生物炭對東北農田黑土理化性質及微生物特性應用進展分析

王懷鵬, 姜 輝, 孫繼英, 王宇先, 高 盼,李 明, 尹雪巍, 史喬丹, 單 瑩, 邱廣偉

(1.黑龍江省農業科學院克山分院, 黑龍江 齊齊哈爾 161000;2.黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院, 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

中國東北黑土地作為世界三大黑土帶之一,其擁有深厚的腐殖質層,有機質含量豐富,具有土壤性狀良好、肥力高、適宜農耕等優點。東北黑土區作為我國重要的商品糧生產基地,糧食總產量和商品糧產量占全國1/4左右,在保障國家糧食安全和農業發展中發揮了重要作用[1-3]。然而由于多年來對于黑土資源的高強度開墾與利用,導致黑土地肥力呈現逐漸下降趨勢,耕層土壤有機質含量降低,土壤變淺、變硬,水肥氣熱協調能力下降[4-5]。此外,東北黑土區典型地貌大多為漫川漫崗,同時地處中溫帶半濕潤季風氣候區,極端的降水、氣溫和風力吹蝕成為水土流失的重要誘導成因[6-7]。由此可以得出,東北黑土區由“生態功能區”逐漸變成了“生態脆弱區”,嚴重影響東北地區農業的可持續發展,東北黑土地的糧食生產能力在國家層面上“壓艙石”的作用存在動搖風險[8-9]。

1 生物炭在農業領域的應用

隨著農作物近年來產量不斷提高,作物秸稈產量也急劇上升。據統計,我國每年秸稈產量約為9×108t,而農作物秸稈利用率僅為13%左右,秸稈作為一種富含N、P、K養分和有機質的可利用生物資源應加大科學合理利用[10]。而在眾多秸稈深加工利用方式中,生物炭是能夠充分利用秸稈特性和新型農業技術需求的副產品,其是由少量礦物質、大量碳性物質和可揮發有機物構成,加之本身的多孔隙性和較大比表面積特征,使其在土壤改良修復及農業生態環境長效發展中起到重要作用[11-13]。

前人研究表明,生物炭憑借其優質的結構和理化性質對減少土壤養分流失、提高肥料利用率、消減有機污染和農藥殘留、抑制污染物富集和降低污染物生物有效性等方面具有積極作用[14-15]。此外,生物炭在農作物生長發育及土壤微生物環境方面也具有重要促進效應,農田土壤中施入生物炭能夠提高作物光合速率,促進植株SPAD值和氮含量增加以及根系生長,從而達到增產效果;同時生物炭還增加了土壤中動物和微生物的種類和數量,在一定程度上改善土壤食物網結構,推動土壤養分物質循環和能量流動[16-17]。

2 生物炭對土壤理化性質的影響

由于生物炭含有的羥基、羧基、苯環等主要官能團賦予了其特有的強大吸附能力和較大的離子交換量基礎,而被廣泛應用于改良貧瘠土壤和優化酸堿性土壤性狀等方面研究[18-19]。王歡歡等[20]和韓光明[21]研究表明,生物炭能夠顯著提高土壤孔隙度、電導率以及田間持水量,同時降低土壤容重;在化學養分方面,施入生物炭后能夠提高土壤有機碳、堿解氮、有效磷和有效鉀含量。王沖等[22]通過6年田間定位試驗研究表明,生物炭降低黑土0～10 cm土壤容重,提高0～20 cm黑土的pH值、電導率和陽離子交換量,并顯著提高耕層黑土的有效肥力,且有效緩解了東北黑土有機質含量的下降趨勢。涂超等[23]研究認為,生物炭顯著提高了土壤對NH4+的吸附能力,且隨生物炭添加量的增加,土壤對NH4+的吸附量增大,通過相關性分析表明,土壤對NH4+的吸附能力與土壤pH和土壤有機質含量呈顯著正相關關系。姚欽等[24]研究發現,生物炭對土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖轉化酶活性影響較為明顯,整體上表現為提高了這三種酶活性,對堿性磷酸酶活性影響不顯著。張海晶等[25]通過開展不同用量生物炭對東北黑土理化性質溶解有機質特性影響研究中得出,施用10～30 t/hm2生物炭可顯著改善土壤透水性和碳有效性,促進氮素轉化和限制土壤磷礦化,達到提高土壤質量和作物產量的目的。

3 生物炭對土壤微生物環境的影響

土壤是微生物生長繁殖的根本環境,優異豐富的微生物環境對于促進植物生長和提高土壤肥力存在至關重要的作用。生物炭通過其本身特性直接或間接地改善土壤理化性質和提高土壤養分有效性,從而對土壤微生物量和微生物群落產生影響[26-28]。王福平[29]研究表明,生物炭的添加量顯著提高了整個生長期土壤微生物炭含量,土壤真菌磷脂脂肪酸和細菌磷脂脂肪酸含量與其具有良好的相關性。譚春玲等[30]通過總結生物炭對土壤微生物代謝活動的影響得出,生物炭的多孔結構可以為微生物提供良好的生存環境,其灰分可為微生物提供養分,提高酸性土壤的pH值,從而促進對土壤肥力的提升,污染修復和控制病原微生物。代鎮等[31]試驗結果表明,土壤總有機碳、活性有機碳、高活性有機碳和顆粒有機碳含量隨生物炭添加量的增加而增加,同時也顯著增加了土壤碳庫指數和碳庫管理指數。侯寧等[32]和王穎等[33]研究發現,農田土壤中施加一定量生物炭后,對土壤中細菌群落結構影響顯著,表現為提高了相應優勢菌門的多樣性和數量,其中放線菌門、變形菌門和酸桿菌門等群落變化幅度較為明顯,一定程度上改良和優化了土壤微生物環境。

4 展 望

作為我國糧食安全的“穩壓器”和“壓艙石”,切實合理科學地保護利用東北黑土地,是多年黑土區可持續健康發展的必要措施,理應圍繞著“把黑土地用好、養好”的核心理念,系統地開展黑土地保育與產能提升和建立健全黑土地保護利用長期研究工作。生物炭作為一種環境友好型土壤改良劑,隨著對其研究和應用的不斷深入,生物炭在作物生長、改良土壤環境、改善農田污染以及優化農業溫室氣體排放等方面發揮著重要且具有現實意義的作用。