生物炭是由農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便、有機(jī)物料廢物等在缺氧或少量有氧的情況下經(jīng)高溫裂解形成的疏松多孔的黑色固體物質(zhì)。因其制備原料、時間、裂解溫度等不同，生物炭特性也千差萬別[1,2]。近年來，生物炭在環(huán)境治理、土壤改良、減少溫室氣體排放、提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量等多方面都表現(xiàn)出優(yōu)良效果[3,4]。通常，生物炭具有比表面積大、疏松多孔、容重小，呈堿性、富含碳等特點，這些特點也使得生物炭施入到土壤中，會對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。

通常情況下，添加生物炭可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促進(jìn)團(tuán)聚體合成，有效提高土壤持水量，因其自身呈堿性，常被用于中和酸性土壤，豐富的碳及灰分中的營養(yǎng)元素也為植物及土壤微生物、動物生長提供了良好的養(yǎng)分條件。

1.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

1.1.1 生物炭對土壤容重和孔隙度的影響

一般來說，施用生物炭可以降低土壤容重，砂質(zhì)土壤對生物炭的改良反應(yīng)較黏質(zhì)土壤來說，程度更為劇烈。首先，生物炭的顆粒密度遠(yuǎn)小于土壤礦質(zhì)顆粒，生物炭施入土壤，這種物理混合方式能直接降低土壤容重。此外，生物炭的施用可有效增加土壤有機(jī)碳，特別是不穩(wěn)定碳的含量，從而促進(jìn)生物活性、土壤聚集和增加大孔隙，進(jìn)而降低土壤容重。

郭書亞等人[5]的研究結(jié)果表明，在豫東平原地區(qū)田間試驗中，一次性施用秸稈生物炭，5年后，可顯著降低土壤容重。在不同的試驗條件下，施用生物炭大多可以降低土壤容重，但是較長時間跨度的生物炭老化以及短期的機(jī)理問題還需進(jìn)一步研究。

土壤孔隙度對植物根系生長和養(yǎng)分吸收都至關(guān)重要。一般來說，生物炭可以有效增加土壤孔隙度，并且土壤總孔隙度的增加不到10%[6]。土壤孔隙度的增加常與土壤容重的降低保持一致，這均利于植物生長，適宜的土壤孔隙環(huán)境也為土壤微生物、原生動物等的生長發(fā)育提供了良好的居住條件。

1.1.2 生物炭對土壤水分的影響

土壤水分是植物生長的先決條件。植物可直接利用的水，即土壤有效含水量，位于凋萎系數(shù)與田間持水量之間。有效含水量的變化與孔隙度、土壤容重與呈正相關(guān)。魏永霞等[7]研究了連續(xù)5年添加生物炭對東北黑土區(qū)坡耕地田間持水率的影響，結(jié)果表明，除了第一年，土壤有效含水率和田間持水率均隨施入生物炭的含量的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。這也說明生物炭改善土壤水分狀況除了受施入量、施入時間的影響，也受外界環(huán)境的干擾。生物炭對土壤水分狀況的改變主要與生物炭自身孔隙狀況相關(guān)，其自身孔隙結(jié)構(gòu)和親水性能可直接影響土壤水分狀況。

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的影響

pH值對土壤肥力至關(guān)重要。土壤酸堿度不僅影響著土壤中大量營養(yǎng)元素、重要微量元素的有效性，而且對土壤真菌細(xì)菌群落構(gòu)建、溫室氣體排放等具有決定意義[8]。大多農(nóng)林廢棄物制備的生物炭酸堿度隨裂解溫度的增加而增強(qiáng)，不同來源的生物炭，酸堿程度也有較大差異。生物炭的堿性主要是由表面官能團(tuán)豐度和碳酸鹽含量決定。一般來說，生物炭pH隨溫度變化的原因主要是其內(nèi)的羥基、羧基隨溫度升高而降低；另一方面則是生物炭中的鉀鈣鈉鎂等金屬元素及離子比例增加，此外，灰分含量中也與生物炭pH呈正相關(guān)[9]。因生物炭自身呈堿性，且含有較高的Ca和Mg，因此常用于提高酸性土壤的pH值，降低土壤的交換性酸度[10]。研究表明，生物炭表面的羧基質(zhì)子化是使得土壤抗酸性增強(qiáng)的顯著原因。相對于酸堿緩沖性能更高的黑土，添加生物炭使得鐵鋁土的pH值變化更大。

1.2.2 生物炭對土壤CEC的影響

土壤陽離子交換量（CEC）是土壤膠體所能吸附或代換的各種陽離子總和。CEC作為土壤緩沖性能的重要來源，是土壤保肥、供肥能力的有效指標(biāo)。生物炭疏松多孔，具體較大的比表面積，其內(nèi)所含的有機(jī)官能團(tuán)可以有效提高土壤CEC，并且表面的電負(fù)性可以促使其與土壤接觸團(tuán)聚。生物炭本身的陽離子交換量同樣取決于制備原料及裂解溫度，但并不是裂解溫度越高，CEC含量就越大。蔣惠等[11]研究結(jié)果表明，施用生物炭可以有效提高土壤CEC含量，但一年內(nèi)土壤CEC含量并不隨生物炭施用量的增大而增大。土壤吸收代換陽離子的能力增強(qiáng)，植物可吸收的陽離子（K＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋等）有效性也隨之增強(qiáng)，促進(jìn)植物生長發(fā)育，同時也可以為土壤微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。

1.2.3 生物炭對土壤養(yǎng)分元素的影響

生物炭主要由C、H、O、N等大量元素及K、Ca、Na、Mg、S等微量元素構(gòu)成，原始材料、裂解溫度、炭化工藝等均可能影響生物炭灰分中的養(yǎng)分元素及組成。生物炭中較穩(wěn)定的有機(jī)碳，主要由芳香族及烷烴兩部分組成。施用生物炭可以直接提高土壤中的碳含量，并且改變土壤有機(jī)碳的組成成分[12]。生物炭的碳元素在土壤中分解轉(zhuǎn)化主要可以分為生物和非生物兩個過程，而分解速率、時間等多取決于生物質(zhì)原料及制備溫度等條件。土壤有機(jī)碳是由土壤中的動植物及微生物殘體、分泌物、排泄物及未分解的部分等組成，約占陸地碳庫的70%，對土壤微生物生命活動，植物生長發(fā)育等都至關(guān)重要，是評價土壤質(zhì)量和養(yǎng)分條件的重要基礎(chǔ)指標(biāo)[13]。生物炭與土壤有機(jī)碳相互作用的過程對改變土壤理化性質(zhì)具有重要意義[14]。

[1]唐行燦, 陳金林. 生物炭對土壤理化和微生物性質(zhì)影響研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(01): 192-199.

[2]PAN X Q, GU Z P, CHEN W M, et al. Preparation of biochar and biochar composites and their application in a Fenton-like process for wastewater decontamination: A review[J]. The Science of the Total Environment, 2021, 754: 142104.

[3]WANG Y, ZHONG B, SHAFI M, et al. Effects of biochar on growth, and heavy metals accumulation of moso bamboo (Phyllostachy pubescens), soil physical properties, and heavy metals solubility in soil[J]. Chemosphere, 2019, 219: 510-516.

[4]BLANCO-CANQUI H. Does biochar application alleviate soil compaction? Review and data synthesis[J]. Geoderma, 2021, 404: 115317.

[5]郭書亞, 尚賞, 王坤, 等. 施用生物炭5年后對夏玉米田土壤理化性質(zhì)及產(chǎn)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2022, 50(15): 74-78.

[6]OMONDI M O, XIA X, NAHAYO A, et al. Quantification of biochar effects on soil hydrological properties using meta-analysis of literature data[J]. Geoderma, 2016, 274: 28-34.

[7]魏永霞, 朱畑豫, 劉慧. 連年施加生物炭對黑土區(qū)土壤改良與玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2022, 53(1): 291-301.

[8]AAMER M, SHAABAN M, HASSAN M U, et al. Biochar mitigates the N2O emissions from acidic soil by increasing the nosZ and nirK gene abundance and soil pH[J]. Journal of Environmental Management, 2020, 255: 109891.

[9]ENDERS A, HANLEY K, WHITMAN T, et al. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance[J]. Bioresource Technology, 2012, 114: 644-653.

[10]KANNAN P, PARAMASIVAN M, MARIMUTHU S, et al. Applying both biochar and phosphobacteria enhances Vigna mungo L. growth and yield in acid soils by increasing soil pH, moisture content, microbial growth and P availability[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2021, 308(5): 107258.

[11]蔣惠, 郭雁君, 張小鳳, 等. 生物炭對砂糖桔葉果和土壤理化性狀的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2017, 26(12): 2057-2063.

[12]李傳哲, 章歡, 姚文靜, 等. 生物炭配施氮肥對典型黃河故道區(qū)土壤理化性質(zhì)和冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2020, 31(10): 3424-3432.

[13]李秀雙. 黃土高原南部有機(jī)物料還田與化肥施用對冬小麥產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳固持的影響及機(jī)制[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué), 西安, 2021.

[14]JIANG Z X, LIAN F, WANG Z Y, et al. The role of biochars in sustainable crop production and soil resiliency[J]. Journal of Experimental Botany, 2020, 71(2): 520-542.

作者：傅前虎，六安市裕安區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會黨組書記、主席；王珊珊，六安市裕安區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會工作人員

來源: 安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會

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