生物炭對土壤微生物影響的研究進展

劉金靈，張亞茹，王宇光，耿貴,2

(1黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080；2黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱 150080)

0 引言

生物炭（Biochar，又稱為生物質(zhì)炭或生物焦）是有機物質(zhì)在沒有空氣的情況下熱降解（熱解）的產(chǎn)物，包括木炭、稻殼炭和秸稈炭，具有較大的比表面積和孔隙率，具有較強的吸附和抗氧化能力。不同的原料和制備條件會導致生物炭的物理和化學性質(zhì)發(fā)生變化，如質(zhì)地、pH、灰分和營養(yǎng)物質(zhì)含量，從而產(chǎn)生不同的環(huán)境效應[1]。合理地使用能夠有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，增加土壤的供肥保肥能力，另外還可以凈化水質(zhì)，還能有效減少現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化學肥料的使用量降低環(huán)境危害，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護方面表現(xiàn)出巨大的應用潛力，近年來中國也在生物炭土壤改良方面加強了高度的重視。

土壤微生物對土壤代謝和植物生長有著巨大的影響，通過對土壤微生物的研究，了解了土壤微生物在植物營養(yǎng)與養(yǎng)地和平衡生態(tài)方面的作用。對于作物而言，它們可以增強植物吸收養(yǎng)分的能力，并有助于防止作物生長過程中遇到的障礙。此外，它們還可以形成有機物質(zhì)，以提高土壤肥力、增強植物根系吸收養(yǎng)分和水分的能力，促進植物生長；同時它們也能提高作物對病蟲害等其他不良環(huán)境條件的抵抗能力。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要成分，尤其是在土壤的理化反應中發(fā)揮了極其關鍵的作用[2]。土壤微生物活性的強弱能有效地反映土壤環(huán)境的變化程度，因此土壤微生物的多少和群體結構是評價土壤質(zhì)量好壞的重要指標之一[3]。通過對土壤添加生物炭，從而研究土壤微生物的前后變化，能夠準確的判斷出該地區(qū)土壤肥力狀況和養(yǎng)分供應能力。對于提高當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有著十分重要的意義，本研究重點介紹近年來生物炭對土壤微生物影響的研究進展。

1 生物炭對土壤特性的影響

大量研究表明，生物炭對土壤質(zhì)量有積極的影響。施用生物炭可以提高土壤有機質(zhì)含量，從而提高土壤肥力[4]。根據(jù)生物炭生產(chǎn)中使用的原料和熱解特性，它可以含有一些養(yǎng)分，但由于其高度多孔的結構，它可以改善養(yǎng)分在土壤中的保留。此外，生物炭可以降低土壤酸度，增加土壤電導率和陽離子交換容量，從而提高養(yǎng)分有效性[5]。有數(shù)據(jù)表明，生物炭會降低植物對微量元素的可利用性。NAMGAY等[6]發(fā)現(xiàn)，玉米幼苗鎘、鎘和鈀的濃度在處理后顯著下降。然而，生物炭的應用，重金屬的吸收及其對植物的有效性是不同的，這取決于金屬和生物炭的施用速率。GLASER等[7]報道，施用生物炭降低了鋁對植物根系和土壤微生物的毒性。考慮到與耕地土壤重金屬污染相關的環(huán)境問題，生物炭具有修復耕地土壤的潛力。FREDDO等[8]報道了4種植物生物炭中金屬、類金屬和多環(huán)芳烴的濃度低于污泥和堆肥的可接受濃度。生物炭具有較高的總孔隙度，因此它可以在小孔隙中保持水分，增加土壤的持水能力[9]。

2 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭有效地改變了土壤的陽離子交換量、容重、質(zhì)地、孔隙結構和比表面積[10-11]。 BLANCOCANQUI[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭總體上提高了土壤團聚體穩(wěn)定性(3%～32.26%)、孔隙度(14%～64%)、容重(3%～31%)和土壤水分有效性(4%～130%)，但對土壤滲透阻力的影響不顯著。此外，生物炭原料來源和熱解溫度不同，土壤孔隙分布、大小和體積也不同。生物炭的中孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)有利于保水，是微生物的唯一棲息地。生物炭的納米孔或微孔(＜0.9 nm)決定了生物炭的吸附和化學性質(zhì)[13]。土壤顆粒容易與生物炭的細顆粒相互作用，通過調(diào)節(jié)水分滯留和孔隙形狀形成土壤團聚體[14]。在熱解過程中，許多揮發(fā)性化合物以氣體的形式釋放出來，增加了生物炭的表面積，并產(chǎn)生蜜蜂狀的多孔結構，導致更高的養(yǎng)分保留和持水性[15-16]。例如，WEBER等[17]發(fā)現(xiàn)，大部分生物炭的生物量表面積在100～800 m2/g 之間，而污泥產(chǎn)生的生物炭表面積為100 m2/g。也有研究報道發(fā)現(xiàn)，楊樹的生物炭比玉米秸稈產(chǎn)生的生物炭表面積更小。研究表明，生物炭對土壤孔隙度的增加并不均勻，主要取決于土壤質(zhì)地等級和土壤類型。一般而言，施用生物炭對細質(zhì)地土壤孔隙度的改善較粗質(zhì)地土壤小。報道發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入生物炭可以改善土壤性質(zhì)，改變水分入滲，降低顆粒密度和抗拉強度。TARIN 等[18]報道了水稻秸稈對土壤理化性質(zhì)的影響，并建議在缺磷土壤中使用生物炭改良劑可以對抗土壤酸化和磷(P)有效性。在另一項研究中，SADEGH-ZADEH等[19]發(fā)現(xiàn)，施用50 g/kg 的水稻生物炭可以修復鹽堿化土壤。研究人員發(fā)現(xiàn)生物炭表面的Mg2+和Ca2+可以在土壤膠體上交換Na+，從而導致Na+從鹽堿化土壤中淋失。此外，生物炭是一個重要的碳(C)來源，其應用改善了土壤的團聚性[20]。QAYYUM等[21]的報告稱，施用粗堿生物炭顯著提高了土壤pH至pH 3.8～7.5之間。綜上所述，與未處理土壤相比，添加生物炭的土壤顯著提高了土壤陽離子交換量、容重、質(zhì)地、孔隙形狀、孔隙結構和表面積、團聚體穩(wěn)定性和土壤水分有效性。

3 生物炭對土壤微生物生長的影響機制

生物炭是一種新的土壤改良材料，能夠改變土壤中的微生物種群，并增強其功能。生物炭對微生物的具體影響可以簡單地分為幾類：（1）具有多孔結構和高表面積的生物炭充當土壤微生物的庇護所。（2）生物炭為土壤微生物提供碳源、氮源等養(yǎng)分。（3）生物炭改善土壤的性質(zhì)，促進微生物的生長。

3.1 生物炭是微生物在惡劣環(huán)境下的避難所

據(jù)報道，大多數(shù)土壤微生物的直徑小于生物炭的平均孔徑[22]。因此，熱解過程中揮發(fā)分的損失導致生物炭表面粗糙，結構疏松，為微生物附著和繁殖提供了良好的機會。例如，生物炭的大孔隙會影響土壤通氣和水分保持，而小孔隙則會促進營養(yǎng)分子的運輸，從而促進微生物的定殖。真菌菌絲可以穿過生物炭的孔隙，證實了生物炭可以作為真菌避難所的猜想[23]。同時，活的微生物細胞可以直接粘附在生物炭內(nèi)部，避免了土壤污染物對其的毒性，增加了微生物的豐度[24]。在沒有生物炭保護的情況下，一些直接接觸污染物的微生物細胞會收縮或破裂，甚至形成凹面。因此，生物炭可以作為一種極好的載體和屏障能保持微生物活性，提高去除土壤污染物的效率。例如，在重金屬污染的土壤中添加生物炭可以通過吸附、促進金屬的沉淀和金屬-有機配合物的形成，降低金屬的可及性和毒性[25]。微生物在生物炭表面和孔隙內(nèi)部的定殖具有明顯的差異。這是因為生物炭對土壤礦物質(zhì)和有機化合物的吸附，使得生物炭-土壤界面外表面的孔隙被堵塞。另一方面，微生物定殖的稀缺性是由于新鮮生物炭中高水平的礦物鹽和多環(huán)芳烴對微生物的威脅。

3.2 生物炭為微生物提供營養(yǎng)

施用生物炭能促進微生物群落的生長，這與生物炭所支持的營養(yǎng)物質(zhì)有關。生物炭提供的難溶有機物和無機物在微生物生長過程中被分解或吸收利用，從而引起微生物結構的明顯變化，促進微生物群落的增殖。生物炭能為微生物提供養(yǎng)分，不僅是因為生物炭本身含有或吸附的養(yǎng)分，還因為它能改善土壤條件，增加土壤養(yǎng)分。生物炭中含有多種營養(yǎng)元素，如N、P、K等。生物炭具有豐富的礦物質(zhì)，添加一定量的灰分后可作為生物刺激劑，增加對污染土壤的修復作用。

添加生物炭后，土壤可提取養(yǎng)分元素的比例提高幅度為60%～670%。例如，土壤中的鉀含量從42 mg/kg上升至324 mg/kg[26]。雖然生物炭中含有豐富的碳，但由于其芳香結構的高穩(wěn)定性，使得生物炭中的大部分碳無法被微生物利用。然而，生物炭中也存在可被微生物利用的碳，如溶解有機碳(DOC)，可為土壤微生物提供養(yǎng)分。作為肥料，生物炭釋放緩慢，但給土壤微生物帶來很大的好處。生物炭的原料會影響DOC 的組成，而原料選擇的差異會導致生物炭中DOC 的不同。大豆秸稈生物炭的DOC含量高于其他原料生物炭（如污泥、花生生物炭、水稻秸稈生物炭），表明大豆秸稈生物炭可能更有利于微生物活性[27]。生物炭中DOC 的含量也受熱解溫度的影響。一般來說，高溫熱解生產(chǎn)過程中生物炭的芳構化縮合會導致DOC 含量的降低[28]。在較低的熱解溫度下生成的生物炭用于土壤改良時，其較低的炭化程度可能導致較高的DOC 含量，有利于微生物的生長。例如，與450℃和550℃熱解的生物炭相比，350℃熱解的生物炭在其結構中保持了更多的DOC[29]。

3.3 生物炭改善土壤的性質(zhì)，促進微生物的生長

由于生物炭與土壤基質(zhì)之間的復雜聯(lián)系，生物炭可以作為粘合劑材料來改善土壤結構，并相應地促進微生物活性[30]。多孔生物炭通過改變生物炭與土壤顆粒之間的空隙，使微生物有更多的運動空間，從而增加土壤孔隙度和容重。生物炭還可以提高土壤碳儲量和穩(wěn)定性，以通過增加土壤聚集為微生物提供充足的養(yǎng)分[31]。添加生物炭可以提高土壤pH，促進微生物群落多樣性的增加[32]。由于生物炭的原料和熱解條件不同，有報道稱，不同CEC 的生物炭可以不同程度地改善土壤的CEC[33-34]。而生物炭對酶活性的促進是對土壤質(zhì)量和養(yǎng)分有效性的響應[35]。因此，在土壤中添加生物炭可以調(diào)節(jié)土壤的性質(zhì)，為微生物提供更好的生存條件，從而影響微生物的活性[36]。

4 生物炭對土壤微生物群落多樣性的影響

4.1 對土壤微生物群落數(shù)量特征的影響

土壤微生物群落生物量可以反映土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。土壤微生物群落的多樣性和豐度是通過土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)來保持土壤健康的基本功能，在生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性中起著關鍵作用。生物炭富含碳和微生物生長所需的微量營養(yǎng)元素。其大的比表面積可以防止孔隙中的一些微生物被捕食，從而有效增強土壤微生物活性，提高微生物量和多樣性。SINGH等[37]在田間條件下施用稻殼生物炭，研究其對土壤微生物和水稻產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)不同試驗條件下微生物量碳、氮、磷均高于對照[38]。與對照相比，生物炭與氮肥混合施用提高了大豆根際微生物的總生物量[39]。HUA等[40]人也指出，生物炭明顯提高了土壤微生物生物量中的碳和氮。

除了為微生物提供良好的生存空間外，微生物還可以將自己附著在生物炭上，以避免過熱、干燥或浸出。細菌附著在生物炭的表面，阻礙了生物炭的浸出，這增加了細菌的豐度，但不會顯著改變真菌的豐度，這可能是由于菌絲網(wǎng)絡的存在[41]。HALE等[42]發(fā)現(xiàn)，利用300℃熱解的松木生物炭作為植物促生根際細菌-陰溝腸桿菌UW5 的載體，可以提高細菌在土壤中的存活率。YANG等[43]發(fā)現(xiàn)玉米芯生物炭對蘇云金芽孢桿菌的吸附量最大。生物炭在微生物上的吸附具有一定的選擇性，這可能與微生物的性質(zhì)如細胞大小和表面電荷有關。吸附可以通過疏水吸附或靜電吸附的不同機制進行[44]。XU 等[45]發(fā)現(xiàn)細菌多樣性的增加與生物炭的添加比例成正比。芽單胞菌、嗜酸菌和綠藻的相對豐度下降，放線菌、變形菌和擬桿菌的相對豐度上升。

生物炭的堿性是調(diào)節(jié)土壤pH的重要因素，不同類型的微生物對pH變化的敏感性不同。ROUSK[46]等研究指出，在將pH以外因素的影響降至最低后，細菌比真菌更容易受到pH 的影響。細菌的相對豐度和多樣性與pH高度相關。pH對細菌群落結構具有顯著的直接影響，這可能是由于細菌最佳生長的狹窄pH范圍。而pH對真菌群落結構的影響較小，這與真菌純培養(yǎng)結果一致，表明真菌生長的最適pH范圍通常較大。大多數(shù)研究證實，生物炭的利用在一定程度上增加了微生物豐度，但變化仍受多種因素影響，表現(xiàn)出不同程度的促進和抑制作用。LI等[47]將玉米秸稈生物炭的水提取物、有機提取物和2 次提取后的殘余固體應用到具有生物炭的紫色土中進行培養(yǎng)。30 d 后，真菌的豐度和多樣性增加，而細菌的豐度沒有明顯變化。

4.2 對土壤微生物群落結構特征的影響

在土壤中加入生物炭能夠使微生物的生存環(huán)境發(fā)生改變，從而導致某些優(yōu)勢種的豐度發(fā)展或某些病原體的生長受到抑制。土壤pH、持水力、土壤養(yǎng)分等特性的改善有利于微生物的繁殖。研究者發(fā)現(xiàn)生物炭的添加增加了不同氮沉降水平下變形菌門的相對豐度，而它對酸桿菌群有不同的影響。據(jù)相關報道，生物炭的根際微生物豐度也有顯著增加，其中與磷循環(huán)相關的短波單胞菌、與磺酸鹽脫硫相關的節(jié)桿菌和嗜銅菌增加了100 倍[48]。WANG 等[49]研究表明，真菌和細菌的相對豐度以及PLFA含量隨著玉米生物炭施用量的增加而降低。這可以用生物炭的堿性來解釋，它往往會在短期內(nèi)抑制土壤微生物活性，從而減少群落組成。JIN[50]研究結果表明，在溫帶土壤中增加生物炭的添加量會導致玉米根際和非根際土壤中細菌群落組成的差異增加。高比例施用生物炭的根際土壤與施用少量或不施用生物炭的土壤最為不同；相反，高比例施用生物炭的土壤與施用少量或不施用生物炭的根際土壤最為相似。

5 生物炭對土壤微生物活性的影響

在土壤有機碳降解、營養(yǎng)元素轉化、土壤結構保持等方面，土壤微生物發(fā)揮著至關重要的作用[51]。施用生物炭可以使微生物的活性和群落結構發(fā)生明顯的變化[52]，如孔隙空間、表面積、孔隙度、礦物質(zhì)、有機化合物、官能團、自由基和pH。生物炭含有氮、磷、鉀和其他養(yǎng)分，釋放到土壤溶液中后，可對微生物生長產(chǎn)生長期有益影響。此外，生物炭中孔和微孔中儲存的可溶性物質(zhì)可促進微生物活性，并改變土壤中微生物的豐度和組成[53]。KARIMI等[54]在石灰性土壤中施用1%和2%(w/w)的玉米渣生物炭后，觀察到與對照相比，土壤微生物量增加了20%至124%。SELEIMAN 等[55]觀察到，在向日葵上聯(lián)合施用稻草生物炭和葉面硅與未用生物炭處理的土壤相比，在缺水條件下，向日葵產(chǎn)量增加約27%，菌根孢子增加182%～277%。

6 生物炭對土壤微生物酶活性的影響

生物炭影響土壤胞外酶的活性，這些酶負責有機碳的降解和其他重要的氮礦化或磷溶解酶的活性[56]。這種影響因生物炭的性質(zhì)、土壤類型和酶類型而異。土壤酶主要來源于動物、植物和微生物的分泌物。它們的活性大致反映了生物化學反應、微生物活性和營養(yǎng)物質(zhì)的活性，它們是土壤質(zhì)量的重要指標[57]。土壤酶活性受pH、陽離子交換量、持水量和孔隙結構等因素的影響。前期研究表明，生物炭可以提高土壤酶活性。AMELOOT等[58]發(fā)現(xiàn)高溫和低溫生物炭能使酶活性產(chǎn)生不同的變化，研究表明生物炭對土壤酶活性的影響因生物炭類型和土壤酶類型而異；生物炭含有磷、鉀、鎂和其它營養(yǎng)物，其可促進土壤微生物活性，從而提高土壤中的整體酶活性[59]。由于生物炭的強吸附性能，也增加了土壤酶的復雜性。生物炭對反應底物的吸附有助于酶反應并促進土壤酶活性。另一方面，酶在生物炭上的吸附可降低結合位點的可用性，所述結合位點對于催化酶促反應至關重要，從而抑制酶促反應的進行[60]。但由于土壤酶和生物炭類型種類繁多，很難對這兩者之間的因果關系下結論。但過量使用生物炭可能會引入有毒物質(zhì)（重金屬、多環(huán)芳烴等）進入土壤，從而抑制土壤酶的活性，這是未來生物炭應用中必須考慮的問題。施用生物炭后的另一個研究熱點是植物根際土壤微生物與酶活性的關系。

7 生物炭對土壤微生物生態(tài)功能的影響

土壤中生物炭的利用影響微生物的功能[61]。CHEN 等[62]研究了20 年和60 年茶園中生物炭對土壤氮素淋溶和持留的影響及其微生物學機制，結果表明，生物炭添加量為6%時，減緩氮素淋溶和提高全氮含量的效果最為顯著。土壤酶活性和微生物量呈上升的趨勢，促進了土壤氮素循環(huán)，增強了微生物對氮素的固定作用。ABBRUZZINI 等[63]將生物炭應用于種植小麥的熱帶土壤，發(fā)現(xiàn)生物炭的使用減少了一氧化二氮排放，增加了谷物中N的含量，提高了氮的利用率，并提高了植物獲得氮并將其轉化為糧食產(chǎn)量的效率，從而改善了作物性能。土壤微生物在固碳中也起著重要作用，固碳包括增加有機物的合成和減少土壤碳的分解，從而減少溫室氣體排放。SHENG 等[64]將不同比例的生物炭應用于鐵鋁土和黑土。生物炭的吸附作用增加了黑土中貧營養(yǎng)細菌的豐度，降低了黑土中二氧化碳的排放。然而，觀察到擬桿菌和芽生單胞菌的增長以及酸桿菌的下降，這是由二氧化碳排放的增加引起的。BASHIR 等[65]報道，種植在廢水灌溉土壤中的11株植物中，有5株經(jīng)過4種植物類型的生物炭處理，可降低土壤中鎘的遷移性，植物芽中鎘的吸收也被有效降低。添加生物炭后，多金屬污染土壤中富集的鎘、砷和鈀顯著減少。結果還表明，多環(huán)芳烴的降解效率顯著大于連作模式[66]。微生物可以通過形成土壤團聚體來減少有機質(zhì)的分解，對土壤固碳和土壤肥力的提高有很大影響。研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈生物炭對放線菌和酸桿菌有積極影響，可以改善土壤團聚體的穩(wěn)定性。

8 總結

隨著近些年來國家提倡的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展概念，作為環(huán)境友好型的土壤改良劑生物炭近年來得到了廣泛的關注。生物炭由于其合成原料十分廣泛因此不同類型的生物炭對于土壤的影響也是有所區(qū)別的。很難通過實驗確定對土壤的影響程度，因此無法有效地推廣生物炭在土壤改良劑方面的使用。近些年來國內(nèi)外有許多科學家研究生物炭對土壤微生物的影響，也發(fā)表了許多科研成果，為后期的研究提供了相應的科學依據(jù)，但目前生物炭的研究大多都在試驗田內(nèi)進行短期的研究，還沒有真正的大規(guī)模投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此生物炭的研究過于單一和分散，在不同地區(qū)差異較大。生物炭的使用和對環(huán)境的影響目前仍有許多不確定性，還需要更加深入地研究。