生物質(zhì)炭對土壤和土壤微生物影響的研究進展

黃 韡 吳承禎,2 錢蓮文

（1.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350000；2.武夷學院，福建 武夷山 353000;3.泉州師范學院 福建 泉州 362000）

前言

生物質(zhì)炭（bio-char）是農(nóng)林廢棄物、植物組織等在限制供氧的條件下熱解而成。制備生物質(zhì)炭的原料包括各種天然物質(zhì)及其衍生物，如農(nóng)業(yè)廢棄物、木材廢棄物、城市固體垃圾、畜禽糞便、水生植物和藻類等[1]。其中大多數(shù)的生物質(zhì)炭是由農(nóng)業(yè)廢棄物熱解而來的，施用生物質(zhì)炭可以減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。施加一定量的生物質(zhì)炭能增加土壤CEC，吸附N、P及礦物離子，減少養(yǎng)分流失，并在一定范圍內(nèi)增加作物生物量和產(chǎn)量，因此生物質(zhì)炭還田是提高土壤肥力和增加碳封存時間的有效途徑[2]。生物質(zhì)炭的高度穩(wěn)定性和較強的吸附性能，對于增加土壤碳庫貯量、提高土壤肥力以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡具有十分重要的意義[3]。本文從生物質(zhì)炭對土壤的改良作用和對土壤微生物的影響兩方面進行綜述，介紹生物質(zhì)炭應用于改良土壤方面的研究成果，并對該領域進行了展望。

1 生物質(zhì)炭的特性

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料在厭氧或者絕氧的條件下進行熱解，除了生成CO2、可燃性氣體、揮發(fā)性油類和焦油類物質(zhì)以外，所產(chǎn)生的一種含碳豐富的固體物質(zhì)[4]。生物質(zhì)原料的不同以及制備條件的差異會令生物質(zhì)炭的性質(zhì)存在較大的差異，比如低溫制備的生物質(zhì)炭，碳結(jié)構(gòu)比較松弛，活性比較高，對土壤肥力的貢獻比較大[5]；而高溫下制備的生物質(zhì)炭的灰分和表面堿度增加，對提高土壤pH值的效果較好[6]。生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)使表層土壤孔隙度增加，容重減小，這種結(jié)構(gòu)有利植物根系的生長，從而促進作物地上部分的生長，提高作物的產(chǎn)量[7]。生物質(zhì)炭中含有灰分以及灰分中所含有的Na、K、Ca、Mg等礦質(zhì)元素以氧化物或碳酸鹽的形式存在[8]，因此溶于水后呈堿性，其pH值的大小與裂解的溫度成正比[9]，所以生物質(zhì)炭可以用于酸性土壤的改良。

2 生物質(zhì)炭對土壤的改良作用

2.1 生物質(zhì)炭對土壤物理性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭對土壤物理性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在提高土壤孔隙度，增加土壤的表面積和降低土壤容重三個方面。在巴西亞馬遜流域的某些黑土中，其上部的富碳層厚達35cm，且上層土壤的容重比下層土壤低，土壤容重隨土壤剖面深度的增加而增加[10]，這主要是生物質(zhì)炭起的作用。生物質(zhì)炭的表面積大小取決于生物質(zhì)炭的孔隙度，根據(jù)孔徑的大小可以分為大孔隙（＞50nm ）、微孔隙（＜2nm ）和小孔隙（＜0.9nm ）[11]。大孔隙直接關(guān)系到土壤的透氣性和持水能力，并為微生物提供了生存的環(huán)境；而小孔隙則影響生物質(zhì)炭對分子的吸附作用和轉(zhuǎn)移。

生物質(zhì)炭對土壤物理性質(zhì)的改善作用與生物質(zhì)炭的施用量和土壤的肥力相關(guān)。黃超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當生物質(zhì)炭用量為10 g·kg－1時，對土壤物理性質(zhì)的影響不明顯。當生物質(zhì)炭用量為 50 g·kg－1和 200 g·kg－1時，對肥力水平較低的土壤的水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量、容重和飽和持水量均產(chǎn)生明顯的影響；但對肥力水平較高的土壤，生物質(zhì)炭僅僅對土壤容重產(chǎn)生了明顯的影響，對水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量和田間持水量的影響不顯著；施用生物質(zhì)炭對土壤肥力水平較低的土壤上的改善效果明顯高于肥力水平較高的土壤，在肥力水平較低的土壤中，改善效果與生物質(zhì)炭的用量成正比；而在肥力水平較高的土壤中，大量施用生物質(zhì)炭(200 g·kg－1)可導致土壤微生物的生物量下降，對植物的生長產(chǎn)生輕微的抑制作用。

2.2 生物質(zhì)炭對土壤化學性質(zhì)的影響

Glaser等[13]研究表明，生物質(zhì)炭的化學和生物穩(wěn)定性源于其所具有的多環(huán)芳香結(jié)構(gòu)，將生物質(zhì)炭施加到土壤中，可以提高作物的產(chǎn)量以及增加礦質(zhì)元素的利用率。周桂玉等[14]研究表明，將秸稈生物質(zhì)炭和松枝生物質(zhì)炭添加到土壤中培養(yǎng)45天后，土壤的有機碳含量、胡敏酸和富里酸含量、有效養(yǎng)分含量都有不同程度的增加，且胡敏酸的色調(diào)系數(shù)△lgK降低，有利于土壤有機碳的長期保存。生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團，使得生物質(zhì)炭呈現(xiàn)親水、疏水以及對酸堿的緩沖能力[15]，其所產(chǎn)生的表面負電荷使得生物質(zhì)炭具有較高CEC[16]，將生物質(zhì)炭施加在土壤中可以提高土壤的CEC，且土壤的CEC隨著生物質(zhì)炭在土壤中存在時間的增加而增加[17]。

生物質(zhì)炭通過對土壤化學性質(zhì)的影響能降低環(huán)境污染，有利于保護環(huán)境。目前鋁毒害是酸性土壤地區(qū)作物生長不良的主要原因，袁金華等[18]實驗添加稻殼炭使紅壤和黃棕壤有毒形態(tài)鋁的濃度分別比對照下降47%和42%(P＜0.05)，從而緩解鋁對植物的毒害作用，總可溶性鋁濃度的降低使得酸性土壤中鋁的活性和移動性減小，進而減小可溶態(tài)鋁由陸地向地表水的遷移，有利于保護地表的水體。Arvelakis等[19]以橄欖殘渣和麥稈為原料，在氮氣保護下采用熱分解法制備生物質(zhì)炭，并將其用于汞離子污染物的捕獲。Jones等[20]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對除草劑有強烈的吸附作用，有效降低除草劑的流失和土壤微生物群對除草劑的降解作用，從而減少除草劑的使用量，降低土壤和環(huán)境污染以及這些污染物可能通過食物鏈對人體造成的危害。

2.3 生物質(zhì)炭對土壤持水能力的影響

土壤持水能力是評價土壤涵養(yǎng)水源和水文調(diào)節(jié)的重要指標，主要與土壤容重和土壤孔隙度有關(guān)。根據(jù)土壤孔隙的性質(zhì)和孔徑大小的不同一般分為3級：通氣孔隙、非活性孔隙和毛管孔隙，其中通氣孔隙不能保持水分，而毛管孔隙則容易保持水分，當毛管上升水達到最大量時的土壤含水量是作物能利用的有效水[21]。生物質(zhì)炭通過使土壤的孔徑和分布發(fā)生變化，繼而改變了土壤水分的流動路徑、停留時間和滲濾模式[22]。Glaser等[23]研究發(fā)現(xiàn)含黑色碳豐富的土壤，其表面積是周圍無炭土壤的3倍，田間持水量增加18%。生物質(zhì)炭對于砂質(zhì)土壤的持水能力有較為顯著的效果，生物質(zhì)炭用量的增加使砂土的容重減小、總孔隙度增大，結(jié)構(gòu)逐步得到改善，飽和導水率減小，因而持水能力增強[24,25]。

而Chun等[26]發(fā)現(xiàn)作物秸稈炭在300℃的裂解溫度下持水量為 13×10－4ml/m2，而在 700℃下減少到 4.1×10－4ml/m2，這是由于裂解溫度越高，生物質(zhì)炭表面的極性官能團變少，因而導致持水量減少；還有研究者將不同性質(zhì)的生物質(zhì)炭施用在含有高有機質(zhì)的土壤中，發(fā)現(xiàn)有些種類的生物質(zhì)炭能提高土壤田間持水量而有些則不能[27]。

可見，在對土壤持水能力影響方面，生物質(zhì)炭以及供試土壤的種類和性質(zhì)都應被列入考慮?？偟膩碚f，用生物質(zhì)炭來提高土壤的持水能力仍是一種行之有效的方法。

3 生物質(zhì)炭對土壤微生物的影響

土壤微生物主要指土壤中那些個體微小的生物體，主要包括細菌、放線菌、真菌，還有一些原生動物和藻類等（Martin A，1964）。生物質(zhì)炭對土壤微生物的影響機理較為復雜，其多孔性和表面特性可以為土壤微生物提供附著位點和較大的空間。土壤pH值是反映土壤特性的重要指標之一，也是影響根際微生物生長發(fā)育的重要因素，真菌喜好酸性土壤，細菌則偏好中性土壤，二者對土壤pH值的要求有所不同使得土壤pH值的變化與微生物數(shù)量的波動相關(guān)，而施用生物質(zhì)炭能使土壤的pH值提高[28]，進而對土壤微生物產(chǎn)生影響。

3.1 生物質(zhì)炭對土壤微生物活性的影響

生物質(zhì)炭孔隙中能夠貯存水分和養(yǎng)分，因而生物質(zhì)炭的孔隙和表面能夠成為微生物可棲息生活的微環(huán)境。有研究者認為[29]由于生物質(zhì)炭的高度芳香化，生物量的增加并非是因為生物質(zhì)炭提供了微生物生長所需要的養(yǎng)分，而是因為生物質(zhì)炭大的比表面積增加了微生物的生長空間。

生物質(zhì)炭能促進土壤微生物的侵染能力、數(shù)量及活性。Steinbeiss等[30]研究發(fā)現(xiàn)利用磷酸脂肪酸法（PLFA），生物質(zhì)炭顯著增加了土壤中真菌和革蘭氏陰性菌的生物量，其孔隙中儲存微生物所需養(yǎng)分及水分，利于土壤微生物的生長代謝過程，尤其是對叢枝狀菌根真菌(AMF)或泡囊叢枝狀菌根真菌(VAM)的影響極為顯著。菌根真菌不同于固氮菌，其可將菌絲生長于生物質(zhì)炭的表面及孔隙內(nèi)，并汲取營養(yǎng)和水分而產(chǎn)生孢子，因此生物質(zhì)炭對菌根真菌有很好的促進作用。Khodadad等[31]發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)炭處理的土壤中，微生物的總多樣性減少，但放線菌門和芽單胞菌門的相對豐度卻增加。韓光明等[32]實驗表明添加生物質(zhì)炭能夠非常顯著地提高土壤細菌、真菌以及放線菌的數(shù)量和微生物量，尤其是細菌中的反硝化細菌、好氧自生固氮菌和氨化細菌的數(shù)量顯著增加，認為適量的生物質(zhì)炭對促進氮代謝微生物的活性可能具有一定作用。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物代謝熵(qCO2)是將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機聯(lián)系起來，其變化與土壤微生物群落組成的變化有關(guān)，并且隨著土壤熟化程度的增加而減小，代謝熵可以度量土壤微生物的能量利用率，用來反映土壤微生物利用碳源的效率；隨著生態(tài)系統(tǒng)由初級向高級的演替，代謝熵值呈現(xiàn)下降趨勢；在代謝熵較低的土壤中，微生物對碳的利用效率較高，維持相同微生物生物量所需的能量就越少，土壤質(zhì)量也就越好。匡崇婷等[33]研究表明在添加生物質(zhì)炭0.5%和1.0%時使土壤微生物代謝熵分別降低2.4%和26.8%，代謝熵隨著生物質(zhì)炭添加量的增大而顯著下降；在添加0.5%和1.0%生物質(zhì)炭的土壤70%田間持水量條件下培養(yǎng)90天后，土壤微生物代謝熵明顯低于不加生物質(zhì)炭的土壤。

Graber等[34]認為施加生物質(zhì)炭增加微生物群落，提高植物的生物量，增強作物抵抗病蟲害的能力。Grossman等[35]研究在含有生物質(zhì)炭和不含生物質(zhì)炭的土壤中微生物群落的種類，發(fā)現(xiàn)前者的土壤種類和微生物種類基本相同，與后者中的微生物種類大不相同，說明生物質(zhì)炭可影響微生物群落分布特征。Warnock等[36]研究認為土壤中施人生物質(zhì)炭后，作物根部的真菌繁殖能力增強，菌根的真菌豐度增加，進而促使微生物群落發(fā)生變化。Hamer等[37]研究認為某些微生物會把黑色碳作為生存的唯一碳源，說明加入生物質(zhì)炭后會促進土壤中某一類群微生物的生長。Pietikainen等[38]研究了生物質(zhì)炭對土壤中腐殖質(zhì)、pH值和腐殖質(zhì)中微生物群落生長率的影響，認為添加生物質(zhì)炭能夠提高微生物群落的呼吸代謝速率，改善微生物對基質(zhì)的利用格局，進而改良土壤肥力。

4 展望

目前國內(nèi)開展生物質(zhì)炭研究還處于起步階段，制約該領域研究的瓶頸主要有兩個方面：一是生物質(zhì)的多樣化和制備工藝的差異化，使得用于研究的生物質(zhì)炭種類繁多，性質(zhì)差別較大，研究結(jié)果的可比性較差，因此有必要針對生物質(zhì)炭制定相關(guān)的標準；二是國內(nèi)土壤類型復雜，生物質(zhì)炭在不同土壤上的表現(xiàn)有所不同，需要開展國內(nèi)多點聯(lián)網(wǎng)的研究，且生物質(zhì)炭對土壤植物的效應研究上，目前多集中于宏觀方面，其改良土壤和植物的作用機理仍需進一步探究。同時，土壤微生物生態(tài)學研究方法都有一定的局限性，需要更多新的方法應用到土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究方法上，進而推動在生物質(zhì)炭對土壤微生物的作用機理方面的研究。

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