生物炭施用對(duì)土壤中蚯蚓的影響※

●吳 玲 張孟豪 鐘鶴森 侯舒雨 林曉欽 Cevin Tibihenda 戴 軍 張 池※※

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣東 廣州 510642；2.國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)京誠(chéng)檢測(cè)有限公司 廣東 廣州 511400）

蚯蚓作為土壤中生物量最大的土壤動(dòng)物，被認(rèn)為是“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-2]。蚯蚓能夠通過(guò)取食、掘穴和排泄分泌行為，將地上部有機(jī)物質(zhì)與土壤混合，改變土壤孔隙率、空氣和養(yǎng)分含量等性質(zhì)，整體改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，提高土壤質(zhì)量，促進(jìn)土壤生物多樣性，有助于地上部植物的生長(zhǎng)[1-4]。因此，蚯蚓長(zhǎng)期以來(lái)被作為表征土壤健康的重要指標(biāo)[5-6]。另外，蚯蚓作為一系列哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類、爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的食物來(lái)源，是食物鏈的組成部分，其自身的改變也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[7]。

生物炭是生物質(zhì)材料在缺氧狀態(tài)下熱解形成的細(xì)粒度、多孔性的固體殘留，其主要成分是難分解的芳香族有機(jī)碳、灰分[8]。由于其不易分解的特性，制備生物炭被認(rèn)為是一種增加土壤碳封存以應(yīng)對(duì)全球氣候變化的技術(shù)。同時(shí)，生物炭擁有大比表面積和高孔隙率，具有極強(qiáng)的吸附效應(yīng)，已廣泛用于重金屬和有機(jī)污染土壤的修復(fù)中[9]。此外，生物炭含有大量灰分，被視為一種養(yǎng)分補(bǔ)充劑，施用于農(nóng)田中能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)[10]。生物炭的制備作為一種良好的有機(jī)廢棄物處理手段，施用到土壤中能夠影響土壤物理和化學(xué)特性，改善土壤質(zhì)量，提高土壤碳封存，調(diào)節(jié)氣候變化[11-12]。生物炭在碳封存、提高土壤肥力和土壤污染修復(fù)中意義重大且效果良好，但有報(bào)道顯示土壤中施用生物炭會(huì)對(duì)蚯蚓造成傷害[13-19]。

蚯蚓作為生物量最大的土壤動(dòng)物，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)意義重大，且蚯蚓受到的影響可以通過(guò)食物鏈傳遞到其他物種并最終波及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。然而，生物炭對(duì)蚯蚓的影響研究十分有限。本文從蚯蚓的生態(tài)特征、生物炭的特征及對(duì)土壤的作用等方面對(duì)現(xiàn)今的研究成果進(jìn)行綜述，以期為未來(lái)的研究方向提供建議。

1 蚯蚓

蚯蚓依據(jù)生態(tài)類型可分為表?xiàng)?、?nèi)棲型和深棲型。表?xiàng)万球驹诘孛婧?～5 cm的淺土層活動(dòng)，主要取食地面凋落物，吞食少量表層土壤；內(nèi)棲型蚯蚓在0～20 cm的土層活動(dòng)，取食有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤顆粒；深棲型蚯蚓在更深的土層中活動(dòng)，取食地面凋落物的同時(shí)吞食大量土壤形成縱深孔道[1-3]。不同種類的蚯蚓雖然生態(tài)類型不同，但存在相似的特征。蚯蚓都會(huì)取食有機(jī)質(zhì)和微生物含量豐富的土壤，且大多數(shù)蚯蚓都在土壤中棲息。因此土壤環(huán)境的改變也會(huì)影響到蚯蚓的生存。土壤密度、含水量、pH值和污染物含量等土壤特性的變化會(huì)顯著影響蚯蚓的生存生長(zhǎng)和繁殖，進(jìn)而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈造成一系列影響[7]。

2 生物炭

生物炭由生物質(zhì)材料在缺氧條件下高溫?zé)峤猱a(chǎn)生，秸稈、畜禽糞便和污泥等有機(jī)廢棄物都可作為原材料進(jìn)行生物炭燒制[20-21]。從這個(gè)角度講，燒制生物炭可以作為一種有機(jī)廢棄物處理手段，使廢棄物減量化和資源化[22]。生物質(zhì)材料在高溫缺氧條件下持續(xù)數(shù)小時(shí)，最終得到多孔性的顆粒狀黑炭，其主要成分是大量難分解的芳香族有機(jī)碳、少量易分解的有機(jī)碳和礦質(zhì)養(yǎng)分[23]。生物炭有機(jī)碳豐富、疏松多孔且礦質(zhì)養(yǎng)分豐富的特性，使其能夠同時(shí)兼顧土壤固碳和土壤理化性質(zhì)的改良。影響生物炭特性的主要因素有熱解溫度和材料來(lái)源等。生物炭特性不同，對(duì)土壤產(chǎn)生的影響也不盡相同[24]。

2.1 原料來(lái)源

生物炭原料來(lái)源廣泛，農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、食品加工廢棄物和園林廢棄物都可作為原料制備生物炭[25]。不同原料來(lái)源的生物炭性質(zhì)差異顯著。

不同原料制備的生物炭，碳、氫含量不同。碳含量介于31.8%～90.1%，整體呈現(xiàn)為木材生物炭＞果皮生物炭＞甘蔗渣生物炭＞干藻生物炭＞芒草生物炭＞沙蒿生物炭＞秸稈生物炭＞畜禽糞便生物炭[26-28]。氫含量介于0.25%～36%，畜禽糞便生物炭的氫含量顯著高于秸稈生物炭和木材植物炭等生物炭[26，29-30]。生物炭的摩爾氫碳比表征碳的芳香化程度，摩爾氫碳比值越低，芳香化程度越高，越難分解。生物炭摩爾氫碳比（H/C）介于0.036～9.619，不同原料來(lái)源生物炭摩爾氫碳比（H /C） 整體呈現(xiàn)為食品加工廢棄物生物炭＜木材生物炭＜秸稈生物炭＜畜禽糞便生物炭，在土壤中的難分解程度整體呈現(xiàn)為食品加工廢棄物生物炭＞木材生物炭＞秸稈生物炭＞畜禽糞便生物炭[26，29-30]。

不同原料制備的生物炭灰分含量介于2.8%～27.6%，其中秸稈生物炭灰分含量高于木炭數(shù)倍。灰分含量與氧化硅成分密切相關(guān)，并影響生物炭疏水性及化學(xué)持留性?；曳趾吭礁撸瑢?duì)土壤鹽分含量提高越明顯，可能對(duì)土壤產(chǎn)生不良影響，秸稈生物炭對(duì)土壤鹽分含量的提高顯著強(qiáng)于木材生物炭[26，29-32]。

生物炭一般為堿性，堿性來(lái)源主要為原料所含的鉀鹽和鈣鹽，生物炭表面的硅酸鹽、碳酸鹽、酚基、羧基和羥基。生物炭堿性過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤pH劇烈提升，不同原料制備的生物炭對(duì)土壤pH的改變整體呈現(xiàn)為秸稈生物炭＞畜禽糞便生物炭＞木炭[26，29-30]。

不同原料來(lái)源的生物炭的比表面積也差異巨大，導(dǎo)致其在土壤中的吸附能力也不盡相同，其中木材生物炭比表面積和吸附能力都高于秸稈生物炭[26，33-34]。除此以外，原料來(lái)源不同導(dǎo)致生物炭中氮、磷、鉀、鈣等元素含量也有所不同。原料來(lái)源顯著影響生物炭的產(chǎn)率，灰分，碳、氮、磷、鉀、鈣含量，酸性堿性官能團(tuán)數(shù)量，芳香化結(jié)構(gòu)，孔隙度及比表面積等理化性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤環(huán)境造成不同的影響。

2.2 熱解溫度

熱解溫度顯著影響生物炭產(chǎn)率和理化性質(zhì)。Novak等[35]使用花生殼、核桃殼和柳枝在250～700℃的溫度下生產(chǎn)生物炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)更高的熱解溫度導(dǎo)致更低的生物炭質(zhì)量回收、更大的比表面積、更高的pH和灰分含量。在較高的熱解溫度下，揮發(fā)性化合物散失也導(dǎo)致生物炭具有較高的碳百分比和較低的氫和氧含量。Yuan等[36]研究了油菜、玉米、大豆和花生秸稈在不同溫度（300℃、500℃和700℃）生物炭的堿形態(tài)，生物炭的堿度和 pH 值隨著熱解溫度的升高而增加，碳酸鹽是高溫生成的生物炭的主要堿性成分。王煌平等[37]以雞糞、豬糞渣和牛糞為原料，在350～750℃條件下制備生物炭，隨著溫度提高，生物炭灰分、pH電導(dǎo)率、鹽分和全量磷鉀含量逐步上升，產(chǎn)炭率下降。劉杰等[38]使用稻殼和棉花秸稈在不同溫度下燒制生物炭，熱解溫度越高，對(duì)Pb2+的吸附效果越好。馬潔晨等[39]以龍蝦殼為原料，在300～600℃條件下制備龍蝦殼生物炭，隨著溫度升高，生物炭產(chǎn)率下降、pH提高、孔徑增大、芳香性提高、灰分含量提高。閆代紅等[40]以稻稈和杉木凋落物為原料，在不同溫度下制備生物炭，隨著熱解溫度的升高，生物炭pH上升顯著，高溫制備的生物炭芳香化程度升高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

整體而言，不同熱解溫度制備的生物炭組分和理化性質(zhì)差異巨大。組分方面，隨著熱解溫度上升，生物炭芳香族碳含量提升，在土壤中被分解更加難；灰分含量提高，進(jìn)而導(dǎo)致土壤鹽分含量提高。物理性質(zhì)方面，生物炭微孔體積、孔隙度、比表面積等隨著溫度上升變大，其在土壤中的吸附能力增強(qiáng)?；瘜W(xué)性質(zhì)方面，隨著熱解溫度上升，生物炭酸性官能團(tuán)減少，堿性官能團(tuán)增加，導(dǎo)致生物炭pH持續(xù)上升呈堿性，將其施用到土壤中會(huì)導(dǎo)致土壤pH劇烈提高。

3 土壤施用生物炭對(duì)蚯蚓的影響

3.1 直接影響

生物炭的主要成分——芳香族碳和灰分無(wú)法成為蚯蚓的食物來(lái)源，而蚯蚓在土壤中的取食和掘穴行為會(huì)被動(dòng)接觸和攝入生物炭進(jìn)而造成物理?yè)p害，造成短期內(nèi)蚯蚓的快速死亡[14]。然而有研究結(jié)果顯示，濕潤(rùn)的生物炭能夠避免蚯蚓的死亡，只使其減重。Li等[41]接種蚯蚓到混有蘋(píng)果木生物炭的土壤中進(jìn)行回避試驗(yàn)、生長(zhǎng)和繁殖試驗(yàn)及氧化應(yīng)激試驗(yàn)，以評(píng)估蘋(píng)果木生物炭改良土壤的潛在毒性，結(jié)果表明水分不足可能是生物炭影響土壤中蚯蚓行為的關(guān)鍵因素。土壤中施用生物炭后立即濕潤(rùn)能夠有效避免生物炭導(dǎo)致的蚯蚓快速死亡，而只使其減重[14]。

不同材料來(lái)源和熱解溫度制備的生物炭對(duì)蚯蚓的影響也不相同。材料來(lái)源不同，制備的生物炭性質(zhì)不同。Liesch等[42]發(fā)現(xiàn)畜禽糞便制備的生物炭因pH、含鹽量、含銨量過(guò)高會(huì)對(duì)蚯蚓造成毒害，甚至是死亡，而以松木為原料制成的生物炭對(duì)蚯蚓未產(chǎn)生顯著的毒害作用。隨著熱解溫度升高，生物炭易分解碳含量逐漸降低，芳香族碳和灰分含量提高，在土壤中會(huì)對(duì)蚯蚓產(chǎn)生更強(qiáng)的毒性。唐行燦[43]發(fā)現(xiàn)700℃條件下制備的玉米秸稈生物炭對(duì)蚯蚓的毒性強(qiáng)于350℃ 生物炭。生物炭擁有大比表面積和高孔隙率，具有極強(qiáng)的吸附效應(yīng)，能夠吸附土壤有機(jī)污染物和重金屬。蚯蚓攝入生物炭的同時(shí)土壤污染物也進(jìn)入蚯蚓體內(nèi)，對(duì)蚯蚓產(chǎn)生更強(qiáng)的毒害。

值得一提的是，也有研究結(jié)果顯示蚯蚓取食生物炭并未直接造成傷害。Ferreira等[44]接種南美岸蚓到不同堅(jiān)果殼生物炭添加量（0、2.5%、5%、10%）的土壤中，培養(yǎng)28 d后蚯蚓存活率和體重并未顯著下降，且在蚓糞中存在生物炭顆粒，表明蚯蚓攝入了生物炭并使其發(fā)生物理分解和化學(xué)變化。不同種類的蚯蚓對(duì)生物炭的反應(yīng)可能不同，因此不同種類蚯蚓的生物炭毒理學(xué)研究仍需進(jìn)行。

3.2 間接影響

蚯蚓不會(huì)取食生物炭，在土壤中會(huì)避開(kāi)生物炭含量較高的區(qū)域。Topoliantz 和Ponge[45]接種南美岸蚓到一半混有60%生物炭、另一半空白的土壤中，培養(yǎng)14 d后發(fā)現(xiàn)混有生物炭+土壤一側(cè)的土壤中蚯蚓掘穴形成的孔道和蚓糞數(shù)量極少，空白土壤一側(cè)的土壤孔道和蚓糞數(shù)量是前者的數(shù)十倍，該結(jié)果表明蚯蚓可能不喜歡混有生物炭的土壤。同時(shí)，在生物炭+土壤一側(cè)未觀察到取食孔，所有的取食孔都只存在于對(duì)照土壤中。這一觀察結(jié)果，加上蚓糞產(chǎn)量的差異，表明蚯蚓不會(huì)主動(dòng)攝入生物炭作為食物來(lái)源，會(huì)推開(kāi)或避開(kāi)有生物炭的土壤。一定程度上，生物炭施用到土壤中會(huì)壓縮蚯蚓的生存空間。不僅如此，生物炭疏松多孔的特性，使其可以作為微生物良好的棲息地，大量土壤微生物定植在生物炭的孔徑中，進(jìn)而減少蚯蚓的食物來(lái)源。值得一提的是，Topoliantz和Ponge的研究采用了60%的生物炭添加量，生產(chǎn)實(shí)踐中較低的添加量可能不會(huì)產(chǎn)生如此巨大的差異。

生物炭通過(guò)改變土壤pH對(duì)蚯蚓產(chǎn)生影響。生物炭多為堿性，Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子含量較高，在土壤中會(huì)交換H+和Al3+，顯著提高土壤pH使土壤呈堿性。而大多數(shù)蚯蚓都存活在中性和微酸性土壤條件下，pH迅速提高至堿性會(huì)對(duì)蚯蚓的生存、生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生不利影響，尤其是土壤pH提高至8以上時(shí)，大多數(shù)蚯蚓無(wú)法生存[19，46]。

生物炭通過(guò)改變土壤污染物組成對(duì)蚯蚓產(chǎn)生影響。Malev等[15]接種安德愛(ài)勝蚓到添加生物炭的多環(huán)芳烴污染土壤中，發(fā)現(xiàn)少于4環(huán)的多環(huán)芳烴優(yōu)先被生物炭從土壤中清除，導(dǎo)致危害性更高的成分（4～5環(huán)多環(huán)芳烴）被蚯蚓富集，對(duì)蚯蚓產(chǎn)生毒害。

不同的生物炭施用量對(duì)蚯蚓的影響不同。Zhang等[47]接種赤子愛(ài)勝蚓到不同小麥秸稈生物炭添加量（0、1%、3%、10%）的農(nóng)藥甲基磺草酮污染土壤中，發(fā)現(xiàn)1%和3%的生物炭施用量未顯著影響蚯蚓的生存生長(zhǎng)，而10%的生物炭抑制蚯蚓生長(zhǎng)、對(duì)蚯蚓造成DNA損傷。Elliston和Oliver[17]接種赤子愛(ài)勝蚓和陸正蚓到不同添加量（10%和20%）的水稻和小麥秸稈生物炭土壤中，蚯蚓出現(xiàn)輕微的回避行為，不同處理對(duì)蚯蚓生存率的影響不一致，但一些蚯蚓個(gè)體表現(xiàn)出明顯的身體損傷和死亡現(xiàn)象（圖1）[17]。

圖1 赤子愛(ài)勝蚓（a）和陸正蚓（b）在添加生物炭土壤中受到的物理?yè)p傷

還有研究發(fā)現(xiàn)適量生物炭的施用，減少了蚯蚓的重金屬富集量的同時(shí)仍然抑制了蚯蚓的生長(zhǎng)。Lilian等[48]接種兩種蚯蚓到添加畜禽糞便生物炭（2%）的重金屬污染土壤中，培養(yǎng)結(jié)束后蚯蚓體重下降10%，且生物炭添加顯著降低蚯蚓的重金屬富集量。雖然蚯蚓受到損傷的原因仍需進(jìn)一步研究，但是大多數(shù)研究結(jié)果都顯示土壤中施用生物炭會(huì)對(duì)蚯蚓造成損傷。

4 結(jié)論與展望

生物炭在固碳和改良土壤方面意義重大，但在施用過(guò)程中會(huì)改變土壤環(huán)境，對(duì)蚯蚓產(chǎn)生不可忽視的影響。不同原料來(lái)源和熱解溫度制備的生物炭對(duì)蚯蚓產(chǎn)生的影響不同，高熱解溫度和施用量可能對(duì)蚯蚓產(chǎn)生更強(qiáng)的毒害。生物炭對(duì)蚯蚓的影響分為直接影響和間接影響。直接影響方面，蚯蚓在土壤中直接取食生物炭可能會(huì)造成物理?yè)p傷。間接影響方面，生物炭的施用壓縮了蚯蚓的生存空間，減少其可食用微生物來(lái)源，提高土壤pH，改變土壤污染物組成對(duì)蚯蚓產(chǎn)生不利影響。

蚯蚓作為生物量最大的土壤動(dòng)物，在土壤生態(tài)系統(tǒng)和生物鏈中扮演著重要角色。然而，土壤中施用生物炭對(duì)蚯蚓的影響研究仍然不足。用于生物炭生態(tài)毒理學(xué)的研究蚓種多選用赤子愛(ài)勝蚓，很少采用本地種蚯蚓，不同生態(tài)類型蚯蚓的取食活動(dòng)和棲息條件不同，可能導(dǎo)致赤子愛(ài)勝蚓得到的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法用于其他本地種蚯蚓。另外，該類型研究田間試驗(yàn)極其缺乏，長(zhǎng)期田間定位施用生物炭，監(jiān)測(cè)其對(duì)蚯蚓長(zhǎng)期生長(zhǎng)繁殖和群落組成的研究十分必要。