生物质炭对大田作物生长的影响研究进展

凌宏伟，李小英

（西南林业大学生态与水土保持学院，云南 昆明 650224）

生物质炭（biochar）概念的提出，主要来源于巴西亚马逊河流域一种黑色碳化土，通常称为“印第安黑土（Terra preta）”[1]。生物质炭是指生物质在完全或部分缺氧的条件下热解形成的一类高度芳香化的含碳丰富的固态材料[2]。目前有许多研究者分别在不同地点、不同时间段、不同的管理措施、不同作物和不同生物质炭等多种条件下进行试验，虽然取得了一定的进展，然而生物质炭应用于不同农作物方面的研究结果尚未形成科学统一的结论。可见，探明生物质炭对不同农田作物生长的影响机理具有重要现实意义。

目前，生物质炭对不同农田作物生长的长期性和系统性的研究报道还比较少，尤其在区域性、长期性、对比性等方面的研究被长期忽视。生物质炭对不同农作物生长的影响机理是复杂的，然而现在的研究更多地关注生物质炭对作物的产量和生物量的影响，对于其影响机理的探讨还较少报道，因此，明晰生物质炭对不同农作物影响机理是一项迫切的研究课题。

通过查阅大量国内外文献，梳理在不同土壤立地条件、不同区域、不同处理方式等前提下，生物质炭对不同农作物生长的影响研究结果，探讨其可能存在的作用机理，提出未来研究方向，旨在将农林废弃物资源“变废为宝”，制备多功能的生质炭材料，同时为生物质炭的应用、研究和生产提供参考和思路。

1 生物质炭基施、种施和追施对大田作物生长的影响

大田作物主要受光照强度、水分、营养条件、土壤环境、温度等多方面综合影响，在不同时期施入不同用量生物质炭于土壤，其对不同作物类型生长的影响效果不同，生物质炭对大多数作物的增产效果在短期内表现明显。玉米、小麦、马铃薯作为南北区域广泛种植的农作物，被研究者作为首选大田观测作物。代琳[3]在黑龙江省农垦总局红兴隆管理局曙光农场（白浆土）施用玉米秸秆炭，结果表明：炭基土壤改良剂施入对于玉米植株性状及产量具有促进作用，然而在苗期生物质炭的施入对于株高具有一定的抑制作用，且抑制作用随着施入量的增加而加大，综合两年结果表明施用生物质炭和炭基土壤改良剂对于玉米增产具有稳定和持续性，炭基土壤改良剂对于玉米增产的效果在次年优于首年施入，且以高施入量 30 t/hm2效果较佳。玉米属于喜温作物，以中性壤和砂壤土最适宜，幼苗期抗旱能力比较强，可见，玉米对生物质炭的吸收和利用呈现递进式变化。在第3季时，添加生物质炭和10 t/hm2的秸秆还田处理均可显著提高小麦产量，其中生物质炭增产效果随添加量增加更为明显;添加生物质炭和10 t/hm2的秸秆还田处理均可显著提高小麦产量，其中生物质炭增产效果随添加量增加更为明显;添加生物质炭显著降低了麦籽粒千粒重，其中以60 t/hm2处理千粒重降幅最为明显[4]。小麦喜冷凉气候，比较耐寒，可见喜冷凉气候的作物对生物质炭的吸收临界值远高于喜温作物。田态灿等[5]在凯里市三棵树镇平村对辣椒移栽的大田潮砂泥土上施用适量的生物质炭（牛粪与作物秸秆混合物，9 t/hm2）后，鲜椒平均产量提高26.43%，复合肥与适量的生物质炭（9 t/hm2）配合施用后，鲜椒平均产量提高7.96%。在砂泥土上施用生物质炭有利于为辣椒生长提供一个比较干爽的土壤环境，充分发挥了生物质炭增加土壤孔隙度的作用。施用生物质炭基解钾菌肥能显著提高马铃薯单果鲜重，进而显著提高马铃薯产量[6]。

目前，采用生物质炭种施方式应用于温室盆栽试验研究比较普遍，采用生物质炭基施和追施方式主要应用于大田试验研究，且主要应用于生长周期比较长的作物，生物质炭基施和追施方式应用研究比较少。生物秸秆还田是未来生物质炭广泛应用的趋势，由于生物质炭具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，它为玉米、小麦、马铃薯的生长提供了一个良好的土壤环境，特别是为根系发达的植物生长提供了广阔的生长空间。生物质炭长期在大田环境下容易被氧化成腐殖质，其优越的孔隙结构和比表面积为土壤微生物提供了一个适宜的生存条件，从而促进微生物繁殖，最终丰富了土壤微生物的多样性。

2 不同水分条件生物质炭对作物生长的影响

2.1 水田试验

目前，生物质炭在水田条件下的应用研究以水稻为研究对象居多。应用生物质炭调节水体的酸碱平衡度、增加土壤温度、净化水环境等是关键技术。稻秆炭应用于水稻生长研究是一种趋势，它优于稻秆直接还田，稻秆炭是一种保温材料，它可以提高土壤温度、疏松土壤、调节土壤酸碱度，特别对长期淹水条件下的水稻生长十分有利。钟婷[7]在杭州市余杭区径山镇稻田土壤上施用水稻秸秆炭发现（500℃制备），与常规施肥相比，稻秆生物质炭还田显著促进水稻生长，提高水稻产量;水稻的生长情况和产量随着生物质炭添加量的増加而优化;与对照相比，高剂量和低剂量生物质炭还田能分别使水稻增产16.5%和8.0%。在长沙市干杉镇农技站试验基地以及江西省南昌市进贤红壤研究所两地同时种植水稻，将小麦秸杆炭（300～500℃制备，施用量20、40 t/hm2）与氮肥配施在江西试验点（潴育型水稻土）具有明显的增产效果，随着生物质炭用量的增加，产量增幅分别为5.18%和7.95%，而长沙试验点（红黄泥水稻土）没有明显的增产效果[8]。

生物质炭施用于不同类型的水稻土上效果是不同的，红黄泥水稻土粘性大、土壤板结十分严重，因此容易把生物质炭包裹起来，生物质炭释放养分困难。周旻旻[9]在杭州市余杭区径山镇小五山村稻田，将水稻秸秆炭与缓释肥（由煤炭腐殖酸、膨润土、马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉组成）混施于水稻，与空白对照相比，SRFA（炭基缓释肥Ⅰ）处理可以使水稻产量增加7.7%。严慧霞[10]在苏州市相城区项路镇（土壤类型为黄泥土）施用小麦秸秆炭（350～550℃制备，pH 10.4）于水稻上，在同一氮肥水平下株高和叶重的变化趋势为C20（20 t/hm2生物质炭）＞C40（40 t/hm2生物质炭）＞C0（不施生物质炭），说明施用一定量的生物质炭可以促进水稻植株株高和地上部分干物质的增长，在水稻生长的不同阶段，不同施氮条件下，C20处理茎秆重均显著高于对照。施用低剂量生物质炭更有利于水稻产量增加。

水稻生长发育所需的各类营养元素，主要依赖其根系从土壤中吸收，在营养生长期以氮素旺盛吸收为主，当外源氮素不足时，生物质炭可以缓慢释放氮素养分。蒋晨等[11]在太湖地区杭州径山镇农业示范区通过向稻田土壤（青紫泥）中施用3种类型的生物质炭（稻秆炭、麦秆炭、竹炭，用量分别为0、1%、3%、5%），不同处理水稻株高和穗长没有明显差异，但稻秆炭（RC）、麦秆炭（WC）和竹炭（BC）处理的水稻实粒数均显著高于空白对照，且水稻实粒质量大小顺序为BC＞RC＞WC＞CK，其中BC处理的实粒质量比CK高38.7%，说明生物质炭能在不影响水稻生长的情况下提高水稻产量。张斌等[12]在四川省农业科学院的试验田（水稻土）施用小麦秸秆炭（350～550℃制备，用量0、20、40 t/hm2）和氮肥（用量 0、0.24 t/hm2）两年水稻生产中，小麦产量均无显著变化，尽管两年的品种和水分管理不同。水稻属于喜温喜湿作物，生长周期长，还要求有充足的水分供给。生物质炭具有比较好的稳定性，不易被土壤微生物氧化，缓慢释放本身的养分，所以生物质炭对作物的增产具有长效性。

生物质炭在水稻田中的吸附能力比较强，有利于吸附重金属和有机污染物，且生物质炭缓释养分的过程与水稻生长周期保持同步，从而促进了水稻增产。

2.2 旱地试验

目前，生物质炭在旱地上的应用研究主要以红薯和油菜为研究对象居多。与水田不同的是，旱地施入的生物质炭主要通过与块根、块茎类植物根系发生抱团氧化反应，在一定温度的调控下，生物质炭活性被激发，养分和灰分缓慢释放出来被植物所吸收和利用。张文锋等[13]在江西省红壤研究所定位试验基地红色粘土上，连续施用低剂量小麦秸秆生物质炭（350～500℃制备，pH 10.35），BC1（0.758 t/hm2）、BC2（1.515 t/hm2）处理红薯产量在2013年分别提高19.08%和23.68%，2014年分别提高18.01%和22.98%，可见，生物质炭使用首年对作物的增产效应高于次年。李秋霞等[14]在江西省进贤县红壤研究所低山丘陵红壤区，施用小麦秸秆炭（350～550℃制备，pH 10.35），结果表明高施用量（40 t/hm2）处理在旱地红壤上的改良效果和增产效应最好，油菜和红薯产量分别增加1.23 t/hm2和14.83 t/hm2。红薯是块根系植物，油菜是直根系作物，已有研究表明生物质炭对块根块茎类植物的增产效果较好。生物质炭与氮肥配施后，旱地红壤油菜和红薯的产量均有所提高[15]。较低剂量生物质炭对旱地根系发达植物增产效应比较明显。

生物质炭有利于提高旱地农作物产量的主要原因是生物质炭疏松多孔结构有利于增加旱地持水量，生物质炭呈弱碱性有利于提高土壤中的盐基饱和度和阳离子交换量，生物质炭本身的速效养分弥补了土壤贫瘠的缺陷。红薯喜温怕冷、耐旱又怕涝、较耐酸碱、耐瘠薄，对钾的需求最多、氮次之、磷最少，适合生长在砂壤中。而油菜生育期长、营养体大、结果器官数量多，因而需水量较多，因此，低剂量生物质炭对红薯的增产效果更加明显。

3 不同区域生物质炭对作物生长的影响

3.1 北方区域试验

北方区域主要基于小麦-玉米轮作制度下对生物质炭进行研究。Liu等[16]研究发现，施用生物质炭可显著增加小麦-玉米轮作制度下第一季玉米的产量，但对之后几季作物的产量没有显著影响，可见，生物质炭在前期对作物的增产效应比后期更好。成功[17]在陕西省杨凌示范区国家节水灌溉工程技术研究中心石灰性土壤上施用小麦秸秆炭（350～550℃制备），施肥并分别施用8、16 t/hm2生物质炭处理，结果表明除不施肥处理外，各处理在小麦-玉米轮作周期内均表现为小麦产量高于玉米产量；在玉米生长季降水比较频繁、施肥条件下，土壤中NO3-N 的淋失量较大，影响了作物生长；生物质炭20 t/hm2处理增加了玉米产量，但是40 t/hm2处理玉米产量有下降趋势。玉米喜半干旱气候，但对水分十分敏感，高施用量生物质炭对水分的吸持能力增强。刘源等[18]在碱性砂壤土中，利用根箱试验方法比较了小麦秸秆炭（350～550℃制备）和果胶对再生水灌溉下土壤-玉米系统养分和重金属迁移特征的影响及差异性，结果表明生物质炭增加了植株的养分含量，果胶提高了养分的转运能力。生物质炭在增加土壤养分前提下，通过外源物对养分进行转移是十分关键的一步。在北方旱地土壤，施用生物质炭可以明显提高土壤持水量，整个生育期可相对提高土壤含水量2%～5%，相当于增加5～12 mL有效降雨量，增加土壤储水50 t/hm2以上[19]。生物质炭丰富的孔隙结构有利于土壤储存水量，以备作物生育期吸收利用。

生物质炭在水旱轮作制度下可改变土壤生态环境、增加土壤非毛细管孔隙、提高氧化还原电位，有利土壤通气和有机质分解，消除土壤中的有毒物质，防止土壤次生潜育化过程，并可促进土壤有益微生物的繁殖。

3.2 南方区域试验

与北方地区相比，南方地区生物质炭试验的材料和作物类型更加多样化，生物质炭类型和作物种类应用于不同农作物上的研究更丰富。Liu 等[20]和卞荣军[21]研究发现，首先来源于木材与污泥混合物的生物质炭的增产效果最为明显，平均增幅为39%；其次是来源于畜禽粪便的生物质炭，平均增幅为28.3%；再次是污泥、木材和作物秸秆类生物质炭，分别为12.8%、12.1%和2.6%；而生活垃圾生物质炭施用却显著降低作物产量。生活垃圾的比表面积不如其他来源生物质炭大。生物质炭在砂质土壤中的增产效果最为明显，其次分别为黏质土壤、粉质土壤和壤土[21]。砂质土的团粒结构可能与生物质炭的物理结构相似，土壤微小颗粒可以与生物质炭充分结合发生化学反应和生物学反应。卞荣军[21]和付嘉英等[22]研究表明，生物质炭对豆科作物和瓜果蔬菜类作物的增产作物最为显著，增幅分别为33.3%和28.6%，豆科植物根部常有固氮作用的根瘤，是优良的绿肥作物，生物质炭对豆科植物的增产效应较好。多年实验表明，每667 m2施1 t生物质炭，当年作物增产幅度达到0～26%，增产以块根块茎类作物最高，增产达25%以上，叶菜类蔬菜其次，增产达15%～25%，玉米增产在15%以上，而水稻、油菜和小麦增产5%～12%，提高氮肥利用率20%以上[23]。不同类型生物质炭对南方区域不同农作物的影响比较复杂，有待进一步试验。

南方区域土壤多呈酸性或微酸性，土壤养分淋失严重，而生物质炭多呈碱性，它可以提高土壤pH值，改良我国南方热带、亚热带地区的酸性土壤；在高度风化的热带土壤中投入低量生物质炭可以增加土壤阳离子交换量，从而提高土壤保肥能力和缓冲性能。

4 生物质炭不同添加方式对作物生长的影响

4.1 生物质炭单施

单独施用的生物质炭主要有玉米秸秆炭、水稻秸秆炭、小麦秸秆炭、竹炭、木炭 、香蕉假茎炭和椰壳炭等。生物质炭对不同作物生长的影响存在差异性，当生物质炭特性、作物类型、土壤类型三者匹配时，可以发挥生物质炭的正向激发效应。生物质炭的增产效应对不同作物表现不同，其表现状态有正向激发效应、负向激发效应和无影响。

与不施用生物质炭相比，单独施用适量生物质炭可以显著提高不同农作物产量，据国内外文献综合表明，其对不同农作物平均增产约为8%。数据统计表明，生物质炭用量30～60 t/hm2范围内，作物的生物量提高40%，比生物质炭用量 ＜30 t/hm2处理提高 20%[24]。肖婧[25]通过收集全球范围内公开发表的97篇生物质炭施用与土壤改良、作物生长有关的相对独立研究，共获得匹配数据819组，运用数据整合分析方法（Meta-analysis）统计分析表明，与不施用生物质炭相比，施用生物质炭具有显著的增产效应，作物平均增产15.0%；经济作物平均增产25.3%，显著高于粮食作物（10.0%），生物质炭对经济作物增产效应较好；对不同质地和酸碱度的土壤而言，施用生物质炭的增产效果表现为黏质土壤＞砂质土壤＞壤质土壤；施用于酸性土壤可增产29.2%，分别是中性及碱性土壤的7.9和2.5倍，生物质炭对酸性土壤上的作物增产效应较好; 人为管理条件下，当生物质炭施用量＜10.0 t/hm2时，可显著提高作物产量，增产达到18.0%，低剂量生物质炭更有利于提高作物产量；施用6～24个月可增产13.4%～17.5%，生物质炭在短期内对作物的增产明显。

单独施用生物质炭显著降低作物产量或者无显著影响。不同农作物对生物质炭的养分吸收有一个合理的区间。潘洁等[26]发现，当生物质炭用量达到30 t/hm2时增产效果消失，而中、低用量有很好的增产效果。高用量生物质炭（＞60 t/hm2）对作物的生物量无显著影响[24]。生物质炭施用量＞80.0 t/hm2后增产效果不显著，施用生物质炭的增产效果随着施用时间的增加而呈下降趋势，两年后增产效应降至9.6%[25]，生物质炭对作物的增产存在时效性。作物对生物质炭的吸收存在适应机制，对pH值敏感的植物容易受到生物质炭碱性的抑制。生物质炭的养分释放是一个缓慢的过程。施用在有固氮能力的豆科作物系统中，单独施用生物质炭对大豆产量也无显著影响[27]。豆科作物根部有许多根瘤且根系十分发达，对养分的需求呈多元化说明土壤肥力水平并非是限制大豆产量的主导因素。土壤与植物之间对养分需求存在竞争机制，加之生物质炭的惰性，因此，短期内生物质炭对作物生长的影响同时存在增产、减产和无显著影响的现象。吕泽先等[28]在南京市栖霞区八卦洲（土壤类型为壤土）芦蒿种植区施用玉米秸秆炭（pH 9.38），研究结果显示，单独施用生物质炭（用量22.5 t/hm2）对芦蒿生物量、产量及根系生物量均没有显著影响。

单独施用不同原材料生物质炭对不同农作物增产效果存在一定差异，具体表现为：畜禽粪便类（66.4%）＞秸秆类（31.2%）＞木材类（19.0%）＞壳渣类（5.9%）；制备温度低于600℃的生物质炭增产20.4%～36.5%，超过600℃ 时增产效果不显著; 当原料生物质炭C/N值＜ 100时，增产19.3%～49.1%，且随C/N值的增加增产效果呈降低趋势; 当生物质炭呈碱性时（pH 9～10）增产效果较好。

总体上，施用生物质炭较不施用生物质炭更有利于提高作物增产；单独施用生物质炭对不同土壤类型上的农作物的增产效应不同；单独施用生物质炭在酸性土壤上对作物的增产效果更加显著；单独施用生物质炭对农作物产量增加随施用时间的增加呈下降趋势；单独施用低、中剂量的生物质炭更有利于农作物增产。单独施用不同类型的生物质炭对农作物的增产效应存在较大的差异性。可见，单独施用生物质炭对农作物的增产效应受诸多因素的影响。

4.2 生物质炭混施

已有研究表明，生物质炭与锌、沸石、污泥、无机肥、有机肥、复合肥等混合施用，其中与氮肥配施居多，混施与单施相比能更显著提高一些作物的产量。生物质炭能够有效缓解青菜烧苗现象，提高青菜产量；单独施加尿素后青菜长势不佳，然而300℃秸秆炭与尿素混合施用后，青菜均长势良好[29]。不同来源的生物质炭之间进行混施可以平衡生物质炭本身的养分结构。单施和混施生物质炭对小白菜生长具有一定的影响，混合施用香蕉假茎炭和椰壳炭的处理对小白菜鲜重提升效果最好，单施香蕉假茎生物质炭次之，混施生物质炭处理小白菜鲜重要优于混施石灰处理[30]。李大伟在南京市江宁区蔬菜种植区粘壤土上，将稻壳炭基肥（稻壳炭、尿素、磷酸一铵、氯化钾、膨润土按12∶17∶10∶8∶3比例混合）与化肥配合施用，较单施化肥的番茄产量提高23%，辣椒产量提高26%[31]。也有研究表明，与单施无机肥料相比，生物质炭和无机肥料配施后，谷物产量提高2倍[32]。可见，生产炭基缓释肥是未来生物质的应用方向。

与生物质炭单独施用相比，生物质炭混合施用对不同农作物的增产效果明显，主要原因是生物质炭在土壤中易氧化形成带负电荷的基团，它与混合物结合后发生了生物和化学反应，激发了生物质炭与混合物的养分释放，同时平衡了二者之间的养分结构；最终形成的炭基复合物提高了土壤养分含量、增加了土壤CEC、降低了养分流失，因此生物质炭混施更有利于不同农作物增产。

5 展望

综上所述，生物质炭在农业方面具有光明的应用前景，但目前生物质炭研究呈现单一化和片段化，研究主要集中在南方区域，北方区域的研究相对较少。许多研究结果还存在较大的分歧和争议，如有研究表明生物质炭对不同土壤类型的增产效应表现为砂质土壤＞黏质土壤＞粉质土壤＞壤土，有的研究结果却表现为黏质土壤＞砂质土壤＞壤土。因此，生物质炭对作物的影响机理还需要进行大量试验证明。开展“生物质炭类型—土壤类型—微生物种类—水体质量—作物类型”生态链式的研究是未来生物质炭的研究方向。基于目前许多研究以短期的温室盆栽试验居多、长期的大田试验研究相对较少的现状，盆栽试验与大田试验应相互结合。同时，应采用多元化的研究方法，还应结合土壤学、植物学、地图学、地理信息系统、农业科学、环境科学、分子工程学和生态学等学科进行交叉融合研究，可以预测未来将有更多研究者关注生物质炭，对生物质炭的研究将呈现多学科的发展趋势。对施用生物质炭的土壤和作物进行后期风险评估，旨在改良生物质炭的制备方法和完善施用方案，最终建立服务功能完善的生物质炭应用地理信息系统数据库并运用于实践生产活动。