生物質(zhì)炭對土壤物理結(jié)構(gòu)性狀和水分特征影響的研究進展

孫宇龍， 張永利， 蘇有健， 王燁軍， 方雅各， 廖萬有

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，安徽合肥 230031)

生物質(zhì)炭的理化指標主要包括灰分含量、揮發(fā)分含量、固定碳含量、組成元素、表面官能團種類和含量、pH值、表面負電荷及陽離子交換量等；結(jié)構(gòu)特征主要包括比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)(孔徑分布、比孔容)、機械強度等。由于材料來源、制備工藝及熱解參數(shù)等不同，生物質(zhì)炭在結(jié)構(gòu)組成、比表面積、酸堿度、表面元素組成等理化性質(zhì)上呈現(xiàn)出較大的差異性，進而在同一施用場景中也會產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)。

土壤物理結(jié)構(gòu)多指土壤結(jié)構(gòu)性，是反映土壤結(jié)構(gòu)體的種類、數(shù)量及結(jié)構(gòu)體內(nèi)外的孔隙狀況等產(chǎn)生的綜合性質(zhì)，是調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱的重要土壤基本特性，優(yōu)良的土壤結(jié)構(gòu)為作物根系生長發(fā)育提供了適宜的區(qū)域環(huán)境和良好的透氣排水條件，充分協(xié)調(diào)土壤水分和養(yǎng)分供應(yīng)能力，促進作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)[1]。土壤結(jié)構(gòu)的好壞不僅與土壤結(jié)構(gòu)體的數(shù)量、大小、形狀、性質(zhì)及其相互排列、相應(yīng)的孔隙狀況等特性有關(guān)，也與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān)，常用土壤團聚體、容重、緊實度、孔隙度和土壤顆粒等指標表征。

生物質(zhì)炭指生物質(zhì)在限氧條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)所得的固態(tài)物質(zhì)[2]。生物質(zhì)炭豐富的表面官能團和特殊的微觀結(jié)構(gòu)決定了其特有的理化性質(zhì)。由于生物質(zhì)炭獨特的結(jié)構(gòu)性狀及功能的多樣性使其日漸成為生態(tài)環(huán)境和循環(huán)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究焦點，生物質(zhì)炭在土壤污染修復(fù)、土壤質(zhì)量改善和固碳減排等方面的研究和應(yīng)用越來越受重視[3]。此外，生物質(zhì)炭施用量和土壤條件的差異也導(dǎo)致生物質(zhì)炭對土壤結(jié)構(gòu)的影響不盡相同，這阻礙了生物質(zhì)炭技術(shù)在生產(chǎn)上的應(yīng)用。基于此，本文從生物質(zhì)炭制備與性質(zhì)、團聚體、孔隙度、土壤容重、持水性等方面綜述生物質(zhì)炭對土壤物理結(jié)構(gòu)影響的研究進展，并結(jié)合現(xiàn)存問題，展望未來的研究方向，以期為生物質(zhì)炭在土壤結(jié)構(gòu)改良中的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)

1.1 生物質(zhì)炭的制備和功能

20世紀60年代，荷蘭土壤學(xué)家Wim Sombroek發(fā)現(xiàn)亞馬遜當(dāng)?shù)赝寥篮写罅亢谏镔|(zhì)，進一步研究發(fā)現(xiàn)該類土壤礦質(zhì)營養(yǎng)成分和有機質(zhì)極其豐富，稱這類土壤為“terra preta”。研究表明，此類黑色物質(zhì)就是生物質(zhì)炭，它在當(dāng)?shù)赝寥婪柿屯寥拦δ苄哉{(diào)節(jié)中扮演著重要的角色[4]。生物質(zhì)炭是農(nóng)作物秸稈、木材廢料、畜禽糞便、城市廢物、污水污泥等有機物質(zhì)在低氧和缺氧條件下高溫?zé)峤?多為 300～900 ℃)得到的一種富碳固體產(chǎn)物。生物質(zhì)炭具有呈堿性、多孔性、容重小、比表面積大、表面負電荷豐富及高度生化穩(wěn)定性等特征，因而具有明顯的改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的作用，如降低土壤容重、改善土壤孔隙、增加土壤的通氣性和持水性[5]、促進土壤團聚體形成并增強其穩(wěn)定性、提高土壤有機質(zhì)含量等[6]、增加土壤基礎(chǔ)肥力和可持續(xù)性[7]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的生物質(zhì)炭有玉米和水稻秸稈生物質(zhì)炭、竹炭、稻殼炭、木屑生物質(zhì)炭等[8]。眾多研究發(fā)現(xiàn)，由于生物炭的原料和制備條件如熱解溫度、熱解速度和壓力環(huán)境等的差異，導(dǎo)致生物質(zhì)炭的比表面積、孔隙、持水性能、親水性、疏水性和酸堿性等特性不盡相同[9-12]。

1.2 生物質(zhì)炭比表面積和孔隙度

生物質(zhì)材料和熱解溫度對生物質(zhì)炭表面結(jié)構(gòu)特征具有決定性影響。生物質(zhì)熱解過程中，有機質(zhì)發(fā)生水解、聚合、炭化等復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生部分揮發(fā)損失，同時伴隨著不規(guī)則的體積收縮，碳骨架結(jié)構(gòu)逐步形成，且保留了原材料的結(jié)構(gòu)特征和基本孔隙。數(shù)量眾多的微孔隙極大擴展了生物質(zhì)炭比表面積。生物質(zhì)炭隨裂解溫度、原料固有結(jié)構(gòu)等因素的不同，使得生物質(zhì)炭比表面積存在巨大差異。多數(shù)植物源生物質(zhì)炭比表面積(112～642 m2/g)整體大于糞污、污水污泥生物質(zhì)炭(5.4～94.2 m2/g)，在孔隙度方面也有類似表現(xiàn)，植物源生物質(zhì)炭孔隙度(0.076～1.900 cm3/g)高于糞污、污水污泥生物質(zhì)炭(0.053～0.068 cm3/g)[13]。主要因為植物源生物質(zhì)炭含有大量的纖維素和木質(zhì)素，更有助于孔隙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。多數(shù)研究表明，生物質(zhì)炭比表面積和孔隙度隨著炭化溫度的升高而逐漸變大。常西亮等研究小麥秸稈在不同炭化溫度(200、400、600 ℃)下生物質(zhì)炭的表征，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的提升比表面積從1.72 m2/g增加到521.29 m2/g，總孔隙度從0.008 cm3/g增至0.322 cm3/g，平均孔直徑從 18.63 nm 下降到2.47 nm，微孔數(shù)量顯著增多[14]。田雨等利用稻殼制備生物質(zhì)炭，熱解溫度為180～220 ℃，隨著炭化時間從4 h延長到8 h，稻殼生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，吸附性能逐步提升，當(dāng)制備溫度高于220 ℃時，比表面積增大，孔徑減小，整體降低了稻殼生物質(zhì)炭的吸附性能，因為過高溫度引起生物炭結(jié)構(gòu)坍塌所致[15]。

1.3 生物質(zhì)炭表面官能團和pH值

2 生物質(zhì)炭對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤中有機物質(zhì)、無機物質(zhì)和礦物顆粒經(jīng)膠結(jié)、凝聚形成的次生顆粒，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，調(diào)控土壤的物理、化學(xué)和生物過程。土壤團聚體的大小和組成對土壤微生物繁殖、植物根系發(fā)育、土壤水分移動和土壤養(yǎng)分釋放等有重要影響。土壤團聚體的穩(wěn)定性是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要標志[21]。生物質(zhì)炭作為一種有機土壤改良劑，較大的比表面積和強吸附作用等特性使其施入土壤后可與土壤礦物、根系分泌物、微生物等相互作用，從而對土壤團聚體的形成起到促進和穩(wěn)定作用。

王亞瓊等的研究表明，在大棚土壤中添加果木生物質(zhì)炭，能促進機械穩(wěn)定性微團聚體形成機械穩(wěn)定性大團聚體，當(dāng)添加量大于30 t/hm2時，能顯著改良土壤機械穩(wěn)定性團聚體結(jié)構(gòu)；添加生物質(zhì)炭能夠促進水穩(wěn)性大團聚體的形成，增加其穩(wěn)定性；添加生物質(zhì)炭還能促進土壤小粒徑水穩(wěn)性微團聚體的形成，但對微團聚體穩(wěn)定性和總含量沒有顯著影響[22]。悅飛雪等通過丘陵地區(qū)5年的田間試驗也發(fā)現(xiàn)，施用小麥秸稈生物質(zhì)炭后土壤團聚體分布由小團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化，>0.25 mm的土壤大團聚含量顯著增加；土壤團聚體破壞率和不穩(wěn)定團粒指數(shù)降低，土壤團聚體幾何平均直徑(GWD)和平均質(zhì)量直徑(MWD)增加，提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性[23]。肖欣娟等在雅安黃壤、紫色土和水稻土3種典型茶園土壤的研究中也得到類似的結(jié)論，茶渣生物質(zhì)炭提高了3種土壤0.25～2.00、>2.00 mm粒徑大團聚體的占比，且隨著生物質(zhì)炭施用量的加大，效果更為顯著；同時降低了0.053～0.250 mm粒徑的團聚體比重；明顯降低了黃壤和水稻土 <0.053 mm 粒徑的團聚體含量，但對紫色土 <0.053 mm 粒徑的團聚體含量調(diào)控不顯著[24]。

生物質(zhì)炭影響土壤團聚體形成及其穩(wěn)定性的可能機制包括生物質(zhì)炭由于比表面積大、表面富含醌基、羧酸等官能團，或與土壤粒子形成了較強的靜電場，吸附黏土顆粒，或與礦質(zhì)顆粒黏結(jié)成土壤團聚體和有機無機復(fù)合體[25]，同時生物質(zhì)炭在土壤團聚體的物理保護下得以長期固持；生物質(zhì)炭含碳豐富，可以直接增加土壤有機碳含量，也可以促進作物根系生長發(fā)育并刺激根系分泌分泌物，加快土壤微生物的生長和分解作用，進而增加土壤有機質(zhì)含量，而土壤有機碳作為膠結(jié)物質(zhì)能增強土粒的團聚性[26-27]，并提高土壤團聚體的穩(wěn)定性；生物質(zhì)炭大量的孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物繁殖和生長提供了良好的場所，而且生物質(zhì)炭富含營養(yǎng)物質(zhì)(礦質(zhì)元素和有機質(zhì))有利于微生物生長增殖，進一步增強土壤微生物的活性[28]，同時微生物通過分泌多糖、氨基酸和糖蛋白等有機膠結(jié)劑或利用菌絲纏繞土壤顆粒等方式促進土壤團聚體的形成和穩(wěn)定。

生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)和施用周期不同對土壤團聚體影響也不同。當(dāng)添加的生物質(zhì)炭易分解，有機碳含量較多時，可以為微生物生長提供較多易分解的碳源，通過土壤、微生物、生物質(zhì)炭三者之間的相互作用，改善有機物質(zhì)和交換性陽離子含量低的土壤團聚體結(jié)構(gòu)[29-30]。當(dāng)添加較大粒徑的生物質(zhì)炭時，減緩了三者之間的作用強度，阻礙了大團聚體的形成過程[31]。施用周期上，生物質(zhì)炭施用短期內(nèi)，團聚體粒級分布和穩(wěn)定性的變化較對照不明顯[32]。一次性施用2年后，隨著生物質(zhì)炭添加量(20～80 t/hm2)的增加土壤團聚體穩(wěn)定性指標呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢[33]。施用6 年后，4.5、 9.0 t/(hm2·年) 的生物質(zhì)炭施用量處理顯著增加了大團聚體(250～2 000 μm)的平均質(zhì)量直徑與團聚體穩(wěn)定率，進而改善土壤原有有機質(zhì)和生物質(zhì)炭本身的穩(wěn)定性[34]。對土壤團聚體的改善也受土壤類型的影響，有研究表明，生物質(zhì)炭促進了沙壤土團聚體形成而對黏土沒有顯著影響[35]。往往質(zhì)地粗的土壤中有機質(zhì)匱乏，結(jié)構(gòu)性差，施入生物質(zhì)炭后可以有效補充土體有機質(zhì)含量，促進團聚體的形成，進而改善土壤結(jié)構(gòu)。與之相反，Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭提升了沙壤土的持水能力，但對土壤團聚體的數(shù)量和結(jié)構(gòu)無顯著影響[36]。生物質(zhì)炭在有機質(zhì)含量較低的粗質(zhì)地，傾向于促進有機碳的礦化分解，對土壤團聚體改良效果較差。因此，對有機質(zhì)含量較低的粗質(zhì)土壤，生物質(zhì)炭應(yīng)搭配其他有機物料一同施用以更好地促進團聚體形成和穩(wěn)定[37]。

3 生物質(zhì)炭對土壤孔隙的影響

土壤孔隙是由固相土粒與土粒、土團與土團、土團與土粒之間相互支撐，構(gòu)成的彎彎曲曲、粗細不同和形狀各異的各種間隙，是土壤結(jié)構(gòu)的反映。土壤質(zhì)地、土粒排列方式、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量以及土壤耕作等都會影響土壤孔隙狀況。較多報道顯示添加生物質(zhì)炭可以有效降低土壤孔隙度[6，38-39]。由于生物質(zhì)炭低容重、多孔性，直接施入土壤能有效降低容重，改善土壤緊實度，增加土壤的孔隙度，改善土壤水、氣條件；生物質(zhì)炭還能促進團聚體形成，改善植物和微生物的區(qū)域環(huán)境，加強作物根系和微生物等對土體的作用，因而間接影響土壤孔隙[40-41]。

土壤孔隙度與生物質(zhì)炭施用量的關(guān)系在不同類型的土壤中表現(xiàn)并不一致。Githinji在沙壤土中添加體積比為25.0%～100.0%的生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)土壤孔隙度隨生物質(zhì)炭施用量增加呈線性增加[6]。岑睿等在黏質(zhì)粉土中添加1～5 kg/m2的生物質(zhì)炭，土壤孔隙度增幅呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢[42]。田丹的研究表明，沙土孔隙度與生物質(zhì)炭添加量呈顯著線性正相關(guān)，這可能是因為多孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)炭通過填充把土壤大孔隙分割成許多小孔隙，同時生物質(zhì)炭自身多孔結(jié)構(gòu)也直接增加了沙土的孔隙度，且隨著添加量增大，沙土的孔隙度接近壤土；而粉砂壤土孔隙度與生物質(zhì)炭添加量呈顯著二階多項式相關(guān)，低炭處理下土壤總孔隙度降低，高炭處理下土壤總孔隙度小幅度增加[43]，這與Devereux等的研究結(jié)果[44]相同?？赡芤驗樯镔|(zhì)炭較脆的機械強度，在受外力作用下易破碎成細小顆粒。當(dāng)添加少量生物炭時，會堵塞粉沙壤土中的小孔隙，導(dǎo)致土壤孔隙率降低[45]；當(dāng)加大生物質(zhì)炭添加量時，會增加粉沙壤土的微孔數(shù)量，從而提升土壤孔隙度。此外，生物質(zhì)炭對土壤孔隙度的影響也與生物質(zhì)炭類型有關(guān)。如花生殼炭的孔隙數(shù)量較秸稈木炭的多，比表面積更大，添加花生殼炭更有利于沙土總孔隙度的增加[43]。

施用生物質(zhì)炭還會改變土壤的孔徑分布情況。生物質(zhì)炭孔隙發(fā)達，且多為微孔(<2 nm)，施用后易遷移到土壤顆粒之間，降低土壤的平均孔徑，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加土壤平均孔徑進一步降低[44]。Prendergast-Miller等的研究表明，施用生物質(zhì)炭降低了沙土 60～300 μm孔徑的數(shù)量，增加了0.2～60.0 μm 孔徑的比例[46]，F(xiàn)an等也得出相似結(jié)論[47]。安寧等研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能顯著提高土壤總孔隙度，其中低量生物質(zhì)炭增加了> 500 μm和100～500 μm當(dāng)量孔徑的孔隙度；大量生物質(zhì)炭反而降低了100～500 μm當(dāng)量孔徑的孔隙度[48]。也有部分研究認為，生物質(zhì)炭多孔的結(jié)構(gòu)特性可以促進土壤大孔隙的增加[49-50]。Zhou等施用玉米芯生物質(zhì)炭發(fā)現(xiàn)，與不施用生物質(zhì)炭土壤相比，添加生物質(zhì)炭的沙土土壤大孔隙占比顯著提升[36]。Sun等的研究顯示，秸稈生物質(zhì)炭可以顯著提高黏性土壤的大孔隙(>75 μm)和中孔隙(30～75 μm)的數(shù)量，這是因為生物質(zhì)炭與黏土顆粒相互作用的過程中，促使生物質(zhì)炭與周邊的土壤微團聚體膠結(jié)成穩(wěn)定的大團聚體，增大了團聚體間的間隙，從而提高了土體中大孔隙和中孔隙的數(shù)量占比[51]。

總之，生物質(zhì)炭的施用可以有效改變土壤的孔隙度和孔徑分布，優(yōu)化土壤孔隙結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)孔隙內(nèi)的水分、空氣流通，為黏重、板結(jié)土壤的改良提供新的解決思路。但生物質(zhì)炭對土壤孔隙的影響也不盡相同，具體還受到生物質(zhì)炭類型、生物質(zhì)炭施用量和土壤質(zhì)地等因素的影響。

4 生物質(zhì)炭對土壤容重的影響

土壤容重不僅與土壤質(zhì)地、礦物組成和有機質(zhì)含量有關(guān)，還與土壤結(jié)構(gòu)、緊實程度和顆粒密度等密切相關(guān)，可判斷土壤松緊度。大量盆栽和田間試驗研究表明，生物質(zhì)炭可添加到土壤中能不同程度降低土壤容重[52-54]。一方面，由于生物質(zhì)炭疏松多孔，體積密度大多在0.05～0.57 g/cm3之間，遠低于礦質(zhì)土壤[55]，施入土壤可以直接降低土壤容重；另一方面，雖然生物質(zhì)炭彈性較低，土壤壓實后不會隨著生物質(zhì)炭的添加而得到有效恢復(fù)，但是生物質(zhì)炭的添加可以增加土壤有機質(zhì)含量，增強土壤顆粒間的摩擦力從而改變土壤緊實度[10]，還可以促進真菌生長并提高作物生產(chǎn)力，通過根系和菌絲的生長對土壤容重產(chǎn)生間接影響[56]。

隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤容重的降幅增加[57-58]，而當(dāng)生物質(zhì)炭的添加量很小時，這種作用效果不明顯。不同生物質(zhì)炭對同種土壤容重的改良效果不同，相同生物質(zhì)炭對不同質(zhì)地土壤容重的改良效果也不同[59]。相同用量的秸稈木炭和花生殼炭對沙土容重的改良效果好于粉砂壤土；相同配比下，花生殼炭對土壤容重的改良效果好于秸稈木炭，這與不同類型生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在微觀結(jié)構(gòu)上，花生殼炭呈現(xiàn)柱狀，而秸稈木炭呈現(xiàn)不規(guī)則塊狀；生物質(zhì)炭橫截面上的微孔形態(tài)分布和數(shù)量也存在一定差異，花生殼炭的微孔形狀和大小基本一致，緊密排列，而秸稈炭的微孔大小不均，且數(shù)量較少。顏永毫等向黃土高原的塿土、黃綿土、風(fēng)沙土中添加不同量的蘋果樹枝生物質(zhì)炭和鋸末生物質(zhì)炭(密度分別為0.35～0.60 g/cm3)，結(jié)果顯示，風(fēng)沙土的容重下降幅度最大，等量施用下，密度較低的蘋果樹枝生物質(zhì)炭更能減小土壤容重[60]。

可見，施用生物質(zhì)炭可以降低土壤容重，而降低效果受生物質(zhì)炭性質(zhì)、施用量、土壤質(zhì)地等因素共同影響。此外，不同原料所制備的生物質(zhì)炭的密度相差較大，機械強度也不同，生物質(zhì)炭可能發(fā)生機械破碎或其他物理化學(xué)作用，使其變成更小的顆粒，進入土壤孔隙中，從而增加土壤容重。

5 生物質(zhì)炭對土壤水分特性的影響

土壤的持水能力是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。由于生物質(zhì)炭的多孔特性和較大的表面能，具有強大的吸附能，影響土壤持水力[61-62]。生物質(zhì)炭含有豐富的含氧官能團(羧基、羥基、內(nèi)酯基等)，其數(shù)量還會隨著生物質(zhì)炭在土壤中的表面氧化而增多，會引起生物質(zhì)炭表面更多的負電荷和吸附電位，從而提高土壤的持水能力，其數(shù)量與土壤持水力呈正相關(guān)關(guān)系[63]。生物質(zhì)炭早期主要利用巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)影響土壤持水量；后期生物質(zhì)炭則通過自身親水性對土壤持水能力產(chǎn)生重要作用。另外，生物質(zhì)炭可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度和有機質(zhì)含量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，進而影響土壤持水力[64]。田丹的研究也證實生物質(zhì)炭對沙土物理結(jié)構(gòu)(容重、孔隙度)的改善是持續(xù)優(yōu)化沙土持水性的基礎(chǔ)條件[43]。生物質(zhì)炭特有的吸附性、親水性以及對土壤孔隙度的增加作用，一定程度上改變了土壤水分的滲透模式、停滯時間、移動路徑，并在重力排水平衡上有效持留更多的水分，同時擴大了對水截留的表面積，提升了水分截留潛力，降低了水分擴散率，從而促進土壤的持水性增強[7，65-66]。

生物質(zhì)炭對土壤水分特性的影響受多種因素的共同作用，其中生物質(zhì)炭類型是首要因素。蘋果樹枝生物質(zhì)炭對塿土、黃綿土、風(fēng)沙土田間持水量的平均提高程度(4.67%)顯著高于鋸末生物質(zhì)炭(2.02%)[60]，這是由于蘋果樹枝生物質(zhì)炭的孔隙發(fā)育遠優(yōu)于鋸末生物質(zhì)炭，能使土壤保持更多水分?；睒淦ど镔|(zhì)炭對黃土高原地區(qū)黑壚土和湘黃土土壤容重、田間持水量和導(dǎo)水性能的改善效果優(yōu)于鋸末生物質(zhì)炭[67]。相同添加比例條件下，花生殼炭對沙土和粉砂壤土土壤水分常數(shù)(飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、飽和導(dǎo)水率)的影響較秸稈木炭更為顯著，與這2種生物質(zhì)炭在微觀結(jié)構(gòu)特征上的巨大差異有關(guān)[43]。

生物質(zhì)炭添加量也對土壤水分特性具有重要影響。隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，坡地土壤飽和含水率、田間持水量和土壤儲水能力均增加[67-68]。然而也有部分研究認為，過高的生物質(zhì)炭施用量會弱化對土壤水分的正向影響，甚至出現(xiàn)負效應(yīng)。在施用疏水性較強的生物質(zhì)炭時，這種現(xiàn)象更為明顯[69-70]。生物質(zhì)炭常含有疏水官能團，其種類及數(shù)量受制備原料和溫度的影響，低溫?zé)峤庵苽涞纳镔|(zhì)炭可增加土壤斥水性，高溫?zé)峤庵苽涞纳镔|(zhì)炭可降低生物質(zhì)炭自身的疏水性和土壤疏水性[71]，這與制備溫度提高引起脂肪族物質(zhì)分解揮發(fā)、生物質(zhì)炭芳香化程度加深、極性官能團數(shù)量減少、疏水性增強、親水性減弱有關(guān)。吳偉祥等認為，400～600 ℃ 條件下制備的生物質(zhì)炭具有較高的田間持水量和較低的疏水性[72]。

生物質(zhì)炭對土壤水分特性的影響與土壤類型密切相關(guān)。秸稈炭和花生殼炭對沙土水分含量(飽和含水量、毛管持水量、田間持水量)的改良效果優(yōu)于對粉沙壤土水分含量的改良效果[43]，在粉沙壤土中，只有在生物質(zhì)炭添加量較大時(15%)，才能提高粉沙壤土的水分有效性，添加量較小時(5%、10%)反而起到阻礙作用。生物質(zhì)炭對土壤田間持水量的提高程度與土壤黏粒含量存在負相關(guān)關(guān)系[60]，可能與不同質(zhì)地土壤原有孔隙結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)的相對大小有關(guān)。對于質(zhì)地粗松的土壤，土壤粒徑之間孔隙較大，對水分的保蓄能力較弱，施入生物質(zhì)炭能夠增大土粒之間的接觸，減少土壤中的大孔隙，增加土壤顆粒之間的微孔隙，加之生物質(zhì)炭多微孔，可使沙土大、中孔隙度減小，小孔隙度及總孔隙度增加，降低了土壤的滲透性，飽和導(dǎo)水率顯著降低；此外，生物質(zhì)炭因其較大的比表面積，具有了較強的吸水性，實現(xiàn)了對水分的保留，增加了土壤有效水分。對于質(zhì)地黏重的細質(zhì)土壤，本身持水性很強，通氣狀況較差，而生物質(zhì)炭疏松多孔的特性可改善土壤黏重結(jié)構(gòu)，使土壤大孔隙增加而中、小孔隙減小，在重力作用下從大孔隙當(dāng)中流出的水分增多，飽和導(dǎo)水率增加，土壤含水量降低[73]。

綜上，對于沙質(zhì)土壤，添加生物質(zhì)炭可以降低容重、增加孔隙度、增加土壤水分含量，降低水分擴散率和飽和導(dǎo)水率，增加土壤的持水性能；對于黏性土壤，生物質(zhì)炭可以增大土壤飽和導(dǎo)水率，利于土壤排水通氣；但在壤土上的應(yīng)用效果存在不確定性。因此，在利用生物質(zhì)炭改善土壤水分特性時需要考慮土壤質(zhì)地、生物質(zhì)炭類型、生物質(zhì)炭疏水性和生物質(zhì)炭施用量，還要注意生物質(zhì)炭的作用在土壤中所能持續(xù)的時間。

6 問題與展望

近年來，生物質(zhì)炭憑借自身獨特的理化特性，制備原料多樣易得，能夠改善土壤環(huán)境，增加土壤碳儲存等優(yōu)勢，在農(nóng)田系統(tǒng)中扮演的角色也日趨重要，成為國內(nèi)外眾多學(xué)者爭相研究的對象。隨著理論研究和推廣應(yīng)用的持續(xù)深入，生物質(zhì)炭從原料的把控到施用實效的監(jiān)測等一系列環(huán)節(jié)中的理論問題和應(yīng)用問題日益凸顯[8，55，74-78]，集中體現(xiàn)在以下幾點。

(1)生物質(zhì)原材料來源復(fù)雜，部分生物質(zhì)存在安全隱患。源頭上嚴格把關(guān)生物質(zhì)原料篩選，制備過程中實時監(jiān)測品質(zhì)成分，最后加大對生物質(zhì)炭化產(chǎn)品質(zhì)量檢測，以防重金屬、抗生素和激素等含量超標的生物質(zhì)炭產(chǎn)品對土壤環(huán)境造成二次污染，嚴重影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

(2)生物質(zhì)炭化工藝標準尚不統(tǒng)一，適用場景尚不明確。針對土壤環(huán)境質(zhì)量問題如土壤酸化、耕地板結(jié)和土壤肥力低等，綜合土壤質(zhì)地(黏質(zhì)土、沙質(zhì)土和壤土)、作物種類以及地勢等因素加快研制功能性生物質(zhì)炭產(chǎn)品，并制定相應(yīng)的工藝標準。

(3)生物質(zhì)炭在土體中長期定位的研究較少，實際應(yīng)用的理論支撐相對薄弱。需加強對生物質(zhì)炭在復(fù)雜土壤環(huán)境條件下的長期觀測和研究，聚焦生物質(zhì)炭在耕地中的衰變過程，以及對土體微域環(huán)境包括微生物群落結(jié)構(gòu)、團聚體演化、礦質(zhì)元素遷移等的中長期影響，構(gòu)建相應(yīng)的轉(zhuǎn)運和衰減模型，從而指導(dǎo)生產(chǎn)實際。

(4)生物質(zhì)炭對土壤環(huán)境的負面效應(yīng)關(guān)注較少。大量生物質(zhì)炭的施入會打破原有土體中的碳氮平衡，提高土壤pH值，加大土體中氨的揮發(fā)，進一步加劇土壤碳氮比例失衡，同時造成大量鹽基離子和有害物質(zhì)聚集，對土壤產(chǎn)生持續(xù)不良影響。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)土壤的實際條件和需求合理制定生物質(zhì)炭施用標準，規(guī)范生產(chǎn)實踐。

(5)由于生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且復(fù)雜，目前研究多集中在人工制備生物炭對土壤環(huán)境和作物生長的影響，缺乏生物質(zhì)炭與土壤腐殖質(zhì)碳，特別是與胡敏酸、富里酸等聯(lián)系起來進行對比研究。采用最新的表征技術(shù)方法，系統(tǒng)比較同為土壤碳庫組分的土壤生物質(zhì)炭或腐殖質(zhì)碳與腐殖酸組成在結(jié)構(gòu)特征和功能性上有何區(qū)別和聯(lián)系。

土壤功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)過程和周邊生物多樣性，在推進農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的進程中，營造良好的土壤健康結(jié)構(gòu)是構(gòu)建農(nóng)業(yè)綠色、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的必要前提。生物質(zhì)炭作為一種安全可靠的可再生能源材料，如何合理利用其特有的性質(zhì)，用以改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分有效性，提升土壤肥力水平，優(yōu)化土壤生態(tài)系統(tǒng)，增加土壤碳庫等已成為現(xiàn)階段研究的熱點，但就生物質(zhì)炭與土壤結(jié)構(gòu)的互作研究目前多停留在表觀層面，限于技術(shù)手段瓶頸，土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和難以觀測性等諸多因素影響，理論研究難以延伸。筆者認為，以生物質(zhì)炭為媒介對土壤結(jié)構(gòu)進行改良，有助于農(nóng)田系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，一定程度上緩解了動植物殘骸、城市生活垃圾、污水污泥等的處理壓力，響應(yīng)“兩碳”目標的有效舉措，推進生態(tài)環(huán)境整體向好，應(yīng)用市場和潛力巨大。因此，未來規(guī)范應(yīng)用生物質(zhì)炭開展長期田間定位試驗，進一步闡述生物質(zhì)炭對土壤改良的長效作用機制，促進生物質(zhì)炭在土壤改良和污染修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。今后，應(yīng)細化生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)表征和功能區(qū)域的研究，繼續(xù)加大生物質(zhì)炭與土壤關(guān)聯(lián)性研究的力度、深度和廣度，以期為生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供助力。