生物炭改良土壤機理及其在我國熱區(qū)應用前景綜述

趙秋芳 趙青云 王輝　 王華 莊輝發(fā) 魚歡 朱自慧

摘 要 近年來，生物炭在農(nóng)業(yè)廢棄物的有效利用、土壤改良、環(huán)境修復等方面發(fā)揮著重要作用，日益受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。眾多研究結(jié)果表明：生物炭可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤pH和有機質(zhì)含量，增加土壤養(yǎng)分有效性，提高土壤酶活性，調(diào)控土壤微生物環(huán)境，進而改良土壤，促進作物生長。本文從生物炭對土壤物理、化學性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、酶活性和土壤微生物的影響等方面，綜述生物炭改良土壤的機理。同時結(jié)合我國熱帶亞熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，從原材料供應和土壤環(huán)境條件等方面，分析生物炭在我國熱帶亞熱帶地區(qū)的應用前景，為生物炭的廣泛利用及熱帶亞熱帶地區(qū)土壤改良提供理論參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 生物炭 ；土壤理化性質(zhì) ；土壤養(yǎng)分 ；土壤酶活性 ；土壤微生物

分類號 S154.4

生物炭通常是指由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等生物質(zhì)或其它生物質(zhì)廢棄物在厭氧或者無氧條件下，低溫（<700℃）熱解形成的固體生物材料[1-3]。生物炭最早起源于19世紀巴西亞馬遜河流域，被稱為“印第安人黑土壤”。2007年第一屆國際生物炭會議上將其命名為 “biochar”，在我國也將其翻譯為生物質(zhì)炭，或者生物焦，屬于黑碳（black carbon）的一種。目前常見的生物炭包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭和畜禽糞熱解炭。研究表明生物炭一般呈堿性[4]，具有有機碳含量高[2]，豐富孔隙度和較大的比表面積[5-7]。近年來，生物炭在土壤改良和增匯減排方面的作用受到農(nóng)業(yè)、環(huán)境和能源方面研究者的廣泛關(guān)注，被譽為“黑色黃金”[8]。有關(guān)生物炭在提高土壤肥力，促進作物生長及污染土壤修復等方面的作用日益受到國內(nèi)外學者的重視。生物炭的廣泛應用，可能成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境污染治理的重要途徑。本文主要從生物炭對土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和土壤微生物的影響等方面綜述生物炭改良土壤的作用機理，同時分析生物炭在我國熱帶和亞熱帶地區(qū)的應用前景，以期為生物炭在土壤改良及我國熱帶和亞熱帶地區(qū)的廣泛應用提供參考和借鑒。

1 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)包括容重、孔隙度、持水性。生物質(zhì)炭化以后，保留了原有生物質(zhì)的良好孔隙結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙度和比表面積[9]，施入土壤，可以增加土壤孔隙度，降低土壤容重，并有效的固持土壤水分，增加土壤含水量[10-12]。Oguntunde等[13]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，飽和導水率提高了88%，總孔隙率從45.7%增加到50.6%，土壤容重降低和通氣孔隙提高為根系提供了良好的生長空間， 有利于根系生長。顏永毫等[14]研究表明，黃土高原典型塿土、黃綿土、風沙土添加生物炭，土壤田間持水量平均增加2.77%，3.09%，4.17%，顯著高于不施炭處理。生物炭以9%的比例施入時，使沙壤土的土壤持水能力提高1倍，且隨著施用量的增加，土壤持水量顯著增強[15]。Asai等[16]研究結(jié)果，也表明生物炭能夠提高土壤含水量以及降水等滲入量。

1.2 生物炭對土壤化學性質(zhì)的影響

生物炭對土壤化學性質(zhì)的影響研究主要從土壤陽離子交換量，土壤pH、土壤有機質(zhì)等幾個方面進行的。生物炭施入土壤可以提高土壤pH[17-18]，提高土壤陽離子交換量[19]，增加土壤有機碳含量[20]。生物炭一般為堿性，施入土壤后可提高酸性土壤pH。這主要是由于生物炭的灰分含有更多鹽基離子，如鈣，鎂，鉀，鈉。這些鹽基離子可以交換土壤氫離子及交換性鋁離子，提高土壤鹽基離子如鈣、 鉀、鈉等的飽和度，進而增加土壤陽離子交換量，提高土壤pH[18，20]。Zhang等[21]發(fā)現(xiàn)，添加10和40t/hm2生物炭，土壤pH分別增加0.2和0.4個單位，Jones等[22]添加50 t/hm2生物炭，土壤pH增加0.3個單位。Peng等[23]發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤pH的影響大小主要取決于生物炭的炭化溫度和炭化時間。何飛飛等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH、CEC值和持水量（WHC）均隨生物炭施用量增加而升高。陳紅霞等[25]在華北平原高產(chǎn)農(nóng)田3年定位試驗研究結(jié)果表明，施用生物炭顯著降低了0～7.5 cm土層容重，增加了0～15 cm 土層的陽離子交換量。Laird等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后陽離子交換量提高了20%，且隨炭量增加而提高。張祥等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以顯著增加紅壤和黃棕壤有機質(zhì)和pH。游東海[28]在石灰性土壤上添加生物炭能增加土壤有機質(zhì)的含量，而且效果是秸稈直接還田的2～3倍。生物炭含有大量的碳，施入土壤可以增加土壤有機碳含量，土壤有機碳含量增高可提高土壤C/N比，從而提高土壤對氮素及其他養(yǎng)分元素吸持容量[29]，有利于通過配合施肥培肥土壤。

2 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

生物炭對土壤養(yǎng)分的作用可以概括為兩個方面。一是生物炭本身含有N、P、K、Ca、Mg、S等礦質(zhì)營養(yǎng)元素，施用后礦質(zhì)營養(yǎng)元素可返還到土壤中，提高土壤養(yǎng)分以及生產(chǎn)力[30-31]。Major等[32]4年連續(xù)試驗表明，施用生物炭可以提高土壤pH和有效鈣、鎂含量。黃超等[10]研究結(jié)果表明，施用生物炭明顯提高低肥力紅壤的速效磷、速效鉀和有效氮含量，增加土壤保肥能力。另一方面，生物炭施入可以提高土壤養(yǎng)分的有效性，降低養(yǎng)分淋失。Lehmann等[33]研究表明，生物炭施入土壤，顯著增加植物生長必需的K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu等主要陽離子的可給態(tài)，提高土壤養(yǎng)分有效性。另外，生物炭具有很強的吸附作用，可以吸附土壤中水溶性離子，減少營養(yǎng)離子的溶解遷移，使其緩慢持續(xù)釋放，避免營養(yǎng)元素的淋失。Kei等[34]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對銨離子有很強的吸附性，可以降低氮素揮發(fā)，減少養(yǎng)分流失，從而提高土壤肥力。鄭浩等[35]研究表明，土壤中添加蘆竹生物炭可以減少 N 的淋失，增加土壤 N 的持留，增強 N 的生物有效性。周志紅等[36]研究也表明，施用生物炭可以大幅度降低氮素的淋失作用，但對不同土壤類型的作用有差異，以50和100 t/hm2的標準施入生物炭，黑鈣土氮素淋失分別降低29%和74%，紫色土降低41%和78%。在酸性土壤和砂質(zhì)土壤上，生物炭對氮、磷營養(yǎng)元素的吸附作用更明顯，能夠在一定程度上避免肥料流失，延長供肥期，利于作物生長[37-39]。

3 生物炭對土壤酶活性和微生物的影響

生物炭同時影響土壤酶活性和土壤微生物。研究表明，生物炭施用會促進與N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤酶活性。Jones等[22]報道連續(xù)3年施用生物炭（50 t/hm2）農(nóng)田反硝化酶活性顯著高于對照。施用生物炭一定程度上能增加土壤磷酸酶活性[40]，黃劍[41]研究也表明，生物炭大幅度提高土壤中轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶活性。

生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，可以保持空氣和水分，為土壤微生物聚集、生長與繁殖提供良好的環(huán)境，減少微生物之間的生存競爭[42]。另外，生物炭含碳量大，在培養(yǎng)過程中發(fā)生降解，可為微生物提供充足的碳源，促進微生物生長，提高微生物生物量[43-44]，改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)[40]。Steinbeiss 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭明顯增加土壤中真菌和革蘭氏陰性菌的生物量。Prayogo等[46]也發(fā)現(xiàn)，添加生物炭增加土壤細菌生物量，顯著增加革蘭氏陰性菌和放線菌的豐度。王曉輝等[47]研究表明，添加生物炭顯著增加設(shè)施栽培退化土壤中的氨氧化古菌與氨氧化細菌和nirK的豐度，提高土壤的硝化潛勢。韓光明等[48]設(shè)施菠菜土壤添加生物炭，根際細菌、真菌、放線菌及氨化細菌、好氧自生固氮菌和反硝化細菌等功能性細菌的數(shù)量均有增加。

4 生物炭在熱帶地區(qū)的應用前景

4.1 制備生物炭的原料豐富

熱帶地區(qū)水熱資源豐富，種植作物生物量大，農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物較多，隨意丟棄或焚燒，造成嚴重資源浪費和環(huán)境污染。將農(nóng)業(yè)廢棄物制備成生物質(zhì)炭還田，可以有效減少農(nóng)田CO2排放，減少環(huán)境污染。廢物利用，變廢為寶，從而獲得較高的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

4.2 熱帶亞熱帶地區(qū)土壤問題嚴重，生物炭可以改善土壤問題

熱帶亞熱帶地區(qū)分布的主要土壤類型為磚紅壤，赤紅壤，紅壤，黃壤，燥紅土，紫色土和水稻土等。這些地區(qū)雨熱同期，且高溫多雨，礦物風化和土壤淋溶作用強烈。土壤鐵鋁含量高，易于硬結(jié)，物理性質(zhì)較差；土壤酸性較強，且有下降趨勢，容易產(chǎn)生毒害；有機質(zhì)分解迅速，補充不及時，易造成土壤質(zhì)量下降；礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)快，且土壤自然肥力不高[49]。大量研究表明，生物炭可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤pH，有機碳庫含量，提高土壤養(yǎng)分含量，廣泛應用于熱帶和亞熱帶地區(qū)，可以解決制約熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要土壤問題，有利于熱帶農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 熱區(qū)肥料利用率低，施用生物炭可以提高肥料利用率

熱帶和亞熱帶地區(qū)，有機質(zhì)的快速降解及淋失，土壤有機質(zhì)含量低，陽離子交換量低，土壤養(yǎng)分貧瘠，生產(chǎn)力低下，而極低的養(yǎng)分利用有效性和生產(chǎn)成本的增加大大限制了無機肥料的使用。熱帶地區(qū)氣候溫度較適合作物生長，一年四季均可以種植作物，特別是冬季果蔬的種植，施肥量大，同時熱區(qū)的降雨量大，容易造成肥料的大量淋失，增加肥料用量，提高生產(chǎn)成本，造成環(huán)境污染，不利于發(fā)展熱帶和亞熱帶地區(qū)高效安全農(nóng)業(yè)。

生物炭的施用可以延緩肥料的釋放速率，減少養(yǎng)分淋失，提高土壤養(yǎng)分有效性，以及土壤的保水保肥能力，提高肥料利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本，防止環(huán)境污染，具有較大的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益，在我國熱帶和亞熱帶地區(qū)有較大的開發(fā)應用前景。

綜上所述，生物炭是通過改善土壤物理和化學結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分，土壤酶活性，增加土壤微生物生物量，進而改良土壤，促進作物生長。同時生物炭的廣泛應用是解決熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤和環(huán)境問題的有效途徑，可以促進熱帶和亞熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展，具有廣闊的應用前景。但是目前，我國熱帶和亞熱帶地區(qū)有關(guān)生物炭應用的研究不多，而且僅限于模擬和室內(nèi)試驗，大規(guī)模的田間試驗較少，以及針對不同原材料生物炭的施用效果差異研究不足，應加大生物炭的田間應用范圍和廣度的研究力度，廣泛開展相關(guān)試驗，將生物炭應用與熱帶地區(qū)土壤改良，變廢為寶，綜合開發(fā)，促進生物炭在熱帶地區(qū)的廣泛應用，提高土壤質(zhì)量，減少環(huán)境污染，為熱帶農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做貢獻。

參考文獻

[1] Lehmann J， Gaunt J， Rondon M， et al. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review.[J] Mitigation and adaptation strategies for global change， 2006， 11（2）： 395-419.

[2] Demirbas， Effects of temperature and particle size on bio-char yield from pyrolysis of agricultural residues. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 2004. 72（2）： 243-248.

[3] Lehmann J， Joseph S. Biochar for environmental management： science and technology[M]. London： Earthscan， 2009.

[4] 袁金華，徐仁扣. 生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（4）： 779-785.

[5] ábrego J， Arauzo J， Sánchez J L， et al. Structural changes of sewage sludge char during fixed-bed pyrolysis[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2009（48）： 3 211-3 221.

[6] Fu P， Hu S， Xiang J， et al. Pyrolysis of maize stalk on the characterization of chars formed under different devolatilization conditions[J]. Energy and Fuels， 2009（23）： 4 605-4 611.

[7] 張偉明. 生物炭的理化性質(zhì)及其在作物生產(chǎn)上的應用[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2012.

[8] 張偉明，孟 軍，王嘉宇，等. 生物炭對水稻根系形態(tài)與生理特性及產(chǎn)量的影響[J]. 作物學報，2013，39（8）：1 445-1 451.

[9] Cornelissen G， Kukulska Z， Kalaitzidis S， et al. Relations between environmental black carbon sorption and geochemical sorbent characteristics[J]. Environmental science and technology， 2004. 38（13）： 3 632-3 640.

[10] 黃 超，劉麗君，章明奎. 生物質(zhì)炭對紅壤性質(zhì)和黑麥草生長的影響[J]. 浙江大學學報（農(nóng)業(yè)與生命科學版），2011，37（4）：439-445.

[11] Chen Y， Shinogi Y， Taira M. Influence of biochar use on sugarcane growth， soil parameters， and groundwater quality [J]. Soil Research， 2010. 48（7）： 526-530.

[12] Zhang A F， Cui L Q， Pan G X， et al. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain， China Agriculture [J].Ecosystems and Environment， 2010（139）： 469-475.

[13] Oguntunde P G， Abiodun B J， Ajayi A E， et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Plant Nutrient Soil Science， 2008（171）： 591-596.

[14] 顏永毫，鄭紀勇，張興昌，等. 生物炭添加對黃土高原典型土壤田間持水量的影響[J]. 水土保持學報，2013，27（4）：120-124，190.

[15] Yu O， Brian R， Sam S. Impact of biochar on the water holding capacity of loamy sand soil[J]. International Journal of Energy and Environmental Engineering， 2013，4（1）： 1-9.

[16] Asai H， Samson B K， Stephan H M， et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos： 1. Soil physical properties， leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research， 2009. 111（1）： 81-84.

[17] Zhang A F， Cui L Q， Pan G X， et al. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain， China Agriculture[J].Ecosystems and Environment， 2010（139）： 469-475.

[18] Novak J M， Busscher W J， et al. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science， 2009， 174（2）： 105-112.

[19] Liang B， Lehmann J， Solomon D， et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils [J]. Soil Science Society of America Journal， 2006.70（5）： 1 719-1 730.

[20] Zwieten L Van， Kimber S， Morris S， et al. Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil， 2010（327）： 235-246.

[21] Zhang A， Bian R， Pan G， Cui L， et al. Effects of biochar amendment on soil quality， crop yield and greenhouse gas emission in a Chinese rice paddy： a field study of 2 consecutive rice growing cycles. Field Crop Res， 2012（127）： 153-160.

[22] Jones D L， Rousk J， Edwards-Jones G， et al. Biochar-mediated changes in soil quality and plant growth in a threeyear field trial. Soil Biol Biochem， 2012（45）： 113-124.

[23] Peng X， Ye L L， Wang C H， et al. Temperature and duration dependent rice straw-derived biochar： characteristics and its effects on soil properties of an Ultisol in southern China[J]. Soil and Tillage Research， 2011. 112（2）： 159-166.

[24] 何飛飛，榮湘民，梁運姍，等. 生物炭對紅壤菜田土理化性質(zhì)和N2O， CO2排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（9）： 1 893-1 900.

[25] 陳紅霞，杜章留，郭 偉，等. 施用生物炭對華北平原農(nóng)田土壤容重、陽離子交換量和顆粒有機質(zhì)含量的影響[J].應用生態(tài)學報，2011，22（11）：2 930-2 934.

[27] 張 祥，王 典，姜存?zhèn)}，等. 生物炭及其對酸性土壤改良的研究進展[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2013，52（5）：997-1000.

[28] 游東海. 秸稈直接還田效果及秸稈熱解制成生物炭還田模擬研究[D]. 西安：西北農(nóng)林科技大學，2012.

[29] Steiner C， Glaser B， Teixeira W G， et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferrasol amended with compost and charcoal[J]. Plant Nutrient Soil Science， 2008， 171（6）： 893-899.

[30] Gaskin J W， Steiner C， Harris K， et al. Effects of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use[J]. Transactions of the ASABE， 2008， 51（6）： 2 061-2 069.

[31] 王萌萌，周啟星. 生物炭的土壤環(huán)境效應及其機制研究[J]. 環(huán)境化學，2013（5）：009。

[32] Major J， Rondon M.， Molina D， et al. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol [J] . Plant and Soil， 2010， 333（1-2）： 117-128.

[33] Lehmann J， Jose Pereira da silva Jr， Christoph Steiner， et al. Nutrient availability and leaching ferralsol of the Central Amazon basin： fertilizer， manure and charcoal amendments[J]. Plant and Soil， 2003（249）： 343-357.

[34] Kei M， Toshitatsu M， Yasuo H， et al. Removal of nitrate-nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J]. Bioresource Technology， 2004（95）：255-257.

[35] 鄭 浩. 蘆竹生物炭對農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的影響[D].青島：中國海洋大學， 2013.

[36] 周志紅，李心清，邢 英，等. 生物炭對土壤氮素淋失的抑制作用[J]. 地球與環(huán)境，2011，39（2）：278-284.

[37] Clough T J， Condron L M. Biochar and the Nitrogen Cycle： Introduction [J]. Journal of environmental quality， 2010，39（4）：1218-1223.

[38] McHenry M.P. Soil organic carbon， biochar， and applicable research results for increasing farm productivity under Australian agricultural conditions [J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis， 2011， 42（10）： 1 187-1 199.

[39] Steiner C， Glaser B， Teixeira W G， et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferrasol amended with compost

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