生物炭對土壤作物生長的影響范文

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摘要：生物炭是在生物質(zhì)缺氧的情況下，通過高溫熱解炭化，生成的一種富碳產(chǎn)物。近些年，它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的用途是專家們的關注重點。文章通過從生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響和對微生物的影響兩方面，總結出施加生物炭后對土壤環(huán)境及其肥力的影響。并且探索了生物炭的增產(chǎn)作用及其機理，對生物炭在促進作物生長及增產(chǎn)方面進行了總結和展望。旨在更深入地了解生物炭，為生物炭的農(nóng)業(yè)應用夯實基礎，使其更具有多效性、價值性和科學性。

關鍵詞：生物炭；土壤理化性質(zhì)；土壤微生物；增產(chǎn)作用

1生物炭的基本介紹

近年來，生物炭(biochar)作為一種新型的土壤改良劑，引起了眾多科學家的關注。這一詞也越來越多地出現(xiàn)在科學期刊及媒體報道中。生物炭是指生物質(zhì)(木頭、糞便、樹葉等)在缺氧及低氧的情況下，經(jīng)高溫慢熱解(通常＜700℃)產(chǎn)生的一類難溶的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳素的固態(tài)物[1]。從外觀上看，它是一種顆粒細、質(zhì)地較輕的黑色蓬松狀固態(tài)物質(zhì)。而從微觀結構上看，緊密堆積、高度扭曲的芳香環(huán)片層組成了生物炭[2]，其表面多孔性特征顯著，因此，生物炭具有較大的比表面積和較高的表面能[3]。生物炭有較高的養(yǎng)分含量，能夠?qū)ν寥鲤B(yǎng)分進行有效調(diào)控。通過對生物炭不斷地分析，發(fā)現(xiàn)其含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，在土壤中添加生物炭可以增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分。此外，生物炭的灰分中的水溶性營養(yǎng)元素磷、鈣、鎂含量較高，能直接提高土壤中有效態(tài)營養(yǎng)元素含量[4]。并且，因生物炭的主要成分為碳，能提高土壤中有機碳的含量，從而影響土壤中的有機質(zhì)含量。王桂君等[5]在沙化土壤中加入生物炭樣品，土壤中有機碳含量隨著生物炭施加比例的增加而升高，從3.9%升至4.3%。因此，施加生物炭，能夠提升土壤的養(yǎng)分含量，促進作物的生長。將生物炭應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高土壤肥效，能夠促進農(nóng)業(yè)更好發(fā)展。

2生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1生物炭增加土壤容重

土壤容重可作為土壤熟化程度指標之一，有機質(zhì)含量越高、結構性越好的土壤容重越高。生物炭自身具有低容重、黏性差的特性，因此，可以降低黏性土壤容重及硬度等。生物炭的官能團等能影響土壤團聚化程度，形成多孔隙的土壤，容重相應下降。例如，朱克亞等[6]通過實驗證明了在土壤中施用生物炭改良劑后，對降低土壤容重有著顯著影響。而Laird等研究也證明了此結論，他們通過對土壤施用生物炭，發(fā)現(xiàn)土壤容重顯著降低[7]。因此，生物炭可以運用這個特性改善土壤質(zhì)地及耕地性能。

2.2生物炭提高土壤孔隙度

土壤孔隙是土壤結構性的反映。土壤孔隙的多少影響土壤的吸熱、導熱、持水性等能力及土壤肥力等，從而影響作物的生長。據(jù)研究者[8]分析，大多生產(chǎn)的生物炭的密度和容重都小于一般土壤，并且其空隙結構發(fā)達，比表面積大，因此，生物炭的施入可以增加土壤孔隙度，有效改善土壤通氣狀況。連續(xù)對植煙土壤施用生物炭[9]，土壤孔隙度有明顯的升高。這可能是生物炭通過改善土壤微生物性質(zhì)，促進土壤團聚體形成并趨于穩(wěn)定，從而提高土壤孔隙度，同時提升土壤持水性，進而影響土壤肥力等性質(zhì)。

2.3生物炭改善土壤團聚體

生物炭對土壤容重和孔隙度等性質(zhì)的影響都涉及土壤團聚體的形成。許多實驗證明生物炭具有的醌基等官能團和其多孔隙性質(zhì)能改善土壤團聚體結構。生物炭的性質(zhì)、施加量都能影響其改善效果。如：土壤、微生物、生物炭三者之間的相互作用會受生物炭粒徑大小的影響，粗粒徑的生物炭可以延緩大團聚體的形成過程[10]。而往質(zhì)地黏重的土壤中加入生物炭通常可以增加大團聚體含量并降低微團聚體含量[11]。此外，生物炭施加量較低或土壤與生物炭反應時間較短時，無法有效地調(diào)節(jié)團聚體的分布和穩(wěn)定性。對特定的土壤長期施加合適的生物炭，才能明顯加快土壤團聚體的形成過程，并提升其穩(wěn)定性。

3生物炭對土壤化學性質(zhì)的影響

3.1生物炭可改良土壤pH

近年來，隨著銨態(tài)氮肥的大量施用和酸雨沉降，造成土壤酸化，導致土壤肥力質(zhì)量降低,增強土壤中金屬元素Al、Mn的活性。而大部分的生物炭呈堿性，在酸性土壤中施加生物炭，因其表面的-COO-和-O-等官能團是堿的主要存在形式，從而明顯提高土壤pH。所以，生物炭能通過自身的堿度可以降低土壤的酸性。并且生物炭的灰分中含有鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子，施入土壤后會與土壤中的H+、Al3+進行交換，進而降低其濃度[12]，提高土壤pH。因此，添加適量生物炭可以緩解土壤酸化問題，減少鹽基離子流失，從而提高土壤保肥能力。

3.2生物炭促進土壤陽離子交換量升高

土壤陽離子交換量(cationexchangecapacity，CEC)是衡量土壤肥力的一個指標。并且反映土壤吸持和供給可交換養(yǎng)分的能力。Lehmann[13]認為，生物炭所含的芳環(huán)結構和羥羧基等基團，使得它添加到土壤后可以增加離子交換的位點，提高表面交換活性，土壤的CEC水平顯著提升。同時，Cheng等[14]研究證明，隨著生物炭與土壤作用的時間增加，由于生物炭在生物與非生物的協(xié)同作用下氧化產(chǎn)生了羧基等官能團，會造成電荷量增大，使得土壤CEC升高。所以，生物炭的施加，可以使土壤CEC升高。并且證明生物炭對于提升土壤保肥能力有著有效的影響。

3.3生物炭能增加土壤N、P的含量

氮素是作物生長的三大必需營養(yǎng)元素之一，施氮肥是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要手段。我國氮肥利用率不高，損失較大，大多時候都采取施加更多的氮肥緩解問題。但過量施用氮肥會導致肥料利用率下降，嚴重的是，未被有效吸收利用的氮素會在環(huán)境中產(chǎn)生多種污染和破壞。而磷是植物生長中不可缺少的必需元素，促進植物的生長發(fā)育。不同形式的磷對土壤的作用也不同，林木生長所需的磷主要來源于土壤中的有效磷，因此，土壤對其的供應能力影響植物生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)水平。生物炭具有發(fā)達的孔隙結構、比表面積較大的特點，施入土壤后可以改善土壤的通氣狀況，抑制微生物的反硝化作用。而Rondon等也[15]通過實驗證明，生物炭能夠明顯促進接種根瘤菌大豆的生物固氮作用。因生物炭對養(yǎng)分的吸持和緩釋起到一定的作用，于是能顯著提高土壤有機碳、全氮含量，對作物氮素有一定的吸收作用，從而增加作物產(chǎn)量。深入研究生物炭對土壤氮素的影響機制，能夠為提高肥料有效性提供理論和實踐依據(jù)，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)研究[16]證明生物炭增強了土壤的陰離子交換能力，影響磷與陽離子的相互作用，提升土壤中有效磷活性，減少有效磷的損失。此外，一些作物的木質(zhì)組織在炭化形成生物炭的過程中會釋放磷酸鹽，當其成為生物炭后再加入土壤就會成為土壤磷的直接來源[17]。生物炭的多孔結構，不僅對于土壤中有效磷有一定的吸附性，而且還能改變孔隙度和孔徑分布，由此改變養(yǎng)分的滲濾模式，增加養(yǎng)分在土壤中的停留時間和養(yǎng)分量[18]，增加有效磷的含量。所以，使用生物炭能夠保持或提高土壤磷含量，就能減少磷肥的使用量，減輕磷肥對環(huán)境帶來的危害。

4生物炭對土壤微生物的影響

土壤微生物的數(shù)量和合理的種群結構能夠保證土壤養(yǎng)分轉化的有效性。生物炭會影響土壤微生物的群落結構，同時改變其豐度。是由于生物炭的多孔性質(zhì)能緩解土壤板結程度和提升土壤含水量，從而改善微生物的生存環(huán)境，土壤微生物的數(shù)量也隨之提高。土壤類型也影響著生物炭對土壤微生物的種類，如紅壤短期施用生物炭增加了細菌放線菌門真菌木霉屬和擬青霉屬的豐度[19]；不同原料制備的生物炭也對土壤中微生物的種類和數(shù)量起不同的作用。李明等[20]實驗證明秸稈炭在提升土壤pH的同時，提高了變形菌門γ-變形菌綱，放線菌門放線菌綱放線菌目等細菌數(shù)量。而柳枝生物炭可增加灌木林土壤革蘭氏陰性菌和放線菌數(shù)量[21]。但生物炭過度施用也可能會降低土壤微生物量。因為不同材料的生物炭對不同地區(qū)和不同作物的影響存在較大差異，所以，在使用生物炭時，要對地區(qū)進行詳細地調(diào)查，做到“對癥下藥”并且需要適量添加，才能夠幫助土壤微生物創(chuàng)造更好的生活環(huán)境。

5生物炭的作物效應

5.1生物炭的增產(chǎn)作用

生物炭對大部分作物生長和產(chǎn)量有促進作用。例如，提高菜豆、玉米等作物的生物量，并使玉米等作物增產(chǎn)。不同類型的生物炭對作物的生長或產(chǎn)量有不同程度的影響。例如：高礦物質(zhì)含量的生物炭對作物生長的短期效應比低礦物質(zhì)含量的生物炭的更大[22]；而含高揮發(fā)物質(zhì)的生物炭會抑制作物生長，由于高揮發(fā)物質(zhì)會使土壤C/N升高，導致土壤有效氮下降，從而阻礙植物對氮素的吸收。生物炭對作物生長或產(chǎn)量也受其用量的影響。宋亮等[23]在對植煙土壤施用不同量的生物炭的實驗中發(fā)現(xiàn)，生物炭作為土壤養(yǎng)分的“源”存在一定的度，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)各個生育時期土壤有機質(zhì)含量總體呈上升趨勢。而超出了范圍，會對土壤速效磷等養(yǎng)分的轉化起限制作用。

5.2生物炭的增產(chǎn)機理

首先，生物炭通過對土壤物理、化學性質(zhì)的影響及提高微生物活性、降低土壤有效養(yǎng)分損失等各種作用，提升作物產(chǎn)量。首先，生物炭能提升酸性土壤pH，恢復并增強土壤酶活性，植株的光合效率提高，增加產(chǎn)量。但生物炭對于石灰性土壤pH和對酸性土壤pH的影響有差異，所以，肥效也不同。當前關于生物炭對于不同酸堿性土壤的養(yǎng)分吸持和肥效作用還在探索階段，相關論文數(shù)量較少。其次，生物炭可能是通過影響生長素的合成過程中的某一要素，促進植物細胞擴增并刺激植物生長。Lager等發(fā)現(xiàn)[24]生物炭添加后，植物中基因表達水平升高的有生長素受體和ARF7在內(nèi)的能促進葉片面積增大和加快形成側根的幾類生長素響應因子。并且生長素生物合成過程中的組分也被進一步證明生物炭添加可能導致嫩葉和根中生長素的增加。由此推測土壤生物炭添加可能能夠促進生長素的合成。生物炭對作物生長和產(chǎn)量的肥效作用影響因素復雜。有研究[25]表明，生物炭和化肥共同施用，作物的增產(chǎn)效率更高。Yamato等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與化學磷肥混施能減少土壤有效磷含量的損失，因此二者可能有互補或協(xié)同作用。生物炭的特殊結構和各種特性是化肥增效作用的基礎，生物炭通過改善土壤各種理化性質(zhì)，能夠促進養(yǎng)分的交換吸收，提升化肥利用率，減少損失，減輕環(huán)境負擔。

6問題和展望

當代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中因不科學施肥等原因引起了了土壤結構的惡化、土壤質(zhì)量退化的問題。有效解決這些問題是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大課題。而生物炭具有的獨特結構和化學性質(zhì)，在改善土壤容重、孔隙度，改良酸性土壤等方面都有明顯作用，直接或間接地加強土壤肥力，從而對作物生長產(chǎn)生促進作用。但目前已有的結論大多數(shù)都是短期研究成果，生物炭對與土壤更深層次的作用機理還需要長期的實驗來加以證實。生物炭對作物生長和產(chǎn)量7總結和結論面積調(diào)查中由于使用手持導航型GPS自動獲得航跡需要繞測地塊費時費力，它主要使用于用圖紙難以勾繪定位和調(diào)查精度要求較高的情況。GPS定位精度受地形、位置、天氣狀況的影響，在開闊地精度高，在林內(nèi)、溝谷、高大建筑物旁精度變低。eTrex30屬于一般導航級接收機，不適合做精密測量，精密測量需要使用全站儀和GPS—RTK測量。

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作者：李婉媛 曹升 周垂帆 單位：福建農(nóng)林大學林學院