生物炭对土壤理化性质影响的国内外研究现状分析.docx

    生物炭对土壤理化性质影响的国内外研究现状分析    李正兴，李海福（沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866）Reference：现代热裂解工艺生产的生物炭为粉状颗粒[来自www.lw5u.CoM]生物炭通常含碳40～75%，含少量矿物质和挥发有机化合物，呈碱性，不易为微生物分解生物炭的多孔性、巨大表面积及羧基基团赋予生物炭强吸附能力，具有较大的离子交换量（CEC）生物炭的理化性质决定其在土壤中的效应本研究基于生物炭国内外研究现状进行阐述和总结，进而丰富生物炭的理论研究Keys：生物炭；土壤理化性质；影响；研究现状；分析1 土壤物理性质生物炭密度较小，孔隙度较大施入土壤中后能降低土壤容重，增加土壤总孔隙率有研究表明，施用生物炭的土壤容重降低9%，总孔隙率从45.7%增加到50.6%，土壤疏松，通气性好，有利于土壤结构的改善生物炭的吸湿能力比其他土壤有机质要高1～2个数量级Glaser等研究结果表明，含生物炭丰富的土壤，其田间持水量较周围对照土壤增加18%然而，施用生物炭对土壤含水量的影响与土壤质地有关生物炭对壤土、粘质土持水量的影响通常不明显，这取决于生物炭与土壤的比表面积相对大小及生物炭的亲水性。

显然，比粘质土比表面积大、亲水性强的生物炭可能提高粘土持水量，而生物炭的比表面积取决于生物炭孔隙度及颗粒大小，其亲水性决定于生物炭亲水基团和表面积生物炭用量对土壤土持水量影响不显著，其原因在于新鲜生物炭的疏水性新鲜生物炭一般表现较强的疏水性，新鲜生物炭施入土壤后，土壤水入渗及初始导水率降低，水分饱和后则土壤饱和水导水率则有所改善随着生物炭颗粒表面在土壤中的氧化及羧基基团增多，生物炭的亲水性会逐渐增强，其吸水能力和土壤持水量逐渐提高土壤团聚体是由士粒和有机质胶结而成的直径为10～0.25mm的结构单位，它是土壤中各种物理、化学和生物作用的结果，是土壤结构的基本单位和决定土壤肥力的重要因素之一而影响团聚体的因素很多，主要包括土壤质地、铁铝氧化物、土壤有机质等由于农业生产过程中对土壤有机质的数量及组成影响很大，因此土壤有机质是影响团聚体稳定性的重要因素章明奎等也认为施用有机肥土壤中水稳定性大团聚体的含量增加主要是由土壤中有机质含量增加引起的生物炭复杂成分中含有丰富的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子，具有与土壤中的矿物质形成有机无机复合体的功能活性因而可能促进土壤团聚体的形成与稳定性但目前施用生物炭对团聚体的影响的研究很少，还有待研究。

2 土壤化学性质生物炭能够调节土壤pH并提高土壤的盐基饱和度生物质炭含有的灰分元素（如K、Ca、Mg等）都呈可溶态，施入酸性土壤后可提高土壤的盐基饱和度，提高土壤pH并降低土壤中铝的饱和度而在热带地区，土壤低pH值和高铝含量是制约作物产量的限制性因子早期的大田试验表明，当施用450g.kg-[来自www.Lw5U.coM]1由阔叶树木制得的生物质炭后，其土壤（沙土）的盐基饱和度增加至原来的10倍在不同质地的土壤中施用生物质炭后，土壤pH的升高幅度不同，在粘土中比沙土和壤土要大研究表明，在巴西亚马逊河流域施入生物质炭后，表层土壤的pH值增加了0.4个单位生物炭不仅可产生负电荷，也可产生正电荷，因而生物炭不仅吸持有机质吸持的养分，还可吸持土壤有机质不吸持的磷素养分尽管如此，生物炭吸持养分还是有一定的选择性，生物炭对NH4+，NO3-有较强吸附作用生物炭对养分吸附选择性与生物炭本身所含矿物质含量及种类有关，富含K+、Ca2+、Mg2+的木炭对土壤和肥料的K、Ca、Mg离子吸附量较低或基本不吸附因热裂解温度高低影响生物炭的性质，因而也影响生物炭的养分吸附选择性，气化热裂解（高温）硬木生物炭（C/N=334，pH7.7）增加Ni 淋出量，慢速热裂解（低温）橡树生物炭（C/N=284，pH6.5）促进Ga 的淋出，前者比后者的C/N 和pH高。

生物炭富含有机碳，但矿质养分含量通常偏低，生物炭对土壤养分补充作用不如肥料明显，但是，不同材料生物炭的矿质养分含量仍有较大差异畜禽粪便生物炭通常比木材生物炭具有较高的矿质养分含量骨炭是富含磷的生物炭，其中磷的溶解性大于突尼斯碳酸盐氟磷灰石而低于重过磷酸钙富含矿物质的禽粪便生物炭可显著增加土壤矿质含量，对于沙质土壤特别明显山核桃壳生物炭（700℃）增加低CEC酸性土壤的Ca、K、Mn、P含量，降低土壤中可交换S 和Zn 水平，降低土壤淋出液中Ca、P、Mn、Zn 水平，而促进K、Na 淋洗由于生物炭可增加土壤CEC及有机碳含量，生物炭堆肥显著提高强淋溶铁铝土的总氮量，及竹炭提高土壤有效氮、磷、钾含量，降低土壤养分的淋失损失3 土壤微生物生物炭的孔隙具有很大变异性，小到小于1纳米，大到几十纳米，甚至数十微米生物炭孔隙中能够贮存水分和养分，因而生物炭的孔隙和表面成为微生物可栖息生活的微环境微生物能够进入孔内，而最适宜吸附的孔的大小为细胞大小的2～5倍，对于芽袍杆菌和不动杆菌来说，适宜尺寸大小为2～4um因为孔的弯曲度太大而不能增强吸附性或者微生物不适合这个空隙，从而会导致这种吸附性减弱由于生物炭的有些属性（灰分含量、孔径大小、不稳定的挥发性物质）的不同，生物炭吸附细菌的能力也不同。

微生物表面构造会对生物炭的吸附性有促进作用因为生物炭巨大的表面积和加入到土壤后所产生的更强的水分保持能力，生物炭可以保持潮湿的空隙，这样就可以维持在干旱条件下微生物对水的需求在凝固干燥条件下，由于生物炭的存在，几种对氧敏感的细菌的生存能力和再生能力增加了，研究者把这归咎于表面张力的减少，还有pH的缓冲作用和自由基的吸附作用从豆科植物中提取出的黄酮类等信号物质对生物炭表面的吸附性会致使它们在诱导产生根瘤结构方面是无效的能够被活性炭吸附的AM真菌的黄酮类物质的信号会起到干涉作用考虑到有机质对生物炭表面的强烈的吸附性，根和根际微生物信号物质的干涉作用是很有可能的，但是定量的研究还很缺乏4 生物炭对土壤肥力及作物生长的影响生物炭由于其含碳量高、性质稳定，因此能长期固定在土壤中，提高土壤有机质含量，从而增加作物产量巴西亚马逊流域由人类早期耕作形成的一种非常肥沃的黑土中含有丰富的生物炭，其表层土有机质中生物炭含量达100～350g/kg，是周边土壤的10倍，其作物产量也是邻近土壤的2倍也有研究证实了炭化的植物残体有助于有机碳的积累生物炭不仅对作物有作用，对种子萌发也有影响 （下转第67页）但对于生物炭提高土壤肥力、增加作物产量的原因、途径和方式，不同的研究结论不同。

生物炭能长期维持土壤中N、P、K对作物生长的促进作用并且生物炭中不稳定化合物及C/N高的成分通过一定的方式将植物可利用N固定起来，例如，吸入微生物中、存储在土壤细小空隙中而Chen经盆栽试验表明，生物炭施入土壤中能改善土壤肥力，进而提高作物产量，原因在于生物炭庞大的表面积能增加土壤含水量、CECMasahide研究表明在贫瘠的土壤上，生物炭与化肥配施能提高玉米和花生的产量认为生物炭能增加土壤pH、全氮、有效P2O5、CEC，同时减少交换性A13+含量，从而可利用养分增加同时毒害减少，当然有利于作物生长另外，生物炭即使在土壤中都能高度抗氧化（生物和非生物氧化），因此增加土壤碳库，从而增加作物产量另外，土壤中可利用养分渗漏量减少，从而提高了作物可利用养分生物炭可能会减少土壤离子的移动，降低可溶性有机质及有机养分的渗漏，从而固定养分，有利于作物的生长同时生物炭对NH4+、NO3-也有相当强的吸附特性，可有效降低农田土壤氨的挥发显著减少土壤养分淋失，提高作物产量尽管P以阴离子形式存在于土壤中，生物炭对其也具有很强的吸附能力Reference[1]　潘英华，雷廷武，张晴雯等．土壤结构改良剂对土壤水动力学参数的影响[J]．农业工程学报，2003，19（4）：37-39．[2]　Rondon M，Lehmann J，Ramirez J，et al.Biological nitrogen fixation by common beans（Phaseolus vulgaris L.）increases with biochar additions[J]． Biology and Fertility of Soils，2007，43（6）：688-708.[3]　WARNOCK D D，LEHMANN J，KUYPER T W，et al.Mycorrhizal responses to biochar in soil–concepts and mechanisms[J].Plant Soil，2007，300：9-20.[4]　CHAN K Y，VAN ZWIETEN L，MESZAROS I，et al.Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment[J].Australian Journal of Soil Research，2007，45：629-634.[5]　VAN Z L，KIMBER S，MORRIS S，et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant Soil，2010，327：235-246.  -全文完-。