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摘要：生物炭作为土壤改良剂和污染物吸附剂能够改良受污染的土壤,因此受到国内外学者的普遍关注。在国内外研究生物炭改良土壤应用的基础上,本文总结分析了近年来国内外生物炭与土壤微生物相关的研究成果,得出生物炭能影响土壤的理化性质,调控营养元素循环,产生或吸附抑制微生物生长的物质,从而影响土壤细菌和真菌的生长与繁殖,对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,进而改变整个生态系统的物质循环过程。因此,未来应进一步探索生物炭与土壤微生物之间的相互作用机理,深入了解生物炭的土壤改良作用,深化对土壤微生物多样性的认识。这将为未来生物炭的大规模推广应用打下坚实的基础,具有重要的现实意义。
关键词：生物炭；微生物群落结构；土壤
Abstract: Biochar, as a soil amendment and pollutant adsorbent, can remedy contaminated soil, which has attracted widespread attention at home and abroad. Based on the research of biochar, this paper summarizes and analyzes the research results of biochar and soil microbes in recent years. It is concluded that biochar can affect the physical and chemical properties of soil, regulate the circulation of nutrients, produce or adsorb substance that inhibits the growth of microorganisms. The material circulation process of the entire ecosystem would be changed by affecting the composition of the microbial community in the soil. Therefore, in the future, the interaction mechanism between biochar and soil microorganisms should be further explored. This will lay a solid foundation for the large-scale application of biochar , which has important practical significance.
Key words: biochar; microbial community structure; soil
生物炭是指由含碳量丰富的生物质(如木材、家禽粪便和秸秆等)在相对较低的温度(＜700℃)和无氧或限氧的条件下热解炭化而得到的一类高度芳香化的难熔性固态高聚产物。由于生物炭在生物质能源生产、有机废弃物资源化、土壤改良、肥料创新和温室气体减排等方面具有重要意义,因此,生物炭在农业上的应用引起了国内研究者的广泛关注,成为近年来的研究热点之一。
1.生物炭基本特性
生物炭主要由碳、氢、氧、钾等化学元素组成,且最终炭化温度决定了其元素组成,其含碳量及灰分含量随着最终炭化温度的升高而增加,而氢和氧的含量则相反。在炭化过程,不同的有机物质含有物质材料的比重不同,组织的表面结构不同,因此碳化产物的孔隙结构也有很大差别。吴成等［1］发现炭化温度从150℃升至500℃时,生物炭的比表面积可从12m2/g升至307m2/g,表明热解温度是影响生物炭比表面积的一大因素。随着热解温度的升高,生物炭的孔隙结构降低,比表面积增大,同时也是由于炭化温度升高,生物炭表面的疏水性增强,持水性开始下降。
2.生物碳影响土壤微生物的作用机制
2.1对土壤容重、毛管持水量和孔隙度的影响
土壤容重、毛管持水量和总孔隙度是研究土壤物理特性的三大重要指标。Karrhu等［2］的实验研究表明生物炭可以降低土壤容重和密度,增加土壤的总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度,能有效地保持土壤水分。土壤中的毛管孔隙影响土壤的蓄水能力,非毛管孔隙影响土壤的通气性。在某种理想程度,毛管孔隙度越高,粒间空隙越小,通气性的表现越差,饱和导水率越小,实验表明毛管持水量的提升能够说明土壤蓄水量的增加,能够有效地保持土壤中的水分。
2.2对土壤pH值和阳离子交换量(CEC)的影响
土壤的化学性质包括土壤的pH值、CEC(Cation Exchange Capacity)和盐基饱和度等。土壤的pH值可直接影响土壤养分的有效性,由于大多数生物炭呈碱性,因此施用生物炭可提高土壤pH值。Yuan等［3］的研究表明:在pH值为6.4～10.4的条件下,添加非豆科植物生物炭可在60d内提高土壤pH值0.7个单位,添加豆科类植物生物炭则可提高1.0个以上单位。这说明施用生物炭可显著提高土壤的pH值,主要是因为生物炭中的灰分含有更多的盐基离子,例如:Mg、Ca、Na等,施入土壤后土壤中的盐基饱和度增加,直接进行交换反应,从而降低土壤中的氢离子和交换性铝离子的水平,同时也中和部分土壤酸度,使土壤pH值升高。生物炭的炭化温度不同,含有的离子量不同,随着土壤有机物的大量分解以及比表面积增加,其CEC呈下降趋势,但与土壤有机质的阳离子交换量相比,由于新鲜生物炭表面呈净正电荷,使其阳离子交换量降低,更有利于土壤中养分的K+、Mg+等离子流向植物。
2.3生物炭对调控营养元素循环的影响
尽管植树造林通过光合作用来减少大气中碳的含量是一种可行的途径,但是植物碳又可能回到大气中,因此总碳的含量是不变的。生物炭的分解十分缓慢,据报告生物炭赋存时间可以达到上千年,因此它是一种有效的、可行的和可持续封存碳的方式［4］。生物炭本身碳含量非常高,在土壤中加入生物炭可以提高土壤有机碳的含量,其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。Kimetu等［5］报道,生物炭的碳损失远低于绿肥,生物炭的稳定性及稳定化作用大于绿肥类易解有机物，加入生物质炭的土壤的有机碳矿化量减少,且已存在的有机碳的稳定性上升。由此看来生物炭可以用作土壤改良剂,来改善土壤的性质。
2.4生物炭对氮(N)的影响
有机物由包含氨基酸、胺和氨基糖等结构的多种氮组成。当有机质热解时,这些结构凝聚形成杂环氮结构,这些惰性N不能直接用于植物生长。尽管某些生物炭(如粪肥)总N含量很高,达6.4g/kg,但是其矿化态氮(氨氮和硝氮)含量甚微,同土壤中矿质N相比可以忽略不计。因此从供N角度来讲,生物炭能提高土壤有机氮含量,并不能直接提供植物生长的矿质氮。生物炭施入土壤改变N素的循环提高了N素的有效性,主要是通过改变N素的持留和转化来实现的:一方面利用其多孔特性和巨大的比表面积吸附持留N素物质,另一方面改变了土壤理化性质,直接或间接地影响N素周转过程中微生物多样性、丰度及活性,继而影响土壤N素物质循环［6］。
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2.5生物炭对磷(P)的影响
与N不同,生物质中的P在热解过程基本被保留下来,并且大多以可溶性形式存在。研究表明,生物炭本身含有大量的P并且有效性较高,输入土壤后可以显著增加有效P的含量［7］。除直接释放P外,生物炭还通过改变P的吸附和解吸来改变P的循环和有效性。生物炭能否直接吸附P,目前的研究结论并不统一。
生物炭可以为微生物尤其是细菌提供一个良好的环境,使其矿化和溶解有机和无机磷,从而使这些P被植物利用和吸收。目前认为生物炭可能通过以下几个方面发挥作用:①生物炭灰分中P的含量比较高,加入土壤后会增加土壤中有效P的含量;②生物炭改变了土壤pH,CEC,表面电荷以及Fe,Al,Ca,Mg含量和形态,同时生物炭丰富孔隙体积和比表面积均可能影响P的化学行为和有效性;③通过影响微生物的活动将难以利用的P转化为无机矿物质P,被植物吸收利用。
2.6生物炭对有毒物质的吸附影响
生物炭通过纳米孔或苯环之间π－π健的相互作用吸附抑制微生物生长的有毒物质,这可能使微生物丰度增加［8］。生物炭对多环芳烃的吸附主要取决于生物炭的生产条件及多环芳烃的化学结构。多环芳烃是弱极性的,能以共价键合在极性生物炭表面,而高温热解形成的生物炭一般具有较高的芳香性及纳米孔结构,因此,其对极性有机物的吸附也更强。
3.生物炭对土壤微生物的影响
土壤微生物作为生态系统的重要组成部分,其群落健康和多样性对土壤功能和生态系统服务非常重要,生物炭能影响土壤的理化性质,调控营养元素循环,产生或吸附抑制微生物生长的物质,从而影响土壤细菌和真菌的生长与繁殖而这些反过来又会影响土壤的结构和稳定性、通透性、持水性及养分循环,生物炭作为一种新型的土壤改良剂,能改善土壤微生物群落结构,促进有益微生物的生长,增强土壤微生物活性。
3.1生物炭对土壤微生物丰度的影响
生物炭具有特殊的结构特性和功能,使其能促进大部分土壤微生物的生长。WARNOCK等［9］认为原因可能包括:植物所需的有效养分(如有效磷)和水分含量增加,从而使其对菌根菌的共生需要减少;土壤性能的改变;高含量矿质元素或抑制真菌生长的有机化合物(如高盐、重金属等)对真菌具有消极影响;有机养分的结合或有机碳的吸附对有效养分产生消极影响。生物炭对土壤细菌和放线菌也具有显著影响,且不同土壤类型和微生物种类对生物炭的反应各不相同。
3.2生物炭可影响土壤的微生物群落
在生化循环过程中,微生物作为分解者在土壤生态系统中起着重要作用,其行为主要进行物质交换和能量流动两方面。微生物直接密切的关系着土壤的稳定性、透气性以及营养循环。施加生物炭在受重金属污染的土壤中,生物炭可直接为微生物的生长繁殖提供重要场所,不仅有利于微生物降解有机污染物,也对蚯蚓等土壤动物的生存产生影响［10］。
4.展望
国内外研究进展表明,生物炭在土壤改良与环境修复领域具有较好的应用前景,同时,生物炭在进入土壤环境后会对微生物群落结构组成及其主导的生物地球化学过程带来或利或弊的影响然而,目前关于生物炭对于土壤微生物生态功能影响的研究还较为匮乏,需要进一步深入开展研究。
（1）多数报道集中在生物炭对农田肥力相关菌群生长代谢或者温室气体排放的影响上,但是土壤中微生物种类繁多,各种生物地球化学过程同时存在,仍需加强对生物炭对于土壤微生物群落结构组成与总体生态功能体现影响的研究,同时还应当针对某些特定环境下的优势菌群与典型生物地球化学过程展开深入研究。
（2）生物炭来源广泛,性质各异,施用量与土壤环境条件也各不相同,使得已有的报道得出不少相互矛盾的结果。同时,生物炭对于土壤微生物生长代谢的影响可能源于多方面的协同作用,已有研究仍未全面探明生物炭的作用机制及其影响因子,还需要开展一系列系统研究,更加全面地掌握生物炭对土壤微生物的影响机制。
（3）在进入土壤环境后,生物炭对于土壤理化性质以及微生物活动的影响作用会随着时间推移而发生变化。但是,当前多数研究成果都来自于短期实验,亟待开展长期效应研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量与生态功能的影响效果,为生物炭的实际应用提供依据。
参考文献
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[4]Vaccari F P, Baronti S, Lugato E, et al.Biochar as a strategy to sequester carbon and increase yield in durum wheat[J].European Journal of Agronomy, 2011, 34(4):231- 238.
[5]Kimetu J M, Lehmann J.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents[J].Soil Research, 2010, 48( 7):577- 585
[6]Spokas K A,Novak J M,Venterea R T, et al.Biochar’ s role as an alternative N-fertilizer: Ammonia capture[J].Plant and Soil,2012,350(1/2):35-42.
[7]Enders A, Hanley K, Whitman T, et al.Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance[J].Bioresource Technology, 2012, 114: 644-653.
[8]Streubela J D, Collins H P, Garcia-Perez M, et al.Influence of contrasting biochar types on five soils at increasing rates of application[J].Soil Science Society of America Journal,2011, 75(4):1 402-1 413.
[9]Warnock D D, Mummey D L, Mcbride B,et al.Influences of Non-Herbaceous Biochar on Arbuscular Mycorrhizal Fungal Abundances in Roots and Soils: Results From Growth-Chamber and Field Experiments[J] .Applied Soil Ecology,2010,46( 3):450－456.
[10]王萌萌,周启星.生物炭的土壤环境效应及其机制研究[J].环境化学,2013,32(5):768 －780.
论文作者:王健
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
标签：土壤论文; 生物论文; 微生物论文; 孔隙论文; 含量论文; 结构论文; 群落论文; 《科学与技术》2019年第03期论文;