生物炭對土壤理化特性及作物產量的影響

何振嘉

[摘要]生物炭是指秸稈、木屑以及動物糞便等生物質在低氧或缺氧環(huán)境下通過高溫熱解而產生的含碳量豐富且性質穩(wěn)定的有機物，由于其具有孔隙度大、密度小、比表面積大、吸附能力強、與土壤中離子交換能力強以及含碳量高等特點和優(yōu)勢，因此具有廣泛的利用途徑。生物炭對土壤理化特性的調節(jié)具有顯著的影響，對土壤微生物生多樣性和豐富度也有顯著的促進作用，且有助于作物生長和產量的提高。因此，本文圍繞生物炭施加對土壤理化特性、土壤微生物以及作物生長和產量的影響進行研究，以期豐富生物炭的利用途徑，為生物炭的應用和推廣提供一些思路。

[關鍵詞]生物炭;土壤理化特性;土壤養(yǎng)分;作物產量

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

土壤是作物生長和微生物進行物質分解、交換的重要場所，是保障糧食生產和糧食安全的重要保障[1-2]。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境不斷受到污染，以及對耕地保護不重視、保護措施不到位，我國耕地的土壤質量不斷下降。對此，我國通過大量的工程舉措和農田管理行為來優(yōu)化土壤質量，但取得的效果并不顯著[3-5]。在長時間人類活動下，伴隨化工污染、農業(yè)生產等行為產生各類重金屬、固體廢棄物、生活垃圾、廢水廢氣以及農藥化肥殘留物，通過降雨淋溶、沖刷等作用進入土壤和大氣中，通過生態(tài)循環(huán)系統引發(fā)嚴重的土壤污染。由于土壤理化特性以及生物學特性會受到土壤污染物的影響，甚至部分污染物造成的土壤污染是永久性且不可逆的。相關學者通過大量的研究發(fā)現，生物炭施用對土壤理化特性的調節(jié)具有顯著影響，且有助于作物生長和產量的提高[6-8]。生物炭是指秸稈、木屑以及動物糞便等生物質在低氧或缺氧環(huán)境下通過高溫熱解產生的含碳量豐富且性質穩(wěn)定的有機物[9-11]。生物炭含碳量一般可達到40%～75%，且含有少量礦物質，整體偏堿性，穩(wěn)定性較強[12]。生物炭由于孔隙度大、密度小、比表面積大、吸附能力強、與土壤中離子交換能力強，還具有含碳量高等特點和優(yōu)勢，在眾多領域都有廣泛的應用[13-14]。

1 生物炭對土壤理化特性的影響

大量研究表明，生物炭對土壤物理和化學性質具有明顯的改良作用，張功臣等[15]使用小麥秸稈生物炭對連作土壤理化特性的影響進行了研究，結果表明，生物炭施加對提高作物全氮含量、全鉀含量、速效氮和速效鉀含量效果顯著，但對于全磷含量和速效磷含量的影響不顯著。張曼玉等[16]通過對石漠化土壤施加生物炭的研究發(fā)現，生物炭施加量對土壤總孔隙率、毛管孔隙率、土壤含水率、飽和含水率、土壤有機質以及土壤養(yǎng)分含量的變化呈顯著正相關關系，而與土壤容重變化呈負相關關系。單瑞峰等[17]研究了不同生物炭原料對土壤持水性的影響，結果表明，灰分含量越大，各不同原料制備的生物炭pH值也越大，由雞糞制備的生物炭對土壤養(yǎng)分的提高和土壤持水性能的改善效果最佳。王芬等[18]針對生物炭和牛糞混施對土壤理化特性的影響進行研究，發(fā)現不同比例的生物炭和牛糞混施用均可增加土壤有機質和土壤養(yǎng)分含量，對土壤理化特性的改善均有顯著效果，而50%牛糞和50%生物炭混施對土壤理化性質的改善效果最好，且能顯著促進土壤對氮素的吸收和利用效果。劉會等[19]以紅富士和平邑甜茶制備的生物炭材料為試供肥料，研究了其對蘋果園土壤理化特性和養(yǎng)分狀況的影響，結果表明，生物炭用量的增加，可顯著降低土壤pH值，顯著增加土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，同時能夠提高氮肥的利用效率。

2 生物炭對土壤微生物的影響

土壤微生物通過參與土壤有機質分解、腐殖質合成、養(yǎng)分轉化等，能夠對作物的生長發(fā)育產生顯著的影響，而土壤中微生物群落種類和數量情況，往往可以作為評定土壤質量的一項重要標準。通過合理的田間管理以及施肥措施，能夠改善微生物生存和活動環(huán)境。而眾多學者通過研究發(fā)現，對土壤施加生物炭，也能顯著促進土壤中微生物活性的提高，保持良性發(fā)展。藍興福等[20]通過對稻田土壤施加生物炭和爐渣混合物研究其對土壤微生物的影響，結果表明，生物炭和爐渣混施雖然在一定程度上提高了土壤中微生物數量，但并未達到顯著性水平，而有機碳可以顯著提高土壤中細菌數量。于小彥等[21]研究了生物炭添加對不同水分條件下土壤微生物群落結構的影響，結果表明，生物炭的添加會降低土壤微生物磷脂脂肪酸量，且會通過改變土壤理化性質而影響土壤微生物群落結構。土壤水分含量對微生物群落結構和生長有重要影響，在土壤水分含量為75%田間持水量的條件下，生物炭的添加會促進微生物生長，當超過75%田間持水量時，生物炭會對大多數微生物的生長產生抑制作用。

盧曉蓉等[22]研究了不同杉木凋落物生物炭添加量條件下對土壤微生物群落結構的影響，結構表明，生物炭施用可使土壤中的微生物總磷脂脂肪酸、細菌、真菌含量增加，且與施加量呈顯著的正相關關系。3%生物炭添加量條件下，真菌、叢枝菌根真菌、放線菌、革蘭氏陽性細菌以及革蘭氏陰性細菌含量均達到最大值。張晟等[23]利用水稻秸稈制備的生物炭對土壤微生物群落結構的影響進行研究，結果表明，生物炭施加可降低CH4和N2O排放量，優(yōu)化土壤微生物群落結構，但對CO2含量排放的抑制效果并不顯著，當制備溫度達到500℃時，生物炭抑制溫室氣體的排放效果最佳。張夢陽等[24]研究了生物炭添加對土壤細菌以及氨化微生物的影響，結果表明，施用生物炭后，黃棕土壤的微生物豐富度以及多樣性均有顯著提高，對于潮土而言，僅提高了其多樣性指數，而對黑土并未起到顯著影響。

3 生物炭對作物生長和產量的影響

土壤質量對作物健康生長和產量的提高具有決定性作用，因而通過各類措施提高土壤質量也是當前研究的一個熱點問題。

現階段，提高土壤質量的主要方式是土地翻耕以及化肥施用，但由于部分農戶對肥料特性的了解不全面，對作物需肥特點的了解不徹底，化肥的施用往往會引發(fā)嚴重的污染問題，反而導致作物產量下降?；诖耍罅繉W者圍繞生物炭添加對作物生長和產量的促進作用進行研究，并取得了顯著成果。?？档萚25]研究了添加生物體對小麥生長的影響，結果表明，生物炭添加可通過減少土壤中鈉離子促進小麥幼苗生長，在增施生物炭量為4g/kg時，土壤鈉離子量降低了9.43%，小麥幼苗的鉀鈉比和鉀素利用效率分別提高了56.80%和25.48%，麥苗生物量增加了15.72%。宋婷婷等[26]研究了添加生物炭對小麥和黃瓜生長的影響，結果表明，生物炭添加雖然對黃瓜和小麥種子的發(fā)芽率具有顯著的促進作用，但當生物炭添加量超過160g/kg時，會對小麥和黃瓜根、莖的生長產生抑制作用。南江寬等[27]研究了不同水分條件下秸稈生物炭對高粱生長的影響，結果表明，0.5%秸稈生物炭對增加高粱生物量具有顯著的促進作用，而生物炭含量超過1%，時則會對高粱株高生長產生阻礙作用。孫海妮等[28]對冬小麥施加生物炭，研究了對其產量的影響，結果表明，小麥的水分利用效率和產量隨生物炭施用量的增加表現為先增加后減少的變化，當生物炭量為30t/hm2時，小麥產量最大為18.1kg/hm2。房彬等[29]通過添加不同比例的生物炭研究了其對玉米生長和產量的影響，結果表明，生物炭添加使玉米籽實提高了7.6%～20.3%，玉米根莖葉生物量較不添加生物炭提高8.6%～46.8%。張云舒等[30]研究了風沙土添加生物炭對玉米產量的影響，結果表明，添加生物炭有利于改善風沙土的土壤養(yǎng)分和土壤肥力，生物炭施用玉米產量提高了10.2%～42.1%。

徐綺雯等[31]研究了不同梯度生物炭施加對油菜產量和品質的影響，結果表明，生物炭與化肥聯合施用可顯著改善土壤肥力狀況，提升土壤微生物活性，促進微生物對碳源的利用程度和油菜增產和籽粒品質的改良。雷蕾等[32]研究了生物炭施加后控制灌排對水稻生長發(fā)育及產量的影響，研究發(fā)現，生物炭添加可顯著提高水稻株高，縮短水稻節(jié)間長度、增大莖壁厚度及節(jié)間外徑，并顯著提高水稻的抗倒伏能力。董飛等[33]探討生物炭施用量在不同澆水條件下對冬小麥的增產效果，結果表明，不灌溉條件下，小麥產量及水分利用效率隨生物炭施用量增加先增加后減少，且能顯著提高作物返青期土壤溫度。

4 結 論

土壤污染是引起耕地質量下降的重要因素，嚴重的土壤污染會造成土地無法耕種，出現大量作物減產、絕收，甚至耕地撂荒現象，對我國糧食生產和糧食安全產生巨大威脅。將生物炭施加于土壤中，能顯著調節(jié)土壤理化特性和改善微生物環(huán)境，有利于作物生長和產量的提高，具有廣闊的應用前景。因此，本文通過研究生物炭施加對土壤理化特性、土壤微生物以及作物生長和產量的影響，以期為豐富生物炭利用途徑以及為生物炭的應用和推廣提供一定借鑒。 因此，利用生物炭進行土壤中重金屬物質修復方面的應用同樣具有廣闊前景。

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