胡建宇 鄭恩楠

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

東北黑土區(qū)面積遼闊，土地肥沃，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合大豆等作物的生長(zhǎng)，是重要的資源[1,2]。目前由于人類過(guò)度開發(fā)，使得土壤肥力下降、土壤板結(jié)、產(chǎn)量下降，威脅國(guó)家糧食安全與發(fā)展，并且施用肥料常會(huì)帶來(lái)重金屬污染，危害人類生活及身體健康[3]。黑土的形成過(guò)程極為緩慢，每3～5個(gè)世紀(jì)才能形成0.1m的黑土層，2020年，習(xí)主席強(qiáng)調(diào)要保護(hù)好黑土地，使之造福人民。因此保護(hù)黑土刻不容緩[4]。

中國(guó)作為世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈年產(chǎn)量龐大，但沒(méi)有得到比較好的利用，過(guò)去人們常常通過(guò)焚燒秸稈的方式恢復(fù)土壤肥力，但是焚燒會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染；采取秸稈直接還田的方式，由于東北地處嚴(yán)寒，分解緩慢，影響來(lái)年的作物生長(zhǎng)。隨著陳溫福原始“秸稈炭化還田”理念的提出，極大地推動(dòng)了生物炭的應(yīng)用導(dǎo)向，通過(guò)缺氧環(huán)境低溫炭化秸稈的方式制得生物炭，可以改良土壤，促進(jìn)土壤肥力，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的目標(biāo)。

在改良黑土的諸多舉措中，生物炭具有明顯的優(yōu)勢(shì)，既可以增強(qiáng)土壤儲(chǔ)水能力，又能減少地表徑流，提高透水性，減少黑土侵蝕，緩解土壤重金屬污染，實(shí)現(xiàn)安全持久地提高肥料利用率和產(chǎn)量，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[5]。因此，本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)生物炭的研究，在生物炭對(duì)土壤和作物以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改良方面進(jìn)行分析。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 生物炭的性質(zhì)

生物炭是在低于700℃的供氧氣有限的密閉環(huán)境下熱解生成的一類性質(zhì)穩(wěn)定、含碳量>60%的固態(tài)物質(zhì)[6,7]。在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用起源于亞馬遜河流域，早期被稱之為Terra preta，指的是在土壤中發(fā)現(xiàn)的高有機(jī)碳、高肥力物質(zhì)，多表現(xiàn)為較高pH。生物炭在施入土壤后，氮磷鉀等元素釋放，可以提高土壤的堿性[8]。疏松多孔的結(jié)構(gòu)有利于黑土水穩(wěn)性與持水性的提高。但生物炭的類型與土壤屬性也影響著土壤持水能力。生物炭的吸附性可以減少肥力流失，為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，達(dá)到土地改良的作用[9]。Tryon等[10]報(bào)道生物炭具有持水性是因?yàn)楦采w的親水基因。生物炭的自身結(jié)構(gòu)與施加量和施肥時(shí)間都影響著自身的儲(chǔ)水性能[11,12]，同時(shí)生物炭比較穩(wěn)定，能較長(zhǎng)時(shí)間不被降解[13]，并把碳元素長(zhǎng)期固定在土層中，達(dá)到封存碳的作用[14]。有研究表明，在理想情況下，生物炭可以存留2000a[15]，因此生物炭在改良土壤時(shí)能發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，也能節(jié)約人工，達(dá)到一次施加多年利用的效果。生物炭作為含碳量高，比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的黑色土壤改良劑[16-19]，有利于改善土壤板結(jié)的問(wèn)題，同時(shí)疏松多孔的結(jié)構(gòu)能促進(jìn)微生物的群落結(jié)構(gòu)的完善。生物炭來(lái)源廣泛，木本植物炭與草本植物炭是兩大巨頭[20]。生物炭的元素組成和性質(zhì)與生物炭原材料關(guān)系比較大[21-23]，有研究顯示，木本植物生物炭碳含量高于草本植物，但礦物質(zhì)元素低于草本植物[24]。不同原材料與不同工藝生產(chǎn)制作的生物炭具有不同的物理和化學(xué)屬性，更高的溫度制得的生物炭其孔隙率更大，具有更強(qiáng)大通透性，同時(shí)堿性更強(qiáng)，修復(fù)酸性土壤的效果更好。低溫制得的生物炭有效養(yǎng)分含量更高。根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)需求采取不同的生物炭進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改良能更加經(jīng)濟(jì)合理地改善土壤生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 生物炭對(duì)土壤肥力的影響

在土壤肥力方面，生物炭發(fā)揮著重要的作用，并且可以提高作物產(chǎn)量[25-27]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，大豆占據(jù)重要的糧食地位，可單位面積產(chǎn)量令人堪憂。要解決作物產(chǎn)量的問(wèn)題，土壤肥力是關(guān)鍵因素[28]，農(nóng)田添加了生物炭基肥以后，土壤含碳量顯著改變，不僅能降低土壤水溶性有機(jī)碳的流失，也能加劇土壤有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程。同時(shí)達(dá)到固碳補(bǔ)碳的作用，大豆的產(chǎn)量與土壤肥力綜合指數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系[29]，而生物炭還可以顯著增加土壤生產(chǎn)力[30]，吸附固定重金屬。生物炭相對(duì)常用肥料具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其可以做到一次施加有效發(fā)揮6～7a的作用[31]。不同的土壤改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)與作物生長(zhǎng)也不同[32]。有研究得出，生物炭會(huì)改變土壤內(nèi)部環(huán)境的垂直分布，土壤全氮、電導(dǎo)率、pH在不同深度差異顯著，均表現(xiàn)為隨著深度的增加而減小，土壤真菌和細(xì)菌分布隨土壤深度增加而降低[33]。作物的生長(zhǎng)發(fā)育與土地理化性質(zhì)及微生物的分布有著重要的關(guān)系[34]。有研究表明，生物炭可以顯著降低土壤中活性鋁等有害的物質(zhì)對(duì)作物的毒害作用。同時(shí)生物炭制作為基肥后，顯著降低了土壤中的氮素釋放量，有利于作物干物質(zhì)的積累。

1.3 生物炭對(duì)土壤保水性的影響

由于生物炭在土壤理化性質(zhì)的改良中可以發(fā)揮巨大的作用[35,36]，能夠改善微生物的群落結(jié)構(gòu)，并且促進(jìn)水稻等重要糧食作物的生長(zhǎng)發(fā)育[37]，提高土地生產(chǎn)力[38]，成為近幾年環(huán)境、生態(tài)、農(nóng)林等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此許多研究者對(duì)生物炭在土壤持水保水上進(jìn)行了大量研究。

諸多研究表明，生物炭不僅在土壤保水能力上有較大的促進(jìn)作用，在作物的生長(zhǎng)發(fā)育方面也有顯著的促進(jìn)作用。在東三省，溫度低導(dǎo)致秸稈分解速度慢，而將其轉(zhuǎn)化為生物炭可以增加秸稈的利用率[39,40]。在持水方面，生物炭也發(fā)揮著重大作用[41-43]。在生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)下，土壤產(chǎn)生海綿效應(yīng)，提高土壤的保水性，在田間持水量的初級(jí)上發(fā)揮著巨大作用。王丹丹等[44]研究表明，土壤持水性與生物炭施加量為正相關(guān)關(guān)系。卜巧珍[45]研究表明，生物炭對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的顯著降低作用，可以截留更多水分在土壤上層[46]。同時(shí)，施加生物炭可以增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力，保持水土，降低降雨過(guò)程的泥沙量和地表徑流。但過(guò)量的生物炭則會(huì)對(duì)土壤保水性產(chǎn)生不利的影響。

1.4 生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

作物生長(zhǎng)受到生物炭的顯著影響，在土壤中施加生物炭抑制大豆前期的生長(zhǎng)發(fā)育，抑制作用在后期逐漸減小，同時(shí)施加生物炭處理后大豆干物質(zhì)重顯著提升，但施加過(guò)多會(huì)反作用抑制大豆生長(zhǎng)[47]。不僅是大豆，玉米的研究也得到相同結(jié)論，生物炭施加會(huì)抑制玉米前期生長(zhǎng)，但玉米發(fā)育后期抑制效果會(huì)慢慢消失，得出生物炭對(duì)作物發(fā)育后期有促進(jìn)作用[48]。生物炭還田比秸稈還田的增產(chǎn)效果好，生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益更好，作為土壤改良劑的脫硫石膏，在不同施加深度的情況下對(duì)土壤的改良效果與棉花的生長(zhǎng)效果不同[49]，生物炭礦質(zhì)含量低，因此生物炭對(duì)作物一般是間接的增益效果，生物炭提高土地生產(chǎn)力一般是通過(guò)土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)與對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[50-52]。

大量試驗(yàn)表明，生物炭施加不僅能增加土地生產(chǎn)力，在提升作物品質(zhì)上，也能發(fā)揮積極作用。與氮肥配施能夠增加籽粒產(chǎn)量，提升籽粒蛋白氮、不飽和脂肪酸與氨基酸的含量[53]，由于生物炭疏松多孔，可以降低容重，增加土壤孔隙率，增加土壤的通透性，因此生物炭可以改善根系的外在環(huán)境，對(duì)根系周圍養(yǎng)分的供應(yīng)產(chǎn)生增益效果，使得根系活力增強(qiáng)，對(duì)養(yǎng)分有更好的吸收效果[54,55]。不僅有利于普通農(nóng)田的作物生長(zhǎng)，也有利于作物在重金屬污染、鹽堿化、干旱化土壤中的生長(zhǎng)。但也有部分研究指出，施加生物炭會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量與生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生降低趨勢(shì)而不是促進(jìn)趨勢(shì)[56]。生物炭?jī)?yōu)勢(shì)諸多，但過(guò)量施加也會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生消極的影響。有研究表明，過(guò)量施加生物炭會(huì)讓水稻各種指標(biāo)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。不同的生物炭與不同的生產(chǎn)工藝也會(huì)帶來(lái)不同的作用效益，可以根據(jù)預(yù)期目標(biāo)選擇合適生物炭達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，由于生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附作用，可以緩解土壤肥力流失帶來(lái)的作物生長(zhǎng)養(yǎng)分不足的影響。

1.5 生物炭施加深度對(duì)土壤的影響

生物炭施加在不同深度對(duì)土壤基質(zhì)吸力的影響不同，對(duì)水分特征曲線的影響也不同[57]，普遍認(rèn)為，土壤的孔隙率和所處環(huán)境決定土壤水分特征曲線，土壤中水的滲透能力與傳導(dǎo)能力受到生物炭疏水性的限制[58]。由于土壤容重受到深度的影響，在細(xì)質(zhì)土壤中，生物碳顆粒會(huì)產(chǎn)生更大的孔隙率，增加不飽和的水流動(dòng)和土壤含水量[59,60]。有試驗(yàn)得出，生物炭改變了土壤內(nèi)部環(huán)境的垂直分布，土壤全氮、電導(dǎo)率、pH在不同深度差異均顯著表現(xiàn)為隨著深度的增加而減小，追其原因，生物炭的施加極大增加了土壤孔隙度，造成土壤氮素隨著深度的增加表現(xiàn)為淋溶和生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子逐層吸附。土壤真菌和細(xì)菌分布隨土壤深度增加而降低。

1.6 生物炭對(duì)土壤微生物的影響

在農(nóng)林等方面，對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育，土壤微生物發(fā)揮著重要的作用[61]，生物炭本身的特性可以改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[62]，為微生物提供適合的生存環(huán)境，增加微生物豐度[63]，增加土壤生物多樣性[64,65]。生物炭有利于微生物存活的易分解氮源和碳源，這是生物炭初期土壤微生物活性及數(shù)量較高的原因[66];由于生物炭的多孔結(jié)構(gòu)，能更好地儲(chǔ)存水分和肥力[67]。生物炭施于農(nóng)田后，改變了土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更加適合微生物生存，導(dǎo)致微生物對(duì)此有正反饋?lái)憫?yīng)，促進(jìn)土壤修復(fù)和作物生長(zhǎng)，同時(shí)生物炭的吸附作用也能吸附更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，保障微生物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。丁俊男[68]研究表明，生物炭可以提高土壤酶活性，增加土壤中細(xì)菌與真菌重量，同時(shí)增加微生物量碳。Gomez等發(fā)現(xiàn)，微生物豐度隨著生物炭施加比例增加而增加[69]。有研究表明，在大豆前期根部細(xì)菌真菌放線菌對(duì)生物炭的響應(yīng)也不相同，只有細(xì)菌會(huì)增加，而放線菌和真菌變少，而作物的生長(zhǎng)發(fā)育與土地理化性質(zhì)及微生物的分布有著重要的關(guān)系[60]。此外，有報(bào)道稱低溫條件制取的生物炭可以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖[70]。

2 生物炭的前景

秸稈生物炭緩解了秸稈焚燒帶來(lái)的污染，在促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、改良土地環(huán)境、修復(fù)重金屬污染、增加土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方面具有良好的性能。應(yīng)該進(jìn)行生物炭的普及，但我國(guó)農(nóng)村分散、集中建設(shè)熱解裝置運(yùn)輸成本較高，同時(shí)為改良生物炭性能添加的材料成本較高，所以，為了更好地研究和實(shí)際應(yīng)用，可以加強(qiáng)移動(dòng)快速熱解技術(shù)與廉價(jià)符合材料的制備[71]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)生物炭改良農(nóng)田的研究越來(lái)越多，不僅在東北黑土的改良中有較為廣泛的應(yīng)用，在南方的應(yīng)用也備受關(guān)注。當(dāng)前工業(yè)化導(dǎo)致的土壤酸化，生物炭能在酸化土壤修復(fù)中發(fā)揮巨大價(jià)值，并且能夠緩解重金屬污染，同時(shí)生物炭與肥料結(jié)合可以制成生物炭基肥，為土壤修復(fù)提供巨大的幫助。

秸稈炭化還田是新興的農(nóng)業(yè)模式，與秸稈直接還田相比，具有體積小、方便施加、方便運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。雖然生物炭具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但生物炭與土壤的相關(guān)作用機(jī)理還沒(méi)得到一個(gè)比較合理的描述。不同的土壤條件、耕作條件、肥料的施加方式都會(huì)影響對(duì)土壤的改良效果，需要加大對(duì)此方面的研究，得到更多的定量指標(biāo)對(duì)未來(lái)的推廣應(yīng)用提供導(dǎo)向。