生物炭施用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)影響研究進(jìn)展分析

勾芒芒 屈忠義 王 凡 高曉瑜 胡 敏

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)寒旱區(qū)灌溉排水研究所，呼和浩特 010018)

0 引言

生物炭廣義上是黑炭的一種，是指生物有機(jī)材料(如木材、有機(jī)肥或者農(nóng)林廢棄物)在缺氧或低氧條件下熱裂解(小于700℃)的固體產(chǎn)物。常見(jiàn)生物炭有竹炭、木炭、稻殼炭、秸稈炭等。這些生物炭含大量有機(jī)碳，大多由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，含羥基、烯烴。生物炭可溶性極低，具有較大比表面積、孔隙度及離子吸附交換能力，這些基本性質(zhì)使其具備了較強(qiáng)吸附性、抗氧化性和抗生物分解能力，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。生物炭生產(chǎn)原料大多是廢棄生物質(zhì)資源，如農(nóng)作物秸稈、家禽糞便、發(fā)酵渣、酒糟、果核等，這些廢棄生物質(zhì)資源量大、易收集，能為生物炭生產(chǎn)提供大量原材料。炭的制備技術(shù)從人類(lèi)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，炭生產(chǎn)由原始土窯、磚窯，發(fā)展為現(xiàn)代工業(yè)熱裂解、生物質(zhì)熱裂解、快速熱裂解及微波熱裂解等技術(shù)，使得生物炭生產(chǎn)效率及炭品質(zhì)均有所提高。

然而，不同生產(chǎn)工藝及工藝參數(shù)對(duì)生物炭性質(zhì)、品質(zhì)及特征有著較大影響，也直接導(dǎo)致生物炭在土壤改良、農(nóng)業(yè)環(huán)境改善及固碳減排應(yīng)用等方面研究結(jié)果的不一致，給生物炭技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了阻礙。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，總結(jié)生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、固碳減排及鹽堿地改良等方面的研究成果，分析現(xiàn)存問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)行探討，為生物炭廣泛應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 生物炭性質(zhì)與制備工藝

生物炭中主要組成成分是碳、氫、氧等元素，其中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右。由于生物炭是由許多緊密堆積且高度扭曲的芳香環(huán)片層組成，所以具有多孔性、比表面積大等特點(diǎn)。同時(shí)，生物炭含有的羥基、羧基、苯環(huán)等主要官能團(tuán)賦予了其特有的強(qiáng)大吸附能力和較大離子交換量[1-2]。復(fù)雜的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)、疏水性脂肪族和氧化態(tài)碳等特點(diǎn)使得生物炭在施入土壤后可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定而不易被分解和礦化。由于生物質(zhì)資源高溫裂解后形成的生物炭基本上都是純碳，它們埋藏在地下幾百年甚至上千年都不會(huì)分解消失，相當(dāng)于把碳封存到了土壤中，施于土壤可以有效降低溫室氣體排放，起到固碳作用。

生物炭不僅解決了農(nóng)林廢棄物帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，還能改良土壤、提高水肥利用效率。生物炭中有許多微孔，具有良好的吸附和通氣性，為聚集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件，能夠有效儲(chǔ)存大量土壤水分及養(yǎng)分，提高土壤持水性，減少化肥淋失[3]。生物炭中含有大量碳、氮、磷、鉀等有利于作物生長(zhǎng)的元素，能夠增加土壤中有機(jī)物含量[4]。生物炭能夠有效吸附農(nóng)藥、除草劑及重金屬等污染物。然而，由于制備生物炭的原材料、制備工藝不同，使得生物炭的結(jié)構(gòu)、孔容、灰分含量、pH值、持水性能、比表面積等特性不盡相同[5]。目前，國(guó)際上常見(jiàn)生物炭包括秸稈炭、木炭、竹炭、稻殼炭等，不同種類(lèi)制備的生物炭，其理化性質(zhì)差異較大。例如，500℃下制備木炭和竹炭，其灰分比秸稈炭低，燃燒后秸稈炭灰分較多，但前兩者固定碳比例和熱值均高于秸稈炭[6]。同時(shí)，原材料來(lái)自畜禽糞便的生物炭較以上幾種生物炭具有較高礦質(zhì)養(yǎng)分[7]。熱解溫度和速度不同也直接影響生物炭性質(zhì)。生物炭在低溫下(300～400℃)制備，其pH值小于7；較高溫度下(700℃)pH值大于7。一般認(rèn)為，在中間溫度下(500℃)進(jìn)行慢速熱裂解，生物炭產(chǎn)量將占到原材料50%，具有較高pH值，持水性強(qiáng)，比表面積大，具有較高陽(yáng)離子交換量[8]。

2 生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物炭可用來(lái)改良農(nóng)林業(yè)土壤，科研工作者在生物炭改善土壤理化性質(zhì)方面進(jìn)行了大量研究。生物炭從物理、化學(xué)、生物等方面來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量，改善土壤微生物生長(zhǎng)生態(tài)環(huán)境，提高作物產(chǎn)量及土壤生產(chǎn)能力。近些年，國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭改良土壤的研究備受關(guān)注，同時(shí)也有大量報(bào)道證明生物炭在改良土壤方面具有積極作用。

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由于生物炭本身特殊性質(zhì)使得其施入土壤后改變了土壤理化特征，主要表現(xiàn)在對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤持水性、土壤pH值及陽(yáng)離子交換量等方面的改變，進(jìn)而直接參與土壤形成、變化及作物吸水吸肥過(guò)程，影響土壤有機(jī)質(zhì)運(yùn)移、微生物活動(dòng)及土壤呼吸。生物炭可有效降低砂質(zhì)土壤容重，改變土壤孔隙度，并隨著施炭量的不同而有所差異。

韓曉日等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照土壤(1.25 g/cm3)相比，施炭量3.0 t/hm2和6.0 t/hm2處理后土壤容重分別降低5.6%和9.87%，總孔隙度增加10.7%，土壤pH值增加0.32。田丹等[10]、勾芒芒等[11]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭能促使砂土、粉砂壤土容重減小。按照土炭比(0.05、0.1、0.15 g/g)添加玉米秸稈炭后，砂土容重(1.54 g/cm3)降低幅度為6.73%～11.27%；添加花生殼炭后，砂土容重降低幅度為9.28%～18.63%。對(duì)于粉砂壤土(1.39 g/cm3)，添加玉米秸稈炭后，土壤容重降低幅度為1.26%～7.66%；添加花生殼炭后，土壤容重降低幅度為6.42%～19.06%。從生物炭對(duì)土壤總孔隙度影響來(lái)看，生物炭可增大砂土孔隙度，且隨著施入量增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。而對(duì)于粉砂壤土而言，只有高炭處理的土壤孔隙度出現(xiàn)增加趨勢(shì)，低炭處理總孔隙度低于對(duì)照。高炭量處理可有效增加土壤pH值。較高炭處理可使砂土陽(yáng)離子交換量(CEC)提高12.22%。鄭瑞倫等[12]應(yīng)用生物炭對(duì)沙化地進(jìn)行改良發(fā)現(xiàn)，施用生物炭(14 t/hm2)后土壤容重降低11.5%，總孔隙度增加11.3%，土壤pH值增加0.2，然而土壤CEC沒(méi)有顯著變化，原因是觀測(cè)期可能不夠長(zhǎng)，不足以使土壤表面氧化生成羧基，或者分析過(guò)程可能不夠精確，無(wú)法檢測(cè)出CEC的微小變化。閻海濤等[13]研究表明，褐土(1.34 g/cm3)中施入小麥秸稈生物炭(10、20、40 t/hm2)容重降低4%～12.7%。王睿垠等[14]按照玉米秸稈炭占黑土(1.139 g/cm3)土壤體積分?jǐn)?shù)(2%、4%、6%、8%)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，土壤容重降低2.5%～7%，土壤pH值增加0.30。吳崇書(shū)等[15]室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究表明，炭土1%、2%處理后的粘土(1.35 g/cm3)、粘壤土(1.36 g/cm3)、壤土(1.31 g/cm3)、壤質(zhì)砂土(1.38 g/cm3)容重分別降低3%～5%、3.6%～5.8%、3.1%～4.6%和2.2%～4.3%。李昌見(jiàn)等[16]野外大田試驗(yàn)研究表明，施用生物炭能明顯減小土壤容重，增大土壤孔隙度，增加土壤含水率。與不施炭相比，處理組水分和肥料利用效率分別最少提高27.7%和87.4%。

可見(jiàn)，添加生物炭改良材料，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，能促使土壤容重減小，改變土壤孔隙度。然而受限于生物炭種類(lèi)和配比不同，觀測(cè)時(shí)間不同等因素改良效果影響不同。砂土孔隙度增大可能因?yàn)樯锾吭诮Y(jié)構(gòu)上呈多孔性，微孔形狀各異，數(shù)量較多，添加到土壤中可以填充土壤大孔隙，使之分割成許多小孔隙，同時(shí)生物炭本身多孔結(jié)構(gòu)也是砂土孔隙度增加原因之一，隨著添加量增大，砂土孔隙率愈加接近壤土孔隙率，這對(duì)砂土結(jié)構(gòu)改良意義重大。粉砂壤土中添加較多生物炭才能增大土壤孔隙度，且增幅空間不大，這在實(shí)際應(yīng)用中并不經(jīng)濟(jì)。

生物炭對(duì)土壤水分特征影響主要體現(xiàn)在對(duì)土壤含水量、土壤入滲和擴(kuò)散能力、土壤導(dǎo)水性能等方面。王丹丹等[17]應(yīng)用鋸末和槐樹(shù)皮制成生物炭改善黃土高原地區(qū)黑壚土和湘黃土，結(jié)果表明，土壤田間持水量隨著生物炭添加量增加而增大，鋸末生物炭添加處理較對(duì)照分別增加2.7%～8.1%，槐樹(shù)皮生物炭增加5.41%～16.22%。施炭后土壤飽和導(dǎo)水率降低，土壤入滲性能下降，且隨著施入量增加降低趨勢(shì)顯著，這是因?yàn)樵型寥蕾|(zhì)地粗，大孔隙較多，生物炭顆粒充實(shí)到大孔隙中，土壤大孔隙滲漏性降低。吳昱等[18]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可有效改善黑土區(qū)坡地水土流失狀況，土壤飽和含水率、田間持水量和土壤儲(chǔ)水能力均隨生物炭施用量的增加而增加。岑睿等[19]采用玉米秸稈生物炭改良黏壤土，通過(guò)入滲模型模擬土壤入滲規(guī)律，結(jié)果表明：施用量為30 t/hm2較不施炭相比，施用層(0～40 cm)入滲速率增加44.6%，耕作層土壤含水率增加8.9%，累積入滲量增加45.45%。比較3種模型的入滲過(guò)程擬合結(jié)果，認(rèn)為Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式擬合效果符合實(shí)測(cè)規(guī)律，為研究區(qū)改良土壤水分入滲過(guò)程提供了理論依據(jù)。

研究結(jié)果表明生物炭可改變砂土土壤結(jié)構(gòu)，使其大、中孔隙度較對(duì)照減小，小孔隙度較對(duì)照增大，導(dǎo)致持留在土壤小孔隙中水分增多，土壤有效含水量增加，供作物可吸收利用水分增加。較砂土相比，生物炭對(duì)粉砂壤土和黏土的持水性改良效果不顯著。

2.2 生物炭對(duì)土壤微生物的影響

生物炭作為改良劑可改善土壤結(jié)構(gòu)，生物炭的較大比表面積和多孔性為土壤微生物提供了良好棲息之所。研究表明，添加生物炭可提高微生物生物量、改善土壤微生物群落，提高土壤酶活性，但影響效果與生物炭類(lèi)型、施用比例以及土壤性質(zhì)密切相關(guān)。生物炭本身有機(jī)碳含量較高且易分解，其表面氧化后為微生物提供有效碳源?？锍珂玫萚20]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，添加生物炭有效提高微生物生物量，且隨著施入量增加而增大。添加0.5%生物質(zhì)炭處理土壤，微生物生物量碳、氮含量分別比對(duì)照高111.5%～250.6%和11.6%～97.6%，添加1.0%后生物量碳、氮含量分別比對(duì)照高58.9%～243.6% 和55.9%～110.4%。BARGMANN等[21]室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用甜菜根和啤酒糟制備生物炭施入土壤56 d后土壤微生物生物量碳顯著高于對(duì)照，增加30%。研究也證明土壤中施入生物炭可顯著提高微生物豐度[22]。然而，也有研究認(rèn)為生物炭施入土壤中對(duì)微生物生物量影響效果不顯著。這與生物炭的材料類(lèi)型、熱解時(shí)間和溫度、土壤類(lèi)型及試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短都有聯(lián)系。ZAVALLONI等[23]發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)生物炭按照5%比例施入土壤中不能改變微生物豐度。DEMPSTER等[24]應(yīng)用桉樹(shù)生物炭改善粗質(zhì)砂土，發(fā)現(xiàn)生物炭的施入顯著降低了土壤微生物生物量。

生物炭對(duì)土壤微生物群落影響主要體現(xiàn)在改變細(xì)菌群落和真菌群落方面。研究表明土壤中施入生物炭可以增加土壤中總細(xì)菌豐度。NIELSEN等[25]研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤中生物炭雨酸桿菌門(mén)的響應(yīng)性較強(qiáng)，可以增加其豐度值。ANDERSON等[26]在室內(nèi)盆栽試驗(yàn)和田間小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果均顯示生物炭可以提高土壤中某些功能細(xì)菌豐度。同時(shí)，土壤中細(xì)菌也可以有效降解生物炭復(fù)雜芳香類(lèi)化合物。真菌相比于細(xì)菌更容易降解生物炭中頑固性碳，且能夠更好地生長(zhǎng)，故在施入含較難降解碳的生物炭時(shí)更有利于真菌生長(zhǎng)。BAMMINGER等[27]添加2%生物炭于農(nóng)田土壤中，37 d后發(fā)現(xiàn)土壤中真菌和細(xì)菌豐度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，真菌豐度增長(zhǎng)更快，主要是因?yàn)樯锾烤哂休^高碳氮比，且真菌對(duì)碳利用率更高。然而，也有研究認(rèn)為生物炭對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)沒(méi)有長(zhǎng)期影響。ROUSK等[28]通過(guò)3年長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)生物炭并不能影響土壤中微生物群落變化，可能因?yàn)樯锾块L(zhǎng)期施用后表面鹽基離子被淋溶損失，生物炭pH值趨于中性，失去了影響效應(yīng)。土壤酶活性也是土壤微生物活動(dòng)過(guò)程的重要指示，酶活性越高說(shuō)明微生物過(guò)程越活躍。研究表明，生物炭施入土壤中對(duì)碳、氮、pH值、陽(yáng)離子交換量等土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，而這種影響也間接對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生作用。同時(shí)，生物炭中含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如P、K、Mg等元素促進(jìn)了土壤微生物活性，也相應(yīng)提高了土壤酶活性。但這種影響也與生物炭類(lèi)型及性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等密切相關(guān)，并體現(xiàn)出不同影響效果。AWAD等[29]研究發(fā)現(xiàn)同一種生物炭施入砂壤土中酶活性較施入砂土中酶活性高。周震峰等[30]應(yīng)用花生殼生物炭后土壤中尿酶和蔗糖酶活性顯著升高，且隨著施炭量增多而增大。然而，也有研究表明生物炭中重金屬和多環(huán)芳烴等毒性物質(zhì)會(huì)抑制土壤酶活性。顧美英等[31]研究發(fā)現(xiàn)，施入小麥秸稈生物炭于灰漠土中，結(jié)果顯示生物炭對(duì)脲酶有顯著抑制作用。

通過(guò)研究可知，添加生物炭使土壤微生物群落、豐度、土壤酶活性等產(chǎn)生變化，影響了土壤微生物特性，但其間相互作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究，尤其是不同生物炭對(duì)不同土壤微生物影響機(jī)理還需進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和探索。

2.3 生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)性狀的影響

生物炭對(duì)作物產(chǎn)量影響的報(bào)道最早可追溯到1879年，探險(xiǎn)家赫伯特·史密斯在《Nature》雜志發(fā)表文章中闡述了亞馬遜河流域的黑土可使當(dāng)?shù)胤N植的甘蔗和煙草產(chǎn)量大幅度提高，因?yàn)檫@種黑土中含有豐富生物炭。UZOMA等[32]將牛糞生產(chǎn)制備生物炭應(yīng)用在砂質(zhì)土壤玉米種植中，結(jié)果顯示，隨著生物炭施用量增加玉米產(chǎn)量顯著提高，但處理中施加15 t/hm2的玉米產(chǎn)量比20 t/hm2高。MAJOR等[33]通過(guò)4年研究表明，在Colombian Savanna土壤中施加生物炭(0、8、20 t/hm2)后，第1年玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響，隨后影響效益顯著，施入20 t/hm2生物炭后玉米產(chǎn)量可提高140%。據(jù)KIMETU等[34]報(bào)道，在肯尼亞貧瘠土壤中添加生物炭(7 t/hm2)，2年內(nèi)連續(xù)施用3次后玉米產(chǎn)量翻倍增長(zhǎng)。VAN ZWIETEN等[35]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加生物炭(10 t/hm2)后小麥、蘿卜和番茄的產(chǎn)量增幅均已超過(guò)50%。無(wú)土栽培條件下，生物炭和灰?guī)r混合(按其體積的1%～5%)，辣椒和番茄生物量可提高28.4%～228.9%，果實(shí)產(chǎn)量提高16.1%～25.8%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)施加生物炭增加作物產(chǎn)量報(bào)道逐漸增多。張偉明等[36]研究表明，以不同標(biāo)準(zhǔn)在砂壤土中施入生物炭，水稻產(chǎn)量均比對(duì)照平均提高21.98%，其中每1 kg土加10 g生物炭處理水稻增幅最大。同時(shí)，在研究對(duì)大豆生長(zhǎng)影響中，3 t/hm2和6 t/hm2生物炭施用量均比對(duì)照產(chǎn)量提高近11%。黃超等[37]在每1 kg紅壤土中施用10、50、200 g生物炭種植黑麥草，產(chǎn)量分別增加7%、27%和53%。唐光木等[38]在新疆灰漠土中添加生物炭種植玉米，表明施入40 t/hm2生物炭的玉米產(chǎn)量提高近50%，增產(chǎn)效果顯著。

然而，在生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)作用方面還存在一些不同觀點(diǎn)。KISHIMOTO等[39]認(rèn)為，在壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)使大豆產(chǎn)量增加50%；然而，隨著施用量的增加產(chǎn)量出現(xiàn)減少趨勢(shì)且15 t/hm2時(shí)減產(chǎn)近70%。鄧萬(wàn)剛等[40]在海南花崗巖磚紅壤土上添加不同比例生物炭(炭土比分別為 0.1%、0.5%和1.0%)，通過(guò)試驗(yàn)反而得出不同處理與對(duì)照相比，在一定程度上均降低了王草第2次刈割產(chǎn)草量和柱花草第1次刈割產(chǎn)草量。張晗芝等[41]研究在中層砂漿水稻土中施加生物炭對(duì)玉米影響，發(fā)現(xiàn)在玉米苗期生物炭抑制了植株生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為添加量越大抑制效果越明顯，隨著玉米生長(zhǎng)抑制效應(yīng)逐漸消失。

通過(guò)研究可知，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量提高具有促進(jìn)作用。生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)特征產(chǎn)生的影響與土壤類(lèi)型、觀測(cè)時(shí)間等密切相關(guān)，適宜生物炭用量與土壤結(jié)構(gòu)是影響作物生長(zhǎng)的主要因素。

2.4 生物炭與化肥耦合作用影響

氮肥利用率低一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的難題，而我國(guó)主要糧食作物氮肥利用率不足1/3。如何提高氮素利用率，減少消耗和面源污染，一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。大量研究表明，添加生物炭可減輕土壤氮素淋洗，提高土壤水分和養(yǎng)分利用率。同時(shí)，學(xué)者發(fā)現(xiàn)單純以生物炭代替化肥還存在一定難度，為了既發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)又能減少肥料投入帶來(lái)的負(fù)面影響以達(dá)到作物增產(chǎn)增收目的，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究中心以生物炭為基質(zhì)制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產(chǎn)效果明顯。

葛少華等[42]研究表明，連續(xù)兩年進(jìn)行生物炭(2.4 t/hm2)和化肥配施，有效提高烤煙土壤中硝態(tài)氮含量，施氮量減少15%用量后仍可提高烤煙氮素利用效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生態(tài)炭本身含有豐富有機(jī)碳，施用后可以增加土壤中有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)含量，大大改善土壤微結(jié)構(gòu)，從而提高土壤肥力。隨著土壤中有機(jī)碳含量增加，土壤中碳氮比相應(yīng)提高，進(jìn)而提高了土壤對(duì)氮素和其他養(yǎng)分吸持能力。有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量是土壤肥力重要指標(biāo)，生物炭吸附土壤中有機(jī)分子，通過(guò)表面催化活性促進(jìn)小分子聚合從而形成土壤有機(jī)質(zhì)，生物炭可以延長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)分解時(shí)間從而有助于腐殖質(zhì)形成，改善土壤肥力。呂一甲等[43]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭肥料可有效提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷及速效鉀含量。

其實(shí)，生物炭本身也含有一定礦物養(yǎng)分，例如氮、磷、鉀、鎂等，但由于生物炭制備原料和控制條件不同，其所含有養(yǎng)分含量不盡相同。如果生物炭與其他肥料同時(shí)施用，可以提高土壤養(yǎng)分含量，因?yàn)樯锾靠梢匝泳彿柿橡B(yǎng)分在土壤中釋放過(guò)程，降低肥料養(yǎng)分淋失，有效提高肥料利用效率。STEINER等[44]研究表明，使用生物炭結(jié)合化學(xué)改良法(氮磷鉀肥料和石灰)與單用肥料相比，平均糧食產(chǎn)量連續(xù)四季翻一番。生物炭與化肥配施3a后土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和數(shù)量顯著增加，與單施化肥相比，團(tuán)聚體數(shù)量增加16.7%，平均質(zhì)量直徑增加62.4%。聶新星等[45]研究表明，生物炭與化肥配施顯著提高土壤pH值和速效磷含量，分別提高0.03%和12.6%，土壤容重降低2.0%。炭肥配施提高了土壤中細(xì)菌含量，對(duì)真菌有一定抑制作用。炭肥配施后有效增加小麥籽粒干質(zhì)量，提高率達(dá)到16.5%。勾芒芒[46]研究表明，生物炭與化肥耦合施用可以提高土壤含水率，同一施肥水平下土壤中施加較高生物炭量可以有效提高土壤的持水、保水能力；同一施炭水平下，低肥處理的土壤含水量對(duì)番茄生長(zhǎng)具有積極的促進(jìn)作用。

炭肥耦合施用可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高氮素利用率。在同一施炭水平下，減少化肥施用量可顯著提高作物植株生長(zhǎng)能力，增加干物質(zhì)積累，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.5 生物炭對(duì)土壤重金屬的影響

生物炭具有比表面積大、孔隙度大、呈堿性、吸附溶解性有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)，修復(fù)重金屬污染土壤的研究較多，作為環(huán)境修復(fù)和固定土壤材料受到研究者廣泛關(guān)注，但因?yàn)樯锾吭牧稀⒓夹g(shù)工藝、熱解條件等不同使得其對(duì)土壤重金屬吸附效應(yīng)差異較大。UCHIMIYA等[47]研究發(fā)現(xiàn)山核桃生物炭呈酸性，生活垃圾制備的生物炭呈堿性，它們施入酸性土壤中對(duì)Cu的吸附要比在堿性土壤中吸附效果好。佟雪嬌等[48]發(fā)現(xiàn)不同秸稈炭對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附效果不同。玉米秸稈生物炭對(duì)Pb、Cd吸附量顯著高于小麥秸稈。CHEN等[49]研究表明生物炭特性使得其對(duì)土壤重金屬具有靜電吸附量，表面豐度的含氧官能團(tuán)(如羧基、羥基、酚基等)可以增加土壤對(duì)重金屬吸附量，降低重金屬遷移率，從而減少對(duì)土壤環(huán)境污染及作物毒害。

生物炭通過(guò)提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量改變土壤氧化還原電位，從而降低重金屬生物有效性。BEESLEY等[50]通過(guò)土柱淋洗試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中加入生物炭后Cd含量降低為原來(lái)的1/300。袁金華等[51]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻殼炭降低酸性紅壤中有毒形態(tài)鋁含量。生物炭可以固定可溶性重金屬(Pb、Cu、Cd、Ni)并限制其生物有效性。相比于其他重金屬，As是比較穩(wěn)定的元素，但施加生物炭后仍可被固定。LUKE等[52]通過(guò)對(duì)番茄根莖及果實(shí)檢測(cè)可知，與對(duì)照相比施炭處理根系中As濃度顯著降低，果實(shí)中濃度也很低，有效改善作物對(duì)重金屬吸收，進(jìn)而降低重金屬生物毒性。高德才等[53]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值增加后，Al、Cu、Fe的金屬可交換態(tài)含量顯著降低。

通常情況下，重金屬污染的土壤肥力較低，要考慮生物炭用量及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)效果才能體現(xiàn)出生物炭修復(fù)污染土壤的效果。

3 生物炭在固碳減排方面的應(yīng)用

3.1 固碳減排潛力

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要溫室氣體排放源之一，占全球總排放量 10%～20%，且呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。CO2、CH4和N2O是溫室氣體的研究對(duì)象。氣候變暖及土壤鹽漬化問(wèn)題對(duì)土壤固碳減排要求日趨增加。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)超過(guò)50%秸稈隨意丟棄或焚燒[54]。粗放農(nóng)業(yè)管理方式直接增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放量。我國(guó)土壤生態(tài)系統(tǒng)具有巨大固碳減排潛力，《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中指出應(yīng)大力發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，堅(jiān)持減緩與適應(yīng)協(xié)同，抑制和降低農(nóng)業(yè)領(lǐng)域溫室氣體排放，減少農(nóng)田氧化亞氮和甲烷排放，推進(jìn)農(nóng)林廢棄物綜合利用。這些秸稈廢棄物在缺氧或無(wú)氧環(huán)境下裂解得到生物炭重新回歸到土壤中的生態(tài)循環(huán)模式，能將碳有效存于土壤較長(zhǎng)時(shí)間，減輕氣候變暖，修復(fù)區(qū)域環(huán)境。同時(shí)，增加土壤碳匯，減少溫室氣體排放，抑制其釋放能力。

3.2 固碳減排效果

大量研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭不僅增加碳匯，調(diào)節(jié)碳循環(huán)，而且對(duì)土壤溫室氣體排放起到抑制作用。研究表明，不同生物炭施用量對(duì)溫室氣體排放效果存在差異。高德才等[53]通過(guò)土柱試驗(yàn)表明，2%以上生物炭添加量會(huì)抑制CH4排放，同時(shí)會(huì)降低N2O排放；4%以上生物炭添加量，能大幅降低CH4和N2O排放，從而緩解溫室效應(yīng)；而低于0.5%生物炭添加量對(duì)溫室氣體排放的削弱作用不顯著。屈忠義等[55]采用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法研究玉米農(nóng)田施加生物炭后對(duì)溫室氣體排放特征影響，結(jié)果表明：添加生物炭(15、30、45 t/hm2)后顯著降低CO2和N2O季節(jié)累積排放總量，與對(duì)照相比最大降幅分別為24.6%和110.35%。添加生物炭降低CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)(GWP)及排放強(qiáng)度(GHGI)，且隨著生物炭施用量增加而降低，最大降幅GWP為109.9%，GHGI為100.03%。SHENBAGAVALLI等[56]研究認(rèn)為一定量生物炭會(huì)抑制溫室氣體排放，對(duì)CO2及N2O效果明顯。生物炭降低土壤容重、改善土壤通氣性、封存土壤中碳含量，從而減少CH4、N2O排放量。生物炭添加后，凍融期間可促進(jìn)土壤吸收CH4。添加30 t/hm2生物炭有效降低玉米農(nóng)田土壤季節(jié)累計(jì)排放總量，降低玉米農(nóng)田土壤CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)(GWP)和排放強(qiáng)度(GHGI)。常規(guī)施肥基礎(chǔ)上添加生物炭是提高作物產(chǎn)量、降低增溫潛勢(shì)的有效農(nóng)業(yè)措施。施加生物炭對(duì)抑制農(nóng)田N2O排放具有巨大潛力，排放高峰均出現(xiàn)在施肥(基肥和追肥)后，累積排放量占整個(gè)生育期排放量的一半。

也有少量研究表明生物炭的施用會(huì)促進(jìn)溫室氣體的排放，王月玲等[57]研究表明生物炭施用量與CO2排放呈正比，一方面生物炭為微生物活動(dòng)提供大量碳源和能源，增加其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解作用，另一方面生物炭的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)土壤理化性質(zhì)具有改善效果，增強(qiáng)了微生物活性。SINGLA等[58]發(fā)現(xiàn)生物炭增加使土壤中的有機(jī)質(zhì)可利用率提高，促進(jìn)CH4的排放。總之，導(dǎo)致結(jié)果存在差異的原因是否與生物炭性質(zhì)、土壤類(lèi)型、施肥方法、作物種類(lèi)等有關(guān)，還需進(jìn)一步深入研究。

3.3 固碳減排影響機(jī)制

王妙瑩等[59]研究發(fā)現(xiàn)，影響溫室氣體排放因素較多，主要與外源物、土壤性質(zhì)、微生物等相關(guān)，有研究表明施用生物炭顯著抑制CO2和CH4排放，細(xì)菌數(shù)量與CO2和CH4通量顯著正相關(guān)。真菌/細(xì)菌與CO2和CH4通量顯著負(fù)相關(guān)，硝化細(xì)菌種群與N2O通量顯著正相關(guān)。生物炭通過(guò)改善土壤通氣性、生物多樣性及甲烷營(yíng)養(yǎng)微生物豐度，緩解溫室氣體排放。何飛飛等[60]研究結(jié)果表明不同施炭量對(duì)N2O、CO2影響不同，而銨態(tài)氮主要影響N2O排放，pH值是CO2排放的主要影響因素。張阿鳳等[61]試驗(yàn)表明，作物秸稈制備生物炭具有穩(wěn)定芳香化結(jié)構(gòu)性和抗分解生物化學(xué)性；大幅提高土壤碳庫(kù)，利于固定和保持養(yǎng)分，提高其有效利用率，從而達(dá)到增產(chǎn)增收目的。宋敏等[62]的研究顯示施加30 t/hm2的生物炭對(duì)N2O氣體釋放抑制效果較好，在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下，溫度是影響N2O排放主要因素。吳震等[63]研究發(fā)現(xiàn)，施入新生物炭和多年陳化生物炭均能降低綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體強(qiáng)度，且陳化生物炭能更有效地減少溫室氣體排放并提高作物產(chǎn)量。因此，生物炭對(duì)固碳減排和改善作物生產(chǎn)具有長(zhǎng)期效應(yīng)。

馮政君[64]研究發(fā)現(xiàn)，與適當(dāng)比例氮肥配施，高碳氮比(大于 30)生物炭對(duì)土壤N2O排放具有抑制作用。土壤CO2通量對(duì)生物炭響應(yīng)隨著熱解溫度或生物炭碳氮比增加而降低，隨著生物炭pH值降低而下降。因此，應(yīng)考慮土壤屬性、土地利用類(lèi)型、農(nóng)業(yè)實(shí)踐和生物炭特性，以評(píng)估生物炭緩解氣候變化實(shí)際潛力。

4 生物炭在鹽堿地治理方面的應(yīng)用

我國(guó)降水時(shí)空分布不均勻，水資源匹配極不合理，特別是作為我國(guó)用水大戶的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用水非常緊缺。同時(shí)，針對(duì)我國(guó)鹽漬化土資源總量多且分布廣泛等特點(diǎn)，合理利用大面積鹽漬化農(nóng)田，將對(duì)我國(guó)糧食安全保障和提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要意義。由于鹽漬化土壤結(jié)構(gòu)性差、肥力低、對(duì)作物生長(zhǎng)有毒害作用，嚴(yán)重限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，且鹽堿地治理符合國(guó)家生態(tài)安全戰(zhàn)略方針，是生態(tài)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展的必要舉措。目前，針對(duì)鹽漬化土壤改良措施較多，包括工程措施、化學(xué)措施、生物措施等，隨著人類(lèi)對(duì)資源高效利用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)的提高，更多綠色可持續(xù)材料進(jìn)入研究領(lǐng)域。由于鹽堿地有機(jī)質(zhì)含量低，養(yǎng)分貧瘠，具有高生物質(zhì)含量、保水保肥特性的改良材料備受關(guān)注。生物炭作為農(nóng)林生物質(zhì)材料的再生產(chǎn)品，在酸性土壤改良方面已經(jīng)取得較好成果，堿化度較高的土壤研究較少，但生物炭對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)特性改良也取得了研究進(jìn)展。

4.1 生物炭對(duì)鹽堿土改良效果

生物炭具有改善土壤結(jié)構(gòu)、保水保肥、強(qiáng)吸附性等特性，可以對(duì)鹽堿土理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)特性產(chǎn)生影響(表1)。王榮梅等[65]研究發(fā)現(xiàn)，炭土比10%的生物炭用量可以提高鹽堿土田間持水量，顯著提高棉花產(chǎn)量，但5%施用量提高幅度高于10%。許健[66]研究顯示，當(dāng)生物炭添加量較低(小于5%)時(shí)，能抑制土壤蒸發(fā)和降低土壤表層返鹽量，當(dāng)生物炭含量較高時(shí)(大于10%)，增強(qiáng)土壤蒸發(fā)能力，加劇表層土壤鹽堿化程度。夏陽(yáng)[67]研究認(rèn)為，較低生物炭施用量(如1.5%)能夠降低鹽堿土pH值和鹽度，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、碳氮比和CEC，提高植物根際土壤養(yǎng)分。然而也有研究成果與以上觀點(diǎn)不同。代紅翠等[68]在堿性土壤中施用生物炭后提高了土壤pH值和CEC，從而抑制了小麥出苗和幼苗生長(zhǎng)。李陽(yáng)等[69]研究表明，生物炭能將酸性黃壤土改變?yōu)橹行曰蛉鯄A性土壤，而且能夠有效改善黃壤氮磷鉀養(yǎng)分含量。ALI等[70]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱或鹽分脅迫下，生物炭可以增加植物的光合作用，改善養(yǎng)分吸收和改良?xì)怏w交換特性。在鹽脅迫下，生物碳減少Na+吸收，增加植物對(duì)K+的吸收，調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度和植物激素。對(duì)比其他改良劑，生物炭具有自身優(yōu)勢(shì)，施用生物黑炭比施用石灰更能增強(qiáng)土壤對(duì)酸的緩沖性能，提高土壤陽(yáng)離子交換量、鹽基飽和度、交換性鈣、鎂、鉀和鈉含量。

表1 生物炭對(duì)鹽堿土理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)特性的影響Tab.1 Effects of biochar on physicochemical properties of saline-alkali soil and crop growth

4.2 生物炭與其他物質(zhì)復(fù)配對(duì)鹽堿土改良效果

由于生物炭呈堿性，對(duì)堿性較強(qiáng)的鹽堿土不利，但考慮與一定量的酸性物質(zhì)復(fù)配施用，可以彌補(bǔ)生物炭副作用或改良效果。適宜生物炭與木醋液施用量可以滿足降鹽抑鹽效果，有效抑制表層土壤鹽分積聚；施用木醋液可以降低土壤pH值。非生育期春匯洗鹽結(jié)合改良劑改良，可以提高脫鹽率，滿足生育期內(nèi)作物對(duì)鹽分閾值要求。

劉玉明等[83]應(yīng)用生物炭和木醋液改良鹽堿土效果顯著，在其含鹽量0.5%～1.35%，pH值大于10的鹽堿地中，可大幅提高土壤質(zhì)量和作物生長(zhǎng)特性。韓建剛等[84]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭墊層應(yīng)用于沿海灘涂鹽堿地土壤改良，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染，促進(jìn)鹽堿地土壤改良及農(nóng)業(yè)生態(tài)良性發(fā)展，改良后土壤可用于種植水稻、小麥或鹽堿資源植物等。韓劍宏等[73]使用玉米秸稈和污泥基生物炭能改善鹽漬土土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)，顯著提高有機(jī)碳含量；可溶性鹽含量顯著下降，并能降低土壤鹽分。袁晶晶等[85]將生物炭(10 t/hm2)施入土壤后發(fā)現(xiàn)，氮肥300 kg/hm2為適宜施肥量，提高土壤肥力同時(shí)也可以減少化肥投入。但XU等[86]研究認(rèn)為，當(dāng)生物炭與磷肥一起施用時(shí)，鹽堿土壤中發(fā)生磷酸鹽沉淀/吸附反應(yīng)，導(dǎo)致鹽堿土壤中植物磷有效性和植物產(chǎn)量下降。生物炭與磷施肥之間的負(fù)相互作用效應(yīng)表明生物炭在鹽堿土壤中應(yīng)用價(jià)值有限。

4.3 生物炭對(duì)不同類(lèi)型土壤改良效果

由于不同類(lèi)型土壤理化性質(zhì)存在差異，生物炭改良效果也不盡相同。曹雨桐等[71]研究發(fā)現(xiàn)，在海涂圍墾區(qū)鹽堿土中添加2%生物炭能使土壤飽和導(dǎo)水率提高46.4%；土壤總有效孔隙度和半徑大于100 μm有效孔隙度分別增加8.3%和10.2%。魏永霞等[72]認(rèn)為施用生物炭能降低黑土區(qū)土壤殘余含水率，增加土壤飽和含水率和田間持水量，其中對(duì)殘余含水率影響最顯著；施用生物炭能明顯降低土壤水分?jǐn)U散率，施用生物炭可以提高大豆產(chǎn)量。聶新星等[45]研究認(rèn)為，生物炭能有效改善灰潮土土壤理化性質(zhì)，提高細(xì)菌和放線菌數(shù)量，且在一定程度上提高冬小麥產(chǎn)量。生物炭與N、P、K配施改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量增加，且生物炭施用量越高，其效果越明顯。孫嘉曼等[78]發(fā)現(xiàn)，生物炭處理有利于改善石灰土水分與養(yǎng)分供應(yīng)狀況，且隨著施用量增加，改良效果不斷加強(qiáng)。施用生物炭可改善喀斯特山地石灰土土壤質(zhì)量，促進(jìn)刺槐苗期根系發(fā)育和生長(zhǎng)，對(duì)改良喀斯特石灰土和恢復(fù)植被具有重要意義。

5 問(wèn)題與展望

大量研究成果表明，生物炭在農(nóng)業(yè)土壤改良、固碳減排及改良鹽堿土方面均有巨大潛力。在改善農(nóng)業(yè)水土環(huán)境、抑制溫室效應(yīng)、助力發(fā)展綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)等方面可發(fā)揮積極促進(jìn)作用。然而，在大面積實(shí)施和應(yīng)用生物炭方面還存在許多不足，需進(jìn)行深入研究，主要體現(xiàn)在：

(1)由于制備生物炭的原材料、制備方法以及研究方式大不相同，有關(guān)生物炭物理和化學(xué)性質(zhì)各有差異。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)積極開(kāi)展生物炭標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化研究。此外，應(yīng)開(kāi)展根據(jù)不同土壤類(lèi)型制備和篩選適宜生物炭的研究。

(2)雖然應(yīng)用生物炭提高作物產(chǎn)量方面研究成果較多，但大多數(shù)研究還停留在室內(nèi)盆栽和小區(qū)試驗(yàn)階段，如何應(yīng)用適宜生物炭類(lèi)型及其用量開(kāi)展長(zhǎng)期和大規(guī)模示范區(qū)建設(shè)還需投入大量工作。同時(shí)，大規(guī)模應(yīng)用生物炭改善作物土壤、提高作物產(chǎn)量之前還必須考慮如何使生物炭成本更廉價(jià)、更實(shí)效，改變施用方式，采用穴施、溝施等專(zhuān)用設(shè)備，以便充分發(fā)揮生物炭節(jié)水增收優(yōu)勢(shì)。

(3)生物炭對(duì)微生物和酶活性作用機(jī)理還不清楚，需要進(jìn)行深入研究。

(4)生物炭對(duì)土壤改良是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，對(duì)土壤改良及固碳是否具有持續(xù)效果，還需要長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)；生物炭與其他物質(zhì)復(fù)配施用對(duì)氣體排放影響機(jī)理還不明確。

(5)雖然有關(guān)生物炭改良鹽堿土成果與日俱增，但針對(duì)鹽漬化土壤開(kāi)展生物炭及其復(fù)配材料(如其他土壤調(diào)理劑)的應(yīng)用成果并不多見(jiàn)，應(yīng)加大力度開(kāi)展這方面研究。

(6)研究開(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用生物炭基肥，實(shí)現(xiàn)生物炭高效利用，為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支持。