何振嘉

[摘要]生物炭是指秸稈、木屑以及動(dòng)物糞便等生物質(zhì)在低氧或缺氧環(huán)境下通過(guò)高溫?zé)峤舛a(chǎn)生的含碳量豐富且性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)物，由于其具有孔隙度大、密度小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、與土壤中離子交換能力強(qiáng)以及含碳量高等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，因此具有廣泛的利用途徑。生物炭對(duì)土壤理化特性的調(diào)節(jié)具有顯著的影響，對(duì)土壤微生物生多樣性和豐富度也有顯著的促進(jìn)作用，且有助于作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。因此，本文圍繞生物炭施加對(duì)土壤理化特性、土壤微生物以及作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，以期豐富生物炭的利用途徑，為生物炭的應(yīng)用和推廣提供一些思路。

[關(guān)鍵詞]生物炭;土壤理化特性;土壤養(yǎng)分;作物產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

土壤是作物生長(zhǎng)和微生物進(jìn)行物質(zhì)分解、交換的重要場(chǎng)所，是保障糧食生產(chǎn)和糧食安全的重要保障[1-2]。近年來(lái)，隨著生態(tài)環(huán)境不斷受到污染，以及對(duì)耕地保護(hù)不重視、保護(hù)措施不到位，我國(guó)耕地的土壤質(zhì)量不斷下降。對(duì)此，我國(guó)通過(guò)大量的工程舉措和農(nóng)田管理行為來(lái)優(yōu)化土壤質(zhì)量，但取得的效果并不顯著[3-5]。在長(zhǎng)時(shí)間人類活動(dòng)下，伴隨化工污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等行為產(chǎn)生各類重金屬、固體廢棄物、生活垃圾、廢水廢氣以及農(nóng)藥化肥殘留物，通過(guò)降雨淋溶、沖刷等作用進(jìn)入土壤和大氣中，通過(guò)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)引發(fā)嚴(yán)重的土壤污染。由于土壤理化特性以及生物學(xué)特性會(huì)受到土壤污染物的影響，甚至部分污染物造成的土壤污染是永久性且不可逆的。相關(guān)學(xué)者通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用對(duì)土壤理化特性的調(diào)節(jié)具有顯著影響，且有助于作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高[6-8]。生物炭是指秸稈、木屑以及動(dòng)物糞便等生物質(zhì)在低氧或缺氧環(huán)境下通過(guò)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的含碳量豐富且性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)物[9-11]。生物炭含碳量一般可達(dá)到40%～75%，且含有少量礦物質(zhì)，整體偏堿性，穩(wěn)定性較強(qiáng)[12]。生物炭由于孔隙度大、密度小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、與土壤中離子交換能力強(qiáng)，還具有含碳量高等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[13-14]。

1 生物炭對(duì)土壤理化特性的影響

大量研究表明，生物炭對(duì)土壤物理和化學(xué)性質(zhì)具有明顯的改良作用，張功臣等[15]使用小麥秸稈生物炭對(duì)連作土壤理化特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，生物炭施加對(duì)提高作物全氮含量、全鉀含量、速效氮和速效鉀含量效果顯著，但對(duì)于全磷含量和速效磷含量的影響不顯著。張曼玉等[16]通過(guò)對(duì)石漠化土壤施加生物炭的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施加量對(duì)土壤總孔隙率、毛管孔隙率、土壤含水率、飽和含水率、土壤有機(jī)質(zhì)以及土壤養(yǎng)分含量的變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與土壤容重變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。單瑞峰等[17]研究了不同生物炭原料對(duì)土壤持水性的影響，結(jié)果表明，灰分含量越大，各不同原料制備的生物炭pH值也越大，由雞糞制備的生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的提高和土壤持水性能的改善效果最佳。王芬等[18]針對(duì)生物炭和牛糞混施對(duì)土壤理化特性的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同比例的生物炭和牛糞混施用均可增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量，對(duì)土壤理化特性的改善均有顯著效果，而50%牛糞和50%生物炭混施對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善效果最好，且能顯著促進(jìn)土壤對(duì)氮素的吸收和利用效果。劉會(huì)等[19]以紅富士和平邑甜茶制備的生物炭材料為試供肥料，研究了其對(duì)蘋果園土壤理化特性和養(yǎng)分狀況的影響，結(jié)果表明，生物炭用量的增加，可顯著降低土壤pH值，顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，同時(shí)能夠提高氮肥的利用效率。

2 生物炭對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物通過(guò)參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等，能夠?qū)ψ魑锏纳L(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生顯著的影響，而土壤中微生物群落種類和數(shù)量情況，往往可以作為評(píng)定土壤質(zhì)量的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)合理的田間管理以及施肥措施，能夠改善微生物生存和活動(dòng)環(huán)境。而眾多學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)土壤施加生物炭，也能顯著促進(jìn)土壤中微生物活性的提高，保持良性發(fā)展。藍(lán)興福等[20]通過(guò)對(duì)稻田土壤施加生物炭和爐渣混合物研究其對(duì)土壤微生物的影響，結(jié)果表明，生物炭和爐渣混施雖然在一定程度上提高了土壤中微生物數(shù)量，但并未達(dá)到顯著性水平，而有機(jī)碳可以顯著提高土壤中細(xì)菌數(shù)量。于小彥等[21]研究了生物炭添加對(duì)不同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，生物炭的添加會(huì)降低土壤微生物磷脂脂肪酸量，且會(huì)通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。土壤水分含量對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)有重要影響，在土壤水分含量為75%田間持水量的條件下，生物炭的添加會(huì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)75%田間持水量時(shí)，生物炭會(huì)對(duì)大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

盧曉蓉等[22]研究了不同杉木凋落物生物炭添加量條件下對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)表明，生物炭施用可使土壤中的微生物總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌含量增加，且與施加量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。3%生物炭添加量條件下，真菌、叢枝菌根真菌、放線菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌以及革蘭氏陰性細(xì)菌含量均達(dá)到最大值。張晟等[23]利用水稻秸稈制備的生物炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，生物炭施加可降低CH4和N2O排放量，優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，但對(duì)CO2含量排放的抑制效果并不顯著，當(dāng)制備溫度達(dá)到500℃時(shí)，生物炭抑制溫室氣體的排放效果最佳。張夢(mèng)陽(yáng)等[24]研究了生物炭添加對(duì)土壤細(xì)菌以及氨化微生物的影響，結(jié)果表明，施用生物炭后，黃棕土壤的微生物豐富度以及多樣性均有顯著提高，對(duì)于潮土而言，僅提高了其多樣性指數(shù)，而對(duì)黑土并未起到顯著影響。

3 生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

土壤質(zhì)量對(duì)作物健康生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高具有決定性作用，因而通過(guò)各類措施提高土壤質(zhì)量也是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

現(xiàn)階段，提高土壤質(zhì)量的主要方式是土地翻耕以及化肥施用，但由于部分農(nóng)戶對(duì)肥料特性的了解不全面，對(duì)作物需肥特點(diǎn)的了解不徹底，化肥的施用往往會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的污染問(wèn)題，反而導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降?；诖?，大量學(xué)者圍繞生物炭添加對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的促進(jìn)作用進(jìn)行研究，并取得了顯著成果。?？档萚25]研究了添加生物體對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，生物炭添加可通過(guò)減少土壤中鈉離子促進(jìn)小麥幼苗生長(zhǎng)，在增施生物炭量為4g/kg時(shí)，土壤鈉離子量降低了9.43%，小麥幼苗的鉀鈉比和鉀素利用效率分別提高了56.80%和25.48%，麥苗生物量增加了15.72%。宋婷婷等[26]研究了添加生物炭對(duì)小麥和黃瓜生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，生物炭添加雖然對(duì)黃瓜和小麥種子的發(fā)芽率具有顯著的促進(jìn)作用，但當(dāng)生物炭添加量超過(guò)160g/kg時(shí)，會(huì)對(duì)小麥和黃瓜根、莖的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。南江寬等[27]研究了不同水分條件下秸稈生物炭對(duì)高粱生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，0.5%秸稈生物炭對(duì)增加高粱生物量具有顯著的促進(jìn)作用，而生物炭含量超過(guò)1%，時(shí)則會(huì)對(duì)高粱株高生長(zhǎng)產(chǎn)生阻礙作用。孫海妮等[28]對(duì)冬小麥?zhǔn)┘由锾?，研究了?duì)其產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，小麥的水分利用效率和產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加表現(xiàn)為先增加后減少的變化，當(dāng)生物炭量為30t/hm2時(shí)，小麥產(chǎn)量最大為18.1kg/hm2。房彬等[29]通過(guò)添加不同比例的生物炭研究了其對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，生物炭添加使玉米籽實(shí)提高了7.6%～20.3%，玉米根莖葉生物量較不添加生物炭提高8.6%～46.8%。張?jiān)剖娴萚30]研究了風(fēng)沙土添加生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，添加生物炭有利于改善風(fēng)沙土的土壤養(yǎng)分和土壤肥力，生物炭施用玉米產(chǎn)量提高了10.2%～42.1%。

徐綺雯等[31]研究了不同梯度生物炭施加對(duì)油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，生物炭與化肥聯(lián)合施用可顯著改善土壤肥力狀況，提升土壤微生物活性，促進(jìn)微生物對(duì)碳源的利用程度和油菜增產(chǎn)和籽粒品質(zhì)的改良。雷蕾等[32]研究了生物炭施加后控制灌排對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加可顯著提高水稻株高，縮短水稻節(jié)間長(zhǎng)度、增大莖壁厚度及節(jié)間外徑，并顯著提高水稻的抗倒伏能力。董飛等[33]探討生物炭施用量在不同澆水條件下對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效果，結(jié)果表明，不灌溉條件下，小麥產(chǎn)量及水分利用效率隨生物炭施用量增加先增加后減少，且能顯著提高作物返青期土壤溫度。

4 結(jié) 論

土壤污染是引起耕地質(zhì)量下降的重要因素，嚴(yán)重的土壤污染會(huì)造成土地?zé)o法耕種，出現(xiàn)大量作物減產(chǎn)、絕收，甚至耕地撂荒現(xiàn)象，對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)和糧食安全產(chǎn)生巨大威脅。將生物炭施加于土壤中，能顯著調(diào)節(jié)土壤理化特性和改善微生物環(huán)境，有利于作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，本文通過(guò)研究生物炭施加對(duì)土壤理化特性、土壤微生物以及作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以期為豐富生物炭利用途徑以及為生物炭的應(yīng)用和推廣提供一定借鑒。 因此，利用生物炭進(jìn)行土壤中重金屬物質(zhì)修復(fù)方面的應(yīng)用同樣具有廣闊前景。

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