来源:《中国生态农业学报》2018年12期

作者:董心亮1,2, 林启美2*

单位:1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室; 2. 中国农业大学资源与环境学院

摘要:生物质炭在农业与环境中的应用已成为近期国内外研究热点，有关生物质炭特性以及生物质炭对土壤化学、生物学性质和作物产量的影响，已经有一些综述，但是生物质炭对土壤物理性质影响的相关综述很少。本文对近10年生物质炭对土壤物理性质影响相关的研究成果进行了整理分析。研究结果发现生物质炭可以降低土壤容重，提高土壤团聚体稳定性，增加田间持水量和土壤有效水含量，降低饱和导水率等。生物质炭影响土壤物理性质的主要原因是生物质炭具有较大的比表面积和孔隙度。此外，生物质炭与土壤矿质颗粒结合，并通过对土壤微生物活性和植物生长的影响间接影响土壤物理性质。生物质炭对土壤物理性质的影响与多种因素有关，如生物质炭原料、裂解温度、施用量和颗粒大小，土壤质地和处理时间等。关于生物质炭对土壤物理性质影响的长期研究很少，且缺乏田间试验。因此，将来的研究应更加倾向于长期田间条件下生物质炭对土壤物理性质的影响，并逐渐发现生物质炭的作用机理，为实际的农业生产和生态治理提供科学依据。

生物质炭是由生物质在高温低氧或无氧条件下裂解而成的固体物质, 具有发达的孔隙结构, 表面积比较大, 具有亲水和疏水双重特性; 表面有多种官能团, 带有大量的正负电荷, 具有吸附极性和非极性分子及阴阳离子的能力; 生物质炭富含芳香碳, 化学性质十分稳定, 在土壤及环境中分解非常缓慢, 半衰期几百至千年以上。越来越多的研究结果表明, 生物质炭是良好的土壤调理剂, 不仅可以提高土壤肥力和农作物产量, 而且可以改善农产品品质; 施用生物质炭还可以大幅度扩大土壤碳库, 是一种可行的碳封存与减少温室气体排放的举措, 也是未来可持续绿色农业的发展方向之一。生物质炭在农业与环境中的应用已经成为当前国内外研究的热点, 已有不少学者总结分析了近10~20年来生物质炭特性、生物质炭对土壤化学性质、生物学性质、作物生长发育的影响及生物质炭的固碳减排作用等, 但目前关于生物质炭对土壤物理性质影响的综述十分有限。

土壤物理性状是土壤功能的基础, 主要通过土壤容重、孔隙度、团聚体组成、水分特征和热特性等体现, 不同土壤物理特征参数并不是相互独立的, 彼此存在复杂的关系。如土壤容重的改变将影响土壤孔隙度, 进而影响土壤持水能力和导水特征, 而团聚体稳定性高的土壤通常具有较低的土壤容重, 具有较高的孔隙度。生物质炭对土壤物理性质的影响包括直接影响和间接影响。直接影响是指生物质炭本身特性对土壤物理性质的影响, 如生物质炭容重低, 孔隙度高, 具有较强的持水能力, 因此影响土壤相应的物理性质。而间接影响是指生物质炭通过促进作物生长、提高土壤微生物活性等进而促进土壤团聚体形成等影响土壤物理结构。

本文通过分析生物质炭对土壤容重、土壤团聚体、土壤水分特征和土壤热性质的影响, 讨论生物质炭对土壤物理性质影响及差异的原因, 并提出亟待解决的问题与下一步应开展的研究方向。

1生物质炭对土壤容重的影响及其机理

土壤物理性质恶化是导致土壤肥力降低的重要原因之一, 其中土壤压实最为常见, 最直接的结果就是土壤容重提高, 孔隙度降低, 土壤通透性下降。生物质炭是多孔材料, 尽管其容重因原料和裂解条件而异, 但一般较低, 为0.09~0.74 g·cm-3。越来越多的研究结果表明, 施用生物质炭可以降低土壤容重, 但其效果随生物质炭种类和用量而异, 也与土壤类型有关, 其作用机理也不完全一样。

生物质炭降低土壤容重的直接原因是稀释效应, 即由于生物质炭容重远低于土壤容重, 因此生物质炭容重越低、施用量越大, 土壤容重越低。Githinji报道在500 ℃下裂解1 h制备的花生壳生物质炭施用量每增加1%(v/v), 砂质壤土容重降低2.4×10-3 g·cm-3; Alburquerque等发现向壤质砂土中添加小麦秸秆和橄榄树枝条制备的生物质炭7.5%(w/w)(容重分别为0.19 g·cm-3和0.66 g·cm-3), 培养2个月后, 小麦秸秆和橄榄枝条生物质炭处理的土壤容重分别为1.25 g·cm-3和1.45 g·cm-3。