生物炭對土壤微生物的影響研究進展

饒　霜，盧　陽，黃　飛，蔡一霞，蔡昆爭

(華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院/ 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州　510642)

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生物炭對土壤微生物的影響研究進展

饒霜，盧陽，黃飛，蔡一霞，蔡昆爭①

(華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院/ 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州510642)

摘要：生物炭是有機材料在厭氧條件下熱解而成的產(chǎn)物。近年來，生物炭因在碳固定、土壤改良和作物產(chǎn)量提高等方面具有較大的應用潛力而引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。作為一類新型的土壤改良劑，它能提高土壤有機碳含量及陽離子交換量(CEC)，改善土壤保肥持水性能，有益于土壤微生物活動，同時還可吸附抑制對土壤微生物生長有毒的化感物質(zhì)，為土壤微生物提供有利的棲息場所。但生物炭的效應與生物炭的特性、用量、土壤類型及肥力有關(guān)。筆者從生物炭對土壤微生物的影響及其作用機制出發(fā)，概述了不同生物質(zhì)材料及熱解溫度對生物炭理化性質(zhì)的影響及生物炭對土壤微生物豐度、群落結(jié)構(gòu)和活性影響的研究進展。未來應重點從生物炭的特性、生物炭與微生物交互作用及生物炭的環(huán)境修復等方面深入研究，客觀評價生物炭對土壤微生物的作用。

關(guān)鍵詞：生物炭；土壤；微生物豐度；微生物群落結(jié)構(gòu)；微生物活性

生物炭是指由含碳量豐富的生物質(zhì)(如木材、家禽糞便和秸稈等)在相對較低的溫度(<700 ℃)和無氧或限氧的條件下熱解炭化而得到的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)高聚產(chǎn)物[1]。由于生物炭在生物質(zhì)能源生產(chǎn)、有機廢棄物資源化、土壤改良、肥料創(chuàng)新和溫室氣體減排等方面具有重要意義,因此,生物炭在農(nóng)業(yè)上的應用引起了國內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注,成為近年來的研究熱點之一[2]。在前哥倫布時期,亞馬遜盆地的居民就將木炭與糞肥、動物骨骼等混合,用于改良貧瘠土壤,至今的亞馬遜黑土因含有木炭而具有較高的pH值及養(yǎng)分含量、豐富的微生物數(shù)量及微生物多樣性[3]。許多研究表明,生物炭不僅可以通過提高土壤pH值或陽離子交換量(CEC)來增強土壤肥力[4],還可以通過改變土壤微生物群落組成[5]、豐度[6]及活性[7]來影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[8]及結(jié)構(gòu)[9]。另外,由于生物炭具有較大的表面積、較高的pH值，表面帶有大量的負電荷和含氧官能團,可吸附鉻、銅、鎳、鋅等金屬離子[10-11]和有機污染物[12-13],有效地降低金屬離子等污染物在環(huán)境中的遷移率,從而減小毒害作用。但是,鑒于不同生物炭的性質(zhì)、施用量以及土壤質(zhì)地和肥力等因素的差異,有關(guān)生物炭施用效果的研究結(jié)果并不一致,而且生物炭性質(zhì)與土壤微生物之間的相互作用也缺乏系統(tǒng)分析。筆者結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)生物炭的最新研究進展,重點闡述生物炭對土壤微生物豐度、群落結(jié)構(gòu)及活性的影響及其作用機制,并提出現(xiàn)階段研究中存在的問題和未來研究的主要方向。

1生物炭的特性

生物炭的組分可以粗略分為無定型碳、芳香族碳和灰分[14]。生物炭中各部分碳含量與熱解溫度有關(guān),當生物質(zhì)在較低溫度條件下熱解時,只蒸發(fā)出部分物理吸附水、CO和CO2,這時產(chǎn)生的主要是無定形碳;當溫度升高后,碳原子晶格中的一些金屬元素會揮發(fā),其化學成分也因發(fā)生氧化還原而改變,此時產(chǎn)生的主要是芳香族碳[15]。另外,由于生物炭的生產(chǎn)是有機物熱解炭化的過程,其制備過程中必定會產(chǎn)生多環(huán)芳烴等有機污染物。研究表明,生物炭中多環(huán)芳烴含量與多環(huán)芳烴的種類、制備生物炭的原材料及生產(chǎn)條件密切相關(guān)[16-18]。一般而言,隨著熱解溫度的升高,多環(huán)芳烴含量會降低[16-17]。但也有研究發(fā)現(xiàn),在400～500 ℃條件下制備的生物炭中,多環(huán)芳烴含量最高,而低于400 ℃或高于500 ℃條件下制備的生物炭,多環(huán)芳烴含量會顯著下降[18]。灰分是熱解時產(chǎn)生的礦物質(zhì),包括基本的大量和微量元素,其所占比例隨熱解溫度的升高而增加[19]。此外,生物炭的pH值及導電性主要由灰分含量和組分決定,所以生物炭的pH值及導電性也隨著熱解溫度的升高而增加(表1)。生物炭的基本特征取決于生物質(zhì)材料及熱解溫度。一般而言,木本植物生物炭含碳量較高,礦質(zhì)養(yǎng)分含量低;而廄肥及秸稈生物炭含碳量較低,礦質(zhì)養(yǎng)分含量較高[20]。與低溫熱解形成的生物炭相比,高溫熱解形成的生物炭中碳、磷、鉀、鈣含量較高,而H/C、O/C、(N+O)/C比值及水溶性有機碳(DOC)含量較低[19,21]。生物炭的養(yǎng)分有效性與相關(guān)元素的狀態(tài)有關(guān)[22]。有效磷主要存在于灰分中,并受pH值和螯合物質(zhì)的影響;生物炭中的鉀大部分可被植物利用,有效氮卻因生物質(zhì)材料及生產(chǎn)條件的不同而差異很大。研究表明,生物炭中有效氮含量很低[20],且大部分以雜環(huán)結(jié)構(gòu)存在于生物炭表面[23]。另外,生物炭的多孔性、巨大的表面積、豐富的羧基及高電荷密度使生物炭具有較強吸附能力和較大的離子交換量[24]。

表 1不同生物質(zhì)材料及溫度條件生產(chǎn)的生物炭的理化性質(zhì)[14]

Table 1Physical and chemical properties of biochars pyrolyzed out of different parent materials and under different temperatures

原料溫度/℃pH值1)CEC/(mmol·kg-1)w(C)/%w(TP)/(mg·kg-1)w(灰分)/%w(揮發(fā)成分)/%C/N比H/C比O/C比比表面積/(m2·g-1)橡木603.16182.147.150.388.64441.480.72未知3505.18294.274.9121.160.84550.550.204506007.9075.787.5291.327.54890.330.07642玉米秸稈606.33269.442.65268.885.2831.560.74未知3509.39419.360.4188911.448.8510.750.292936009.42252.170.6211416.723.5660.390.10527畜禽糞便607.53363.024.61668536.460.5131.511.03未知3509.65121.329.32125651.247.2150.570.414760010.3358.723.62359655.844.1250.180.6294

1)以KCl作為浸提劑。

2生物炭對土壤微生物豐度、多樣性和活性的影響

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其群落健康和多樣性對土壤功能和生態(tài)系統(tǒng)服務非常重要,而這些反過來又會影響土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、通透性、持水性及養(yǎng)分循環(huán),并對碳儲存及植物的抗病性產(chǎn)生有益影響。生物炭作為一種新型的土壤改良劑,能改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu),促進有益微生物的生長,增強土壤微生物活性。

2.1生物炭對土壤微生物豐度的影響

生物炭具有特殊的結(jié)構(gòu)特性和功能,使其能促進大部分土壤微生物的生長。MAKOTO等[25]研究發(fā)現(xiàn),生物炭可以使外生菌根菌在落葉松的根際定殖率增加19%～157%。SOLAIMAN等[26]也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象,當在小麥田施用0.6～6 t·hm-2木質(zhì)生物炭2 a后,叢枝菌根菌在小麥根際的定殖率增加20%～40%。也有研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭后叢枝菌根菌豐度下降[27]。WARNOCK等[28]認為原因可能包括:植物所需的有效養(yǎng)分(如有效磷)和水分含量增加,從而使其對菌根菌的共生需要減少;土壤性能的改變;高含量礦質(zhì)元素或抑制真菌生長的有機化合物(如高鹽、重金屬等)對真菌具有消極影響;有機養(yǎng)分的結(jié)合或有機碳的吸附對有效養(yǎng)分產(chǎn)生消極影響。

生物炭對土壤細菌和放線菌也具有顯著影響,且不同土壤類型和微生物種類對生物炭的反應各不相同。CHEN等[29]利用RT-PCR技術(shù),分別對江西、湖南和四川的稻田土壤微生物種群進行檢測,發(fā)現(xiàn)生物炭使3個省稻田土壤中細菌16S rRNA 基因拷貝數(shù)分別增加45%、37%和60%。ANDERSON等[30]通過T-RFLP方法研究農(nóng)業(yè)土壤中微生物,發(fā)現(xiàn)添加生物炭的土壤中,生絲微菌、鏈孢囊菌、根瘤菌和高溫單胞菌豐度分別增加8%、14%、6%和8%,而微單胞菌和鏈霉菌豐度分別下降7%和11%。

2.2生物炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性意味著養(yǎng)分被有效地轉(zhuǎn)移至植物中或保留在土壤中。土壤微生物多樣性與土壤理化性質(zhì)(如土壤類型、水分、溫度、營養(yǎng)元素、通氣性和酸堿度等)存在明顯的相關(guān)性,而生物炭的添加能夠改變土壤理化性質(zhì),從而導致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生相應變化。比如,亞馬遜黑土及生物炭改良土壤中細菌、真菌和古菌的群落組成因土壤理化性質(zhì)的不同而差異顯著,且這種差異在屬、種以及科的水平上都有所體現(xiàn)[6,31-33]。KIM等[6]和O′NEILL等[32]在亞馬遜黑土中發(fā)現(xiàn)了酸桿菌和變形細菌的2種新的進化枝。另外,KIM等[6]還采用寡核苷酸指紋組分分析技術(shù),比較了采自亞馬遜河西部富含生物炭的亞馬遜黑土和原始森林土壤,發(fā)現(xiàn)亞馬遜黑土的細菌多樣性比森林土增加25%。

另一方面,通過對亞馬遜黑土及經(jīng)生物炭改良的溫帶土壤的研究發(fā)現(xiàn),含生物炭的土壤中古菌和真菌多樣性降低[33]。KHODADAD等[31]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象:即無論低溫(250 ℃) 還是高溫(650 ℃) 熱解形成的生物炭,都會使土壤微生物多樣性降低,其原因可能是生物炭中可供微生物利用的資源單一,造成土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分缺乏,從而影響微生物的生長。

2.3生物炭對土壤微生物活性的影響

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的動力,同時又以自己的生命活動產(chǎn)物來豐富土壤有機組分,于是土壤中的礦物質(zhì)、有機質(zhì)和生物構(gòu)成了特殊的無機-有機-生物復合體。因為土壤生物化學反應主要是酶促反應,所以了解土壤微生物的活動狀況以及土壤酶活性具有重要意義。近年來,在生物炭作用下,有關(guān)土壤生物化學過程的強度和酶活性研究日益受到重視。

2.3.1生物炭對土壤呼吸作用的影響

土壤呼吸是指通過土壤微生物對凋落物和土壤有機質(zhì)的分解以及土壤動物與植物根系的呼吸,從土壤中釋放CO2的生態(tài)系統(tǒng)過程。土壤呼吸作用是土壤中能夠產(chǎn)生CO2的所有代謝活性的總和,在一定程度上反映了土壤微生物總的活性和土壤肥力。土壤pH值、溫度、水分、有機質(zhì)以及有效養(yǎng)分含量都能影響土壤呼吸作用強度,而生物炭能改善土壤的這些特性,從而促進土壤的呼吸作用[34-36]。LUO等[35]研究發(fā)現(xiàn),無論高溫還是低溫條件下形成的生物炭,當施用于土壤180 d后,都能顯著增加土壤有機碳的礦化作用。

生物炭對土壤有機碳礦化率的影響因生物炭和土壤類型以及生物炭施用時間的不同而不同。FARRELL等[37]研究表明,小麥生物炭和桉樹生物炭施用于土壤的前10 d內(nèi),土壤有機碳礦化率分別增加73.2%±15.5%和106.0%±6.0%,10 d之后,土壤有機碳礦化率卻顯著下降并低于對照。AMELOOT等[38]研究發(fā)現(xiàn),生物炭顯著降低了土壤呼吸作用，其原因可能是生物炭中的碳難以被微生物利用或大部分以碳酸鹽形式沉淀,從而抑制了微生物活動[37]。

2.3.2生物炭對土壤酶活性的影響

土壤酶與土壤中的生物化學反應、土壤肥力及土壤生產(chǎn)力密切相關(guān),是土壤新陳代謝的重要因素,它與生活著的微生物細胞一起推動著物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此,土壤酶活性大小常常作為衡量土壤健康狀況的重要指標,其活性受土壤養(yǎng)分含量、pH值、CEC、持水性及孔隙結(jié)構(gòu)的影響[4]。大量研究表明,生物炭作為一種新型的土壤改良劑,可以改善土壤理化性質(zhì),提高土壤酶活性。OLESZCZUK等[4]研究發(fā)現(xiàn),當生物炭施用量為30 t·hm-2時,可顯著增加土壤脫氫酶、脲酶、蛋白酶及堿性磷酸酶活性,而對酸性磷酸酶活性無顯著影響;當生物炭施用量為45 t·hm-2時,土壤脫氫酶、蛋白酶及堿性磷酸酶活性開始下降。AMELOOT等[39]研究發(fā)現(xiàn),700 ℃條件下形成的生物炭使土壤脫氫酶活性增加,而350 ℃條件下形成的生物炭使土壤脫氫酶活性下降,表明生物炭對土壤酶活性的影響因生物炭和土壤類型、生物炭施用量及土壤酶種類的不同而不同。

3生物碳影響土壤微生物的作用機制

生物炭對土壤微生物豐度、活性以及群落結(jié)構(gòu)的影響非常復雜,影響程度與土壤及生物炭的類型、理化性質(zhì)、試驗條件等有密切的關(guān)系。國內(nèi)外許多研究表明,生物炭可對土壤微生物豐度及多樣性產(chǎn)生顯著影響。該結(jié)果可能的作用機制主要包括:提供碳源和氮源等營養(yǎng)物質(zhì)[40];改善土壤理化性質(zhì)(pH值、CEC、持水性、通氣性及保肥性等)[41];產(chǎn)生或吸附抑制微生物生長的物質(zhì),如乙烯、多環(huán)芳烴等[42];為土壤微生物提供棲息場所[5]等。

3.1生物炭改變土壤有效養(yǎng)分

生物炭具有較高的電荷密度,并且能激活部分穩(wěn)定態(tài)元素,使其成為活化態(tài),因此,生物炭能增加土壤CEC,使土壤有效磷及堿性陽離子的量增加[34]。生物炭還可吸附土壤溶液中的養(yǎng)分和陽離子,并且自身含有少量土壤微生物可利用的養(yǎng)分[24]。因此,當生物炭添加到土壤中后,可以使土壤中的有效生物養(yǎng)分(如碳、氮、磷和金屬離子等)增加,從而減輕貧瘠土壤中微生物生長的養(yǎng)分限制[24,30,35]。SPOKAS等[43]分析了70種不同生物炭中所含的揮發(fā)性有機物,并從中鑒別出140種化合物,這些揮發(fā)性有機物可能抑制或促進微生物活性。由于揮發(fā)性有機物具有水溶性,當生物炭施用于土壤中后,可使土壤水溶性有機碳增加,為土壤微生物提供有效碳源[37]?？锍珂玫萚44]研究發(fā)現(xiàn),當向紅壤水稻土中施加w為0.5%和1.0%的小麥生物炭之后,土壤有機碳含量分別增加3.34 和 6.47 g·kg-1。此外,添加w為0.5%小麥生物炭的土壤中,其微生物量碳、氮含量分別比對照高111.5%～250.6%和11.6%～97.6%;添加w為1.0%小麥生物炭的土壤中,其微生物量碳、氮含量分別比對照高 58.9%～243.6%和55.9%～110.4%。

另外,因生物炭主要由緊密堆積、高度扭曲的芳香環(huán)片層組成,具有極強的穩(wěn)定性,其中大部分碳不能被微生物所利用[40]。但最新的研究表明,所有非自養(yǎng)的微生物都能利用生物炭,尤其是革蘭陽性菌,說明生物炭中可能缺乏促進革蘭陰性菌生長的易分解的有機質(zhì),如可溶解的碳水化合物、氨基酸、小分子多肽等[37,45]。這也反映了生物炭對微生物群落的影響取決于生物炭和微生物的類型以及其他可能的因素。

3.2生物炭改變土壤pH值

大量研究表明,土壤pH值對土壤微生物數(shù)量、多樣性及活性的變化有著重要影響[35,46-47]。在其他環(huán)境條件相同的情況下,當pH值從3.7上升至8.3時,土壤微生物量也會隨著增加。而且土壤細菌和真菌對pH值變化的反應不一樣。隨著土壤pH值增加到7左右,土壤細菌豐度會增加,而真菌在總生物量上沒有變化,但當pH值繼續(xù)上升時,真菌的繁殖速率會急劇下降[46]。

土壤添加生物炭后,其pH值可能增加，也可能下降,這主要取決于生物炭和土壤本身的pH值及理化性質(zhì)[47-50]。生物炭的pH值取決于原料、熱解溫度和氧化程度等因素,一般在4以下或12以上,且大部分生物炭呈堿性[48]。生物炭表面含有許多帶負電荷的酚基、羧基和羥基官能團,這些官能團可以吸附土壤溶液中的H+,使土壤溶液中的H+濃度減少,從而導致土壤pH值上升[49]。生物炭中的硅酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽也可以與土壤溶液中的H+結(jié)合而使土壤pH值上升[51]。但生物炭對堿性和有機質(zhì)含量高的土壤pH值沒有顯著影響,這可能與土壤有機質(zhì)的緩沖能力有關(guān)[50]。由于微生物和生物炭表面的空間接近性,生物炭的pH值對土壤微生物豐度有重要影響[52]。LUO等[35]研究發(fā)現(xiàn),當?shù)蜏責峤庑纬傻纳锾渴┯糜谒嵝酝寥乐袝r,土壤pH值顯著升高,且土壤微生物量顯著增加。

3.3生物炭對有毒物質(zhì)的吸附作用

生物炭通過納米孔或苯環(huán)之間π-π健的相互作用吸附抑制微生物生長的有毒物質(zhì),這可能使微生物豐度增加[53]。生物炭對多環(huán)芳烴的吸附主要取決于生物炭的生產(chǎn)條件及多環(huán)芳烴的化學結(jié)構(gòu)。多環(huán)芳烴是弱極性的,能以共價鍵合在極性生物炭表面,而高溫熱解形成的生物炭一般具有較高的芳香性及納米孔結(jié)構(gòu),因此,其對極性有機物的吸附也更強[53-55]。袁敏等[55]研究發(fā)現(xiàn),隨著炭化溫度的增加,稻草生物質(zhì)炭對環(huán)丙氨嗪的吸附量顯著增加,其中600和800 ℃條件下熱解制備的稻草生物質(zhì)炭對環(huán)丙氨嗪的最大吸附量分別是等量稻草秸稈的16.8和20.1倍。MATSUHASHI等[56]研究發(fā)現(xiàn),當向土壤中添加用木屑快速熱解制成的生物炭后,蘆筍根際叢枝菌根菌的入侵數(shù)量有一定增加,而這主要是因為生物炭吸附了抑制叢枝菌根菌生長的芳香酸。同樣地,當向高鹽含量的瓊脂培養(yǎng)基中添加活性炭后,芽孢桿菌的繁殖率也顯著增加,說明活性炭吸附了培養(yǎng)基中的鹽分,使其有利于芽孢桿菌的生長[56]。

另外,在一定的條件下,生物炭吸附的有毒物質(zhì)會被解吸出來,并仍具有抑制土壤微生物生長的作用。AKIYAMA等[57]通過水培試驗研究發(fā)現(xiàn),活性炭能吸附叢枝菌根菌的信號物質(zhì)(如金內(nèi)酯等),即使用丙酮溶液將吸附在生物炭中的信號物質(zhì)解吸出來,其對囊霉菌的菌絲生長仍具有刺激作用。POLLOCK[58]將生物炭中解吸出來的有毒物質(zhì)加入瓊脂培養(yǎng)基中,發(fā)現(xiàn)其能抑制百日咳桿菌的生長,表明生長抑制類物質(zhì)被保存在生物炭中。這些研究表明,生物炭能吸附一些有毒物質(zhì),使其在短期內(nèi)不影響土壤微生物的生長,但是,當土壤水進入生物炭顆粒中后,這些儲存的物質(zhì)很可能會被解吸出來,并再次刺激土壤微生物的生長[28]。

3.4生物炭為土壤微生物提供棲息地

生物炭的孔徑通常小于16 μm[59],而土壤細菌的平均尺寸為1～4 μm,真菌為2～64 μm,土壤原生生物的尺寸為8～10 μm,土壤微型節(jié)肢動物的尺寸為100 μm～2 mm[60]。因此,生物炭的孔狀結(jié)構(gòu)適合大部分土壤細菌和真菌的定殖,而排斥大尺寸的微型節(jié)肢動物。PIETIKAINEN等[5]研究發(fā)現(xiàn),細菌能吸附在生物炭表面,使它們不易被淋溶,從而使細菌豐度增加,但生物炭對真菌豐度沒有影響,這可能是由于真菌菌絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其移動性變差。生物炭還可能通過疏水引力或靜電力吸附土壤微生物。生物炭的等電勢點通常非常低(pH值<4)[61],在等電勢點條件下活性炭對大腸桿菌的吸附很微弱,但隨著疏水引力的增加,其對大腸桿菌的吸附能力也顯著提高[62]。

研究表明,生物炭對土壤微生物的影響主要取決于土壤理化性質(zhì)的變化,如pH值、土壤含水量、陽離子交換量及有效養(yǎng)分等[28]。當生物炭添加到土壤中后,只有與生物炭表面接觸的土壤才會發(fā)生上述變化,而生物炭內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)因為不能與土壤接觸、較低的持水性以及較差的透氣性而不適合微生物的定殖[35]。QUILLIAM等[63]研究發(fā)現(xiàn),當生物炭施用于土壤3 a后,其內(nèi)外表面的微生物定殖量仍然非常少,其原因可能是生物炭中含有大量的礦物鹽及多環(huán)芳烴,從而對土壤微生物產(chǎn)生毒性作用;此外,生物炭自身的拮抗作用、N和P的限制及其對陰陽離子的吸附可能影響微生物對有效養(yǎng)分的利用。

4研究展望

生物炭是一類新型的環(huán)境功能材料,它的應用不僅為城市垃圾、工業(yè)廢料及農(nóng)林廢棄物質(zhì)等的資源化利用提供了新思路,而且在作物栽培、土壤改良、污染控制和溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出巨大潛力,對生態(tài)系統(tǒng)服務來說是一種潛在的多贏策略。目前,國內(nèi)外對生物炭的研究還處于起步階段。因此,其研究方法需要進一步完善,研究內(nèi)容需要進一步擴展。

(1)由于生物炭的特性因原材料和生產(chǎn)條件的不同而差異顯著,且生物炭對土壤理化性質(zhì)和微生物的影響也因使用方法、土壤性質(zhì)及微生物種類等因素的不同而存在較大差異,而現(xiàn)有研究對這部分的關(guān)注較少。因此,未來研究生物炭對特定微生物的影響時,必須說明不同生物炭的理化性質(zhì)、生產(chǎn)條件、原料類型、使用方法及試驗條件等,以便各研究間相互比較并進行系統(tǒng)分析和評價,從而準確地說明生物炭與土壤微生物的相互關(guān)系。

(2)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,分解者對土壤有機質(zhì)中養(yǎng)分的釋放非常重要。由于地下部復雜的食物網(wǎng)關(guān)系,如果微生物群落發(fā)生變化,那么與微生物區(qū)系相關(guān)的過程均會產(chǎn)生影響(如碳循環(huán)、養(yǎng)分有效性、作物產(chǎn)量及動物區(qū)系等)。因此,生物炭與土壤生物區(qū)系的相互作用需要更深入的研究。

(3)生物炭自身含有一些污染物,如多環(huán)芳烴、重金屬等,這些污染物在生物炭中的含量與制備生物炭所用的原料、熱解溫度和時間以及熱解方式有關(guān)。因此,有關(guān)生物炭應用的研究應該重視這些方面,確保其在農(nóng)業(yè)中的應用不會給生態(tài)環(huán)境帶來不利影響。另外,生物炭對重金屬及有機污染物的吸附也因生物炭、重金屬、有機污染物的種類及自然環(huán)境的不同而差異顯著,并且其吸附機理還不夠明確。因此,這些方面也應成為未來研究的一個重點領(lǐng)域。

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(責任編輯： 陳　昕)

A Review of Researches on Effects of Biochars on Soil Microorganisms.

RAOShuang,LUYang,HUANGFei,CAIYi-xia,CAIKun-zheng

(School of Resources and Environment, South China Agricultural University/ Key Laboratory of Tropical Agro-Environment， Ministry of Agriculture, Guangzhou 510642, China)

Abstract:Biochar is a product of thermal degradation of organic materials in the absence of air (pyrolysis), and is distinguished from charcoal by its use as a soil amendment. In recent years, biochar has been attracting more and more attention worldwide because of its great potential for carbon sequestration, soil amelioration and higher crop yield. As a new type of soil amendment, biochar can increase soil organic carbon content, cation exchange capacity and soil water-holding capacity, which are beneficial to microbial activity. Moreover, biochar can also adsorb toxic allelopathic substances in soil and provide a favorable habitat for microorganism. But the effects depend on biochar properties， application rates， soil types and soil fertility. Effects of type of parent material and pyrolysis temperature on physicochemical properties of biochar and effects of the biochars on abundance, community structure and activity of the soil microbes in the soil were generalized. It is recommended that future studies should go further in depth on biochar properties, interaction between biochar and soil microbes and effects of biochar remedying the environment so as to evaluate objectively the effects of biochar amendment on soil microbes.

Key words:biochar;soil;microbial abundance;microbial community structure;microbial activity

作者簡介：饒霜(1989—),女,湖南岳陽人,碩士生,主要研究方向為生物炭的土壤微生態(tài)效應。E-mail: 849237183@qq.com

通信作者①E-mail: kzcai@scau.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金(31370456)

收稿日期：2015-06-11

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.010

中圖分類號：S154.3

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)01-0053-07