物理性質(zhì)，促進烤煙植株的生長發(fā)育，提高上等煙的產(chǎn)出比例。生物炭持水能力(WHC)是其孔隙度和表面功能結(jié)合的功能，由于其特殊的多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)而增加了孔隙度，使水能夠更好地滲透。有研究表明，與沒有添加生物炭的對照處理相比，添加生物炭可使土壤持水能力(WHC)提高18%[36]；另有研究表明土壤含水量的變化方向受土壤類型的影響，極有可能是不同土壤中碳含量不同[37]。因為土壤含水量的變化可以改變生物炭的表面氧含量，進而影響土壤微生物對土壤有機質(zhì)的氧化能力。劉園等[38]在北方潮土上開展了2個完整的小麥玉米輪作田間小區(qū)試驗，設(shè)置了4個不同的生物炭用量，結(jié)果表明施用中高量的生物炭可以小幅度增加小麥玉米產(chǎn)量，土壤容重的降低、土壤水分含量和持水量的增加可能是促進作物生長的一個重要因素。

當(dāng)生物炭被用做土壤改良劑應(yīng)用時，大多數(shù)情況下能夠證明對作物是有益的。白漿土是典型的低肥力土壤，將生物炭施入白漿土中，降低土壤容重改善白漿層的孔隙分布，增強土壤中水分滲透性能，促進大豆對全磷、速效鉀等養(yǎng)分的吸收[39]；王月玲等[40]在塿土中進行連續(xù)兩年的田間小區(qū)試驗表明，添加生物炭可以提高活性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)，降低水溶性有機碳含量。因此，生物炭的應(yīng)用不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)，還有增加土壤碳儲量的作用。但也有研究表明生物炭的高孔隙度不一定有利于保持土壤水分[41]，這是因為生物炭的疏水性阻礙了水分進入生物炭孔隙空間。

2.2 生物炭對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

生物炭對土壤的物理性質(zhì)產(chǎn)生積極影響，同時也能夠促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程[42]。生物炭具有的大比表面積、大孔隙和高含量的營養(yǎng)元素為微生物群落的生長和繁殖提供了良好的環(huán)境條件，進而提高了土壤微生物生物量。此外，生物炭可以通過吸收和促進土壤中的有機小分子的聚合，經(jīng)表面催化形成有機質(zhì)，生物炭的緩慢分解有助于保持有機質(zhì)，增強土壤肥效的長期有效性[43]。

2.2.1 對土壤pH的影響 土壤pH與土壤養(yǎng)分有效性和土壤環(huán)境狀況密切相關(guān)，是衡量土壤肥力的一項重要指標。李明等[44]進行135天的室內(nèi)培養(yǎng)實驗表明，添加兩種秸稈生物炭處理的pH與對照相比平均增加0.16個單位，添加的秸稈生物炭pH越高土壤改良效果越理想；張祥等[45]研究了紅壤和黃棕壤兩種不同酸性土壤的理化性質(zhì)，由結(jié)果可知，在強酸性紅壤和弱酸性黃棕壤中施用相同用量的生物炭都能明顯提升土壤pH，紅壤改良效果優(yōu)于黃棕壤，最高增加pH 0.61，且隨著生物炭施用量而增加，土壤肥力指標不斷改善。另有研究表明在鹽堿土壤上以2%的比例施用生物炭時，土壤pH顯著降低，認為是由于土壤中生物炭的氧化分解產(chǎn)生了酸性物質(zhì)，中和了土壤的堿度，最終降低土壤pH值[46]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用大量化肥會使土壤酸化，導(dǎo)致世界上約30%的土壤呈酸性，限制作物生長[47-48]。生物炭呈堿性，對酸性土壤改良和作物生長有一定的促進作用。

2.2.2 對陽離子交換量(CEC)的影響 生物炭表面附有較多的陰離子，不管加到酸性土壤還是堿性土壤中都能增加土壤的陽離子交換量[49]。有研究表明，生物炭在堿性石灰性土壤中的施用能夠顯著增加土壤的陽離子交換量[50]，這可能是氧化官能團的存在為生物炭表面陽離子交換量的增加奠定了基礎(chǔ)；但也有研究表明生物炭的添加不能增加陽離子交換量[51]，可能是因為有機質(zhì)含量高的土壤本身就有較高的陽離子交換量。

2.2.3 對土壤養(yǎng)分的影響 生物炭是一種穩(wěn)定的碳，作為土壤改良劑可以有效提高養(yǎng)分的有效性，促進作物吸收利用[52-53]。劉卉等[54]在灰黃土上通過大田試驗研究了不同生物炭用量的植煙土壤養(yǎng)分含量，認為生物炭施用量在3750 kg/hm2的水平下較為適宜。生物炭可以調(diào)節(jié)不同生長期的土壤養(yǎng)分含量，速效氮含量隨生物炭用量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，因為生物炭可以吸附土壤中養(yǎng)分含量抑制速效養(yǎng)分釋放。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)降低了水分的滲透性，在肥力相對較高的土壤中，生物炭可以提高土壤中鉀含量[55-56]；另一方面，生物炭本身具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能夠增加土壤孔隙度，促進作物根系生長及養(yǎng)分和水分的吸收利用[57]。張晗芝等[58]采用盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭能顯著提高玉米生育期土壤全氮、有機碳質(zhì)量分數(shù)，但對土壤pH、有效磷含量并沒有顯著影響；在另一項盆栽試驗中表明，土壤中的堿解氮和有效磷含量隨生物炭濃度的增加而增加（呈正相關(guān)），生物炭不僅提高了土壤中鉀的濃度，而且提高了氮素利用率，對植物的生長具有重要影響[59]。生物炭還可以間接改變土壤養(yǎng)分的釋放過程，當(dāng)外源養(yǎng)分負載在生物炭上時可以作為一種控釋肥料來提供養(yǎng)分[60]。Gao等[61]薈萃分析得出，生物炭的施用可使表層土壤有效磷含量增加45%，微生物磷增加48%；在小麥栽培中，10%生物炭添加可使氮素農(nóng)藝效率提高63%[62]；生物炭中摻鉬可以提高大豆的固氮能力并通過富含氮的大豆殘基向玉米提供更高的氮素供應(yīng)[63]；另一個兩年試驗表明，施用生物炭可以提高玉米養(yǎng)分利用率，尤其是玉米籽粒對磷和鉀的吸收[64]。由此可見，生物炭的添加可以提高土壤養(yǎng)分的有效性和利用效率。

盡管大多數(shù)研究表明生物炭對土壤養(yǎng)分的有效性有直接或是間接的影響，但也有一些研究表明生物炭的施用會降低某些養(yǎng)分的有效性。Widowati等[65]報道經(jīng)生物炭處理的土壤氮淋失量為470～510 mg，未經(jīng)生物炭處理的土壤氮淋失量為641 mg，由此顯示生物炭的施用會影響氮肥的釋放規(guī)律，減緩NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化。

3 生物炭對作物生長及產(chǎn)量的影響

由于生物炭生產(chǎn)條件、原料以及土壤類型、作物種類等方面的差異，生物炭施入土壤后對作物的影響也不盡相同[66-67]。相關(guān)研究表明，生物炭施用對土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物生長及產(chǎn)量的積極影響是長期的。在一個為期兩年的玉米田間調(diào)查中表明，添加生物炭后玉米產(chǎn)量增加了一倍，玉米籽粒的養(yǎng)分含量分析顯示氮含量凈增加[68]。K?tterer等[69]在肯尼亞的半濕潤地區(qū)設(shè)置了長達10年的田間試驗，結(jié)果表明生物炭的添加能顯著增加玉米和大豆的產(chǎn)量，土壤孔隙度、pH、保水能力和植物有效磷含量均有不同程度的提高。

3.1 對作物生長的影響

余端等[70]研究了生物炭對小白菜生長發(fā)育的影響，結(jié)果表明，添加4%～8%生物炭能夠促進小白菜的生長發(fā)育，添加12%～16%會產(chǎn)生抑制作用；張繼旭等[71]也得出類似結(jié)論，適量(0.2%～1.0%)生物炭可以促進烤煙的生長發(fā)育，較高的生物炭(5.0%)反而有抑制作用；在另一項研究中，施用濃度小于10%的竹子生物炭可以改善大豆結(jié)瘤，促進大豆生長[72]。

生物炭不僅有利于健康農(nóng)田的作物產(chǎn)量，而且有利于干旱、高鹽度、重金屬等環(huán)境脅迫條件下的作物產(chǎn)量形成[73-75]。研究表明，施用生物炭可以促進重度干旱條件下高粱的生長[76]，顯著改善鹽堿化土壤中馬鈴薯生長和產(chǎn)量形成[77]，降低了小麥對Na+的吸收，提高小麥生長和生產(chǎn)力[78]等。當(dāng)然，生物炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響會因作物種類[79]和土壤類型[80]而異。

3.2 對作物產(chǎn)量的影響

已有研究表明生物炭對沙漠土、沙壤土等土壤上種植的高粱、馬鈴薯、蔬菜等作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有推動作用。綜合已發(fā)表的研究結(jié)果，對生物炭原材料、施用量以及土壤類型，作物種類等進行分析，具體見表1。

表1 生物炭施用對作物產(chǎn)量的影響

因制備生物炭的原料不同會對作物產(chǎn)量影響有明顯差異，如禽畜糞便制備的生物炭增產(chǎn)效應(yīng)最高，約為16.5%，秸稈類和木材類生物炭的增產(chǎn)效應(yīng)其次，約為15%左右，而殼渣類生物炭增產(chǎn)效應(yīng)最低，不足12%[84]。另外，在103項研究薈萃分析結(jié)果表明，在土壤中添加生物炭對作物生產(chǎn)力的影響在盆栽試驗中優(yōu)于大田試驗，酸性土壤優(yōu)于中性土壤，沙壤土優(yōu)于壤土[85]。另有一些研究表明，生物炭的施用對作物的生長及產(chǎn)量沒有影響，可能還會限制作物生長。Güere?a等[86]通過對玉米生產(chǎn)的研究表明，在溫帶肥沃土壤中添加生物炭不能促進玉米生長和提高氮素利用效率，但是可以增加表層土壤的氮肥保留率；在相對較高的生物炭施用量的情況下導(dǎo)致扁豆在生長期間雜草生長量增加了20%，由此可知過多的施用生物炭不利于對作物中雜草的控制[87]。因此生物炭用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要因地因作物而異，且不可過量施用。

4 結(jié)論與展望

通過熱解方式將作物秸稈轉(zhuǎn)化成生物炭，可以將原料中的C轉(zhuǎn)化為一種更穩(wěn)定、更不易降解的形式。此外，生物炭加入到土壤中與植物的碳源形成碳匯，對作物生產(chǎn)力和土壤碳匯產(chǎn)生長期穩(wěn)定的影響，可以極大地幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，推動農(nóng)業(yè)進步。

許多研究雖已證明生物炭對土壤質(zhì)量、作物生長和產(chǎn)量、環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)長期效應(yīng)等方面的優(yōu)勢，但生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用目前尚未形成完整的理論體系，仍存在爭議，生物炭應(yīng)用于土壤環(huán)境往往受到特定條件的限制。土壤是一個復(fù)雜的環(huán)境，多種因素起著突出的作用，今后研究可以從以下幾方面著手。

（1）土壤—生物炭的相互作用還未完全被了解，生物炭對土壤有益的機理沒有得到很好的描述。應(yīng)加大對這方面的研究，根據(jù)不同熱解溫度、不同原材料的生物炭對不同土壤進行試驗，根據(jù)不同土壤的障礙因子選擇最匹配的生物炭，最大限度地提高生物炭性能，改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量。

（2）雖然生物炭改良劑已被廣泛評價為改善土壤質(zhì)量的一種有前途的策略，近幾年大多數(shù)的研究都是在室內(nèi)或者小規(guī)模田間短期試驗，生物炭對于土壤改良、作物生長及土壤環(huán)境變化的影響是長期的，驗證生物炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的長期有效性還需要進行長期的大規(guī)模的野外定位試驗證實生物炭、土壤和植物生態(tài)系統(tǒng)之間的復(fù)雜相互作用。

（3）大規(guī)模開展野外定位試驗的同時還需考慮如何能夠提高生物炭的效益，降低制炭成本。根據(jù)不同的土壤類型研發(fā)各種生物炭基肥，實現(xiàn)生物炭的高效利用，促進生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。