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施用生物质炭对土壤生态系统功能的影响

摘要：生物质炭在土壤中能存在很长时间，其掩埋可以通过多种方式影响土壤生态系统的功能，例如改变土壤的理化性质(提高土壤pH值、有机碳含量和阳离子交换量等)，促进真菌、固氮微生物功能类群的生长，提高土壤肥力，增加作物产量，固定或吸附重金属、农药等污染物，减少二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等温室气体的排放等。本文就这些方面的研究进展进行了综述。

研究表明通过掩埋生物质炭可以将大气中的二氧化碳大量、长期地储存于土壤表层，从而减少温室气体的排放。在施用生物质炭进行炭封存的同时，其还可对土壤生态系统功能产生影响，具体表现在生物质炭可以作为改良剂改善土壤环境，促进植物对养分的吸收，提高土壤肥力，控制农田养分流失以及净化修复被污染的土壤。

生物质炭是由生物质如作物秸秆、木屑、动物粪便等，在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度(≤700℃)下经热解炭化产生的一种含碳量极其丰富的、性质稳定的木炭。它属于黑炭(blackcarbon)的一种，高温干馏使生物质中的可燃烧气体分离，剩下含碳量丰富的木炭。生物质炭的含碳量随生物质炭化温度的不同而发生改变，随着最终炭化温度的升高，其含碳量增加，氢和氧的含量降低，灰分含量亦有所增加[1]。

在化学成分上，生物质炭除了含有丰富的多环芳香烃、脂肪族、氧化态碳等有机碳外，还包括钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐。生物质炭具有大量的孔洞结构以及巨大的表面积，且表面带有大量的负电荷[2]，因此吸附性很强，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子(如Cu2+，Pb2+，Hg2+等)及极性或非极性有机化合物[3-5]。

这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长，促进植物对营养元素的吸收。生物质炭具有极强的稳定性。它的半衰期很长，在土壤中埋藏的生物质碳往往能存在成百上千年[6]，而且极少参与碳循环，可以抵消由于消耗化石燃料排放出的二氧化碳，在一定程度上缓解气候变化问题，因此生物质炭技术被认为是碳封存的有效手段之一[7-9]。

生物质炭独特的物理、化学性质使其在实现碳封存的同时，也影响着土壤生态系统的一系列功能，如促进农产品生产、维持与改良土壤、净化与修复被污染土壤、减少温室气体排放从而调节气候等。本文就生物质炭的应用导致土壤生态系统功能改变方面的研究进行综述与展望。

1生物质炭对土壤性质、肥力的改良

生物质炭作为可持续土壤管理的一个有效的辅助手段，主要通过以下三种方式改善土壤理化性质以及生物学性质来提高作物的产量。

1)生物质炭的吸附性特别强，它如同海绵一样，在土壤中起到保持水分、空气和溶液的作用[10]。文[11]研究发现，土壤中的生物质炭通过提高土壤的阳离子交换量来增强对阳离子的吸附，这主要是因为其表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基。文[12]结果表明往土壤中添加2%(w/w)的生物炭，67天后发现土壤的pH值、有机碳含量以及Ca，K，Mn，P的含量明显升高，但可交换酸度以及S，Zn的含量是降低的，说明生物炭对特定的一些元素(如Ca，K，Mn，P)具有很强的吸附性。生物质炭还可以吸附NO3-，NH3，减少土壤的氨挥发，提高土壤的保肥能力[13]。

生物质炭的加入还会增强豆科植物的生物固氮能力[14]，有研究表明施加生物质炭可以增加土壤对NH3和NH4+的吸收，减少N2O的排放以及NO3-的流失，从而影响氮循环。文[13]认为在自然环境下，生物质炭作为一种非完全燃烧的剩余物加入森林土壤中，土壤环境会得到改善，但是植株叶片中的氮含量会减少，土壤中氮的利用率也会降低。文[15]发现在氮贫瘠的土壤加入生物质炭后，短期内作物的生长率会降低，其原因是施加生物质炭后，土壤中C/N比提高，从而限制了土壤氮素的利用度。

2)生物质炭疏松多孔的结构以及巨大的表面积为特殊类群的微生物的生长提供了温床，从而促进土壤营养元素的循环。文[16]研究表明生物质炭的弱碱性、多孔性以及能够保持水分和空气的特点为微生物的聚集提供了条件。文[17]往退化的土壤中添加生物质炭，结果显示，与对照组相比，添加30，60g/kg的处理组大豆中来自大气的氮素(NdfA)含量分别增加了49%，78%，但当施入量为90g/kg时，NdfA含量降至30%。这说明适量的生物质炭能使大豆根部的生物固氮能力显著提高，但该结果的获得需要长期的实地试验。

文[18]进一步研究发现有些微生物可以把黑色碳作为生存的唯一碳源，说明土壤在加入生物质炭以后会促进某一类群微生物的生长，从而可以长期地提高土壤肥力。生物质炭施用对土壤微生物群落的影响各有不同。生物质炭的添加通常能促进菌根真菌对植物根部的侵染，增加菌根真菌的丰度，但也有例外[19]。

文[20]利用磷酸脂脂肪酸法研究发现不同来源的生物质炭能