生物炭對土壤修復(fù)的研究進(jìn)展

萬洪瓊，韋性霞，雒愛紅，王旭霞，顧夢鶴

（1.靖遠(yuǎn)縣科學(xué)技術(shù)開發(fā)咨詢服務(wù)中心，甘肅 靖遠(yuǎn) 730600；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

隨著巴西亞馬孫河流域“黑土壤”（Terra Preta）的發(fā)現(xiàn)，生物炭（Biochar）進(jìn)入人們的視野，成為科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。制備生物炭的原材料很豐富，主要利用農(nóng)業(yè)廢棄物，包括作物秸稈、木材、家畜家禽糞便等，在缺氧以及密封條件下，通過高溫?zé)峤猓ǎ?00 ℃）生成的一種固態(tài)物質(zhì)，它的特點(diǎn)是富含碳素（≥60%）并且比較穩(wěn)定[1-5]。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，表面富集官能團(tuán)，自然條件下呈堿性，其pH為8～13，有研究證明生物炭可以改良土壤，主要體現(xiàn)在能夠增加田間持水性、促進(jìn)土壤陽離子交換效率、抑制礦質(zhì)元素流失、維持礦質(zhì)元素的平衡并提高其利用效率，還可以較好地控制農(nóng)田土壤中氮和磷的流失[6-9]。此外，在土壤中施用生物炭以后，土壤中的營養(yǎng)元素可以更多地吸附和保持在其巨大的表面及發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)土壤肥力增加，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)[10-12]。生物炭的優(yōu)良性質(zhì)使其近年來受到關(guān)注，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面得到了廣泛應(yīng)用。本文圍繞生物炭對土壤理化性質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物群落以及土壤酶的影響等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析綜述，為今后生物炭的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 生物炭對土壤pH 和田間持水量的影響

1.1 生物炭對土壤pH 的影響

土壤酸堿度過高或者過低都會(huì)影響土壤養(yǎng)分的吸收利用，是影響土壤肥力的重要因素之一。現(xiàn)代農(nóng)耕中,長期施用化肥會(huì)引起土壤鹽基離子的流失，逐漸形成酸化土壤，土壤酸堿度下降，影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收效率，導(dǎo)致生產(chǎn)力下降，作物減產(chǎn)。土壤中鹽基離子的含量在很大程度上決定了土壤酸堿度，生物炭中富含碳元素和鹽基離子，因此，相對于其他改良材料（早期的熟石灰改良劑），它是更理想的土壤改良劑。王穎[5]的研究指出，生物炭對于酸性土壤的改良效果達(dá)到顯著水平，但是在堿性土壤中，沒有明顯改良效應(yīng)。楊艷麗[1]、劉祥宏[2]、管恩娜[13]的研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施用石灰，可在一定程度上改良酸性土壤，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤中鈣離子的大幅增加，影響農(nóng)作物養(yǎng)分利用效率，影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。有研究表明，煙草種植區(qū)的土壤pH 偏低，施用石灰用以改良酸性土壤，會(huì)引起植煙土壤中營養(yǎng)元素的變化，諸如鉀、鈣、鎂等元素的不平衡[13-15]。隨著對生物炭的深入研究，王義祥等[8]的實(shí)驗(yàn)表明，在酸性土壤中添加生物炭以后，其中的可溶性離子快速進(jìn)入土壤，增加了土壤鹽基飽和度，土壤pH 上升，在強(qiáng)酸性茶園土壤中施用生物炭和石灰改良土壤，分析表明，在低用量施用石灰和添加生物炭以后，生物炭的調(diào)節(jié)作用不如石灰，當(dāng)添加量為40 g/kg時(shí)，生物炭施用對土壤pH 影響最大，鹽基飽和度提高了0.85%～40.90%，達(dá)到最優(yōu)土壤改良效果。王穎[5]的研究還指出，在半干旱區(qū)的酸性土壤中施入生物炭可以顯著增加土壤pH，從而改良土壤，在堿性土壤中改良效果不顯著。與其他材料的土壤改良劑相比，生物炭中大量存在的陰離子，在施入土壤后，可以和H+迅速結(jié)合，中和土壤酸度，降低土壤pH，因此生物炭對土壤的改良作用迅速且持久。吳愉萍等[7]的研究表明，生物炭的鹽基離子進(jìn)入土壤后，會(huì)釋放部分Mg2+、Ca2+、K+與土壤中Al3+、H+進(jìn)行交換，從而使土壤中H+濃度降低，鹽基飽和度增加，提高土壤pH。

1.2 生物炭對土壤田間持水量的影響

田間持水量是衡量土壤保水性的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行農(nóng)田灌溉、作物水分管理的重要參數(shù)。Brodowski等[16]的研究表明，土壤中施入生物炭以后，土壤的物理結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生變化，包括土壤團(tuán)聚性增強(qiáng)以及土壤的孔隙度增加，物理結(jié)構(gòu)的變化引起土壤性能的變化，增大土壤水分入滲速率，提高土壤的持水性，從而達(dá)到改良土壤的效果。王丹丹[17]在半干旱區(qū)（陜西楊凌）的研究表明，在土壤中施用生物炭用以改良土壤，施用6 個(gè)月以后進(jìn)行田間取樣，發(fā)現(xiàn)田間持水量隨著生物炭的添加量增加而增加，同時(shí)降低土壤的入滲性能，可以提高土壤持水性能。然而，生物炭的加入量并非和土壤含水量成比例增加，有研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中持續(xù)添加生物炭含量，土壤含水量呈下降趨勢。Asai 等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后會(huì)引起土壤水的入滲率及初始導(dǎo)水率下降，當(dāng)水分達(dá)到飽和后，土壤導(dǎo)水率會(huì)有所改善。Dugan等[19]的研究結(jié)果表明，在土壤中玉米秸稈炭的添加量分別為5 t/hm2、10 t/hm2和15 t/hm2時(shí)，田間持水量有顯著增加，添加量由10 t/hm2增加為15 t/hm2時(shí)，土壤田間持水量的增加幅度下降。劉祥宏[2]在黃土高原的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以很好地提高風(fēng)沙土的持水能力，在黃綿土和沙黃土等的試驗(yàn)效果不顯著。吳愉萍等[7]選取7 種不同原材料制備的生物炭（4 種秸稈碳，1 種食用菌基質(zhì)碳，1 種豬糞碳，1 種稻殼碳）進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置0.5%、1%、2%、5% 這4 個(gè)添加濃度，數(shù)據(jù)分析表明，添加濃度為2%時(shí)，7 種生物炭的施用均顯著提高了土壤持水量，其中水稻秸稈碳的效果最顯著，增幅達(dá)到12.3%。Bohara 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加家禽糞便和松木生物炭以后，與對照組比較，二者均顯著提高田間持水量和植物可利用水。

2 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

2.1 生物炭對土壤氮磷鉀的影響

土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素是土壤的重要組成部分，其中氮磷鉀三種元素可以直接或間接地被植物根系吸收，是作物生長必需的礦質(zhì)元素，對農(nóng)作物產(chǎn)量有很大影響[20-22]。有研究認(rèn)為生物炭制備過程中導(dǎo)致氮的揮發(fā)，使其轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)，在土壤中施入生物炭可以提高有機(jī)碳含量，同時(shí)提高土壤的碳氮比[23]。張晗芝等[20]的研究表明，在玉米幼苗土壤中施入生物炭，方差分析表明土壤全氮和有機(jī)碳含量顯著增加，土壤全磷和堿解磷含量增加，差異不顯著。周桂玉等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加分別為0.4%、1%和2%的生物炭時(shí)，可增加土壤堿解氮、有效鉀、有效磷、有效鈣以及有效鎂含量，黃超等[22]和Glaser 等[25]也有類似的研究結(jié)果。徐琪等[21]的研究顯示，在春小麥土壤中施用生物炭，土壤表層的堿解氮有積累趨勢。

尚杰等[26]在陜西楊凌進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)施用不同量（20 t/hm2、40 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2）的生物炭均提高了土壤微生物量氮儲(chǔ)量，在0～20 cm的土壤表層，施用量為40～60 t/hm2時(shí)，微生物量氮達(dá)到最大值；在20～30 cm 的土層，施用量為80 t/hm2時(shí)，微生物量氮達(dá)到最大值；土壤中磷和鉀兩種礦質(zhì)元素的含量可以表征土壤供磷和供鉀能力，它們的遷移和轉(zhuǎn)化受到很多因素的影響。王寧等[12]的研究表明，施用生物炭可顯著增加土壤中的速效養(yǎng)分（速效鉀和速效磷）含量，同時(shí)，由于生物炭的結(jié)構(gòu)特性（巨大的表面積和強(qiáng)吸附性），可在一定程度上降低土壤中磷和鉀養(yǎng)分的淋溶。陳智偉[4]的研究表明，施用水稻秸稈制備的生物炭，顯著提高了土壤全碳含量、土壤氮和磷全量養(yǎng)分含量以及速效養(yǎng)分含量（速效鉀和速效磷），并且顯著提高了土壤碳氮比（C/N）。生物炭是經(jīng)高溫加工而成，其中豐富的碳素和其他元素成分比較穩(wěn)定，在土壤中合理施用可以增加作物對土壤氮元素的吸收效率，同樣也可以提高作物對土壤磷鉀的吸收效率。Masto 等[27]在田間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了玉米不同生長期內(nèi)的兩種生物炭添加處理，單獨(dú)添加4 t/hm2的雜草生物炭、混合添加2 t/hm2的雜草生物炭和褐煤煤灰生物炭，方差分析表明，兩種添加處理中土壤速效養(yǎng)分含量（速效鉀和速效磷）和對照組相比均有顯著增加；兩種生物炭混合添加對于土壤速效磷含量的增加效果優(yōu)于單獨(dú)添加，且增加量有顯著差異；而兩種生物炭分別單獨(dú)添加，對于土壤速效鉀含量的增加效果優(yōu)于混合添加，且增加量有顯著差異。Jin 等[28]的研究表明，分別在粉砂壤土和黏壤土中施用0.5%和1.5%的豬糞生物炭，兩種施用量均可顯著提高土壤速效磷和速效鉀含量，且1.5%的施用量效果優(yōu)于0.5%的施用量效果。管恩娜[13]的研究表明，添加生物炭顯著提高了烤煙土壤中有效磷和有效鉀的含量，在烤煙器官中氮磷鉀的積累量隨著施碳比例的增加先上升后下降，其中施用2%和4%的比例效果較好。

2.2 生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，雖然在土壤中含量不多，但對于維持土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、提高土壤肥力、提高土壤養(yǎng)分的吸收效率具有重要作用。生物炭是經(jīng)高溫裂解得到的，穩(wěn)定性比較高，在土壤中難以分解，有研究認(rèn)為生物炭可以在土壤中留存多年，甚至達(dá)數(shù)百年。因此，施用生物炭是增加土壤有機(jī)碳含量的重要途徑，增加程度取決于生物炭的施用量和穩(wěn)定性，同時(shí)也影響土壤有機(jī)碳的礦化率[3,6,28-29]。Glaser 等[25]的研究表明，較高的炭化溫度提高了生物炭的表面積，改善了生物炭的交換性能，有利于提高土壤碳庫含量和土壤有機(jī)碳含量，提高土地生產(chǎn)力。韓光明[23]的實(shí)驗(yàn)表明，在4 種不同類型土壤中施加不同濃度梯度的生物炭，4 種土壤中土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤全碳均有顯著提高，其中生物炭濃度為40 t/hm2時(shí)增加量最大。周桂玉等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭以后的土壤有機(jī)碳含量比對照組顯著提高，且增加量隨生物炭濃度增加而增加。羅梅等[3]發(fā)現(xiàn)，在油菜和玉米輪作條件下，在紫色土壤中施用不同濃度（0 t/hm2、4 t/hm2、8 t/hm2、16 t/hm2）的生物炭，方差分析表明3 種施用濃度均顯著增加土壤有機(jī)碳含量，增加量最大達(dá)到74.41%。生物炭施用量并非越高越好，章明奎等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中高濃度長時(shí)間施用生物炭會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)活性下降，造成土壤有機(jī)碳的品質(zhì)下降，因此要選擇合適的施炭比例以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。宋丹丹[31]的研究表明，植物+生物炭組合和單施生物炭均能改善黃壤土質(zhì)量，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且組合模式優(yōu)于單施模式。

3 生物炭對土壤酶活性的影響

土壤酶是一種生物催化劑，土壤中許多生物化學(xué)反應(yīng)都離不開土壤酶的參與。例如腐殖質(zhì)的合成與分解、動(dòng)植物殘?bào)w的分解等。土壤酶主要來源于土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w和土壤微生物，其中土壤微生物是土壤酶的重要來源，酶活性的高低可代表土壤新陳代謝的繁盛程度，也可以反映土壤的微生物學(xué)特征，影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和組成[32-34]。生物炭具有強(qiáng)吸附性的特質(zhì)，酶分子可以很好地被吸附在其巨大空間里，有利于土壤酶高效發(fā)揮作用，提高土壤酶活性。許多研究表明，施用生物炭能夠影響土壤酶活性及增加土壤微生物群落多樣性[26]。

生物炭疏松多孔、表面積巨大，在土壤中添加生物炭以后，土壤微生物有了更好的生長和繁殖環(huán)境，多樣性和豐富度增加，土壤酶活性提高。尚杰等[26]在陜西楊凌設(shè)置5 個(gè)生物炭添加濃度（0 t/hm2、20 t/hm2、40 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2）的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性與添加生物炭濃度正相關(guān)，當(dāng)添加量為60 t/hm2時(shí)，土壤酶生物活性指數(shù)達(dá)到最大值，添加量為80 t/hm2時(shí)土壤酶活性指數(shù)開始降低，生物炭的添加在一定程度上改善了土壤生物環(huán)境。另外，不同的作物，土壤酶指數(shù)對添加生物炭有不同的響應(yīng)。有田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥地的土壤酶指數(shù)隨生物炭添加濃度的增加而增加，玉米地的土壤酶指數(shù)隨生物炭添加濃度的增加而減小[33]。Han 等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，施用負(fù)載零價(jià)鐵的生物炭，腐殖酸的加入提高了沉積物中的酶活性，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，堿性磷酸酶和脲酶的活性有上升趨勢，過氧化氫酶例外。Akmal 等[10]的研究結(jié)果表明，總施肥量20 g/kg，單獨(dú)施肥和生物炭+堆肥混合施肥相比較，混合施肥增加了堿性磷酸酶活性和脲酶活性，增加比例分別達(dá)到143%和10%，而10 g/kg 生物炭+10 g/kg 堆肥混合施肥后，土壤脫氫酶活性增加了100%。Sial 等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，香蕉皮生物炭+化肥混合使用和橙皮生物炭+化肥混合使用，和對照組比較兩種處理均提高了β-葡糖苷酶和脫氫酶活性，隨著施用生物炭量的增加，土壤酶活性綜合指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢。Khadem等[34]在鈣質(zhì)土壤中研究酶活性變化，研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭可以增加鈣質(zhì)土壤的酶活性，制備生物炭過程中的裂解溫度較低時(shí)有利于酶活性的增加。王穎[5]在黃土高原干旱區(qū)的研究表明，土壤中施用槐樹皮生物炭和梧桐鋸末生物炭均可降低土壤脲酶活性，增加堿性磷酸酶活性，梧桐鋸末生物炭的促進(jìn)效果更好。

4 生物炭對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤環(huán)境的重要組成部分，在土壤成土發(fā)育、營養(yǎng)元素循環(huán)、生態(tài)環(huán)境維護(hù)等過程扮演重要角色，土壤微生物群落的功能與多樣性是維系土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與健康的重要因素[35-38]。

生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)以及表面豐富的碳源和氮源，可以為藻類、細(xì)菌、真菌、土壤動(dòng)物提供棲息場所，有利于促進(jìn)微生物活動(dòng)并提高群落數(shù)量和活性。另一方面，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和巨大的表面積便于儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分，也為微生物生長繁育提供良好的微環(huán)境，為特殊類群微生物的生長提供了生長環(huán)境，從而促進(jìn)土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)[5,37-39]。目前針對生物炭短期應(yīng)用對微生物影響的研究已有不少。Hu 等[36]發(fā)現(xiàn)，短期添加（96 d）生物炭到紅色氧化土壤中，改善了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和組成，表現(xiàn)在細(xì)菌多樣性增加，主要的細(xì)菌類群豐富度增加。Liao 等[37]的研究有相似結(jié)果，生物炭的施用能夠改變細(xì)菌群落的α-多樣性。Xu 等[35]的研究表明，在金屬污染的稻田土壤里施加酒糟生物炭，增加了稻田土壤中細(xì)菌群落的多樣性，但豐富度下降，適當(dāng)增加酒糟生物炭濃度，菌門菌、厚壁菌、放線菌、菌體和藍(lán)細(xì)菌的相對豐富度增加。Liu 等[38]在種植大豆和玉米的土壤中研究細(xì)菌群落的變化，分別施用不同濃度的生物炭，施用4 年后檢測到前者土壤中細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，后者土壤中細(xì)菌群落組成未觀察到顯著變化，隨著生物炭施用濃度增加，土壤中的細(xì)菌豐富度呈現(xiàn)降低趨勢，方差分析表明差異顯著。Abujabhah 等[40]研究了木材生物炭對黑色黏壤土、紅壤土和棕色沙壤土微生物群落的影響，采用3 種不同濃度（2.5%、5% 和10 %）的生物炭施用，研究發(fā)現(xiàn)3 種濃度的生物炭均可以提高黑色黏壤土中硝化細(xì)菌菌群豐富度和棕色沙壤土中硝化螺菌菌群豐富度，3 種土壤中根瘤菌和固氮螺菌菌群豐富度與生物炭施用濃度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié)論與展望

生物炭中的碳元素含量豐富且穩(wěn)定，其中含有的磷、鈣、錳、鋅等元素也為植物生長提供了必要的補(bǔ)充，但是不同生物炭中所含元素的含量差異很大，其他的理化性質(zhì)差異也很大，這與制備材料類型、制備條件（熱解溫度、加溫時(shí)間、升溫速率）以及制備方法有很大關(guān)系，未來的研究需要進(jìn)一步探究不同熱解溫度對不同熱解材質(zhì)理化性質(zhì)的影響，包括原材料在制炭過程中物理結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)、比表面積、孔徑大小等的變化，以便探究生物炭制備的適宜原材料以及熱解條件，更好地利用廢棄生物材料進(jìn)行土壤改良。

目前，許多研究已證明生物炭在改良土壤方面有較好的效果，土壤中施入生物炭，可以優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤微生物群落的多樣性和豐富度，引起土壤酶活性的變化，但許多文獻(xiàn)報(bào)道都是短期試驗(yàn)及結(jié)果，缺乏長期研究和土壤效應(yīng)分析。長期施用生物炭，土壤結(jié)構(gòu)變化、理化性質(zhì)的變化以及對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，目前尚無科學(xué)的結(jié)論，以后的研究方向更應(yīng)該注重生物炭施用的長期效應(yīng)。同時(shí)，在生物炭的施用量方面有待深入的研究，低的施用量達(dá)不到好的改良效果，高的施用量，會(huì)增加改良土壤的成本，而且有可能達(dá)不到最優(yōu)改良效果。今后的研究需要進(jìn)一步探索生物炭的施用比例，以期實(shí)現(xiàn)較好的改良效果和合理的經(jīng)濟(jì)成本相結(jié)合。

許多研究表明，生物炭對土壤酶活性以及土壤微生物群落的影響程度與土壤質(zhì)地、土壤肥力、土地利用方式以及生物炭自身特性（材料來源、熱解溫度）等密切相關(guān)，因此，還需進(jìn)一步探討土壤酶以及土壤微生物群落和生物炭的作用機(jī)制，更精確地掌握適宜土壤酶活性和微生物群落的熱解溫度以及制碳材料，為生物炭制備過程中的材料選取和熱解溫度提供理論依據(jù)。