生物炭添加對農(nóng)田土壤環(huán)境及作物生長影響研究

任芳芳，張金霞，劉興榮，丁 林

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

因?yàn)槿藗儗ψ魑锂a(chǎn)量的高度關(guān)注，伴隨著化肥的過度施用從而導(dǎo)致農(nóng)田土壤環(huán)境的加劇惡化，所以大家都希望找到一種有效的解決途徑，以快速、經(jīng)濟(jì)地降低化肥對于農(nóng)田土壤環(huán)境的不利影響。近年來，亞馬遜流域的黑土成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。黑土是人們通過動物糞便、魚、動物骨頭和植物廢物等制造而成，它多產(chǎn)、肥沃，對恢復(fù)貧瘠土壤肥力有很顯著的效果。與一般土壤相比較，它富含有機(jī)碳，且具有較高的生產(chǎn)力。生物炭與黑土相似，都含有較高含量的有機(jī)碳，并且對作物生長有積極的作用。因此，學(xué)者們把生物炭用于土壤改良，它能促進(jìn)作物生長，使得作物有較高的產(chǎn)量。將生物炭添加到農(nóng)田土壤當(dāng)中，以此來改善土壤性質(zhì)，該方法一經(jīng)提出，就受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。

生物炭又叫生物質(zhì)炭，它是生物質(zhì)在高溫(小于700℃)下，在完全或部分缺氧條件下熱裂解的產(chǎn)物[2]，其主要含有C、H、O、N和S等元素，且具有性質(zhì)穩(wěn)定的特性。生物炭具有孔隙度高、比表面積大的特點(diǎn)。它能有效改善土壤通氣性，提高保水保肥能力，促進(jìn)作物根部生長。生物炭還具有吸附能力強(qiáng)、容重小、含碳量豐富、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，且一般為堿性。在農(nóng)田土壤中添加生物炭可以改善土壤質(zhì)量，提高作物的產(chǎn)量，其在修復(fù)被污染的土壤、固碳減排[3]、減少污染物對生態(tài)的危害、廢棄生物質(zhì)資源化等方面也表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢[4]。

綜上，研究添加生物炭對農(nóng)田土壤環(huán)境和作物生長的影響具有重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。生物炭的特有性質(zhì)可以對作物的生長發(fā)育有積極的作用，也在其他方面表現(xiàn)出巨大潛力，如污染土壤的修復(fù)、污染水體治理等。

1 施用生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

1.1.1生物炭對土壤容重的影響

土壤容重是體現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要因素，土壤容重與土壤孔隙緊密相關(guān)，它可以表現(xiàn)出土壤的疏松程度和土壤結(jié)構(gòu)，即土壤容重越小越疏松。因生物炭的容重小，所以將其施入土壤中可降低土壤容重。陳紅霞等的研究就證明了這一點(diǎn)，其結(jié)果表明生物炭對耕作層土壤容重有較好的降低作用，并且土壤容重隨生物炭施入量的增加表現(xiàn)為逐步減小的趨向[5]。李玉梅等通過對不同施用量的生物炭的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，其土壤的容重平均減小了0.126(g·cm-)3；且在添加量達(dá)到一定水平后，土壤容重的降低呈現(xiàn)平緩趨勢[6]。

1.1.2生物炭對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和水分的影響

團(tuán)粒結(jié)構(gòu)良好的土壤具有多級孔隙，這有利于改變土壤的通氣性、透水性和保水能力，對土壤肥力也有良好的協(xié)調(diào)作用。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)可以影響作物根系的良好生長，而生物炭能夠很好地改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)作物生長。付玉榮等研究表明：生物炭的使用可以優(yōu)化土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，調(diào)節(jié)田間持水能力，也能夠很好地減少土壤體積質(zhì)量(表層土壤表現(xiàn)明顯)，提高土壤含水率[7]。張皓鈺等也發(fā)現(xiàn)，生物炭添加到土壤中可以使得土壤的持水能力增強(qiáng)，并且持水能力的變化量隨生物炭量的增加而增大，也提升了各類土壤的飽和含水量(0.7%～17.6%)和低吸力段的持水能力，表現(xiàn)為砂質(zhì)土持水能力提升、殘余含水量增大；而壤質(zhì)、黏質(zhì)土持水能力下降，殘余含水量、田間持水量及凋萎系數(shù)均降低[8]。也有研究表明，生物炭的施用量和土壤肥力水平對土壤物理特性有較大影響，即對肥力水平較低的土壤影響顯著，對肥力水平高的土壤影響不太明顯，且不同添加量的影響不同[9]。

綜上，生物炭孔隙率高、比表面積大、容重小的特點(diǎn)，使得它可以優(yōu)化土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤的透水和通氣性。生物炭也能提高土壤持水能力，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)并且改變土壤的物理性質(zhì)，最終提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長。

1.2 生物炭對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

1.2.1生物炭對土壤pH值的影響

生物炭在生產(chǎn)制備的時(shí)候，其pH值會受溫度高低的影響，且它的灰分中含有較多的致堿礦物和碳酸鹽，最終使得生物炭一般成堿性[10]。生物炭本身的這種堿性特質(zhì)，使得它直接影響土壤pH值。張偉明研究發(fā)現(xiàn)[11]，生物炭能夠明顯降低土壤酸性，增加生物炭的用量會逐漸增加土壤的pH值。尹小紅等試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[12]，生物炭施入稻田土壤后，土壤pH值極顯著地升高，達(dá)到了7.16，但這并沒有影響水稻的正常生長。也有研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤的pH值受生物炭的影響更為明顯，但中性或者堿性土壤受的影響較小或無明顯影響。劉園等試驗(yàn)結(jié)果就表明，在華北平原的潮土(pH=8.30)土壤中施入生物炭，pH并沒有明顯的改變[13]。

1.2.2生物炭對土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤保肥能力的一種體現(xiàn)，CEC越高，說明土壤保肥能力越好。陳紅霞等[5]研究表明，生物炭對耕層(0～15cm)土壤的CEC有明顯的增加作用，與對照相比，氮磷鉀肥+高量秸稈炭(4500kg·hm-2)和炭基緩釋肥(750kg·hm-2)處理的土壤陽離子交換量值分別增加24.5%和14.7%。陳心想等[14]發(fā)現(xiàn)，由于施用生物炭，新積土的土壤CEC顯著增加，增幅為1.5%～58.2%。張新帥等[15]也發(fā)現(xiàn)，與對照比較，生物炭能使土壤CEC含量增加57.25%～155.30%，且隨生物炭量的增加而增大，這也說明了生物炭對CEC有非常顯著的影響。蔣少軍等[16]也得出相同結(jié)論。

1.2.3生物炭對土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳的影響

土壤養(yǎng)分是保證作物生長所必需的營養(yǎng)元素，也是作物獲得養(yǎng)分的重要來源之一，土壤養(yǎng)分包括氮、磷、鉀等多種元素。顧美英等研究發(fā)現(xiàn)[17]：在低養(yǎng)分的風(fēng)沙土中施入高量生物炭，可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量。李明等[18]試驗(yàn)表明，在土壤中施入生物炭后，土壤有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量分別比對照增加26.1%、20.6%和281.8%，說明生物炭可以提高紅壤土中的養(yǎng)分含量。曾愛等[19]研究表明，在小麥生長發(fā)育過程中，當(dāng)生物炭用量增加時(shí)，土壤中的速效鉀含量也增大，而堿解氮和速效磷含量則表現(xiàn)為先增后減。

土壤有機(jī)碳不僅是耕地土壤質(zhì)量評估的核心指標(biāo)，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分[20]。在土壤中施用生物炭后，可以在不增加土壤CO2釋放量的情況下，大大提高土壤有機(jī)碳含量，具有良好的固碳減排效果。生物炭能在短時(shí)間內(nèi)(30d)顯著提高土壤有機(jī)碳(SOC)含量，且在培養(yǎng)1年后，秸稈炭和木質(zhì)素炭都能顯著提高SOC含量[21]。

1.3 生物炭對土壤酶活性的影響

土壤酶活性與土壤微生物活性密切相關(guān)，土壤酶活性的變化在一定程度上可以反映土壤物質(zhì)代謝活躍程度和肥力水平，在一定程度上體現(xiàn)了土壤肥力水平。研究表明，作為一種土壤改良劑，生物炭不僅可以改善土壤的理化性質(zhì)，而且在提高土壤酶活性方面發(fā)揮著重要作用[22]。

張繼旭等[23]發(fā)現(xiàn)，添加不同水平的生物炭，酶活性也表現(xiàn)出不同情況，具體表現(xiàn)為：脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨生物炭施用量的增加而升高，過氧化氫酶活性隨生物炭施用量的減少而降低，但高添加量的處理下無影響。黃劍[24]表明，生物炭的施用對土壤酶活性有顯著影響，其中土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、土壤堿性磷酸酶的活性顯著提高，但也出現(xiàn)了相反的情況，就是當(dāng)施用生物炭的量較高時(shí)，生物炭將抑制脲酶活性。陳心想等[25]也發(fā)現(xiàn)，生物炭可顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶活性和玉米收獲后堿性磷酸酶活性，并顯著提高土壤酶指數(shù)，但施用生物炭對蔗糖酶和小麥季堿性磷酸酶活性影響并不明顯。與常規(guī)施肥處理相比較，在添加生物炭的處理下，土壤的酶活性呈現(xiàn)出較高的水平，這表明生物炭對酶活性有積極的影響，但需注意的是不同量生物炭對不同酶的影響效果各不相同。韓志旺等[26]研究結(jié)果表明，對照得出，生物炭施入土壤以后，蔗糖酶和中性磷酸酶活性有所降低，過氧化氫酶活性無較大變化，但脲酶活性卻有明顯提高。王妙芬等[27]發(fā)現(xiàn)，生物炭添加顯著提高了β-葡萄糖苷酶、纖維素水解酶、過氧化氫酶活性(1%添加除外)，其中低水平的添加量(1%、2%)會降低酸性磷酸酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，高水平的添加量(3%、4%)則與之相反。

綜上所述，將生物炭施入土壤后，土壤pH值的變化表現(xiàn)為生物炭添加量增大，pH值增加，其中酸性土壤的pH值變化較中性和堿性土壤更為明顯。將適量生物炭施入土壤中，能夠明顯提高土壤養(yǎng)分和土壤有機(jī)碳含量，且在貧瘠土壤中施入效果更加明顯。也有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加到土壤后，對土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的改變是長期的。許云翔等[28]發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤6年后，土壤有機(jī)碳、有效磷、速效鉀水平顯著提高，分別增加了34.6%、12.4%和26.2%；土壤pH值和容重顯著降低，土壤脲酶和酸性磷酸酶的活性顯著升高。

2 生物炭對作物的影響

2.1 生物炭對作物養(yǎng)分吸收的影響

汪勇等[29]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以明顯促進(jìn)水稻對磷、鉀的吸收。鄭瑞倫等[30]在京郊沙化苜蓿地的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加生物炭后，苜蓿地上部生物量和苜蓿體內(nèi)的鉀含量分別增加了91.1%、45.7%，氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅和硼在苜蓿地上部的總吸收累積量分別增加110.0%、130.9%、200.4%、82.6%、44.8%、89.5%、99.5%、102.7%和104.7%，這都說明施用生物炭對苜蓿中鉀、氮、磷的吸收均有顯著的促進(jìn)作用。周加順等[31]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭顯著促進(jìn)了作物對鉀素的吸收，尤其是提高了莖葉中鉀的含量，但氮、磷因作物不同而有所差異。王典等[32]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，油菜根、莖、葉、角果和籽粒等的干物重均增加，油菜地上部氮磷的濃度降低，鉀濃度升高，也有助于油菜對磷、鉀等養(yǎng)分的吸收。陳芳等[33]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈炭、水稻谷殼炭和果木木炭3種生物炭在一定范圍內(nèi)都能促進(jìn)水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成，干物質(zhì)量和產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后降趨勢，施炭量在20t/hm2時(shí)達(dá)到最高。

但也有相反的結(jié)果出現(xiàn)。比如，張晗芝[34]研究發(fā)現(xiàn)，小麥植株的氮磷鉀含量及其吸收和干物質(zhì)重量并沒有因?yàn)樯锾康氖┯枚a(chǎn)生明顯影響，更甚至有抑制作用。這也表明，生物炭對作物的增產(chǎn)有臨界值，并且不會總是隨生物炭的增加而增加[26]。

2.2 生物炭對作物生長的影響

張繼旭等[23]發(fā)現(xiàn)，生物炭可以促進(jìn)烤煙的生長，其株高、葉面積、地上部莖、葉生物量都有所增長，但在高水平的添加量的處理中生物炭呈抑制作用。韋琦等[35]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同量生物炭的作用下，番茄的莖粗和株高都有較高的增加。汪勇等[29]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠增加有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，從而顯著提高早稻和晚稻的產(chǎn)量及地上部生物量，有利于作物的生長和增產(chǎn)。周勁松等[36]研究表明，濃度為5.0%的生物炭會顯著增加水稻秧苗的株高和干物質(zhì)累積量，濃度為10.0%～15.0%的生物炭則使得株高達(dá)到最高值，再進(jìn)一步提高生物炭的添加量就會使株高和干物質(zhì)累積量下降。楊剛等[37]的研究表明，不同添加量生物炭處理的玉米株高比原土處理提高了12.44～13.13cm；與原土玉米相比，莖粗增加了0.11～0.18cm，但當(dāng)生物炭施用量達(dá)到15g/kg時(shí)，株高、莖粗和葉片數(shù)增加不明顯。武夢娟等[38]也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭濃度為5.0%時(shí)，綠豆幼苗長勢最好，但是，當(dāng)生物炭濃度超過25.0%后，葉綠素含量出現(xiàn)顯著波動，綠豆幼苗的株高則一直呈現(xiàn)遞減的趨勢。

由此，在作物的生長發(fā)育過程中，適量添加生物炭有利于作物的生長，而單一追求高量的生物炭施用對作物生長并沒有明顯的作用，甚至有時(shí)會過猶不及，出現(xiàn)抑制作用。有學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭對作物的促進(jìn)作用不只受添加量這一個(gè)因素的影響，生物炭的特性和施用量、土壤的肥力和原始性質(zhì)以及作物類型都將對其產(chǎn)生一定影響[39]。

3 生物炭的其它影響

劉桃妹等[40]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對水溶性重金屬的有毒離子有非常好的固定作用，并將其轉(zhuǎn)化為無毒化合物，能夠有效緩解土壤中的重金屬污染，而生物炭吸附重金屬離子的能力也與pH值和溫度密切相關(guān)。楊凱等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度濕度一定、干濕交替和凍融循環(huán)條件下，在添加玉米秸稈生物炭的處理中，鉛的有效態(tài)含量分別降低了47.4%、16.1%和45.0%。它對污染土壤中的鉛具有穩(wěn)定的鈍化作用，對土壤酶的綜合活性指示的土壤生物學(xué)活性沒有負(fù)面影響，在鉛礦區(qū)污染土壤的原位修復(fù)中具有很高的潛力。

連念[42]研究表明玉米秸稈生物炭對廢水中Ni2+的去除率會隨著吸附時(shí)間的增加而增加；其中在120min時(shí)，在300、500、700℃的溫度下玉米生物炭的去除率分別會達(dá)到76.1%、81.4%、92.8%。另外，生物炭對廢水中的甲醛也有較好的吸附效果，一定條件下甲醛的去除率可達(dá)92.31%[38]。

綜上，生物炭可有效吸附重金屬元素，對于污染土壤的改良有積極的促進(jìn)作用，也對污染水體的治理有良好的效果。

4 存在的不足及展望

綜上，生物炭對土壤物理化學(xué)性質(zhì)的改變有積極作用，也對作物的生長發(fā)育有明顯的促進(jìn)作用，除此之外，生物炭也對污染土壤修復(fù)及污染水體的治理等其他方面也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

但是，目前關(guān)于生物炭的添加對農(nóng)田土壤環(huán)境及作物生長影響的研究也還存在以下一些不足。首先，目前對于生物炭單獨(dú)施用的研究雖較多，但關(guān)于生物炭和肥料結(jié)合施用的研究卻較少。并且其大部分研究集中在蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物上，而對小麥和玉米等糧食作物的研究較少。如何將生物炭與肥料配施，讓其發(fā)揮更大的優(yōu)勢，更有利于作物的生長發(fā)育，應(yīng)進(jìn)一步加深關(guān)于這部分的研究。其次，關(guān)于生物炭對于土壤及作物的影響，短期內(nèi)影響的研究較為廣泛，但生物炭一次施用后對于土壤性質(zhì)及作物的長期影響的研究還很有限，可深入探究生物炭一次施入土壤后的長期作用機(jī)制。再則，由于各類生物炭的制備工藝有所不同，導(dǎo)致其性質(zhì)也不同，這會影響生物炭的適用范圍，不同性質(zhì)的生物炭對土壤和作物的影響也不同，所以有必要進(jìn)一步闡明不同性質(zhì)的生物炭對各種土壤類型和作物的影響。最后，目前關(guān)于生物炭的研究內(nèi)容都是其積極的方面，而生物炭對作物、土壤和生態(tài)環(huán)境等是否還有負(fù)面的影響，亟待更深入的研究。

5 結(jié)語

土壤環(huán)境問題的日益嚴(yán)重使得人們更加迫切的尋找一種方法來解決這一問題，生物炭的獨(dú)特屬性使得它在使用時(shí)具有很大的優(yōu)勢，對土壤改良和作物生長有著積極的促進(jìn)作用，也在修復(fù)污染土壤和水體等方面表現(xiàn)出很大的潛力。綜合考慮生物炭自身性質(zhì)、融合使用和長期效果的影響，進(jìn)一步明晰生物炭對土壤及作物生長的作用機(jī)理，對提高耕地生產(chǎn)能力和促進(jìn)作物生長提供理論依據(jù)，將有利于生物炭的在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。