施用生物炭對土壤和作物的影響

黃德榮，衡德茂，倪宏章，陳 實(shí)

(1.江蘇省寶應(yīng)縣西安豐鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，江蘇揚(yáng)州 225800；2.江蘇省南通華實(shí)生態(tài)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇南通 222650)

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施用生物炭對土壤和作物的影響

黃德榮1，衡德茂1，倪宏章1，陳 實(shí)2

(1.江蘇省寶應(yīng)縣西安豐鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，江蘇揚(yáng)州 225800；2.江蘇省南通華實(shí)生態(tài)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇南通 222650)

生物炭是將農(nóng)作物秸稈、木屑等含碳量豐富的生物質(zhì)材料在無氧或限氧的條件下熱解而得到的一種細(xì)粒度、多孔性的碳質(zhì)材料，其農(nóng)業(yè)利用的發(fā)展前景廣闊。原料種類、生產(chǎn)過程中的溫度以及添加物料對生物炭的性質(zhì)都有較大的影響。土壤中施用生物炭可以改變土壤的基本性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和離子的賦存特征、土壤微生物和酶活性。生物炭施用量影響其作用效果。施用生物炭能夠明顯改變作物根系和植株的系統(tǒng)發(fā)育，影響產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成。要進(jìn)一步強(qiáng)化生物炭與土壤的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的互作效應(yīng)、生物炭性質(zhì)特征與保護(hù)地土壤質(zhì)量改善、生物炭對作物生理生化和產(chǎn)量品質(zhì)的影響以及“生物炭-土壤-作物”連續(xù)體等方面的研究。

生物炭； 土壤；作物

隨著溫室大棚的推廣和耕作技術(shù)的發(fā)展，土壤的復(fù)種指數(shù)明顯增加，氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)投入增加，而碳的投入減小，加之耕作頻繁，導(dǎo)致土壤溫度、濕度及空氣狀況的變化，土壤肥力下降。如何提升土壤碳庫繼而保持土壤肥力成為重要的課題。生物炭是將農(nóng)作物秸稈、木屑等含碳量豐富的生物質(zhì)材料在無氧或限氧的條件下熱解而得到的一種細(xì)粒度、多孔性的碳質(zhì)材料[1-2]。它含有較豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分元素如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，施入土壤后能夠提高土壤中養(yǎng)分含量[3]，對保持土壤肥力的可持續(xù)性具有重要作用。農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)成生物炭的盈虧平衡價(jià)格為736元/t，對農(nóng)民非常具有吸引力。生物炭農(nóng)業(yè)利用的發(fā)展前景廣闊[4]。

1 生物炭的性質(zhì)

物料種類影響生物炭的性質(zhì)特征。草本類生物質(zhì)比草木本類生物質(zhì)制備的生物炭灰分含量高，富含木質(zhì)素的生物質(zhì)制備的生物炭孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)。桉樹葉和蠶沙類生物炭施用能提高土壤的N肥，而玉米芯類生物炭則能使N固定，減少氮氧化物的排放[5]。

溫度是決定生物性質(zhì)特征的重要因素。不同溫度下制備的生物炭物理化學(xué)性質(zhì)不同。隨著制備溫度的升高， 生物炭的碳含量升高，氫含量和氧含量降低，芳香性和穩(wěn)定性增強(qiáng)，極性減弱，陽離子交換能力降低，由“軟碳”逐漸形成具有高芳香性的“硬碳”。生物炭在低溫制備中主要生成草酸鹽，在高溫制備中主要生成碳酸鹽。隨著溫度的升高，碳酸鹽含量增加，pH增大[5]。凈產(chǎn)率、表面羧基、酚羥基等含氧官能團(tuán)含量和豐富程度隨著溫度的升高而降低，而灰分、pH、C/O、N/O、比表面積等參數(shù)則隨溫度的升高而升高。生物炭在300～500 ℃制備條件下產(chǎn)率較低，且理化性質(zhì)變化較明顯，而在500～600 ℃之間制備的生物炭結(jié)構(gòu)和性質(zhì)較穩(wěn)定[6]。生物炭的焦油產(chǎn)量與溫度呈正比，但在550 ℃后產(chǎn)量降低，生物炭中含有較高的全氮含量(2.5%)，孔隙結(jié)構(gòu)以介孔為主，占總孔數(shù)的比例為56%，比表面積265 m2/g。生物炭表面含有豐富的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，呈無定形的亂層結(jié)構(gòu)[7]。

生物炭生產(chǎn)過程中添加物料能夠顯著改變其性質(zhì)特征。在800 ℃不加KOH的條件下熱解時(shí)，原料中含氮物質(zhì)和O-H消耗殆盡，表面以羧基和少量的酚羥基為主。加入0.5 mol/L KOH后，生物炭表面O-C=O結(jié)構(gòu)所占比例由9.28%增加至15.76%，而芳香環(huán)P-P躍遷和C-OR/H結(jié)構(gòu)分別由27.77%和35.51%降低至20.23%和32.51%。加入KOH后制備的生物炭以炭石墨微晶、中間態(tài)鉀長石、硅鋁酸鹽等結(jié)構(gòu)為主[8]。

2 施用生物炭對土壤性質(zhì)的影響

生物炭不僅能夠改善土壤環(huán)境，提高土壤氮、磷養(yǎng)分的有效性，促進(jìn)作物吸收和生長，而且由于其特殊的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，它可以吸附土壤中未被作物利用的水分和養(yǎng)分，延緩養(yǎng)分釋放，減弱其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化能力[9]。施用生物炭在碳增匯和溫室減排方面也具有潛在的積極效應(yīng)[10]。

施用生物炭可以改變土壤離子的賦存特征。生物炭能夠?qū)ν寥乐蠳H4+、Ca2+、Mg2+和PO43-的保持起明顯的促進(jìn)作用，但施用生物炭不利于NO3-、SO42-、Cl-的保持[8]。生物炭配施碳酸鈣可以較好地改良土壤、促進(jìn)植物生長和減少Cd、Pb的富集[11]。竹炭對土壤中的重金屬具有較好的吸附固定作用，但秸稈炭在一定程度上促進(jìn)重金屬的遷移[12]。

施用生物炭可以有效地改變土壤的基本性質(zhì)。施用不同水平生物質(zhì)炭對潛育化水稻土的pH、還原性物質(zhì)、Eh、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量產(chǎn)生影響。施用適量的生物質(zhì)炭能提升土壤pH，降低土壤還原物質(zhì)總量，提升耕層土壤的氧化還原電位，提高土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)，為根系的生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，促進(jìn)水稻的分蘗成穗和對養(yǎng)分的吸收，提高稻谷產(chǎn)量[13]。生物炭主要通過吸附腐殖酸和富里酸兩類物質(zhì)起到保持土壤有機(jī)質(zhì)的作用。施用10%的生物炭能使砂土化學(xué)需氧量(COD)累計(jì)淋失量減少50.62%，溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)累計(jì)淋出量減少30.47%；當(dāng)向黏土中施用10%的生物炭時(shí)，淋洗液中累計(jì)COD和SCOD的減少量分別為16.84%和11.48%[8]。施用生物炭種植春玉米后，土壤含水率和總孔隙度增加不顯著[14]。生物炭對土壤水分入滲、持水性能的影響取決于生物炭種類、施用量及土壤質(zhì)地[15]。施用生物炭在一定程度上可以改善土壤化學(xué)性質(zhì)，提高土壤有效養(yǎng)分含量，但生物炭對土壤和作物的影響與土壤、作物類型及土壤肥力密切相關(guān)[16]。

施用生物炭影響對土壤養(yǎng)分的賦存特征。施用生物炭后，土壤中Olsen-P含量和CaCl2-P含量增加，增加量主要源于生物炭本身磷素的轉(zhuǎn)化。生物炭不僅可以作為外源添加物用于提高土壤有效態(tài)磷素，并且生物炭能夠促進(jìn)酸性土壤中外源磷的有效性[3]。生物炭高施用量比低施用量更有利于提高土壤含水量、土壤有機(jī)碳和速效鉀含量，但在生物炭低施用量下土壤堿解氮和有效磷含量顯著增加[17]。施用生物炭能降低土壤堿解氮含量，限制土壤氮素利用度，對土壤速效磷沒有顯著影響，能顯著提高土壤速效鉀含量，并且使土壤具備持續(xù)提供鉀素的能力[18]。

施用生物炭可以改變土壤微生物和酶活性。生物炭能提高新疆灰漠土、風(fēng)沙土與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的土壤微生物多樣性。生物炭配施氮肥優(yōu)于單施生物炭，灰漠土優(yōu)于風(fēng)沙土[19]。施用生物炭后，土壤磷酸酶活性顯著降低，微生物量顯增加[3]。添加生物炭，提高土壤脲酶活性，抑制土壤脫氫酶和中性磷酸酶活性[20]。但是，有研究認(rèn)為，施用生物炭對土壤微生物多樣性的改善效果不如施用生物有機(jī)肥[21]。生物炭對提高土壤細(xì)菌的種群結(jié)構(gòu)和多樣性并沒有顯著的影響，但會影響土壤中不同種屬菌的數(shù)量。古菌、泉古菌、細(xì)菌、氨氧化古菌與土壤速效養(yǎng)分無相關(guān)性，古菌與均勻度指數(shù)、細(xì)菌與多樣性指數(shù)呈相關(guān)關(guān)系[7]。

生物炭施用量影響其作用效果。在旱地土壤上施用生物炭量至少達(dá)2%以上才能顯著減少氮素淋洗和增加土壤全氮含量，達(dá)到減少土壤氮素?fù)p失和提高氮素利用率，減少由氮素帶來的環(huán)境污染以及改善土壤肥力的綜合目標(biāo)[22]。雖然生物炭能夠增加土壤中速效養(yǎng)分含量，但是生物炭配施有機(jī)肥的效果要低于傳統(tǒng)施肥處理[7]。

3 施用生物炭對作物的影響

生物炭對青菜株高、產(chǎn)量增加有促進(jìn)作用[23]。土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩根系衰老?？梢?，生物炭處理對水稻根系形態(tài)特征的優(yōu)化與生理功能的增強(qiáng)具有一定的促進(jìn)作用[24]。施用生物炭可增加根系的細(xì)吸收根量、細(xì)吸收根面積、土壤和根際可培養(yǎng)微生物量，提高土壤FDA酶活性和土壤微生物多樣性[21]。生物炭對番茄根系形態(tài)特征的優(yōu)化與產(chǎn)量的提高具有一定的促進(jìn)作用[25]，通過在砂壤土中施加生物炭可有效提高肥水利用效率和番茄產(chǎn)量[26]。添加生物炭可促進(jìn)黃瓜葉片光合作用，提高產(chǎn)量，降低果實(shí)硝酸鹽含量[27]。生物炭作為巖溶區(qū)石灰土改良劑，在一定程度上改良石灰土性質(zhì)，促進(jìn)玉米生長，提高巖溶區(qū)土壤CO2的體積分?jǐn)?shù)和排放速率，加快巖溶作用[28]。將生物炭作為肥料載體制備的生物炭基肥料，不僅可以促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)，而且有利于生物炭農(nóng)用效益的提升[29]。

也有研究認(rèn)為，施用生物質(zhì)炭，土壤pH大幅度提升，會影響根系的生長和水稻對養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[13]。土壤中CaCl2-P含量隨著生物炭施用量的增大而增加，兩者之間呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)。因此，應(yīng)合理控制生物炭施用量，降低可能由生物炭施用造成土壤CaCl2-P含量增加而引起的土壤磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4 結(jié)語

目前，全球面臨氣候變暖、環(huán)境污染、化石能源資源枯竭以及土壤功能退化的諸多問題，而工業(yè)熱裂解廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭，并且將生物炭農(nóng)用于土壤，可為這些問題提供綜合的、平衡的解決方案。然而，目前生物炭商業(yè)化的生產(chǎn)與農(nóng)用尚不多見，因此應(yīng)加強(qiáng)生物炭的研究、開發(fā)[30]。生物炭對土壤生境和植物生長的影響取決于土壤肥力和性質(zhì)、植物種類以及生物炭的特性和施用量等因素。因此，要進(jìn)一步強(qiáng)化生物炭與土壤的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)互作效應(yīng)，生物炭性質(zhì)特征與保護(hù)地土壤質(zhì)量改善，生物炭對作物生理生化和產(chǎn)量品質(zhì)的影響，以及“生物炭-土壤-作物”連續(xù)體等方面的研究。

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Effect of Application of Biochar on Soil and Crops

HUANG De-rong, HENG De-mao, NI Hong-zhang et al

(Xi Anfeng Agricultural Technology Extension and Service Center, Baoying, Jiangsu 225800)

Biochar was made by carbon rich biomass materials in the absence of oxygen or oxygen limited conditions, and it was a fine-grained, porous carbonaceous material. There were broad prospects of using biochar in agriculture. Many factors affected the properties of biochar, such as types of raw materials, temperature conditions of production process and types of adding materials. Application of biochar in soil could change the soil basic properties, nutrient and ion distribution, microorganism and enzyme activity. Application number of biochar in the soil influenced effects. Applying biochar could significantly change the crop root and plant development, yield and products quality. Some studies need to be further conducted such as interaction effects among nitrogen, phosphorus and other soil nutrient and biochar, soil quality characteristics and protection of biochar properties, effects of biochar on crop physiology, yield and quality, as well as continuum of biochar soil crop.

Biochar; Soil; Crop

江蘇省前瞻性研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(BN2014006)；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013360)。

黃德榮(1965-)，男，江蘇寶應(yīng)人，畜牧師，從事畜牧生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)資源利用方面的研究。

2014-11-25

S 626.5

A

0517-6611(2015)02-130-03