唐行燦, 陳金林

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生物炭對(duì)土壤理化和微生物性質(zhì)影響研究進(jìn)展

唐行燦1,2, 陳金林1,*

1. 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院, 南京 210037 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 泰安 271018

生物炭是生物質(zhì)原料限氧熱解制備的高度芳香化和富含碳元素的黑色固體物質(zhì)。生物炭所具有的獨(dú)特的性質(zhì)使生物炭在土壤改良方面具有很大的潛力, 已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是, 生物炭的性質(zhì)受原料和熱解溫度的影響。生物炭性質(zhì)和土壤環(huán)境條件的差異可在較大程度上影響生物炭改良土壤的效果。因此, 必須根據(jù)土壤的主要障礙因子, 選擇合適的生物炭施加方案, 以期得到較好的土壤改良效果。綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭對(duì)土壤理化和微生物性質(zhì)影響的研究進(jìn)展, 探討了生物炭改變土壤性質(zhì)的機(jī)制和影響因素, 闡述了生物炭研究和應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題, 從而為生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的思路。

生物炭; 土壤改良; 理化性質(zhì); 微生物性質(zhì)

1 前言

生物炭是生物質(zhì)原料限氧熱解制備的黑色固體物質(zhì)。制備生物炭的生物質(zhì)原料來(lái)源廣泛, 包括: 農(nóng)作物殘?bào)w、林業(yè)廢棄物、禽畜糞便和骨骼、污泥和固體垃圾等有機(jī)廢棄物料[1]。制備生物炭的熱解方法分為: 快速、慢速、閃速、濕法、微波加熱熱解等, 它們?cè)谏郎乜炻?、熱解溫度和時(shí)間、最終產(chǎn)品分布上存在差異[2]。慢速熱解的特點(diǎn)是: 較低的熱解溫度(＜700 ℃)和較長(zhǎng)的熱解時(shí)間, 可優(yōu)化熱解條件增加生物炭的產(chǎn)率, 是生產(chǎn)生物炭的常用方法[2]。

通常, 生物炭容重小、多孔、比表面積大, 呈堿性, 富含碳元素并含一定量礦質(zhì)養(yǎng)分, 具有優(yōu)良的吸附特性和較強(qiáng)的抵抗土壤微生物分解的穩(wěn)定性[3]。這些性質(zhì)使生物炭可協(xié)調(diào)土壤空氣和水分的關(guān)系, 降低土壤酸度, 提高土壤養(yǎng)分含量并減少養(yǎng)分淋失, 在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上增加土壤生產(chǎn)力和可持續(xù)性, 位于亞馬遜盆地的黑色土壤“Terra Preta”就是例證[4]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在生物炭的制備、性質(zhì)、生物炭在農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用等方向做了大量的研究。生物炭的性質(zhì)受生物質(zhì)原料和熱解溫度的影響較大。比如隨著熱解溫度升高, 生物炭的孔隙度、表面積、灰分含量、pH、芳香度均增加, 而易分解有機(jī)碳含量降低[2, 5]。由于生物炭性質(zhì)、施加量、土壤環(huán)境條件的差異, 有關(guān)生物炭對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究結(jié)果并不一致。因此, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大規(guī)模應(yīng)用生物炭還存在疑慮。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)的最新研究進(jìn)展, 主要從生物炭性質(zhì)和生物炭對(duì)土壤理化、微生物性質(zhì)影響等方面作了總結(jié), 以期對(duì)生物炭改良土壤的研究提供借鑒意義。

2 生物炭的性質(zhì)

生物炭本身的性質(zhì)是將生物炭應(yīng)用于土壤改良的理論依據(jù)。生物質(zhì)原料和熱解溫度可調(diào)控生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì), 進(jìn)而對(duì)生物炭改良土壤的效果產(chǎn)生重要影響。

2.1 生物炭的孔隙度、表面積、持水性

生物炭的孔隙度決定了生物炭的表面積大小。隨著熱解溫度升高, 生物炭中熱揮發(fā)性物質(zhì)減少, 孔隙直徑和孔隙度增大[1], 生物炭表面積增加[6]。

通常低溫?zé)峤庵苽涞纳锾枯^高溫?zé)峤庵苽涞纳锾烤哂懈鼜?qiáng)的持水性[7-8]。原因在于隨著熱解溫度升高, 一方面生物炭芳香化程度加深, 疏水性增強(qiáng); 另一方面生物炭極性官能團(tuán)數(shù)量減少, 親水性減弱[7-8]。

2.2 生物炭的pH

生物炭的pH在4—12之間, 一般呈堿性[3]。生物炭灰分中含有的鉀、鈉、鈣、鎂等礦質(zhì)元素的氧化物或碳酸鹽溶于水后呈堿性[3]。通常生物炭的灰分含量越高, 生物炭的pH也越大[3]。比如, 相同熱解條件下, 禽畜糞便生物炭灰分含量較高, pH也較高; 木本植物生物炭灰分含量較低, pH也較低; 草本植物生物炭的pH和灰分含量介于禽畜糞便和木本植物生物炭之間[3]。生物質(zhì)原料相同條件下, 隨著熱解溫度升高, 生物炭pH增加[9-10]。高溫?zé)峤馍锾恐袎A性物質(zhì)主要以碳酸鹽形態(tài)存在, 且隨熱解溫度升高, 碳酸鹽總量增加; 低溫?zé)峤馍锾恐袎A性物質(zhì)主要是生物炭含有的羧基和羥基等含氧官能團(tuán), 它們帶負(fù)電荷并能結(jié)合土壤溶液中的氫離子[9-10]。

2.3 生物炭的陽(yáng)離子交換量(CEC)

熱解溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低生物炭CEC[1]。生物炭含有的羥基和羧基等含氧官能團(tuán)數(shù)量隨熱解溫度變化趨勢(shì)與CEC基本一致[1]。熱解溫度較低時(shí), 生物炭的含氧官能團(tuán)被形成和保留; 熱解溫度過(guò)高時(shí), 含氧官能團(tuán)被高溫破壞[11]。生物炭的CEC與表征含氧官能團(tuán)數(shù)量的氧碳比之間也存在顯著正相關(guān)[7, 11]。這些含氧官能團(tuán)所產(chǎn)生的表面負(fù)電荷使生物炭具有較高的CEC[11]。動(dòng)物來(lái)源的原料[1]或發(fā)酵后的原料[12]制備的生物炭分別比植物來(lái)源的原料或未發(fā)酵的原料制備的生物炭具有更高的CEC。

2.4 生物炭的元素組成

生物炭富含碳元素, 生物炭的灰分中含有大量植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素, 其中水溶性營(yíng)養(yǎng)元素能直接提高土壤中有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素含量[13]。生物質(zhì)原料對(duì)生物炭中元素組成和含量有很大影響。比如, 禽畜糞便中多種礦質(zhì)元素含量較高、碳含量較低, 木本植物中礦質(zhì)元素含量較低、碳含量較高, 草本植物的礦質(zhì)和碳元素含量介于禽畜糞便和木本植物之間[13]。這與以這三種原料制備的生物炭中礦質(zhì)和碳元素含量高低順序相同[13]。有的生物炭中某幾種元素含量較高: 比如骨炭中磷和鈣元素含量較高[14], 污泥生物炭中鈣和某些重金屬元素含量較高[15]。隨熱解溫度升高, 生物炭中碳和礦質(zhì)元素富集, 而氫和氧元素含量降低[5, 16]。氮素較特殊: 隨熱解溫度升高, 木材和秸稈生物炭中氮素含量呈先增加后下降的趨勢(shì); 而禽畜糞便生物炭中氮素含量逐漸下降[1]。且生物炭中可被利用的有效氮含量很低[15]。

2.5 生物炭的土壤生物學(xué)穩(wěn)定性

由于具有高度芳香化結(jié)構(gòu), 生物炭具有比其生物質(zhì)原料高得多的生物學(xué)穩(wěn)定性, 被認(rèn)為是穩(wěn)定的炭?jī)?chǔ)庫(kù)[17-18]。但微生物仍可將來(lái)源于生物炭易分解有機(jī)碳中的碳元素同化到自身結(jié)構(gòu)中[17-18]。易分解有機(jī)碳包括未完全碳化的生物質(zhì)和熱解過(guò)程中形成的揮發(fā)分在冷卻過(guò)程中凝聚到炭顆粒表面的物質(zhì), 既包括各種簡(jiǎn)單的脂肪酸、醇類、酚類、酯類化合物, 又可能含有類似黃腐酸和胡敏酸的組分[4, 5, 19]。其它條件相同時(shí), 易分解有機(jī)碳含量較高的生物炭在土壤中穩(wěn)定性差, 分解速率快[16, 20-21]。易分解有機(jī)碳含量較高的生物炭包括新制備的生物炭(相對(duì)于老化后的生物炭)[20]、低溫?zé)峤庵苽涞纳锾?相對(duì)于高溫?zé)峤馍锾?[21]、禽畜糞便生物炭(相對(duì)于木本植物生物炭)[1]。易分解有機(jī)碳在前2—60 d分解速率較快, 期間生物炭中2—20%有機(jī)碳被分解[4, 18]; 此后, 生物炭的分解速率迅速降低至幾乎為零[4]。

3 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由于生物炭本身具有一系列獨(dú)特的性質(zhì), 施加生物炭必然改變土壤理化性質(zhì)。普遍認(rèn)為施加生物炭可改善土壤持水性和土壤結(jié)構(gòu), 中和酸性土壤, 增加土壤對(duì)養(yǎng)分的保持能力等。生物炭改良土壤理化性質(zhì)的效果受到生物炭性質(zhì)、施加量、土壤環(huán)境條件、生物炭與土壤反應(yīng)的時(shí)間尺度等諸多因素的影響[22-25]。

3.1 生物炭對(duì)土壤持水性的影響

生物炭本身具有的親水性以及生物炭增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度, 導(dǎo)致土壤水分的滲濾模式、停留時(shí)間、流動(dòng)路徑發(fā)生一定程度的改變, 在重力排水平衡上可以保持更多的水, 有更大的水截留潛力和表面積, 水分?jǐn)U散率減少, 土壤的持水性增加[8, 26]。由于砂土對(duì)水分的保蓄能力較弱, 生物炭增加砂土持水性的效果較明顯[26]。但這種增加效應(yīng)是有限的: 生物炭?jī)H在一定施加量范圍內(nèi)能夠增加砂土持水性, 而較高的施加量反而會(huì)導(dǎo)致土壤水分滲透率增加和土壤持水性下降[4]。這種現(xiàn)象在施加疏水性較強(qiáng)的生物炭的條件下表現(xiàn)的更明顯[4]。因此, 合理施用生物炭可以有效提高干旱地區(qū)砂土的持水能力, 這有助于提高作物對(duì)土壤水分和水溶性養(yǎng)分的利用效率。

3.2 生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

培育或田間試驗(yàn)均報(bào)道過(guò)生物炭改良土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的研究[1, 27-28]。在團(tuán)聚體形成之初, 生物炭的表面積和氧碳比等性質(zhì)[28]以及醌基等官能團(tuán)[1]影響生物炭與土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的結(jié)合過(guò)程。微生物分泌的有機(jī)膠結(jié)劑、菌絲對(duì)土壤顆粒纏繞、微生物對(duì)有機(jī)碳礦化等過(guò)程對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定有重要的作用[4]。如果生物炭改善土壤微生物性質(zhì), 將有利于團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定, 從而增加土壤抗破碎能力和水穩(wěn)定性。比如, 與對(duì)照相比, 黏壤土中施竹炭和木炭培育372 d后, 土壤微生物生物量和β-葡糖苷酶活性顯著增加, 同時(shí)大團(tuán)聚體含量也顯著增加[27]。

生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改良效果的影響因素包括: 1)生物炭性質(zhì)。粒徑較粗的生物炭限制土壤、微生物、生物炭三者之間的相互作用, 減緩大團(tuán)聚體的形成過(guò)程[4]。而易分解有機(jī)碳含量較多的生物炭由于為微生物提供了易分解的碳源, 刺激了微生物生長(zhǎng), 因而能較好的改良有機(jī)質(zhì)含量較低[27]和交換態(tài)陽(yáng)離子含量較低[29]土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。2)土壤環(huán)境條件。質(zhì)地粘重的土壤中施加生物炭通?？梢栽黾哟髨F(tuán)聚體含量并降低微團(tuán)聚體含量[30]。但是, 生物炭對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較低的粗質(zhì)地土壤團(tuán)聚體改良效果較差[28, 31-32]。就有機(jī)質(zhì)含量較低的粗質(zhì)地土壤而言, 應(yīng)考慮將生物炭與其它有機(jī)物料配施以更好地促進(jìn)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[28, 31-32]。3)生物炭施加量及時(shí)間尺度。生物炭施加量較低[33]或土壤與生物炭反應(yīng)時(shí)間較短[34]時(shí), 團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性的變化較對(duì)照常不明顯。

3.3 生物炭對(duì)土壤pH的影響

銨態(tài)氮肥的大量施用和酸雨沉降導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤pH顯著降低。土壤酸化不僅造成土壤肥力質(zhì)量降低, 還能增強(qiáng)重金屬元素的活性。生物炭對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較低的酸性土pH增加效果明顯[1, 35]。原因在于: 1)生物炭本身的pH較高。2)生物炭中帶負(fù)電荷的羧基和羥基等含氧官能團(tuán), 可以結(jié)合土壤溶液中的氫離子, 降低氫離子濃度[9]。3)來(lái)源于生物炭的碳酸鹽和重碳酸鹽也能結(jié)合土壤溶液中的氫離子[10]。

隨著生物炭在土壤中反應(yīng)時(shí)間的增加, 生物炭的pH呈下降的趨勢(shì)。比如, 在粉壤土中室內(nèi)培育100天后, 松木和玉米青儲(chǔ)飼料400和600 ℃生物炭pH較新制備時(shí)降低了2.3—3.6[36]。在壤土中田間老化3年后, 堅(jiān)果殼和木本植物500—550 ℃生物炭pH較新制備時(shí)降低了1.0—4.4[37]。這說(shuō)明, 生物炭在短期內(nèi)有利于緩解農(nóng)業(yè)土壤酸化, 但是, 生物炭對(duì)酸性土壤pH值的持續(xù)調(diào)控效應(yīng)還存在爭(zhēng)議, 需要長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測(cè)。

3.4 生物炭對(duì)土壤CEC的影響

生物炭增加土壤CEC的原因在于: 1)生物炭本身的CEC較大。2)生物炭增加土壤pH, 土壤中可變負(fù)電荷數(shù)量隨之增加, 這也有助于增加土壤CEC[38-39]。比如, 高溫(>600 ℃)熱解生物炭的CEC較低, 但由于具有較大的比表面積和較高的pH, 施加該生物炭后, 土壤CEC仍顯著增加[39]。土壤CEC的增加意味著土壤養(yǎng)分保持能力的增加。相反地, 木本植物500 ℃生物炭, 施加量3和6%(w/w), 施入砂土培育91 d, 土壤CEC較對(duì)照無(wú)顯著變化[40]。這可能是生物炭的pH和CEC均較低所致[40]。

生物炭增加土壤CEC的效果與土壤環(huán)境條件有關(guān)。相對(duì)于CEC較高的堿性土, 生物炭能更顯著地增加CEC較低的酸性土的CEC[1]。生物炭在土壤中持續(xù)發(fā)生的緩慢氧化反應(yīng)(也稱為生物炭在土壤中的老化過(guò)程)能夠通過(guò)生物炭表面含氧官能團(tuán)的不斷生成而提高土壤CEC[1]。

3.5 生物炭對(duì)土壤吸持低分子量物質(zhì)行為的影響

“Terra Preta”作為生物炭長(zhǎng)期田間試驗(yàn)的范例表明: 若將生物炭的合理施用作為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)制度中的一環(huán), 生物炭能永久性地增加土壤吸持養(yǎng)分和低分子量有機(jī)物的能力[1]。由于具有較大的表面積和孔隙度, 較多的來(lái)源于羥基和羧基等官能團(tuán)的負(fù)電荷, 生物炭不僅有效吸持各種鹽基陽(yáng)離子和NO3?、PO43-/HPO42-/H2PO4?[41-42], 還對(duì)低分子量可溶性有機(jī)物(DOC)有較強(qiáng)的吸附能力[43-44]。吸附能力一方面與生物炭的pH、表面積、氧碳比、CEC等性質(zhì)及土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)地等環(huán)境條件有關(guān), 另一方面與生物炭引起的土壤顆粒電荷和化學(xué)性質(zhì)的改變有關(guān), 可通過(guò)人為選擇原料和熱解條件在一定程度上加以控制[41-44]。在老化過(guò)程中, 生物炭表面活性位點(diǎn)不可逆地與土壤中某些物質(zhì)結(jié)合, 導(dǎo)致生物炭吸附能力降低[1]。因而, 通過(guò)新制備生物炭的性質(zhì)僅可在短期內(nèi)預(yù)測(cè)生物炭的吸附特征, 但在較長(zhǎng)時(shí)間尺度的田間環(huán)境下, 生物炭的吸持能力會(huì)發(fā)生難以預(yù)期的改變。

生物炭對(duì)重金屬和疏水性有機(jī)污染物也有較強(qiáng)吸附能力, 并降低土壤中污染物的生物有效性。生物炭對(duì)重金屬陽(yáng)離子的吸附作用由弱到強(qiáng)依次為: 靜電吸附、專性吸附、沉淀作用; 生物炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附可用二元模式描述: 動(dòng)力學(xué)過(guò)程較快、非競(jìng)爭(zhēng)的分配吸附和動(dòng)力學(xué)過(guò)程較慢、競(jìng)爭(zhēng)的表面吸附[4]。生物炭還能吸附導(dǎo)致植物發(fā)生連作障礙的化感物質(zhì)[4]。

4 生物炭對(duì)土壤微生物性質(zhì)的影響

生物炭與土壤微生物之間存在復(fù)雜的相互作用: 一方面, 如上所述, 生物炭可通過(guò)改善土壤理化性質(zhì), 間接增加微生物活性[1, 4]。另一方面, 生物炭具有的易分解有機(jī)碳組分、良好的孔隙結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的吸持養(yǎng)分和水分的能力, 使生物炭成為微生物優(yōu)良的棲息地[26, 45-48]。這些相互作用使得生物炭施入農(nóng)田后極有可能對(duì)土壤微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)、酶活性等土壤微生物性質(zhì)產(chǎn)生調(diào)控作用, 從而影響微生物驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程, 最終改變土壤肥力質(zhì)量和功能。

4.1 關(guān)于生物炭成為土壤微生物良好棲息地的原因

關(guān)于生物炭成為土壤微生物良好棲息地的原因, 存在不同的假設(shè)。有研究報(bào)道生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)為細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物等提供了良好的庇護(hù)場(chǎng)所, 使它們免遭天敵捕食或周期性干旱的影響[47-49]。與之不同的看法是: 生物炭平均孔隙大小(納米級(jí))遠(yuǎn)小于一般土壤微生物適宜生存的孔隙大小(微米級(jí)), 由于受空間制約, 土壤微生物無(wú)法定殖于生物炭孔隙中[4]。持這種看法的學(xué)者認(rèn)為生物炭成為微生物棲息地的原因在于: 生物炭可有效吸附DOC、速效氮、鹽基離子等小分子物質(zhì); 且生物炭含有的養(yǎng)分可通過(guò)溶解和解吸而釋放, 這為微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]。

4.2 生物炭對(duì)土壤微生物生物量的影響

通常, 易分解有機(jī)碳含量較高的生物炭對(duì)土壤微生物生物量的直接影響(微生物直接利用生物炭含有的易分解有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)元素)和間接影響(生物炭通過(guò)改變土壤性質(zhì)間接影響微生物)均較大, 能在短期內(nèi)有效增加微生物生物量; 而易分解有機(jī)碳含量較低的生物炭則主要通過(guò)間接作用影響微生物生物量, 在短期內(nèi)增加微生物生物量的效果不明顯[4, 39, 50-52]。若生物炭能消減土壤障礙因子和提升地力, 往往增加微生物生物量[33]。

但如果生物炭的碳氮比過(guò)大、易分解有機(jī)碳含量過(guò)高、土壤有效氮含量相對(duì)不足時(shí), 生物炭中大量易分解有機(jī)碳產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)使土壤微生物對(duì)氮素產(chǎn)生強(qiáng)烈的生物固定, 這將導(dǎo)致作物因缺氮而生長(zhǎng)受阻, 最終對(duì)土壤微生物生物量產(chǎn)生不利影響[19]。如果生物炭?jī)?yōu)先將土壤溶液中的水分、礦質(zhì)養(yǎng)分、DOC吸持于生物炭的微孔中, 且難以釋放, 微孔的平均孔徑(<50 nm)小于大部分微生物, 會(huì)阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與微生物的接觸, 在短期內(nèi)抑制微生物生長(zhǎng)[1, 19]。比如木本植物高溫(≥600 ℃)制備的且養(yǎng)分含量較低的生物炭對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較低的粗質(zhì)地土壤微生物生物量的影響常是負(fù)面的[33, 50, 53]。有機(jī)質(zhì)含量較高的細(xì)質(zhì)地土壤由于具有良好的緩沖能力, 可在一定程度上緩解這種生物炭對(duì)微生物的負(fù)面效果[1]。向土壤中同時(shí)施加堆肥或糞肥等有機(jī)物料, 增加微生物可利用性底物, 可緩解這種抑制作用[1]。另外, 生物炭在熱解過(guò)程中會(huì)殘留多環(huán)芳烴和二惡英等有毒物質(zhì), 某些生物炭中重金屬元素含量較高, 都會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生潛在的毒性[4]。

4.3 生物炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

生物炭可增加革蘭氏陽(yáng)性菌[51]、革蘭氏陰性菌[45, 46]、真菌[18]、放線菌[46, 53]的生物量。不同微生物類群適宜生長(zhǎng)的生境有所不同, 在特定土壤環(huán)境中施生物炭往往優(yōu)先增加某一類或幾類微生物生物量[18, 51, 54]。生物炭對(duì)土壤微生物類群的影響與土壤環(huán)境條件有關(guān), 各研究結(jié)論不一致。有研究表明土壤中施加生物炭后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化較真菌明顯, 生物炭可降低真菌與細(xì)菌生物量比值[45, 55]。原因在于: 1)生物炭調(diào)節(jié)土壤pH朝更有利于細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境轉(zhuǎn)變[4]。2)相對(duì)于細(xì)菌, 真菌更難以在生物炭(尤其是裂縫含量較少的生物炭)中定殖[47]。然而生物炭還可通過(guò)改變土壤碳氮比的方式改變真菌與細(xì)菌生物量比值, 這又與生物炭的碳氮比[56]和施加量[17, 57]有關(guān)。如果土壤碳氮比成為影響土壤微生物生長(zhǎng)的主要因素, 施加生物炭還可能增加真菌與細(xì)菌生物量的比值。比如Muhammad[57]在砂壤土中分別添加不同原料制備的生物炭培育90 d后發(fā)現(xiàn): 土壤真菌與細(xì)菌生物量比值跟生物炭施加量、DOC與總氮比值、碳氮比均呈顯著正相關(guān)。對(duì)于養(yǎng)分貧瘠的土壤, 相對(duì)于革蘭氏陰性菌, 生物炭促進(jìn)革蘭氏陽(yáng)性菌生長(zhǎng)的效果更好。原因在于: 生物炭中細(xì)菌可利用的易分解有機(jī)碳含量相對(duì)較少, 無(wú)法滿足革蘭氏陰性菌生長(zhǎng)所需, 來(lái)源于生物炭的有機(jī)碳優(yōu)先被革蘭氏陽(yáng)性菌利用[17,57]。

生物炭對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響還與時(shí)間尺度有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為微生物需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)施加生物炭(尤其是易分解有機(jī)碳含量較低的生物炭)后改變的土壤環(huán)境[33]。施生物炭后較短時(shí)間內(nèi), 革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌、真菌、放線菌生物量均低于對(duì)照; 而在后期, 生物炭較對(duì)照增加了這些微生物類群的生物量[33]。隨著生物炭在土壤中老化, 生物炭pH下降, 從而逐漸成為有利于真菌生長(zhǎng)的環(huán)境[57]。此外, 微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)生物炭的響應(yīng)具有“濃度依賴型”的特征[45]。隨生物炭施加量增加, 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與對(duì)照的差異越明顯[45]。

4.4 生物炭對(duì)土壤酶活性和微生物信號(hào)分子的影響

土壤微生物通過(guò)分泌酶來(lái)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的循環(huán)。生物炭對(duì)土壤酶活性的改變受生物炭、酶、酶作用底物三者之間相互作用的影響, 以往文獻(xiàn)報(bào)道并無(wú)統(tǒng)一結(jié)論[38, 51, 58-64]。生物炭活性位點(diǎn)可吸附或解吸酶及其作用底物[51,58,63]。吸附或解吸特征與生物炭孔隙度和表面積有關(guān)[51,58,64]。一方面, 生物炭對(duì)酶及其作用底物的吸附促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行[4, 51]。另一方面, 具有較大孔隙度和表面積的生物炭吸附胞外酶及其作用底物的能力較強(qiáng), 能阻礙底物與酶催化活性位點(diǎn)相結(jié)合并降低酶活性[51, 58, 64]。Ameloot[51]通過(guò)117 d的培育試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 施加700 ℃生物炭(表面積和孔隙度較大)導(dǎo)致土壤脫氫酶活性較對(duì)照下降了47%; 而施加350 ℃生物炭(表面積和孔隙度較小)后脫氫酶活性較對(duì)照增加了73%。

土壤微生物通過(guò)分泌信號(hào)分子使得相互之間存在一種識(shí)別和交流的通訊系統(tǒng)。隨著微生物生物量增加, 微生物分泌的信號(hào)分子濃度隨之增加, 當(dāng)濃度超過(guò)閾值時(shí), 反饋?zhàn)饔酶淖兾⑸锏纳硇誀? 抑制微生物的生長(zhǎng), 從而保持微生物之間的協(xié)調(diào)[64]。在瓊脂培養(yǎng)基中, 木本植物生物炭可以阻礙信號(hào)分子介導(dǎo)的革蘭氏陰性菌之間的交流; 與300 ℃生物炭相比, 施加700 ℃生物炭后這種抑制作用增大了10多倍[64]。這可能是生物炭對(duì)信號(hào)分子的吸附導(dǎo)致的; 且隨熱解溫度升高, 生物炭吸附能力增強(qiáng)。然而, 生物炭在土壤中會(huì)與多種有機(jī)、無(wú)機(jī)化合物發(fā)生相互作用。生物炭對(duì)微生物信號(hào)分子的吸附能力取決于生物炭空活性吸附位點(diǎn)的多少。Masiello[64]的結(jié)果暗示: 高溫?zé)峤馍锾靠赡茉谝欢ǔ潭壬献璧K土壤微生物之間的信息交流, 且阻礙作用在有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤中表現(xiàn)的更明顯。

5 問(wèn)題與展望:

將有機(jī)廢棄物料通過(guò)熱解炭化技術(shù)制備生物炭并作為土壤改良劑施入農(nóng)田, 是改善耕作土壤理化和微生物學(xué)性質(zhì), 增加土壤生產(chǎn)力的一種新思路。但是, 對(duì)于我國(guó)廣泛的農(nóng)業(yè)問(wèn)題來(lái)說(shuō), 不僅要有效發(fā)揮生物炭在土壤改良方面的巨大潛力, 還要避免一系列不利影響。未來(lái)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面入手解決:

5.1 明確生物炭在不同土壤環(huán)境條件下的適用性

需要制定一個(gè)統(tǒng)一的生產(chǎn)生物炭的標(biāo)準(zhǔn), 明確不同原料在不同熱解條件下制備的生物炭的性質(zhì), 預(yù)測(cè)生物炭在典型土壤環(huán)境中的效應(yīng)。對(duì)特定的土壤環(huán)境條件, 需要綜合考慮生物質(zhì)原料直接還田與生物質(zhì)制成生物炭還田的效果。施加某種生物炭不可能改良所有土壤性質(zhì)指標(biāo), 而且生物炭在不同土壤環(huán)境條件下的農(nóng)用效應(yīng)差異較大。所以在應(yīng)用生物炭時(shí), 應(yīng)根據(jù)所要達(dá)到的目的和成本, 針對(duì)特定土壤主要障礙因子和區(qū)域環(huán)境條件, 選擇合適的生物炭種類和施加量。

5.2 通過(guò)不同尺度試驗(yàn)明確生物炭在土壤環(huán)境中的生物地球化學(xué)行為

對(duì)于土柱模擬試驗(yàn)、培育試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn), 通常將生物炭磨碎過(guò)2 mm或更小孔徑的篩子, 再與土壤混勻, 通過(guò)精細(xì)的試驗(yàn)研究生物炭在土壤改良過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)和生物反應(yīng)機(jī)制。對(duì)于田間試驗(yàn), 生物炭被撒施到土壤表面, 通過(guò)耕作將生物炭與表層土混合。與實(shí)驗(yàn)室水平的試驗(yàn)相比, 田間試驗(yàn)在氣候、施肥、耕作措施等方面存在較大差異, 這些差異足以在一定程度上掩飾生物炭對(duì)土壤性質(zhì)影響的真實(shí)效果。將實(shí)驗(yàn)室機(jī)理分析與田間試驗(yàn)相結(jié)合, 既能明確生物炭影響土壤性質(zhì)的機(jī)制又能與生產(chǎn)實(shí)際相近。

隨著生物炭與土壤接觸時(shí)間的增加, 生物炭在土壤中發(fā)生結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的變化, 生物炭與土壤之間逐漸建立化學(xué)交換和微生物活性的平衡。因?yàn)樯锾扛牧纪寥佬再|(zhì)的長(zhǎng)期效應(yīng)有別于短期效應(yīng), 所以需要通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 在不同時(shí)間尺度下, 跟蹤研究生物炭在土壤中的各種生物地球化學(xué)行為。

5.3 識(shí)別應(yīng)用生物炭所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)

由于具有高度穩(wěn)定性, 生物炭可以在土壤中長(zhǎng)期存在, 因而需要對(duì)有機(jī)廢棄物原料和生物炭進(jìn)行必要的檢測(cè)和篩選, 加強(qiáng)生物炭的生態(tài)毒理學(xué)研究, 以避免施加生物炭帶來(lái)的一系列潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn): 比如施加生物炭導(dǎo)致pH值和氨揮發(fā)較大增加、土壤碳氮比失調(diào)和有效氮含量降低、鹽基離子含量過(guò)高、生物炭中含有的有毒物質(zhì)的釋放等。這些負(fù)面效果會(huì)對(duì)土壤生物區(qū)系產(chǎn)生不利影響, 甚至潛在威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5.4 加強(qiáng)生物炭與各種生物區(qū)系之間的相互作用

大型土壤動(dòng)物的數(shù)量和活性對(duì)土壤性質(zhì)和生物炭穩(wěn)定性有很大影響。但目前除蚯蚓外, 施加生物炭對(duì)其它種類大型土壤動(dòng)物影響的研究較少

5.5 降低生產(chǎn)生物炭的成本、實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)品循環(huán)利用

制備生物炭的成本較高是生物炭大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣的很大障礙。因此, 一方面需要探索生產(chǎn)生物炭的新技術(shù)和設(shè)備, 研究大量收集有機(jī)廢棄物原料的合理方案, 提高生產(chǎn)效率。另一方面, 充分開發(fā)生物炭及其副產(chǎn)品的潛在應(yīng)用價(jià)值。比如除直接用作土壤改良劑提高農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)力外, 還需以生物炭為基礎(chǔ)材料, 多元化開發(fā), 生產(chǎn)炭基緩釋肥、微生物肥料接種菌載體材料、活性炭、育苗基質(zhì)等衍生產(chǎn)品。收集制備生物炭過(guò)程中產(chǎn)生的木醋液和可燃?xì)獾雀碑a(chǎn)品, 并將其應(yīng)用于生活能源和工業(yè)原料等領(lǐng)域, 提升生物炭的附加價(jià)值。

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Review of effect of biochar on soil physi-chemical and microbial properties

TANG Xingcan1,2, CHEN Jinlin1,*

1.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 2. College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China

Solid carbonaceous biochar with highly aromatic structure and great stability is the product of thermal degradation of organic material in the absence of air. Soil amendment with biochar is evaluated globally as a means to improve soil fertility. However, the physical and chemical properties of biochar are highly dependent on feedstock type and pyrolysis temperature. The improvements of soil characteristics may be largely dependent on the properties of biochar and soil. Therefore, we must select the appropriate biochar according to the main obstacle factors of different soilin order to get a better effect of soil improvement. In this paper, we summarize the current status and knowledge gaps about the effect of biochar amendment on soil physi-chemical and microbial properties. Mechanism of the change of soil characteristics and its affecting factors after biochar amendment are highlighted so as to provide perspectives on application and promotion of biochar technology.

biochar; soil improvement; physi-chemical property; microbial property

X53

A

1008-8873(2018)01-192-08

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.026

2016-04-27;

2016-06-16

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB416904); 江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(BK20130973); 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

唐行燦(1989—) , 男, 山東淄博人, 碩士, 主要從事生物炭的土壤生態(tài)效應(yīng)研究, E-mail: txc7549349@126.com

陳金林, 男, 博士, 教授, 主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究, E-mail: jlchen@njfu.edu.cn

唐行燦, 陳金林. 生物炭對(duì)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(1): 192-199.

TANG Xingcan, CHEN Jinlin. Review of the effect of biochar on soil physi-chemical and microbial properties [J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 192-199.