生物炭对土壤理化性质的影响

生物炭是由农林废弃物、禽畜粪便、有机物料废物等在缺氧或少量有氧的情况下经高温裂解形成的疏松多孔的黑色固体物质。因其制备原料、时间、裂解温度等不同，生物炭特性也千差万别[1,2]。近年来，生物炭在环境治理、土壤改良、减少温室气体排放、提高作物产量和质量等多方面都表现出优良效果[3,4]。通常，生物炭具有比表面积大、疏松多孔、容重小，呈碱性、富含碳等特点，这些特点也使得生物炭施入到土壤中，会对土壤的理化性质产生较大的影响。

通常情况下，添加生物炭可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促进团聚体合成，有效提高土壤持水量，因其自身呈碱性，常被用于中和酸性土壤，丰富的碳及灰分中的营养元素也为植物及土壤微生物、动物生长提供了良好的养分条件。

1.1 生物炭对土壤物理性质的影响

1.1.1 生物炭对土壤容重和孔隙度的影响

一般来说，施用生物炭可以降低土壤容重，砂质土壤对生物炭的改良反应较黏质土壤来说，程度更为剧烈。首先，生物炭的颗粒密度远小于土壤矿质颗粒，生物炭施入土壤，这种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机碳，特别是不稳定碳的含量，从而促进生物活性、土壤聚集和增加大孔隙，进而降低土壤容重。

郭书亚等人[5]的研究结果表明，在豫东平原地区田间试验中，一次性施用秸秆生物炭，5年后，可显著降低土壤容重。在不同的试验条件下，施用生物炭大多可以降低土壤容重，但是较长时间跨度的生物炭老化以及短期的机理问题还需进一步研究。

土壤孔隙度对植物根系生长和养分吸收都至关重要。一般来说，生物炭可以有效增加土壤孔隙度，并且土壤总孔隙度的增加不到10%[6]。土壤孔隙度的增加常与土壤容重的降低保持一致，这均利于植物生长，适宜的土壤孔隙环境也为土壤微生物、原生动物等的生长发育提供了良好的居住条件。

1.1.2 生物炭对土壤水分的影响

土壤水分是植物生长的先决条件。植物可直接利用的水，即土壤有效含水量，位于凋萎系数与田间持水量之间。有效含水量的变化与孔隙度、土壤容重与呈正相关。魏永霞等[7]研究了连续5年添加生物炭对东北黑土区坡耕地田间持水率的影响，结果表明，除了第一年，土壤有效含水率和田间持水率均随施入生物炭的含量的增加，呈现出先增加后减少的趋势。这也说明生物炭改善土壤水分状况除了受施入量、施入时间的影响，也受外界环境的干扰。生物炭对土壤水分状况的改变主要与生物炭自身孔隙状况相关，其自身孔隙结构和亲水性能可直接影响土壤水分状况。

1.2 生物炭对土壤化学性质的影响

1.2.1 生物炭对土壤pH的影响

pH值对土壤肥力至关重要。土壤酸碱度不仅影响着土壤中大量营养元素、重要微量元素的有效性，而且对土壤真菌细菌群落构建、温室气体排放等具有决定意义[8]。大多农林废弃物制备的生物炭酸碱度随裂解温度的增加而增强，不同来源的生物炭，酸碱程度也有较大差异。生物炭的碱性主要是由表面官能团丰度和碳酸盐含量决定。一般来说，生物炭pH随温度变化的原因主要是其内的羟基、羧基随温度升高而降低；另一方面则是生物炭中的钾钙钠镁等金属元素及离子比例增加，此外，灰分含量中也与生物炭pH呈正相关[9]。因生物炭自身呈碱性，且含有较高的Ca和Mg，因此常用于提高酸性土壤的pH值，降低土壤的交换性酸度[10]。研究表明，生物炭表面的羧基质子化是使得土壤抗酸性增强的显著原因。相对于酸碱缓冲性能更高的黑土，添加生物炭使得铁铝土的pH值变化更大。

1.2.2 生物炭对土壤CEC的影响

土壤阳离子交换量（CEC）是土壤胶体所能吸附或代换的各种阳离子总和。CEC作为土壤缓冲性能的重要来源，是土壤保肥、供肥能力的有效指标。生物炭疏松多孔，具体较大的比表面积，其内所含的有机官能团可以有效提高土壤CEC，并且表面的电负性可以促使其与土壤接触团聚。生物炭本身的阳离子交换量同样取决于制备原料及裂解温度，但并不是裂解温度越高，CEC含量就越大。蒋惠等[11]研究结果表明，施用生物炭可以有效提高土壤CEC含量，但一年内土壤CEC含量并不随生物炭施用量的增大而增大。土壤吸收代换阳离子的能力增强，植物可吸收的阳离子（K＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋等）有效性也随之增强，促进植物生长发育，同时也可以为土壤微生物提供营养物质。

1.2.3 生物炭对土壤养分元素的影响

生物炭主要由C、H、O、N等大量元素及K、Ca、Na、Mg、S等微量元素构成，原始材料、裂解温度、炭化工艺等均可能影响生物炭灰分中的养分元素及组成。生物炭中较稳定的有机碳，主要由芳香族及烷烃两部分组成。施用生物炭可以直接提高土壤中的碳含量，并且改变土壤有机碳的组成成分[12]。生物炭的碳元素在土壤中分解转化主要可以分为生物和非生物两个过程，而分解速率、时间等多取决于生物质原料及制备温度等条件。土壤有机碳是由土壤中的动植物及微生物残体、分泌物、排泄物及未分解的部分等组成，约占陆地碳库的70%，对土壤微生物生命活动，植物生长发育等都至关重要，是评价土壤质量和养分条件的重要基础指标[13]。生物炭与土壤有机碳相互作用的过程对改变土壤理化性质具有重要意义[14]。

[1]唐行灿, 陈金林. 生物炭对土壤理化和微生物性质影响研究进展[J]. 生态科学, 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]郭书亚, 尚赏, 王坤, 等. 施用生物炭5年后对夏玉米田土壤理化性质及产量的影响[J]. 江苏农业科学, 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, 刘慧. 连年施加生物炭对黑土区土壤改良与玉米产量的影响[J]. 农业机械学报, 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]蒋惠, 郭雁君, 张小凤, 等. 生物炭对砂糖桔叶果和土壤理化性状的影响[J]. 生态环境学报, 2017, 26(12): 2057-2063.

[12]李传哲, 章欢, 姚文静, 等. 生物炭配施氮肥对典型黄河故道区土壤理化性质和冬小麦产量的影响[J]. 应用生态学报, 2020, 31(10): 3424-3432.

[13]李秀双. 黄土高原南部有机物料还田与化肥施用对冬小麦产量和土壤有机碳固持的影响及机制[D]. 西北农林科技大学, 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，六安市裕安区科学技术协会党组书记、主席；王珊珊，六安市裕安区科学技术协会工作人员