李彩斌 張久權 陳雪 張繼光 翟欣 凌愛芬

摘 要：近年來，生物炭受到各國科技工作者的廣泛關注。大量研究表明，生物炭具有穩(wěn)定性、多孔性、吸附性等優(yōu)良特征，可提高土壤養(yǎng)分有效性和土壤微生物活性，改善土壤結構，增加炭固化，減少溫室氣體排放，對土壤重金屬和其他有害有機物進行鈍化失活等，因而是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦头柿虾屯寥栏牧紕?。然而，生物炭因原料和裂解溫度等的不同，可能向土壤輸入重金屬和有機污染物等有害物質，施入土壤后也可能會產生一些對土壤健康和烤煙生長不利的負面作用，目前，人們對這些還缺乏全面系統(tǒng)的了解。筆者根據(jù)近年來國內外的研究結果進行綜述，以期為生物炭的推廣應用提供理論參考。

關鍵詞：生物炭；土壤健康；風險；烤煙

中圖分類號：S572.01 文章編號：1007-5119（2018）06-0091-07 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2018.06.013

生物炭是在低氧或無氧條件下，對秸稈等生物質材料進行高溫分解后的產物。由于其具有多孔性、吸附性、穩(wěn)定性等特性[1]，近年來受到了土壤、農業(yè)和環(huán)境等學術界的廣泛關注。生物炭在SCI期刊的發(fā)文量從2007年的7篇飆升到2017年的1492篇，增長213倍，目前已經成為土壤學等領域的研究熱點。生物炭能在減少溫室氣體排放、固炭、土壤改良[2]，提高土壤肥力[3]，土壤環(huán)境修復[4]等方面能發(fā)揮巨大作用。施用生物炭對土壤和烤煙能產生大量有益的效果，但同時也可能會帶來一部分風險，如在某些條件下，生物炭可能會帶來重金屬、農藥有效性、二噁英、多環(huán)芳烴化合物等方面的問題，也可能會造成烤煙等作物對養(yǎng)分的不平衡吸收等負面效果。因此，筆者根據(jù)現(xiàn)有的研究結果，對生物炭施用對植煙土壤健康和烤煙生長的影響和風險進行綜合評估，以期為生物炭的推廣應用提供理論基礎。

1 生物炭施用對土壤健康的影響

土壤健康主要是指土壤維持和提高作物產、質量的能力。參照國標GB/T 33469—2016耕地質量等級和康奈爾土壤健康評價體系[5]，結合我國主產煙區(qū)的實際情況，重點關注土壤物理指標，如土壤質地、土壤黏粒含量、土壤容重、田間持水量、總孔隙度、水穩(wěn)性團聚體總量、土壤表層硬度、土壤次表層硬度；土壤化學指標，如土壤pH、土壤有機質、活性有機質、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀、可溶性氯、交換性鈣、交換性鎂、有效鋅、有效硼含量；土壤生物指標，如細菌和真菌數(shù)量及多樣性、土壤酶活性、土壤蛋白等。

1.1 土壤物理指標

研究表明，生物炭的施用能夠顯著改善土壤物理性狀，如提高土壤水穩(wěn)性團聚體總量、土壤持水容量、土壤孔隙度，土壤比表面積，降低土壤容重等[6]。施用生物炭有助于形成大團聚體，從而促進團聚體的整體穩(wěn)定，改良土壤結構[6]。OBIA等[7]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，土壤水穩(wěn)性團聚體含量增加了17%～20%。OMONDI等[6]的研究表明，生物炭能顯著降低土壤容重，但這種降低效果隨生物炭的用量、原料種類和土壤類型的變化而不同。施用生物炭可以提高土壤飽和含水率和保水能力，MUKHERJEE等[8]發(fā)現(xiàn)，由于生物炭的施用，土壤持水性增加1%～2%。生物炭的施用量每增加1%，土壤總孔隙度增加2%，土壤有效水含量增加3%[7]?？傊?，施用生物炭能顯著改善土壤物理健康狀況，提高土壤水分和氧氣的供應能力，為烤煙生長提供有利條件。

1.2 土壤化學指標

研究表明，施用生物炭會引起諸多土壤化學健康指標的變化，如土壤pH值，CEC，土壤有機質和養(yǎng)分含量等。絕大部分生物炭由于其本身為堿性，施入土壤可以提高土壤pH，對酸性土壤有明顯的改良作用[9]。生物炭由于其多孔性和較高的比表面積，能夠吸附大量的交換性陽離子。施用生物炭后，土壤溶液中的磷、鉀、鈣等離子濃度大大增加，而活性Al離子濃度明顯降低[10]。施用生物炭能增加煙田土壤pH值、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。生物炭對土壤碳、氮具有良好的調節(jié)作用。李志剛等[11]（2016）通過培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加2.0%生物炭能顯著降低土壤總有機碳的礦化率，土壤有機碳含量提高，此結論也被張璐等[12]（2018）研究所證實，研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，土壤總有機碳和活性有機碳含量在烤煙不同生育期都有大幅度增加。葛少華等[13]（2018）發(fā)現(xiàn)生物炭與氮肥配施能提高土壤氮素含量，減少氮肥用量，且連續(xù)施用對氮素固持和提高烤煙的氮肥利用率效果明顯。

1.3 土壤生物指標

生物炭中含有一部分易分解的炭，可作為微生物生長的基質，因而生物炭的施用會刺激土壤微生物的生長和活性，并帶來起爆效應[14]。土壤微生物和生物炭的穩(wěn)定性密切相關，一方面，生物炭能為微生物提供能源，促進微生物活動，并改變微生物的群落結構；另一方面，生物炭的穩(wěn)定性取決于土壤中作為分解者的微生物類型。微生物群落的組成及其代謝過程對生物炭在土壤中的穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用[15]。研究表明，施用生物炭后，特定微生物群落的改善與土壤中本身的和生物炭作為外源帶入的可分解的有機炭均有關系[16]。CHENG等[17]（2006）報道，生物炭施用后第1個月內土壤微生物活性顯著增加，隨后逐漸變弱。HAMER等[18]（2004）在實驗室的研究結果也表明，所施生物炭的0.79%會在2個月內被消耗掉。因此，可以推測，含有生物炭的復合肥（炭基肥）由于其中的炭能增

加微生物活性，養(yǎng)分循環(huán)應該會更快。在土壤酶方面，張繼旭等[19]（2016）發(fā)現(xiàn)，生物炭能增加土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性。土壤酶活性通常是通過人造基質進行測定的，由于生物炭具有極強的吸附性，在測定酶活時基質和酶反應產物均可能被生物炭吸附，這樣就給測定帶來了很大的誤差。對此，目前還沒有更好的解決方案。因此，目前有關生物炭對土壤酶的影響報道較少，現(xiàn)有數(shù)據(jù)的準確性也有待提高。

2 生物炭施用對烤煙產質量的影響

2.1 烤煙生長和煙葉經濟性狀

張春等[20]（2015）發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能有效改善土壤的理化性質，為根系提供較好的生存環(huán)境，導致煙苗根系體積、根系表面積和根總長增加，且這種現(xiàn)象隨著生物炭施用量的增加而增加。施用生物炭能顯著促進烤煙旺長期后的生長，最終提高烤煙干物質量[3，21]。邢光輝等[22]（2016）研究表明，生物炭施用量為30 g/穴時，烤煙的經濟效應最高，用量增加反而會降低烤煙經濟效益，但這種效應會因土壤類型不同存在較大差異。毛家偉等[23]（2013）研究也表明，施用生物炭后烤煙的產量增加170.5～506.5 kg/hm2，產值增加1146～7739元/hm2，且隨著生物炭用量的增加，煙葉產量和產值呈增加的趨勢。王毅等[24]（2018）在山東諸城也有類似發(fā)現(xiàn)。

2.2 煙葉質量

研究表明，施用生物炭后煙葉質量能得到提高，包括外觀質量、化學成分協(xié)調性[3，21]、評吸質量[25]等。肖戰(zhàn)杰等[25]研究表明，施用生物炭能改善煙葉外觀質量，能不同程度地提高煙葉成熟度，增加煙葉油分及彈性。在生物炭對煙葉化學成分的影響方面，人們做了大量研究。薛超群等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用對煙葉香氣物質含量有顯著影響，生物炭用量太高和太少都對煙葉香氣物質含量不利，當生物炭用量為600 kg/hm2時煙葉總香味物質含量最高。肖戰(zhàn)杰等[25]（2015）發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后煙葉的總糖及還原糖含量下降，總氮、煙堿和鉀含量增加，煙葉化學成分更加協(xié)調。趙殿峰等[21]（2014）的研究也表明，生物炭能顯著提高煙葉內化學成分的協(xié)調性，但過量施用對煙葉質量不利。施用生物炭還有利于成熟期煙葉色素的代謝及調制后煙葉中性致香物質的形成；提高烤后煙葉類胡蘿卜素降解產物、西柏烷類降解產物、新植二烯及致香物質總量，提高烤后煙葉化學成分的協(xié)調性[22]；顯著降低污染土壤中烤煙葉片鎘[27]和汞對煙草的危害，抑制煙草對汞的富集，提高煙葉的保護酶活性。王毅等[24]報道，在大田施用秸稈生物炭后，烤煙中部葉身份、油分及外觀質量總分顯著增加，中、上部葉含鉀量分別顯著提高8.39%和22.63%。施用生物炭能明顯改善煙葉品質。施用生物炭對煙葉鉀含量的顯著提高也被其他學者證實[28]。然而，上述效應會因生物炭用量和種類、土壤類型、氣候條件而異，目前有關生物炭對烤煙生長、產量和質量等的研究剛剛起步，還沒有達成一致的結論，尤其是許多機理還缺乏系統(tǒng)研究。

3 生物炭的潛在風險

到目前為止，大多數(shù)學者主要關注施用生物炭的積極作用，對其不足和潛在風險研究較少，尤其是環(huán)境方面的風險，存在較大的知識缺口[29]。為了充分發(fā)揮生物炭的應用潛力，有必要對其不足和潛在風險進行深入研究，以便制定和實施更好的控制和管理措施。生物炭對環(huán)境的負面影響主要與熱解過程[30]和土壤污染有關。生物炭可能會釋放多環(huán)芳烴化合物（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs）、二噁英、酞酸酯和向土壤中輸入外源重金屬[31]；也可能抑制微生物活性[32]等。

3.1 生物炭在土壤中的穩(wěn)定性

由于其芳香結構，生物炭中的一些化合物在土壤中可以長時間保存。生物炭在土壤中的分解速度與C/N和活性炭（labile C）含量密切相關。對生物炭在土壤中的貯存年限進行模擬試驗，結果發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，在土壤中的貯存時間可達1000～10 000年[33]。生物碳的貯存時間與其分解能力呈反比關系，隨著熱解溫度的升高，生物炭的穩(wěn)定性增加，在土壤中的貯存更長[34]。由于生物炭一般為

粉狀，施入土壤后很難將其清除，施用前如果對其負面影響認識不足，事先沒有做好預防措施，對土壤和烤煙等會帶來長期的破壞作用。

3.2 農藥有效性和殘留

雖然生物炭主要是作為一種土壤改良劑，但其在農藥有效性方面的作用一直受到人們的關注[35]。人們發(fā)現(xiàn)，土壤中的生物炭不僅能吸附農藥，而且還會改變農藥的吸附機制和生物有效性[36]。關于生物炭對農藥吸附的有益影響人們進行了大量研究[15，37]。但有關生物炭對農藥吸附和解吸所帶來的負面影響，如農藥效果降低，額外的毒害作用等少見報道。

人們普遍認為，減少農藥的生物利用度是減少農藥對土壤和水污染最有效的一種方法，因其能夠減少動、植物對農藥的積累和毒性[38]。大量研究表明，生物炭可以吸附、螯合和代謝土壤中的農藥，從而顯著減少農藥對土壤的污染[35，37，39]和因淋失而造成的地下水污染[35]。TATARKOVA等[37]（2013）發(fā)現(xiàn)，生物炭由于其高吸附能力而導致土壤中二甲四氯的擴散和植物吸收量顯著下降，從而降低其利用度。CAO等[40]研究表明，生物炭對阿特拉津（atrazine）有很強的吸附力，溶液中的去除率高達77%。因此，生物炭會對農藥產生吸附，減少擴散，降低環(huán)境污染和對人類健康的為害。

由于生物炭與農藥的相互作用，土壤中農藥的利用度降低，殘留時間延長，烤煙等植物吸收減少，農藥功效減弱[39]。即使是施用少量生物炭，敵草隆的生物降解也會受到抑制[41]。YU等[39]發(fā)現(xiàn)生物炭能對新煙堿類農藥產生吸附，限制其擴散，降低其效果。YANG等[36]發(fā)現(xiàn)小麥和水稻秸稈生物炭對敵草隆的吸附能力比土壤強2500倍。因此，生物炭施用后，為了達到預期的效果，某些農藥的用量應該增加，尤其是除草劑和土壤殺蟲劑等施入土壤的農藥，但這樣會給農民帶來額外購買農藥的成本。

3.3 二噁英

生物炭是在低氧或缺氧條件下形成的，其生產過程可能會產生二噁英等劇毒物質[42]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署已將其列為持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants， POPs）。POPs不僅在環(huán)境中表現(xiàn)出三致性（致癌、致畸、致突變），還具有內分泌干擾特性，其危害已為人們所公認，并引起了公眾與研究者的關注。

原料中的氯是生產生物炭熱解過程中二噁英形成的主要來源。秸稈、禾草、食品廢棄物等都可能含有氯化鈉等氯源。其他生物炭原料，如來源于鹽堿地或沿海的原料，也可能含有較高的氯離子，制作生物炭容易產生二噁英。此外，城市垃圾和其他含有聚氯乙烯（PVC）或其他含氯塑料也是生物炭二噁英的主要來源[42]。城市固體廢棄物如廢管、板材、薄板、瓷磚、玩具、油漆和粘合劑等都含氯，用他們生產生物炭不可避免的會產生二噁英[43]。所幸的是，烤煙種植過程中對氯離子進行了嚴格控制，采用廢棄煙葉和煙稈所生產的生物炭，二噁英含量應該極低。除了原料來源外，熱解溫度對二噁英的產量也有很大影響。二噁英主要在200～400 ℃熱解溫度范圍內產生，在生物炭的生產溫度為300 ℃時，二噁英濃度最高，達到12.2 pg/g[42]。LYU等[44]也發(fā)現(xiàn)，當木屑在300 ℃進行熱解生產生物炭時，二噁英的產量高達610 pg/g?？傊?，學者們已經發(fā)現(xiàn)生物炭含有二噁英，有可能隨生物炭的施用進入土壤產生危害。

3.4 PAH等有機污染物

多環(huán)芳烴（PAH）是由苯環(huán)組成的有機化合物，具有劇毒性、誘變性和強致癌性等特點，被歐盟和美國環(huán)保署（EPA）列為重點高?；衔颷45]。研究表明[46]，生物炭含有相當數(shù)量的PAH，施用生物炭可能會提高PAH在土壤中的含量，對環(huán)境和人類健康造成嚴重危害[45]。由于PAH具有疏水性，能被土壤顆粒所吸附，其在土壤中的持久性可能會對烤煙等植物、土壤微生物和無脊椎動物產生極端的毒性作用[45]。據(jù)報道，熱解溫度、生物炭生產方法和生物質原料是影響PAH分布和濃度的重要因素。然而，文獻中各種研究結論存在差異。研究表明，由草本植物制成的生物炭PAH含量顯著高于木本植物的生物炭，且低溫制作的生物炭PAH比高溫制作

的生物炭多[30]。KUSMIERZ [45]等發(fā)現(xiàn)，當小麥秸稈生物炭的用量達到45 t/hm2時，土壤中的PAH濃度增加了5倍，且PAH的Σ16濃度高達33.7 mg/kg，造成了嚴重的土壤污染。

3.5 重金屬

生物炭由于其豐富的孔隙和巨大的比表面，能夠大量吸附土壤中的重金屬，使其失活，降低重金屬的毒害作用。但也有報道提到，生物炭施用后，土壤可溶性有機質增加，pH值降低，形成了更多的“重金屬-可溶性有機物”復合體，土壤重金屬的有效性和可移動性反而會提高，這樣有可能增加烤煙等植物中重金屬的吸收和含量，嚴重的甚至有造成植物死亡的現(xiàn)象[47]。另一方面，原料中的重金屬一般會原封不動地轉移到生物炭中，隨生物炭的施用進入土壤。Cd、Cr、Pb、Hg、As等重金屬均有可能殘存于生物炭中[48]。從而造成土壤中的重金屬含量和有效性增加[31]，影響烤煙等作物的生長和產量。

3.6 土壤生物

土壤生物對土壤養(yǎng)分和碳循環(huán)具有關鍵作用，也是衡量土壤健康質量的重要指標。生物炭對土壤生物具有積極的和負面的雙重作用，早期的研究主要集中在積極作用方面，但近期也發(fā)現(xiàn)了一些負面影響。CHEN等[14]報道，生物炭能抑制土壤微生物的生長，在某些情況下，通過釋放一些有毒物，對土壤生物產生嚴重的毒害作用。OLESZCZUK等 [46]等發(fā)現(xiàn)，土壤PAH濃度與其對土壤生物的毒性有顯著的相關性。生物炭能造成細菌活性下降已被多種跡象所證實，如甲烷氧化減少、產生N2O和乙烯等抗菌化合物[32]。KHAN等[29]發(fā)現(xiàn)，稻草、稻殼和木屑生物炭的施用降低了根瘤菌、鐵氧化菌和硫還原菌的量，從而導致了土壤健康質量下降。研究表明某些類型的生物炭對土壤中的蚯蚓具有負面的影響[49]。生物炭不僅增加了蚯蚓的死亡率，而且由于蚯蚓與土壤的交互作用，使土壤重金屬的浸出增加，并影響了土壤養(yǎng)分的有效性。土壤生物的多樣性對土壤健康非常重要，對諸多土壤指標如土壤結構、土壤通氣性、養(yǎng)分循環(huán)、水分利用、碳儲存能力和抗病性等具有很大影響。因此，有必要進行更深入的研究，弄清生物炭與土壤生物的關系，以期減少生物炭對土壤生物的負面影響。

4 結論與展望

施用生物炭能帶來固炭、減少溫室氣體排放、提高土壤肥力和烤煙產、質量等多重效益。這種效應在酸性土壤和粗質地土壤中尤其明顯。然而，目前的大部分結果來自于室內模擬試驗、盆栽試驗和短期的田間試驗，缺乏說服力。盡管生物炭能產生廣泛的積極影響，但風險仍然存在，主要涉及重金屬、有毒化合物、農藥殘留等問題，需要進一步研究。筆者認為，針對生物炭施用后的土壤健康和烤煙產、質量問題，重點需要研究以下兩方面的問題。

（1）開展煙田施用生物炭的長期定位試驗，研究生物炭對土壤理化性狀、烤煙產質量的長期影響，對生物炭的施用效果進行全面評價。

（2）開展生物炭對農藥、重金屬、PAH等有害有機化合物的長期影響方面的研究，以及這些影響對土壤健康和烤煙產、質量的影響研究，并弄清其影響機理，找出合理的解決方案。

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