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生物炭对土壤作物生长的影响

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摘要:生物炭是在生物质缺氧的情况下,通过高温热解炭化,生成的一种富碳产物。近些年,它在农业生产上的用途是专家们的关注重点。文章通过从生物炭对土壤理化性质的影响和对微生物的影响两方面,总结出施加生物炭后对土壤环境及其肥力的影响。并且探索了生物炭的增产作用及其机理,对生物炭在促进作物生长及增产方面进行了总结和展望。旨在更深入地了解生物炭,为生物炭的农业应用夯实基础,使其更具有多效性、价值性和科学性。

关键词:生物炭;土壤理化性质;土壤微生物;增产作用

1生物炭的基本介绍

近年来,生物炭(biochar)作为一种新型的土壤改良剂,引起了众多科学家的关注。这一词也越来越多地出现在科学期刊及媒体报道中。生物炭是指生物质(木头、粪便、树叶等)在缺氧及低氧的情况下,经高温慢热解(通常<700℃)产生的一类难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物[1]。从外观上看,它是一种颗粒细、质地较轻的黑色蓬松状固态物质。而从微观结构上看,紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成了生物炭[2],其表面多孔性特征显著,因此,生物炭具有较大的比表面积和较高的表面能[3]。生物炭有较高的养分含量,能够对土壤养分进行有效调控。通过对生物炭不断地分析,发现其含有一定量的矿质养分,在土壤中添加生物炭可以增加土壤中矿质养分。此外,生物炭的灰分中的水溶性营养元素磷、钙、镁含量较高,能直接提高土壤中有效态营养元素含量[4]。并且,因生物炭的主要成分为碳,能提高土壤中有机碳的含量,从而影响土壤中的有机质含量。王桂君等[5]在沙化土壤中加入生物炭样品,土壤中有机碳含量随着生物炭施加比例的增加而升高,从3.9%升至4.3%。因此,施加生物炭,能够提升土壤的养分含量,促进作物的生长。将生物炭应用于农业生产中,提高土壤肥效,能够促进农业更好发展。

2生物炭对土壤物理性质的影响

2.1生物炭增加土壤容重

土壤容重可作为土壤熟化程度指标之一,有机质含量越高、结构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。生物炭的官能团等能影响土壤团聚化程度,形成多孔隙的土壤,容重相应下降。例如,朱克亚等[6]通过实验证明了在土壤中施用生物炭改良剂后,对降低土壤容重有着显著影响。而Laird等研究也证明了此结论,他们通过对土壤施用生物炭,发现土壤容重显著降低[7]。因此,生物炭可以运用这个特性改善土壤质地及耕地性能。

2.2生物炭提高土壤孔隙度

土壤孔隙是土壤结构性的反映。土壤孔隙的多少影响土壤的吸热、导热、持水性等能力及土壤肥力等,从而影响作物的生长。据研究者[8]分析,大多生产的生物炭的密度和容重都小于一般土壤,并且其空隙结构发达,比表面积大,因此,生物炭的施入可以增加土壤孔隙度,有效改善土壤通气状况。连续对植烟土壤施用生物炭[9],土壤孔隙度有明显的升高。这可能是生物炭通过改善土壤微生物性质,促进土壤团聚体形成并趋于稳定,从而提高土壤孔隙度,同时提升土壤持水性,进而影响土壤肥力等性质。

2.3生物炭改善土壤团聚体

生物炭对土壤容重和孔隙度等性质的影响都涉及土壤团聚体的形成。许多实验证明生物炭具有的醌基等官能团和其多孔隙性质能改善土壤团聚体结构。生物炭的性质、施加量都能影响其改善效果。如:土壤、微生物、生物炭三者之间的相互作用会受生物炭粒径大小的影响,粗粒径的生物炭可以延缓大团聚体的形成过程[10]。而往质地黏重的土壤中加入生物炭通常可以增加大团聚体含量并降低微团聚体含量[11]。此外,生物炭施加量较低或土壤与生物炭反应时间较短时,无法有效地调节团聚体的分布和稳定性。对特定的土壤长期施加合适的生物炭,才能明显加快土壤团聚体的形成过程,并提升其稳定性。

3生物炭对土壤化学性质的影响

3.1生物炭可改良土壤pH

近年来,随着铵态氮肥的大量施用和酸雨沉降,造成土壤酸化,导致土壤肥力质量降低,增强土壤中金属元素Al、Mn的活性。而大部分的生物炭呈碱性,在酸性土壤中施加生物炭,因其表面的-COO-和-O-等官能团是碱的主要存在形式,从而明显提高土壤pH。所以,生物炭能通过自身的碱度可以降低土壤的酸性。并且生物炭的灰分中含有钙、镁、钾、钠等盐基离子,施入土壤后会与土壤中的H+、Al3+进行交换,进而降低其浓度[12],提高土壤pH。因此,添加适量生物炭可以缓解土壤酸化问题,减少盐基离子流失,从而提高土壤保肥能力。

3.2生物炭促进土壤阳离子交换量升高

土壤阳离子交换量(cationexchangecapacity,CEC)是衡量土壤肥力的一个指标。并且反映土壤吸持和供给可交换养分的能力。Lehmann[13]认为,生物炭所含的芳环结构和羟羧基等基团,使得它添加到土壤后可以增加离子交换的位点,提高表面交换活性,土壤的CEC水平显著提升。同时,Cheng等[14]研究证明,随着生物炭与土壤作用的时间增加,由于生物炭在生物与非生物的协同作用下氧化产生了羧基等官能团,会造成电荷量增大,使得土壤CEC升高。所以,生物炭的施加,可以使土壤CEC升高。并且证明生物炭对于提升土壤保肥能力有着有效的影响。

3.3生物炭能增加土壤N、P的含量

氮素是作物生长的三大必需营养元素之一,施氮肥是农业增产的重要手段。我国氮肥利用率不高,损失较大,大多时候都采取施加更多的氮肥缓解问题。但过量施用氮肥会导致肥料利用率下降,严重的是,未被有效吸收利用的氮素会在环境中产生多种污染和破坏。而磷是植物生长中不可缺少的必需元素,促进植物的生长发育。不同形式的磷对土壤的作用也不同,林木生长所需的磷主要来源于土壤中的有效磷,因此,土壤对其的供应能力影响植物生态系统的生产水平。生物炭具有发达的孔隙结构、比表面积较大的特点,施入土壤后可以改善土壤的通气状况,抑制微生物的反硝化作用。而Rondon等也[15]通过实验证明,生物炭能够明显促进接种根瘤菌大豆的生物固氮作用。因生物炭对养分的吸持和缓释起到一定的作用,于是能显著提高土壤有机碳、全氮含量,对作物氮素有一定的吸收作用,从而增加作物产量。深入研究生物炭对土壤氮素的影响机制,能够为提高肥料有效性提供理论和实践依据,推动农业可持续发展。经研究[16]证明生物炭增强了土壤的阴离子交换能力,影响磷与阳离子的相互作用,提升土壤中有效磷活性,减少有效磷的损失。此外,一些作物的木质组织在炭化形成生物炭的过程中会释放磷酸盐,当其成为生物炭后再加入土壤就会成为土壤磷的直接来源[17]。生物炭的多孔结构,不仅对于土壤中有效磷有一定的吸附性,而且还能改变孔隙度和孔径分布,由此改变养分的渗滤模式,增加养分在土壤中的停留时间和养分量[18],增加有效磷的含量。所以,使用生物炭能够保持或提高土壤磷含量,就能减少磷肥的使用量,减轻磷肥对环境带来的危害。

4生物炭对土壤微生物的影响

土壤微生物的数量和合理的种群结构能够保证土壤养分转化的有效性。生物炭会影响土壤微生物的群落结构,同时改变其丰度。是由于生物炭的多孔性质能缓解土壤板结程度和提升土壤含水量,从而改善微生物的生存环境,土壤微生物的数量也随之提高。土壤类型也影响着生物炭对土壤微生物的种类,如红壤短期施用生物炭增加了细菌放线菌门真菌木霉属和拟青霉属的丰度[19];不同原料制备的生物炭也对土壤中微生物的种类和数量起不同的作用。李明等[20]实验证明秸秆炭在提升土壤pH的同时,提高了变形菌门γ-变形菌纲,放线菌门放线菌纲放线菌目等细菌数量。而柳枝生物炭可增加灌木林土壤革兰氏阴性菌和放线菌数量[21]。但生物炭过度施用也可能会降低土壤微生物量。因为不同材料的生物炭对不同地区和不同作物的影响存在较大差异,所以,在使用生物炭时,要对地区进行详细地调查,做到“对症下药”并且需要适量添加,才能够帮助土壤微生物创造更好的生活环境。

5生物炭的作物效应

5.1生物炭的增产作用

生物炭对大部分作物生长和产量有促进作用。例如,提高菜豆、玉米等作物的生物量,并使玉米等作物增产。不同类型的生物炭对作物的生长或产量有不同程度的影响。例如:高矿物质含量的生物炭对作物生长的短期效应比低矿物质含量的生物炭的更大[22];而含高挥发物质的生物炭会抑制作物生长,由于高挥发物质会使土壤C/N升高,导致土壤有效氮下降,从而阻碍植物对氮素的吸收。生物炭对作物生长或产量也受其用量的影响。宋亮等[23]在对植烟土壤施用不同量的生物炭的实验中发现,生物炭作为土壤养分的“源”存在一定的度,在适当的范围内各个生育时期土壤有机质含量总体呈上升趋势。而超出了范围,会对土壤速效磷等养分的转化起限制作用。

5.2生物炭的增产机理

首先,生物炭通过对土壤物理、化学性质的影响及提高微生物活性、降低土壤有效养分损失等各种作用,提升作物产量。首先,生物炭能提升酸性土壤pH,恢复并增强土壤酶活性,植株的光合效率提高,增加产量。但生物炭对于石灰性土壤pH和对酸性土壤pH的影响有差异,所以,肥效也不同。当前关于生物炭对于不同酸碱性土壤的养分吸持和肥效作用还在探索阶段,相关论文数量较少。其次,生物炭可能是通过影响生长素的合成过程中的某一要素,促进植物细胞扩增并刺激植物生长。Lager等发现[24]生物炭添加后,植物中基因表达水平升高的有生长素受体和ARF7在内的能促进叶片面积增大和加快形成侧根的几类生长素响应因子。并且生长素生物合成过程中的组分也被进一步证明生物炭添加可能导致嫩叶和根中生长素的增加。由此推测土壤生物炭添加可能能够促进生长素的合成。生物炭对作物生长和产量的肥效作用影响因素复杂。有研究[25]表明,生物炭和化肥共同施用,作物的增产效率更高。Yamato等[26]研究发现,生物炭与化学磷肥混施能减少土壤有效磷含量的损失,因此二者可能有互补或协同作用。生物炭的特殊结构和各种特性是化肥增效作用的基础,生物炭通过改善土壤各种理化性质,能够促进养分的交换吸收,提升化肥利用率,减少损失,减轻环境负担。

6问题和展望

当代农业生产中因不科学施肥等原因引起了了土壤结构的恶化、土壤质量退化的问题。有效解决这些问题是现在农业生产的重大课题。而生物炭具有的独特结构和化学性质,在改善土壤容重、孔隙度,改良酸性土壤等方面都有明显作用,直接或间接地加强土壤肥力,从而对作物生长产生促进作用。但目前已有的结论大多数都是短期研究成果,生物炭对与土壤更深层次的作用机理还需要长期的实验来加以证实。生物炭对作物生长和产量7总结和结论面积调查中由于使用手持导航型GPS自动获得航迹需要绕测地块费时费力,它主要使用于用图纸难以勾绘定位和调查精度要求较高的情况。GPS定位精度受地形、位置、天气状况的影响,在开阔地精度高,在林内、沟谷、高大建筑物旁精度变低。eTrex30属于一般导航级接收机,不适合做精密测量,精密测量需要使用全站仪和GPS—RTK测量。

参考文献:

[1]黎良财,邹嫦.GPS与GIS支持下的森林资源调查方法研究[J].林业调查规划,2005(6):17-19.

[2]黄宁辉.基于VRS技术的GPS-PDA在森林资源调查监测中的应用[J].林业调查规划,2012(3):9-14.

[3]金钱荣.ArcGis林业制图理论与实践[J].内蒙古林业调查设计,2014(3):96-98.

[4]上海佳明航电企业管理有限公司.eTrex30中文使用手册[Z].2012.

作者:李婉媛 曹升 周垂帆 单位:福建农林大学林学院

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