侯新蕊　陳慧杰　楊士紅　江賾偉　許伊

摘要：生物炭在農田固碳、溫室氣體減排、土壤改良、土壤肥力提高和面源污染治理方面的作用逐漸得到認可，然而其在土壤中并不是一成不變的，會發(fā)生老化，而老化作用又導致其理化性質和表面結構發(fā)生明顯改變。水分是影響生物炭穩(wěn)定性的重要因素，土壤干濕循環(huán)的主要特征是水分的交替變化，因而干濕循環(huán)是引起生物炭老化的重要類型，而干濕循環(huán)老化生物炭在提高土壤肥力、促進作物生長和改善農田環(huán)境效應方面發(fā)揮重要作用。綜述近年來國內外學者關于干濕循環(huán)老化對生物炭性質影響的研究進展，總結干濕循環(huán)老化生物炭對農業(yè)生產及農田環(huán)境效應影響的研究成果，針對現(xiàn)有問題進行分析，進一步提出后續(xù)有待研究的問題，旨在為生物炭的推廣應用與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

關鍵詞：生物炭老化；干濕循環(huán)；農業(yè)生產；土壤肥力；土壤重金屬；農田環(huán)境效應

中圖分類號：S181文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）12-0011-09

生物炭是將生物質和化石燃料在無氧或氧氣含量極低的條件下，通過相對低溫熱解（一般為 400～500 ℃）的方式得到的一種固態(tài)含碳產物［1］，具有高度生物化學和熱穩(wěn)定性，多孔結構使其具有較強的吸附能力，可廣泛應用于農田固碳減排［2-3］、重金屬鈍化［4-5］、改善土壤肥力［6-7］等，受到國內外學者的高度關注。生物炭在添加到田間土壤后會因外部因素如溫度、濕度、降水、光照和微生物等的影響，使生物炭理化性質及表面結構發(fā)生改變，這便是生物炭的老化，其中土壤干濕循環(huán)是引起生物炭老化的重要方式［8-9］。由灌溉、降水引起的土壤干濕循環(huán)過程在農業(yè)生產中普遍存在，尤其在噴灌、滴灌、水稻節(jié)水灌溉技術等大面積推廣應用條件下，探究干濕循環(huán)對生物炭理化性質和結構的影響、生物炭老化后的環(huán)境效應變化及老化生物炭對土壤肥力和作物生長的影響，對于改善農田土壤環(huán)境和保障糧食安全可以發(fā)揮積極作用。因此，本研究在綜述現(xiàn)有研究成果的基礎上，分析干濕循環(huán)老化對生物炭理化性質與表面結構的影響，闡明土壤肥力及作物生長對干濕循環(huán)老化生物炭的響應，總結干濕循環(huán)老化生物炭施用對農田土壤溫室氣體排放、農業(yè)面源污染及重金屬鈍化等環(huán)境效應的影響，并進一步提出后續(xù)有待研究的問題，旨在為生物炭的推廣應用與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 農田土壤干濕循環(huán)

干濕循環(huán)是土壤普遍發(fā)生的一種自然現(xiàn)象，降水過程、農田灌溉等均會引起農田土壤干濕循環(huán)。干濕循環(huán)現(xiàn)象的主要特征是土壤含水量的變化，而含水量直接關系到土壤的化學性質和物理性狀。近年來，隨著全球溫度升高，極端氣候的出現(xiàn)導致降水和干旱模式不斷變化，降水強度和頻率的改變導致土壤含水量變化，進而加劇干濕交替現(xiàn)象［10］。干濕循環(huán)涉及2個過程，即干燥過程和復水過程，由降水過程引發(fā)的土壤干濕循環(huán)主要通過自然環(huán)境中的雨季和旱季對土壤水分進行調控，進而實現(xiàn)土壤水分的蒸發(fā)和復水。干濕循環(huán)在農業(yè)節(jié)水技術應用中也普遍存在，如噴灌、滴灌、水稻控制灌溉技術和水稻干濕交替灌溉技術等。干濕交替現(xiàn)象在節(jié)水灌溉中可表達為根據(jù)作物需水規(guī)律，通過調控不同生育期的水分進而控制作物生長發(fā)育，實現(xiàn)節(jié)水高產目標［11］。

土壤干濕循環(huán)會引起土壤中氧氣含量的頻繁變化，這勢必會導致土壤結構及理化性質發(fā)生改變，如土壤團聚體、有機質和微生物［12］，進而對土壤肥力和土壤養(yǎng)分損失產生影響，且土壤相關性狀的改變也會影響施入到土壤的生物炭?？梢?，農田土壤干濕循環(huán)是一個復雜的過程（圖1），掌握干濕循環(huán)過程作用機理有利于對生物炭老化展開相關研究，對于了解生物炭干濕循環(huán)老化過程及老化產物性質的變化有一定研究意義。

干濕交替通過土壤團聚體間接影響土壤肥力，一方面是調控團聚體周圍水環(huán)境影響土壤團聚體的形成及其結構穩(wěn)定性，團聚體結構穩(wěn)定可為作物生長發(fā)育提供運輸土壤養(yǎng)分、水分和空氣的通道［13］；另一方面是通過改變微生物的群落和活性，影響團聚體內有機質和營養(yǎng)物質的釋放［14］，釋放過程有利于加快土壤養(yǎng)分循環(huán)。生物炭與土壤有機質和微生物關系密切，Yang等認為，土壤有機質含量高，有利于生物炭的礦化［15］；Stewart等認為，土壤有機質含量低，土壤微生物會降解生物炭，其中部分不穩(wěn)定碳優(yōu)先被土壤微生物分解［16］。同時，生物炭豐富的微孔結構為土壤微生物提供了生長空間［17］，且微生物活性增強會加快生物炭的礦化速率［18］。

干濕循環(huán)通過調控土壤性質變化影響土壤與生物炭的相互作用過程。具體表現(xiàn)為氮磷是土壤養(yǎng)分的主要成分，干濕交替會影響土壤氮、磷的轉化和運移過程［19-20］。土壤酸堿度與干濕循環(huán)的程度有關，淺干濕循環(huán)可促進土壤酸化，而土壤酸堿度又能夠直接影響土壤養(yǎng)分的形態(tài)、轉化和有效性。張澤洲等發(fā)現(xiàn)增強土壤干濕循環(huán)程度能夠提高土壤pH值［21］，但Fan等發(fā)現(xiàn)H+濃度高有利于生物炭老化過程中含氧官能團的形成，進而增加土壤孔隙水和含水量［22］，老化生物炭官能團的形成可能會影響其碳、氧、氫、氮等元素含量。同樣，Beare等發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)因為促進硝化和反硝化作用發(fā)生，會加強N2O的產生，從而導致土壤氮素損失［23-24］。此外，由于生物炭優(yōu)質特性會改善土壤結構，保障土壤良好的持水能力，從而提高土壤的固氮能力，且生物炭含有植物生長的營養(yǎng)元素，有助于提高土壤肥力［25］以及水稻吸收養(yǎng)分的能力［26］，從而促進水稻生長發(fā)育。

綜上，在干濕循環(huán)的土壤環(huán)境中，生物炭能夠與土壤相互影響。第一，土壤干濕循環(huán)引起土壤pH值、水分狀況、氧氣含量、微生物等因素發(fā)生變化［18］，這些因素通過影響生物炭的表面結構和理化性質使生物炭發(fā)生老化。第二，經(jīng)土壤干濕循環(huán)老化的生物炭再次施加于稻田土壤，仍然會對土壤產生后續(xù)影響，如影響土壤肥力、水稻生長、土壤氮磷減排、土壤重金屬吸附鈍化及稻田溫室氣體排放，但生物炭老化與土壤之間的交互作用規(guī)律還不明確，相關研究有待深入。研究生物炭在干濕交替環(huán)境下的物理老化過程，對生物炭應用于水稻種植區(qū)等類似干濕循環(huán)條件下的環(huán)境風險評估具有一定的意義。

2 干濕循環(huán)老化生物炭對土壤理化性質及作物生長的影響

2.1 干濕循環(huán)老化對生物炭表面結構和理化性質的影響

浸潤、落干、頻繁的干濕循環(huán)是稻田土壤中較常見的水分管理措施，生物炭添加到土壤中會因為干濕交替現(xiàn)象影響其穩(wěn)定性，其表面結構及理化性質均會發(fā)生改變（表1）。生物炭老化的主要表現(xiàn)是表面特征的變化，與長期淹水和不同田間持水量的水分管理模式相比，干濕交替條件下生物炭結構更易破碎，表面更粗糙［27］。在干濕循環(huán)過程中，生物炭吸附的水分子使生物炭結構處于“膨脹”和“收縮”循環(huán)狀態(tài)，發(fā)生物理裂解［28］，且生物炭的表面結構發(fā)生不規(guī)則破碎［29］。隨著老化時間的延長，未破碎的部分變?yōu)樗槠Y構，表面光滑度降低，在這個過程中生物炭孔隙也被破壞［30］，表面微孔數(shù)增加［31］，微孔結構擴大［32］。

目前已有的關于干濕生物炭老化后比表面積（SSA）變化的結論存在分歧。叢銘以花生殼生物炭為原料開展研究，發(fā)現(xiàn)干濕處理后的生物炭比表面積增大，主要原因是生物炭陳化后孔徑增大和微孔數(shù)量增多，形成了新孔隙［33］。然而，Tan等通過對蘋果樹枝和玉米秸稈生物炭進行研究，發(fā)現(xiàn)干濕老化生物炭比表面積減小［29］，這歸因于生物炭結構的破碎和堵塞。生物炭中的無機物質在老化過程中歷經(jīng)溶解和再沉淀作用，或是生物炭表面被土壤微生物覆蓋，堵塞了生物炭的孔隙，因而會降低生物炭的比表面積［31］。總體而言，生物炭在多種因素影響下可引發(fā)老化，其中干濕交替老化的生物炭比表面積的差異可能與生物炭原料以及土壤類型有關。

在干濕處理條件下，老化生物炭堿性降低，其原因可概括為3個方面：第一，老化后生物炭表面被氧化且酸性官能團增加，老化生物炭的酸性增強，則堿性隨之降低［34］。第二，老化生物炭的氫氧化物被溶解以及新碳酸鹽的形成［35-36］，從而降低生物炭的堿度。第三，老化過程中生物炭表面對環(huán)境中水分和氧的非生物化學吸附也促使老化生物炭pH值下降［31］。

老化顯著影響生物炭表面官能團和元素組成。生物炭老化后其元素含量主要變化的研究結論一致。表現(xiàn)為生物炭的C含量降低，而O含量增加［29，31-32］，則氧/碳的值顯著提高，也會進一步改變老化生物炭的極性、芳香性和親水性，但干濕循環(huán)對生物炭芳香性的影響很?。?6］。老化生物炭表面含氧官能團增多［37］，這可以合理解釋生物炭O含量為什么會增加，而干濕處理后生物炭表面含氧官能團增加主要是由氧化反應引起的［29］。Nguyen等采用飽和、不飽和、飽和-不飽和交替等3種水分管理模式對黑炭分解情況進行試驗，對生物炭進行為期1年的培養(yǎng)，在飽和-不飽和循環(huán)（干濕循環(huán)）條件下，C[FY=，1]O和—OH都明顯增加，橡木生物炭的礦化率在干濕循環(huán)處理時較大，說明適宜的土壤水分管理模式或許有助于減緩生物炭的老化過程［38］。

2.2 干濕循環(huán)老化生物炭對土壤肥力及作物生長的影響

降水和灌溉引起的干濕交替顯著影響土壤速效養(yǎng)分的轉化和遷移，生物炭施加到干濕交替的環(huán)境中，可提高土壤的保水保肥能力以及作物產量［39］。

土壤團聚體穩(wěn)定性是影響土壤肥力的關鍵因素。老化生物炭在添加到土壤后由于其發(fā)達的孔隙結構會形成團聚體，其較強的吸附性能可促進土壤保持養(yǎng)分［40］。老化后的生物炭可以提高土壤的陽離子交換能力（CEC），從而增強土壤的緩沖能力并改良土壤。有機質是影響土壤肥力的重要指標，二者呈正相關關系。叢銘發(fā)現(xiàn)，干濕生物炭能夠顯著提升土壤有機質的含量［33］，增強土壤肥力。有機質分解還能提高土壤pH值［41］，土壤酸堿度能直接影響土壤肥力和養(yǎng)分保持的能力［42］，然而關于干濕循環(huán)老化生物炭對土壤pH值影響的結論并不統(tǒng)一。Xu等認為，干濕老化過程中土壤pH值變化不明顯，說明干濕老化對生物炭改變土壤pH值的影響程度較?。?5，43］。同時，叢銘發(fā)現(xiàn)生物炭老化后對土壤pH值的提升效果減弱，干濕生物炭會顯著降低土壤pH值［33］，這可能與生物炭老化過程中土壤堿性物質的溶解及生物炭某些含氧官能團的形成有關［44］，且隨著老化作用的發(fā)生，生物炭中的芳香族被分解，以C的形式釋放到環(huán)境中，會與CO2結合形成碳酸鹽［45］，進而降低土壤pH值。周婷認為，在干濕循環(huán)的條件下土壤pH值先下降后上升，合理推斷添加生物炭的土壤pH值可能會受到土壤水分狀況的影響，所以在干濕循環(huán)環(huán)境中長期施用生物炭可能提高土壤pH值［46］。中性或近中性土壤可能更有利于作物生長，土壤酸化會嚴重影響全球作物生產，土壤酸化導致磷、鉀、鈣等營養(yǎng)物質的缺乏，從而制約作物生長［47］。因此，可以通過長期在干濕交替的環(huán)境中施用生物炭以提高土壤pH值，進而改良酸性土壤并促進作物生長。

干濕老化后的生物炭在促進作物生長方面的現(xiàn)有研究結論存在差異。干濕老化生物炭對土壤中鉀的有關指標（全鉀、速效鉀、水溶性鉀等）均有一定的促進作用［33］，且土壤中鉀的含量會直接影響作物產量［48］，因此干濕老化生物炭可能有利于提高作物產量。卜祥烯認為，生物炭與干濕交替灌溉結合可以提高水稻干物質和氮素的積累［49］，干濕循環(huán)灌溉下添加生物炭水稻根系對土壤氮素的吸收與其根系活力呈極顯著正相關關系，淺干濕灌溉下秸稈生物炭可以提高水稻全生育期的根系活力，保持水稻根系活力有利于水稻營養(yǎng)物質的吸收，間接促進水稻生長，提高水稻經(jīng)濟產量［50］。叢銘通過試驗發(fā)現(xiàn)，干濕老化生物炭會削弱白菜吸收土壤養(yǎng)分的能力，降低白菜的葉綠素水平，表明干濕老化生物炭抑制白菜的生理生長［33］?？傮w來看，干濕老化生物炭對土壤肥力和作物生長的研究還存在很多不足，[JP2]今后應重點關注，評估老化生物炭的作物生產力對于保障糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展有一定的意義。

3 干濕循環(huán)老化生物炭對農田環(huán)境效應的影響

3.1 干濕循環(huán)老化生物炭對農田溫室氣體排放的影響

人類活動引起溫室氣體排放增加，導致全球氣候異常變暖，學者們便開始關注土壤固碳，以圖減少溫室氣體排放［51］；農田由于具有減排和碳匯功能可在減緩氣候變化中發(fā)揮重要作用［52］。將廢棄物等生物質轉化為生物炭，并儲存于土壤中有利于減少CO2排放，且使用生物炭作為土壤改良劑有利于實現(xiàn)溫室氣體減排［53］。在干濕循環(huán)的土壤中施入生物炭，使生物炭進行自然條件下的干濕循環(huán)老化，在此過程中生物炭顆粒會被土壤破壞，其比表面積和孔隙增大［54］，從而提高生物炭的吸附能力，減少農田溫室氣體排放。

干濕交替環(huán)境下生物炭對N2O的減排效果顯著，表現(xiàn)為N2O的排放量隨著生物炭施用量增加而減少，減排效應主要是由于生物炭阻礙了土壤硝化過程，促進反硝化N2O還原為N2的過程，最終減少稻田N2O的排放量［55］。其中N2O還原過程受到微生物部分基因的影響，王鴻浩等認為，干濕循環(huán)處理的生物炭在室內培養(yǎng)18 d后，可以顯著降低反硝化過程作用物濃度和（nirK+nirS）/nosZ［56］，而nirK和nirS基因豐度與N2O排放通量呈顯著正相關關系，因此干濕循環(huán)老化生物炭可以減少N2O排放。干濕生物炭通過抑制土壤中酸性磷酸酶、土壤脫氫酶和土壤脲酶的活性來減弱土壤中碳的轉化作用［33］，且生物炭的化學穩(wěn)定性相對較好，因此在短時間效應內老化的生物炭具有一定的碳封存潛力［57］，[JP2]有利于實現(xiàn)對CO2的固定，減緩氣候變化。然而，Cao等的研究結果呈現(xiàn)相反的趨勢，即土壤經(jīng)歷干濕循環(huán)可加快有機碳的礦化速率，進而增加可溶性有機碳（DOC）含量［31］，導致土壤CO2排放增加。

Wang等認為，通過改善生物炭的力學特性（主要指強度和硬度）增強其穩(wěn)定性，也可能有利于減少N2O和CO2的排放［58］。然而，生物炭經(jīng)歷干濕循環(huán)老化，其表面結構普遍發(fā)生破碎、裂解，因此可以考慮先將生物炭改性以增強其強度和硬度，再進行干濕循環(huán)老化，最后施用于田間土壤，以實現(xiàn)N2O和CO2減排。

干濕循環(huán)條件下添加生物炭能夠提高土壤有機質含量［33］，而土壤有機質含量與CH4排放量呈顯著正相關關系［34］，因此干濕老化生物炭可以提高大氣中CH4的含量。然而干濕老化后生物炭孔隙會增大［54］，大孔隙度有利于甲烷氧化菌生存，CH4在甲烷氧化菌大量存在的條件下被氧化，干濕循環(huán)老化生物炭對CH4的減排效應增強。此外，CH4排放量與土壤初始pH值呈正相關關系，表明較低的土壤初始pH值可能更有利于減緩CH4排放［59］。因此，關于干濕循環(huán)老化生物炭對農田土壤CH4是否具有減排效應還有待深入研究。

3.2 干濕循環(huán)老化生物炭對農田氮磷損失的影響

張作合等認為，生物炭與干濕交替灌溉結合可以提高水稻植株氮素的積累量［50］，有學者針對長期施肥條件下對土壤磷素利用和積累的影響進行探究，發(fā)現(xiàn)磷肥施入量越多，殘留在土壤中的磷肥越多，利用效率越低［60］，主要是因為磷肥易被土壤吸附固定［61］。磷和砷（As）是同主族元素，部分性質相似，干濕交替的培養(yǎng)環(huán)境中，鈰錳改性生物炭在鈍化土壤活性As的同時，也可能會吸附土壤中的有效磷［62］，這有可能實現(xiàn)土壤磷的減排，且生物炭在干濕交替培養(yǎng)后對磷的吸附量隨著磷平衡濃度的增加而增大［63］。

農田氮素損失主要包括氮的氣態(tài)損失（NH3和N2O排放）、硝化-反硝化作用以及通過淋溶、徑流或滲漏進入水體，其中NH3的揮發(fā)是稻田氮肥損失的重要途徑之一［64］，而干濕老化生物炭能夠減少農田NH3的揮發(fā)［56，65］。土壤氨揮發(fā)與土壤銨態(tài)氮和脲酶含量的變化密切相關，主要是因為氮肥（尿素為主）施入土壤后會被土壤中的脲酶分解，而干濕老化由于老化過程中溫度和水分的劇烈變化抑制了土壤脲酶的活性［66］，同時干濕循環(huán)老化生物炭對氨態(tài)氮的吸附能力均強于新鮮生物炭［67］，可以有效減少尿素分解的氣態(tài)產物NH3。生物炭滯留能力的提高可能會使N、P的淋失量減少，在干濕循環(huán)的環(huán)境中老化會提升生物炭的滯水能力，老化作用明顯，對養(yǎng)分淋溶減排效果較好，有可能實現(xiàn)對設施氮磷淋溶損失的長效調控［68］，關于干濕循環(huán)老化生物炭對土壤氮磷的相關研究潛力巨大，有待持續(xù)深入研究。

3.3 干濕循環(huán)老化生物炭對土壤重金屬固定化的影響

Zhang等認為，生物炭能夠降低土壤重金屬和有機污染物的生物可利用性［69］，Beesley等發(fā)現(xiàn)發(fā)達的比表面積和微孔結構使生物炭成為一系列有機和無機化學品的吸附劑［70］，被廣泛應用于改良土壤環(huán)境。然而，生物炭長期存在于土壤中便會發(fā)生老化作用，生物炭老化的最本質特征是表面特性和吸附性能的變化，老化處理和生物炭原料的不同導致對不同重金屬吸附性能的差異（表2），同時生物炭灰分含量、表面官能團和比表面積（SSA）等指標的改變也會影響老化生物炭的吸附性能［71］。[JP2]生物炭在干濕交替條件中因生物炭顆粒的運動會影響細菌的去除能力，和凍融循環(huán)相比，干濕循環(huán)的風化作用可以顯著提高生物炭在過濾性能方面的作用［35］。

老化是影響生物炭吸附固定重金屬的重要過程，隨著生物炭老化時間的延長，比表面積和含氧官能團是影響生物炭吸附性能的主要因素［29］。其中，羧基和羥基是影響生物炭表面吸附重金屬的主要官能團［72］，2個含氧官能團通過絡合反應增強生物炭吸附Pb（Ⅱ）的能力［29］，老化過程將羧基官能團引入生物炭表面，增加了鎘的附加結合位點［73］。

當前關于干濕循環(huán)老化生物炭對不同重金屬吸附能力的研究結果并不完全一致。Xu等發(fā)現(xiàn)，生物炭在干濕循環(huán)后表面—OH的數(shù)量增加，吸附重金屬的能力變強［75］。干濕處理后生物炭的孔徑變大，增大了比表面積，表明生物炭與重金屬的接觸面積變大，生物炭表面的吸附位點增加，因而整體增強老化生物炭對Pb（Ⅱ）的吸附作用［29］。干濕交替老化生物炭通過抑制土壤過氧化氫酶、轉化酶和脲酶的活性，增強生物炭對土壤中Ni和Cd的吸附，在循環(huán)變化的環(huán)境中生物炭可以穩(wěn)定吸附土壤中的鎘［37］。Hao等分析老化對不同類型生物炭 Cu（Ⅱ） 吸附行為的影響，發(fā)現(xiàn)干濕老化后棉花生物炭對銅的吸附量增加，花生生物炭對銅的吸附量減少［76］，可見生物炭類型影響生物炭吸附容量，而生物炭的SSA和灰分含量是決定老化生物炭吸附性能的主要因素。隨著時間的延長，老化生物炭的吸附性能會因含氧官能團絡合反應的減弱而降低，老化生物炭pH值下降造成絡合反應減弱［46］。Hao等認為，物理老化的生物炭往往表現(xiàn)出吸附行為降低，主要是因為其含氧官能團數(shù)量少，且無機礦物在凍融或干濕循環(huán)中被洗掉，從而導致共沉淀能力下降［76-77］。干濕老化后生物炭灰分釋放，減弱了Cd2+與無機礦物的沉淀作用，并顯著抑制玉米秸稈老化生物炭對Cd2+的吸附能力，而污泥生物炭含氧官能團含量（主要是—COOH）的改變會影響其對重金屬的絡合作用，這是污泥生物炭對Cd2+吸附量改變的主要原因之一［74］。Xu等發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)老化會降低牛糞和木屑生物炭對鎘（Cd）的固定能力，固定能力的改變主要與pH值降低和可溶性有機碳（DOC）含量的提高有關［35］。由于牛糞生物炭的堿度下降幅度大于木屑生物炭，因此牛糞生物炭固定Cd的減少程度也大。該結果還表明，pH值在鎘固定化中發(fā)揮的作用遠強于官能團，尤其是當?shù)V物沉淀是主要的固定機制時［78］。

雖然生物炭憑借發(fā)達的孔隙結構和比表面積以及其他優(yōu)秀特性，已廣泛應用于土壤重金屬吸附固定領域［4-5］，但仍有學者對生物炭與干濕交替環(huán)境結合能否固定重金屬提出質疑。Shen等在干濕交替的環(huán)境中以施加與不施加生物炭處理對土壤中重金屬（主要是Cu2+、Pb2+和Cd2+）的遷移率和形態(tài)進行試驗［79］，發(fā)現(xiàn)干濕交替的環(huán)境有利于土壤去除重金屬，干濕循環(huán)會促進土壤溶液中重金屬的浸出，但生物炭對于干濕循環(huán)土壤溶液中重金屬固定化沒有明顯的影響，且長時間使用生物炭固定土壤重金屬可能會有風險。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能與生物炭的原料有關，也可能是因為生物炭未經(jīng)調制以致于對重金屬的固定作用有限［80］。

4 問題與展望

干濕循環(huán)老化生物炭普遍存在，其老化也會影響生物炭的自身結構、土壤理化性質、作物生長及其農田環(huán)境效應。干濕循環(huán)老化生物炭可能對農田環(huán)境效應產生積極或消極影響。一方面，老化生物炭可以改善土壤肥力，表面絡合及物理吸附等作用有助于土壤重金屬固定化以及對有機和無機污染物的吸附。從環(huán)境效應出發(fā)，整體上老化生物炭會減少溫室氣體排放。另一方面，應該注意到長期效應下生物炭改良土壤的潛在風險。然而，由于循環(huán)時間、濕度控制以及生物炭原料等方面的差異，干濕循環(huán)老化生物炭的研究還存在許多不足，需進行深入研究，主要體現(xiàn)在以下5個方面。第一，由于生物炭原材料、干濕循環(huán)過程等存在較大差異，不同老化生物炭的自身結構、營養(yǎng)成分變化方面的機理和規(guī)律還不明確，在未來可探究不同老化生物炭對干濕循環(huán)處理過程的響應。第二，干濕循環(huán)老化生物炭對土壤肥力、養(yǎng)分遷移轉化及作物生長影響的研究目前還處在盆栽或小區(qū)試驗階段，后續(xù)應針對不同土壤肥力指標及不同作物種類開展相關研究，定期觀測取樣分析，評估老化生物炭對改善土壤肥力和促進作物生長的效應。第三，干濕循環(huán)老化生物炭對溫室氣體排放影響的報道較少，老化生物炭是否仍具有溫室氣體減排效應及其對溫室氣體排放影響機理還不明確。今后應加強研究干濕循環(huán)老化生物炭對CO2、CH4、N2O等3種主要溫室氣體減排效果，探索干濕老化生物炭對3種主要溫室氣體的協(xié)同或拮抗機制。第四，各種節(jié)水灌溉技術的大面積推廣應用會頻繁產生干濕交替過程，這會加速施入生物炭的老化，節(jié)水灌溉與生物炭施用兩者結合條件下，土壤肥力、作物生長及其環(huán)境效應的研究有待深入，今后可研究將老化生物炭在改良土壤和改善環(huán)境效應方面的作用與作物生產力結合起來。第五，在不同的干濕循環(huán)老化處理和土壤環(huán)境質地條件下，生物炭老化對重金屬之間的固定機制存在差異，且老化生物炭對重金屬的固定化作用大多針對單一金屬，老化生物炭固定不同金屬之間的作用也不盡相同，因此今后的研究可以考慮探究出干濕老化生物炭對不同重金屬的吸附機制，并對多種重金屬同時開展生物有效性研究，考察不同重金屬對老化生物炭吸附固定化的響應。

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收稿日期：2022-08-11

基金項目：國家自然科學基金（編號：51879076）；中央高校業(yè)務費項目（編號：B210204016、B220203009）。

作者簡介：侯新蕊（1999—），女，遼寧凌源人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉與農田生態(tài)效應研究。E-mail：hxr0405@hhu.edu.cn。

通信作者：楊士紅，博士，教授，主要從事節(jié)水灌溉與農田生態(tài)效應研究。E-mail：ysh7731@hhu.edu.cn。