土壤屬性和作物生長對生物炭施用的響應和反饋研究進展

李 毅, 馮 浩， 梁嘉平， 陳 克， 陳俊清， 梁志杰， 姚 寧，3

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點實驗室，河南 新鄉，453002；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌，712100；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌，712100；4.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌，712100)

農田土壤的結構、水力性質、養分運移影響作物的生長發育和產量形成。農業生產實踐技術的提高和科技的快速發展為糧食安全提供了重要的保障。然而，目前農業生產的發展仍然受多種因素的影響，變化環境下干旱-半干旱地區水資源短缺，各種氣象和農業系統災害和極端事件發生頻繁，中低產田養分匱乏等都對農業系統的穩產增產造成了不利影響，不利于糧食增產。提高中低產田所種植作物的水分利用效率和經濟效益，始終是干旱-半干旱地區農業高效用水和優質生產迫切需要解決的問題。目前在農業生產中，有多種中低產田改良方法，包括工程、水利、農業、生物和植物修復及化學改良措施等，旨在最大程度保持土壤質量和優化環境，以滿足作物生長需求。生物炭是生物有機材料在缺氧或絕氧條件下，經過300～1 000 ℃高溫熱裂解后產生的含碳量極其豐富的有機物。生物炭本身含有大量的碳，可以顯著增加土壤有機質含量，穩定土壤結構，優化土壤物理結構；生物炭是一種良好的養分載體，可以提供基本的土壤礦物質養分(P、K、Ca和Mg)；生物炭不僅能提高土壤陽離子的交換能力，還可提高土壤養分的利用率，促進植物對養分的吸收，進而減少因淋溶引起的養分流失；生物炭還可改善土壤微生物學特性，增加土壤中微生物數量；更重要的是，生物炭結合其他農田管理措施(覆蓋、施肥、膜下滴灌等)能使農業增產，從而有利于社會經濟發展。

由于生物炭對土壤和作物生產具有改善效應，近年來國內外在利用生物炭改善土壤質量及提高農業產量方面進行了大量的研究和嘗試，獲得了非常多的成果。本文從土壤物理性質、化學性質及作物生長對生物炭的響應和反饋方面入手，梳理和總結目前生物炭在農業系統中應用的最新進展，從而揭示農田土壤屬性和作物生長對生物炭的響應和反饋機制，以期為生物炭在農業生產中進一步應用提供參考。

1 土壤物理性質對生物炭施用的響應

1.1 土壤容重

土壤物理性質包括土壤容重、孔隙度、土壤水分、土壤溫度等，這些土壤物理性質是反映土壤健康的重要指標。其中土壤容重反映土壤的緊實程度，與土壤孔隙度有密切關系。由于生物炭自身的容重顯著低于土壤的容重，以往研究結果比較一致地表明，施用生物炭可以降低土壤容重約8%～11.2%，而且降低幅度和被施用土壤的性質、生物炭施用量、生物炭自身屬性、試驗條件及生物炭施用年限都有關系。劉祥宏通過研究不同生物炭施用量(0，4，8，16 g/kg)對黃土高原5種土壤(塿土、黑壚土、黃綿土、沙黃土和風沙土)容重的影響發現，生物炭施用量越高，降低土壤容重的效果越顯著。Githinji將生物質炭與砂壤土按不同體積配比混合處理發現，施用25%生物炭的土壤容重與對照組相比降低了18%。孟繁昊等研究表明，施加生物炭(8，16，24 t/hm)使0—20 cm土層容重降低1.19%～11.18%。李倩倩等通過連續5年的試驗研究發現，隨著年限的延長以及生物炭施量的增加，20—30 cm土層的土壤容重顯著降低。然而，另有研究表明，生物炭對土壤容重的影響因土壤有機質含量不同而產生不同效果。Herath等指出，施用生物炭能夠顯著降低有機質含量低土壤的容重，但不會減小高有機質含量土壤的容重，該結論也先后被Tammeorg等和Moragues-Saitua等證實?？傮w上，由于受到外部環境、生物炭來源和土壤本身質地結構等具體條件的影響，生物炭對土壤容重的調控機理較復雜，這種復雜性不僅涉及土壤容重等物理性質，也對土壤化學性質及作物生長—產量等構成潛在影響。

1.2 土壤孔隙度

施用生物炭改變了土壤容重，從而影響土壤孔隙度。生物炭改善土壤孔隙的機制歸因于高孔隙度生物炭材料的孔隙貢獻、通過產生堆積或孔隙來修飾孔隙系統及改善整體穩定性。經過生物炭改良后的土壤主要表現為微、中和宏觀孔隙度的增加。將25 t/hm的生物炭添加到粉砂壤土中能夠使0—10 cm 土層的土壤總孔隙度顯著提升6.4%，且同時增加大孔隙度和微孔隙度，隨著生物炭施加量的增大，土壤孔隙度呈線性增加的趨勢。特定情況下生物炭的添加不改變土壤的總孔隙度，但對土壤的孔隙組成產生一定的影響，降低大孔隙比例而顯著提高中孔隙的比例，繼而對作物生長產生積極作用。

1.3 土壤水力性質

已有研究表明，施加生物炭對土壤有效含水量、田間持水量以及凋萎系數具有積極的作用，而且這種增加與生物炭降低了土壤容重同時增加了孔隙度有直接關系。生物炭的粒徑、比表面積、施用量等均可影響土壤的保水能力。施用粒徑為1～8 μm的生物炭可最大程度地增加0.06 m/m的水分，從而增加土壤的保水能力。較高比表面積且粒徑為1～2 mm的生物炭可提高沙質土壤的田間持水量。生物炭施加量22.5 t/hm可使土壤有效水提升28.8%。王浩等研究表明，隨生物質炭比例增加，土壤的吸水系數、凋萎濕度、田間持水量和飽和含水量都有所增加。Githinji在向壤質砂土中施加生物質炭的試驗中發現，當生物質炭施用量超過25%后，繼續增加生物炭施用量，會使累積入滲量呈線性下降。Liang等基于3年大田試驗，系統地研究了連續施用生物炭對土壤水分分布和儲水量的影響，結果表明，生物炭施用量為22 t/hm對土壤儲水有最佳效果，生物炭施用量過高(100 t/hm)導致土壤儲水量降低。

生物炭較高的孔隙度和比表面積對土壤水分的時空分布、運動規律(包括入滲、蒸發及再分布等)產生影響。在一定程度上添加生物炭和炭基肥能夠提高垂直土柱中土壤的持水性能。此外，生物炭在一定程度上降低了土壤水分的淋濾與運移。當土壤含水率較低時，添加生物炭會抑制土壤水分擴散。生物炭對土壤的水力特性也有影響，已有研究表明，施用生物炭可增加表層土壤飽和導水率和不同質地土壤的水分擴散率。然而，也有研究表明，生物炭對土壤飽和導水率無顯著影響。

1.4 土壤溫度和熱性質

熱性質包括土壤熱容量、導熱率和導溫率等。生物炭呈黑色，施用后明顯加深土壤顏色，從而增加土壤吸收熱量，降低地表反射率，改變土壤溫度。與對照相比，生物炭可使地表溫度增加31.3%～58.1%，且生物炭施用量與土壤溫度之間呈顯著的正相關關系。施加生物炭后土壤的容重增加，降低土壤的熱擴散率和熱導率，降幅達3.48%～7.49%，這也是生物炭影響土壤溫度的原因之一。添加生物炭還可以調節土壤溫度的波動和溫度極值，削弱熱脅迫。然而，以往對生物炭影響土壤熱性質的結論并不統一，Ventura等發現，施用生物炭增加了表層土壤溫度，但未顯著影響7.5 cm深度的土壤溫度。生物炭對土壤溫度的影響是一個多因素綜合作用的結果，其影響機制并未深入揭示，還需要進一步的研究。

2 土壤化學性質對生物炭施用的響應

2.1 土壤鹽分

土壤鹽分含量高引起的土地質量退化是限制作物生產和農業可持續發展的主要障礙。已有研究表明，施用生物炭能緩解微咸水灌溉條件下土壤鹽分表聚現象，對土壤具有一定的降鹽作用，避免鹽脅迫造成離子毒害，減輕作物受鹽脅迫的程度。對玉米田，當生物炭施用量為30 t/hm時可起到有效的節水降鹽增產效果。?？档妊芯堪l現，施用生物炭可使土壤溶液中的Na離子降低9.43%，且在4 g/kg的生物炭處理下降鹽效果最為明顯。Zhao等研究表明，施用生物炭可增加鹽漬化土壤陽離子交換量，進而降低土壤鹽分和鈉離子含量。此外，施用生物炭能夠通過調節土壤的養分狀況，克服鹽分對土壤和作物的有害影響。

由于施用生物炭有降低土壤容重、增加土壤飽和導水率的效果，因此土壤物理性質改善將增加鹽分的淋洗效果，降低土壤鈉吸附比，減輕鹽分脅迫。但同時由于生物炭攜帶一些化學物質進入土壤，因此隨著生物炭施用量的增加，土壤電導率也隨之增加。但由于生物炭可降低土壤容重、增加土壤孔隙度和土壤導水能力，因而又能促進土壤鹽分的淋洗。Zhang等研究證實，施用生物炭可大大降低土壤電導率以及可交換Na、Cl含量，進而減輕鹽脅迫對水稻幼苗的抑制作用。

2.2 土壤pH

生物炭的來源、是否酸化、施用年限及施用量決定了施用后的pH變化幅度。生物炭能夠有效地調節土壤pH，其調節效果取決于生物炭和土壤pH的差異，若前者大于后者，則土壤pH增加，反之則土壤pH降低。生物炭施用年限越長，土壤pH的增加越趨于弱化。Kannan等通過連續3年的田間試驗發現，施加生物炭最終增加了土壤的pH。Jin等通過連續5年的田間定位試驗研究發現，施入生物炭第1年后，土壤pH顯著增加，且40 t/hm的生物炭處理可使土壤pH增加0.53，但隨著施用年限的延長，pH明顯降低，尤其第5年40 t/hm生物炭處理的pH降低最多。張明月研究表明，當生物炭施用量與土壤的體積比超過2/3時，可使棕壤土與褐土的pH分別增加0.44和0.30。Aamer等發現，施用生物炭可將酸性土壤的pH從5.48提高到6.11。陳樂等研究指出，生物炭施用量越高，對酸性土壤的pH提高幅度越大，特別是50 g/kg的生物炭使4種酸性土壤pH分別提高0.68，0.97，1.29，1.71。

2.3 土壤養分

氮、磷和鉀是作物生長的重要營養元素。生物炭能夠吸附土壤中的NH和NO，進而減少土壤氮損失。Esfandbod等研究表明，應用低pH的生物炭能有效降低鹽堿地或蘇打土中的NH揮發，以提高氮的保留和使用效率。生物炭能夠顯著增加表層土壤養分含量，且隨著生物炭施用量的增加，有機質含量呈線性增加趨勢，而有效氮、有效鉀和有效磷呈先增加后減小的趨勢。但由于生物炭施用成本高，因此不宜高量施用，20 t/hm的施用量能獲得土壤養分含量的最大值，施用量較大時，會造成土壤氮損失。

磷素的有效性直接受土壤pH和有機物含量的影響，且pH在5.0～7.5是磷的最佳釋放范圍，土壤pH>7.0的土壤中有效磷減少。鹽漬土限制了土壤磷的有效性，而生物炭可以作為磷肥增加鹽漬土的有效磷，提升磷的有效性和作物吸收磷素。da Silva Carneiro等研究表明，生物炭基肥料可以在短期和長期完全或部分替代傳統的可溶性磷肥，提升土壤磷的有效性和磷利用率，促進植物對磷的吸收。生物炭為土壤提供了可溶和可交換磷，通過影響磷相關的絡合和代謝作用來提高內生土壤磷的利用率，改善土壤對磷的吸附，有助于擴大土壤磷庫，增加其利用率，并減少淋失。

我國土壤有效鉀含量低，鉀的利用率不高，且過量施肥增加了環境污染和經濟損失風險。施用生物炭能夠增加鉀的有效性，2%的生物炭能夠替代40%的常規鉀肥，加速緩慢利用的鉀向可用鉀轉化。

3 作物生長對生物炭的響應和反饋

植物在土壤中的生長是一個復雜的過程。根系在植物對水分和養分的吸收、化合物的生物合成和儲存以及與土壤環境中的非生物和生物因子的相互作用中起至關重要的作用。健康的土壤中植物生長良好；而問題土壤則阻礙水分和養分的吸收并抑制植物生長。類似土壤屬性，作物生長對生物炭也有其響應和反饋。由于作物種類多，篇幅所限，以下將以棉花為主評述作物生長對生物炭的響應和反饋。

3.1 棉 花

棉花是重要的經濟作物。適量生物炭使其長勢更好、產量更高；而過高施量既不經濟，又不利于產量提升。近年來生物炭對作物生長影響的研究集中于生物量、生長指標和產量上，部分研究涉及作物養分利用效率。王榮梅等研究表明，10%的生物炭施量可倍增喀什綠洲灌淤土的田間持水量；在混合施用方式下，生物炭顯著提高棉花產量；5%的施量提高皮棉產量26%。蘇倩等研究表明，施用生物炭可提高棉花生物量和養分吸收量。李琦等研究表明，施用生物炭能夠使棉花的干物質和氮素吸收分別增加9.2%～17.3%和29.5%～48.8%，且隨施用量增加，棉花的干物質也逐漸增加。田曉飛研究表明，生物炭能夠提升棉花花期和鈴期葉片的葉綠素相對含量、凈光合速率、蒸騰速率和棉花產量。侯艷艷等在新疆灰漠土開展田間試驗發現，添加棉稈生物炭相對對照組能明顯提高棉花產量7.9%～21.3%，棉花莖粗、株高及生物量等雖然有所提高，但效果不顯著。Wu等研究表明，1%的生物炭施用量可增加棉花的芽、鈴和有效果枝數，且當75 mg/kg的KO與1%的生物炭結合時最有利于提高棉花產量、農藝效率和經濟效益。凌遵學等研究表明，施用生物炭基尿素能延長棉花的生育期，提升棉花株高、單株果枝數、單株結鈴數、單鈴重和棉花產量。Qayyum等發現，施用生物炭不僅使棉花株高增加11.71%～22.47%，單株鈴數增加0.74%～13.75%，平均鈴重增加35.44%～36.22%，籽棉產量提高14.48%，而且還可使棉花的纖維長度和馬克隆值分別增加4.3%和24.5%。此外，生物炭的合理施用也有利于減輕棉花病蟲害。

3.2 其他作物

甜菜是重要的糖類作物，其經濟價值很高。施用生物炭可減輕甜菜幼苗受除草劑的毒害，促進甜菜的植株生長，改善甜菜的根系形態、增加根冠比和甜菜的含糖量。施用生物炭還可增加堿脅迫下的甜菜出苗率、塊根產量、含糖率和產糖量。生物炭和氮肥配合施用，不僅增加甜菜的出苗率，還可提升甜菜各生育期內葉片和塊根的干物質量，增加甜菜的光合速率和葉綠素含量，進而提高甜菜的產量和含糖量。

在生物炭對玉米生長的影響研究方面，Xia等認為，氮肥與生物炭配合使用對改善玉米的氮素利用效率和促進土壤質量具有積極的作用，生物炭不僅增加了土壤養分和有機質，還使植物的氮利用率提高11.08%，根的δN含量從11.97 mg/kg增加到21.3 mg/kg，芽的δN含量從50.8 mg/kg增加到82.3 mg/kg。屈忠義等采用3種不同的改良措施(包括施加生物炭22.5 t/hm、脫硫石膏和秸稈還田)研究了鹽漬土上種植葵花產量的差異，結果表明，生物炭更具優勢、增產率最高，達32.28%。在生物炭對作物根系的影響方面， Xiang等對136篇文章的2 108對觀察結果進行了分析發現，施用生物炭可以使植物根系的生物量、根系體積、表面積、根長、根尖數及根直徑分別增加32%，29%，39%，52%，17%，9.9%。除了對作物的生長有正面影響外，生物炭施用后也可能降低作物產量。然而Spokas等指出，只有50%的研究中生物炭使作物增產，而其余50%的研究顯示其對作物增產沒有影響，甚至減少了作物產量。

生物炭影響作物生長的主要原因有：(1)生物炭含有一定成分的灰分，可為作物生長提供氮、磷、鉀等養分;(2)大多生物炭呈堿性，可有效降低土壤的酸度，緩解重金屬脅迫，提高作物的生產效率；(3)適量生物炭添加可以有效提高土壤的持水性能，緩解旱田作物的干旱脅迫，提高作物產量；(4)生物炭還與土壤中微生物協同作用，改善根系微生物的群落環境，促進根系發育，對作物生長有積極作用。

4 生物炭施用的關鍵技術參數

生物炭施用的方式、年限、施用量等技術參數的變化導致施用效果差異明顯。合理的生物炭施用量對作物生長有明顯的促進作用，當施用量過高會顯著抑制作物生長。Li等研究表明，與40 t/hm施用量相比，20 t/hm的生物炭處理可獲得最高的作物產量。勾芒芒等和Li等分別通過盆栽和田間試驗研究指出，在40 t/hm生物炭施用量下番茄地上生物量、產量、水肥生產力以及經濟效益顯著高于60 t/hm的施用量。Jin等開展了不同生物炭(0，5，20，40 t/hm)與氮肥(0～120 kg/hm)結合對油菜籽和紅薯產量的影響試驗，結果表明，當生物炭和氮肥的施用量分別為11.4 t/hm和102 kg/hm時可獲得最高作物產量和凈收入。梁嘉平通過對南疆重度鹽堿地連續3年施用生物炭(0～100 t/hm)進行研究，推薦10 t/hm作為棉花和甜菜經濟效益最高的合理施用量。Reyes-Cabrera等在添加生物炭和酒糟情況下分析了棉花-花生輪作與甜高粱的產量和土壤含水量等指標，認為30 kg N/hm結合5 t/hm生物炭是最佳組合。綜合來看，最佳生物炭施量依不同的作物類型、土壤及氣候條件而變化，推薦25 t/hm以下為經濟效益最佳的生物炭施量，此外，結合施肥及其他耕作措施有益于同時提高土壤養分和作物產量。

5 結論與建議

本文通過對比國內外生物炭相關的研究進展，發現生物炭的施用對土壤物理性質(包括容重、孔隙率、水分和溫度)、化學性質(pH、鹽分)及作物生長和產量有正效應。合理的施用方式、年限、生物炭來源可促進作物的生理生長和發育過程，從而可獲得最佳產量和經濟效益。然而，由于生物炭自身的理化性質較為復雜，加上不同研究者的試驗條件有很大差異，土壤、氣候、作物類型等具有較大的區域差別和時空變異性，土壤屬性和作物生長對生物炭施用的響應和反饋規律不同，甚至施用生物炭對同一土壤屬性或作物類型的影響，結果并不一致。大部分結果證實，土壤屬性和作物生長對生物炭具有正響應。目前相關研究成果雖然非常豐富，但在生物炭對土壤環境的調控和作物促生機理方面的觀點不一致，今后應在機理機制研究方面進行重點研究和分析，在生產實踐中需注意因地制宜制定施用策略。建議將生物炭與其他施肥、灌溉、田間管理措施有效結合，合理制定施用方式、年限及施用量，為我國糧食安全作出更大的貢獻。