生物炭對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響研究進(jìn)展

劉術(shù)新 李漢美 丁楓華

摘要：連作障礙是導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低的重要原因之一。文章綜述了生物炭對(duì)土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量的影響效應(yīng)及其機(jī)制。生物炭憑借其特殊的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)影響著土壤的理化性狀，對(duì)減少土壤養(yǎng)分流失、提高肥料利用率、消減有機(jī)污染和農(nóng)藥殘留、抑制污染物富集、降低污染物生物有效性等具有積極作用。生物炭在設(shè)施栽培和果園連作中能有效緩解連作障礙，在提高土壤微生物群落多樣性和酶活性方面有巨大潛力，應(yīng)加強(qiáng)其在土壤連作障礙治理及其可持續(xù)性利用方面的研究。

關(guān)鍵詞：生物炭;土壤;連作障礙

中圖分類(lèi)號(hào)：S154.3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1001-1463（2020）02-0084-08

Abstract：In yellow river irrigation areas of middle Gansu province，effects of different water supply conditions on yield and water production effect of processed potato cultivar Atlantic were studied. The results showed that yield of processed potato was significantly increased by increasing irrigation quantity and times from squaring period to flowering period;On the basis of adequate water supply in flowering stage， increased irrigation quantity moderately from final flowering period to mature period， it is beneficial to improve potato yield and water use efficiency. Under the condition of water and fertilizer integration， the suitable water management mode of processed potato cultivar Atlantic is that irrigated water volume was 2 400 m3/hm2 and irrigated 16 times from squaring period to flowering period， irrigated water volume was 900 m3/hm2 and irrigated 6 times from final flowering period to mature period. Under this water management mode， the number of tubers per plant and the weight of tubers increased significantly， which increased by 2.02%～16.91% compared with other treatments， and the commercial property of potato tubers was relatively optimized.

Key words：Water and fertilizer integration;Processing potato;Atlantic;Yield;Water use efficiency

隨著集約化種植程度的不斷提高，作物連作以高投入和高產(chǎn)出帶來(lái)的以土傳病害和自毒效應(yīng)為主的連作障礙問(wèn)題日益凸顯。長(zhǎng)期單一連作，植株出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育受阻，土傳病害嚴(yán)重發(fā)生而導(dǎo)致大幅減產(chǎn)的連作障礙，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題之一[1 - 2 ]。在國(guó)外被稱(chēng)為忌地現(xiàn)象或再植病害。連作障礙的普遍存在，嚴(yán)重地制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3 ]。國(guó)內(nèi)外研究者曾從不同的角度對(duì)連作障礙的成因進(jìn)行了系統(tǒng)研究，一般認(rèn)為連作障礙的產(chǎn)生原因有以下幾個(gè)方面：連作使土壤理化性狀變劣導(dǎo)致養(yǎng)分虧缺;土壤微生物變化，土傳病害加重[4 ];根系分泌物和殘茬腐解物引起的自毒作用。一些學(xué)者認(rèn)為，根系分泌和殘茬腐解物所產(chǎn)生的自毒作用，以及自毒物質(zhì)引發(fā)的病原菌增殖是導(dǎo)致作物連作障礙的主要因素[5 ]。

酚酸類(lèi)物質(zhì)是公認(rèn)的化感自毒物質(zhì)[6 - 8 ]，被研究者作為化感自毒作用的研究重點(diǎn)。酚酸類(lèi)物質(zhì)通過(guò)影響植物細(xì)胞膜透性、水分和營(yíng)養(yǎng)吸收、光合作用、蛋白質(zhì)合成、植物激素活性、抗氧化酶活性等多種途徑對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[9 - 10 ]。隨著對(duì)根際微生態(tài)環(huán)境中植物-土壤-微生物相互作用各過(guò)程的深入了解，研究者認(rèn)為土傳病害的發(fā)生和植株發(fā)育不良是作物連作障礙發(fā)生的直觀(guān)表象，但致病的根本原因是根系分泌物和腐解物中酚酸類(lèi)化感物質(zhì)引起的土壤微生態(tài)失衡，最終導(dǎo)致土壤中病原菌激增而引發(fā)嚴(yán)重的土傳病害[11 - 13 ]。

土壤熏蒸是防治植物土傳病害的重要措施。然而由于熏蒸劑的廣譜性，在殺死有害微生物的同時(shí)，也會(huì)殺死土壤中有益微生物，因此在土壤熏蒸后通常需要添加微生物有機(jī)肥或其他有助于微生物群落恢復(fù)的物質(zhì)，使土壤微生態(tài)得以修復(fù)，這就增加了投入成本。常用的土壤熏蒸劑溴甲烷還會(huì)損害臭氧層，因此土壤熏蒸逐步被淘汰[14 - 15 ]。間作是增加農(nóng)業(yè)生物多樣性的有效措施，利用作物間作減輕連作自毒作用引發(fā)的土傳病害已在多種間作體系得到證實(shí)。蘇世鳴等[16 ]研究發(fā)現(xiàn)，西瓜與水稻間作使西瓜幼苗的鮮重和株高分別提高了186.0%和80.5%，且降低了西瓜枯萎病的發(fā)病率。小麥與黃瓜間作、毛苕子與黃瓜間作、三葉草與黃瓜間作均降低了黃瓜角斑病、白粉病、霜霉病以及枯萎病的病情指數(shù)，提高了黃瓜產(chǎn)量。韭菜的水浸提液對(duì)尖孢鐮刀菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑菌作用，減輕了香蕉枯萎病的發(fā)生，為韭菜和香蕉間作控制香蕉枯萎病提供了理論依據(jù)。董艷等[17 - 18 ]研究發(fā)現(xiàn)，小麥與蠶豆間作可減輕酚酸物質(zhì)引起的枯萎病危害，促進(jìn)蠶豆生長(zhǎng)，是緩解自毒效應(yīng)的有效措施，但因小麥生產(chǎn)效益偏低，且間作耗時(shí)較長(zhǎng)，故在實(shí)際生產(chǎn)中不易推廣。因此，尋求安全有效地緩解和克服蠶豆連作障礙的措施非常重要。

生物炭是將秸稈、木材、畜禽糞便等生物質(zhì)原料，在部分或完全缺氧條件下，通過(guò)高溫?zé)峤猓? 700 ℃）生成的一類(lèi)穩(wěn)定的、紋理細(xì)膩的富含碳的多孔狀材料。生物炭起源于亞馬遜河流域“印第安黑土”的發(fā)現(xiàn)，這種“黑土”含有大量的營(yíng)養(yǎng)元素，如N、P、K、Ca等，且有機(jī)質(zhì)含量高[19 ]。生物炭由于廉價(jià)易得、環(huán)境友好而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

1? ?生物炭的概念和性質(zhì)

生物炭是生物質(zhì)在有限供氧的密閉環(huán)境中于相對(duì)較低的溫度條件下（<700 ℃）熱解生成的一類(lèi)富含碳素（C%≥60%）、性質(zhì)穩(wěn)定、具有不同程度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[20 ]。與傳統(tǒng)木炭不同，“生物炭”強(qiáng)調(diào)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的功能與應(yīng)用[20 - 22 ]。

由于具有芳環(huán)化的大分子結(jié)構(gòu)，生物炭在土壤中具有較高惰性和抗降解性[23 - 27 ]。根據(jù)14C標(biāo)記試驗(yàn)估算，生物炭在土壤中的平均存留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)2 000 a，半衰期約為? ? 1 400 a[23 ]。不僅如此，生物炭通常具有較為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，這使生物炭能夠有效提高土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）和持水性，減少礦質(zhì)元素流失，提高礦質(zhì)元素利用效率，對(duì)農(nóng)田N、P流失引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要控制作用[28 - 33 ]。另外，由于含有大量礦質(zhì)灰分（以K、Ca、Na、Mg為主）[34 ]和豐富的離域π電子[35 ]，生物炭大多呈堿性（pH > 7），且隨熱解溫度的升高堿性增強(qiáng)。

2? ?生物炭對(duì)土壤肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響效應(yīng)與產(chǎn)生機(jī)制

將農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)通過(guò)熱解炭化技術(shù)制備為生物炭并作為土壤改良劑施入農(nóng)田，對(duì)于改善耕作土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性、增加土壤肥力、修復(fù)土壤污染、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用[36 ]。

2.1? ?生物炭對(duì)土壤水分的影響及其機(jī)制

生物炭施入農(nóng)田后在不同程度上有利于增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，從而提高土壤田間持水量和有效水含 量[37 - 39 ]，這對(duì)于增加作物根系對(duì)土壤水分和水溶性礦質(zhì)養(yǎng)分的利用效率具有重要意義。勾芒芒等[40 ]在每千克砂壤土中分別施入10～60 g花生殼炭，發(fā)現(xiàn)土壤毛管持水量增加至對(duì)照樣的1.2～1.7倍，表明生物炭在一定施用量范圍內(nèi)能夠通過(guò)增加土壤毛管持水量而提高土壤有效水含量。田丹等[41 ]將秸稈炭和花生殼炭分別按5%、10%和15%添加比例施入砂土和粉砂壤土中進(jìn)行水平土柱試驗(yàn)，結(jié)果顯示，兩類(lèi)生物炭處理分別使土壤水分?jǐn)U散率降低了52%～89%和83%～ 96%，從而顯著提高了兩類(lèi)土壤的持水能力并有效控制水分入滲。

2.2? ?生物炭對(duì)土壤礦質(zhì)養(yǎng)分生物有效性的影響

由于含有高濃度礦質(zhì)元素、豐富的表面官能團(tuán)以及較高的CEC值，生物炭在農(nóng)業(yè)土壤中的施用將會(huì)在不同程度上提高土壤養(yǎng)分的生物有效性。首先，生物炭灰分中含有的水溶性礦質(zhì)元素能直接提高耕作土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素總量和作物可利用態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素的含量[42 ]。田間微區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈炭和竹炭的加入使稻田土壤速效磷含量分別增加了33.5%和29.3%，速效鉀分別增加了98.5%和54.8%[43 ]。其次，生物炭能通過(guò)其表面酸性官能團(tuán)和金屬氧化物羥基化表面對(duì)礦質(zhì)陽(yáng)離子產(chǎn)生吸附與持留作用，從而有利于提高耕作土壤CEC值，減少營(yíng)養(yǎng)元素的淋溶損失[44 - 47 ]。在土柱模擬降雨試驗(yàn)中，生物炭（2%添加比例）與N/P混施處理使N淋失量降至單施N處理的57.9%[48 ]。類(lèi)似地，李際會(huì)等[49 ]在土壤中按2.5%～10.0%的比例添加Fe（III）改性生物炭，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比，硝態(tài)氮和有效磷的淋失量分別顯著降低20%～ 59%和45%～75%，表明生物炭能夠有效降低土壤N、P的淋失量。第三，生物炭在土壤中持續(xù)發(fā)生的緩慢氧化反應(yīng)能夠通過(guò)生物炭表面含氧官能團(tuán)的不斷生成而提高土壤CEC值，從而對(duì)耕作土壤的可持續(xù)生產(chǎn)力產(chǎn)生調(diào)控效應(yīng)。由刺槐樹(shù)皮所制備的生物炭在30 ℃條件下與石英砂混合共育120 d后，其CEC值由起始140 mmol/kg升高至214 mmol/kg[50 ]。Laird等[51 ]研究發(fā)現(xiàn)，木基生物炭以5～20 g/kg的比例施入中溫性典型濕潤(rùn)軟土（Mesic Typic Hapludolls）中，共育500 d后，土壤有效陽(yáng)離子交換量（ECEC）值較對(duì)照增加了4%～30%。

2.3? ?生物炭對(duì)酸化土壤的改良效應(yīng)

自20世紀(jì)80年代至2008年，由于銨態(tài)氮肥的大量施用及酸雨沉降，導(dǎo)致我國(guó)六大類(lèi)農(nóng)業(yè)土壤pH平均降幅達(dá)到0.13～0.80[52 ]，這是我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤肥力質(zhì)量快速退化的重要指征;同時(shí)，大量H+在土壤中的富集將加劇其中重金屬水溶性、遷移性和作物有效性的升高。而生物質(zhì)熱解過(guò)程中產(chǎn)生的大量無(wú)機(jī)灰分使生物炭對(duì)于酸化土壤改良具有重要價(jià)值。張祥等[53 ]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，花生殼炭（1%～2%）與底肥（改良Hoagland和Arnon肥料配方）配施可緩解或消除單施化肥對(duì)酸性紅壤的酸化效應(yīng)，單施底肥土壤在共育270 d后pH較對(duì)照降低了0.87，而底肥+ 1%生物炭混合處理土壤pH僅降低了0.21，底肥+ 2%生物炭混合處理土壤pH則提高了0.65。類(lèi)似的，Yuan等[54 ]將不同原料制備的生物炭以10 g/kg的比例施入土壤，在25 ℃下共育60 d，發(fā)現(xiàn)在以油菜、稻草、玉米等非豆科作物秸稈為前體制備的生物炭處理下，土壤pH增加了0.18～0.66;而在以綠豆、花生、大豆等豆科作物莖葉為基質(zhì)制備的生物炭處理下，土壤pH增加了0.59～1.05。與此同時(shí)，綠豆莖葉基生物炭使土壤的交換性酸度由5.95 cmol/kg（對(duì)照樣）降低至2.62 cmol/kg，鹽基飽和度較對(duì)照則增加了30.62%。

2.4? ?生物炭對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

生物炭較為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、對(duì)水肥的持留作用及其對(duì)土壤酸度的緩沖效應(yīng)將直接影響土壤微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、種群數(shù)量和活性產(chǎn)生調(diào)控作用[55 - 58 ]。Sun等[59 ]將玉米秸稈基生物炭（含5%黏土）按10%比例施入土壤中，進(jìn)行室內(nèi)盆栽大豆試驗(yàn)，30、60、120 d后分別收集土樣，發(fā)現(xiàn)土壤中施加生物炭后會(huì)培育出更多真菌，并且會(huì)刺激周?chē)?xì)菌的生長(zhǎng)，但是菌群數(shù)量的變化并不是一直升高：加入生物炭的土樣真菌含量在前60 d不斷升高，而從第120 d開(kāi)始出現(xiàn)下降。Chen等[60 ]將小麥秸稈基生物炭以20、40 t/hm2施入水稻田中，在種植了兩季水稻之后采集土樣，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌16S rRNA基因拷貝數(shù)分別較對(duì)照增加了28%和64%，而真菌18S rRNA基因拷貝數(shù)分別較對(duì)照降低了35%和46%。另外，在40 t/hm2生物炭處理的稻田土壤中，嗜甲基菌（Methylophilaceae）和嗜氫菌（Hydrogenophilaceae）豐度較對(duì)照降低了70%，而厭氧繩菌（Anaerolineae）較對(duì)照則增加了45%。以上研究表明，生物炭施入農(nóng)田后極有可能改變土壤各類(lèi)微生物數(shù)量、活性和群落組成，從而對(duì)土壤中由微生物驅(qū)動(dòng)的C、N、P等礦質(zhì)元素循環(huán)和形態(tài)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，最終使耕作土壤肥力質(zhì)量和功能發(fā)生改變。

2.5? ?生物炭對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

生物炭對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物特性的改變將最終影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。研究表明，生物炭在農(nóng)業(yè)土壤中的施用有利于提高多種作物產(chǎn)量，包括青菜、水稻、小麥、糜子、玉米、番茄、胡椒等。Steiner等[61 ]在亞馬遜河流域進(jìn)行田間試驗(yàn)，將木炭以11 t/hm2的比例與肥料混合施入土壤，發(fā)現(xiàn)該處理可使水稻和高梁產(chǎn)量提高到單施肥料的2倍;同時(shí)，該處理土壤中的C流失率僅為8%，遠(yuǎn)低于對(duì)照樣土壤（25%）。張偉明等[62 ]采用盆栽試驗(yàn)，將玉米秸稈基生物炭以1%、2%和4%施入砂壤土中種植水稻，培育90 d后，各生物炭處理使水稻平均增產(chǎn)25.3%，其中以2%生物炭處理下的水稻產(chǎn)量最高，較對(duì)照提高了33.2%;與此同時(shí)，生物炭共育使水稻根系體積、鮮質(zhì)量、總吸收面積和活躍吸收面積顯著增加。張娜等[63 ]的研究表明，添加生物炭能夠有效地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。勾茫茫等[40 ]研究表明，生物炭能夠促進(jìn)番茄根系的發(fā)育和產(chǎn)量的提高，在添加量為40 g/kg土條件下，番茄根系主根長(zhǎng)、主根直徑、總根系鮮質(zhì)量和產(chǎn)量分別是對(duì)照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。劉阿梅等[64 ]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加量為10%時(shí)可明顯促進(jìn)圓蘿卜和小青菜的生長(zhǎng)發(fā)育，提高鮮重。

2.6? ?生物炭對(duì)土壤中有機(jī)污染物的吸附

生物炭的添加可影響有機(jī)污染物在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，降低污染物的生物有效性。余向陽(yáng)等[65 ]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭的農(nóng)田土壤，對(duì)農(nóng)藥的吸附量提高了5～125倍，且吸附56 d后的農(nóng)藥解吸率降低了96%。在土壤中添加5%生物炭對(duì)莠去津、乙草胺、毒死蜱等產(chǎn)生明顯的吸附作用，添加1%生物炭處理的土壤六氯苯、五氯苯和1，2，3，4-四氯苯的殘留率分別顯著高于對(duì)照29.9%、18.0%、5.2%。

2.7? ?生物炭對(duì)連作土壤的影響

程效義等[66 ]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭有利于改良連作設(shè)施土壤，促進(jìn)黃瓜根系發(fā)育。顧美英等[67 ]研究表明，施用生物炭能提高新疆灰漠土和風(fēng)沙土連作棉田根際土壤養(yǎng)分和微生物多樣性。王枚等[68 ]的研究表明，施用生物炭能減少蘋(píng)果連作土壤中有害酚酸類(lèi)物質(zhì)的積累，增強(qiáng)土壤酶活性，優(yōu)化土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，提高連作條件下蘋(píng)果幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)緩解蘋(píng)果連作障礙有一定的效果。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

生物炭獨(dú)特的理化特性使其在穩(wěn)定固碳的同時(shí)能夠有效提高土壤持水保肥能力，有利于提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素利用效率，進(jìn)而減少N、P外源輸入與徑流損失，并能對(duì)有機(jī)污染物產(chǎn)生吸附作用，改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。在設(shè)施土壤、果樹(shù)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)作物連作土壤上施用生物炭均有改善連作障礙的效果。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)生物炭在土壤連作障礙治理及其可持續(xù)性利用方面的研究。

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（本文責(zé)編：鄭丹丹）