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农用生物炭研究进展与前景
来源: | 作者:bgdhzc | 发布时间: 2018-09-20 | 1204 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:
-2以上的生物炭时，大约可减少10%的化肥用量。这是由于生物炭对铵离子有很强的吸附能力，因而降低了土壤中氮素的挥发，减少了养分流失，从而提高了土壤肥力。生物炭对磷酸根离子也具有很强的吸附能力。总体看来，生物炭吸持养分离子、持肥缓释的作用已经得到大量实验证明。可以认为，尽管生物炭对不同种类的离子吸附能力存在差异，但当土壤中存在一定数量的生物炭时，有助于土壤肥力的提高。
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2.1.3 生物炭对土壤微生物的影响
       生物炭对土壤理化性质产生的各种影响直接或间接地影响到土壤微生物的活动，土壤微生物的消长又是土壤理化反应的重要“催化剂”，二者相辅相成，相互作用。已有研究结果表明，亚马逊黑土与西部原始森林土壤的细菌群落较为相似，但多样性却提高了25%，固氮菌的数量和固氮能力也在生物炭的作用下得到了明显提升。据报道，不同用量的生物炭使豌豆根系的固氮量由对照的50%提高到72%，并使作物根部真菌的繁殖能力增强，当生物炭用量达到
30%时，菌根菌侵染量显著提高。在一定范围内，随着生物炭施用量的增加，土壤微生物的数量和活性都显著提高。学界普遍认为，生物炭均匀、密布的孔隙在土壤中得以保留并形成了大量微孔，为微生物的栖息与繁殖提供了良好的“庇护所”，使它们免受侵袭和失水干燥等不利影响，同时也减少了微生物之间的生存竞争。生物炭在微小的孔隙内吸附和储存不同种类和组分的物质，则为微生物群落提供了充足的养分来源。
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2.2生物炭对作物生长发育和产量的影响
关于生物炭施入土壤后对作物生长发育和产量的影响，由于生态条件、气候条件以及土壤类型等区域差别，国内外有不同报道，但总体上以正向效应居多。早在19世纪，亚马逊河流域古老的印第安人就在一种特殊的黑土“Terra Preta”上种植农作物以提高产量。经研究证实，这种黑色土壤富含稳定的生物炭，是导致土壤肥沃和作物增产的主要原因。随着人们对生物炭认识和研究的不断深入，生物炭在农业生产上的应用也逐渐受到重视，并已在水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、花生、豇豆、萝卜、菠菜等作物上取得了较好的效果，如Lehmann等模仿亚马逊流域高产“Terra Preta”土壤，将生物炭分别以68 t•hm-2和135 t•hm-2的标准混入试验土壤中，发现水稻和豇豆的生物量分别提高了17%和43%。Uzoma等将生物炭应用于沙质土壤生产玉米，结果是当生物炭施用量达到15 t•hm-2和20 t•hm-2时，产量分别提高了150%和98%。来自国内的研究也表明，生物炭能够促进玉米苗期生长，株高和茎粗分别比对照增加了4.31-13.13cm和0.04-0.18cm。Iswaran等以0.5 t•hm-2的标准向土壤中添加生物炭，发现每盆大豆增产10.4g。在酸性土壤中以10 t•hm-2的标准施用生物炭，土壤中交换性铝的毒害作用减小，小麦株高提高了30-40%。在南美洲热带地区，施用生物炭使豇豆产量提高了28%。Chan等发现，先施氮后施炭可使萝卜产量增加120%。
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生物炭对作物生物量和产量的促进作用还随时间的延长而表现出一定的累加效应。Major等对玉米和大豆轮作土壤进行多年的生物炭处理试验结果表明，施用20t•hm-2生物炭的土壤，第1年玉米产量并未提高，但在随后的3年中，产量逐年递增，分别比对照提高了28%、30%和140%。在巴西亚马逊河流域的田间试验也表明，以11 t•hm-2标准在土壤中施入生物炭，经过2年4个生长季后，水稻和高梁的产量累积增加了75%。
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除了与土壤相互作用外，生物炭与肥料的互作研究也同样获得了积极反馈。在澳大利亚施氮100 t•ha-1条件下，以50 t•ha-1和100 t•ha-1标准施用生物炭，萝卜产量分别提高了95%和120%。生物炭与肥料配合施用还能够增加玉米和花生的产量。在我国，研究者将生物炭与化肥混合，发明了专用炭基肥料。实验结果表明，炭基花生专用肥有利于花生叶片功能期的延长，饱果率增加14.2%、百仁重增加10.1%，产量增加13.5%。炭基玉米专用肥有效地提高了穗粒数与粒重，产量提高7.6%-11.6%。炭基大豆专用肥使分枝数增加16.4%，单株二粒荚数、三粒荚数分别增加16.4%、27.9%，单株粒数增加12.1%，百粒重增加4.7%，产量增加7.2%。Lehmann等在总结全球各地开展的相关研究时发现，当生物炭施用量（按纯碳计算）在50t•hm-2以下时，对作物产量的作用基本都是正向的。
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在大多数研究中，生物炭对作物生长发育和产量的影响都表现出正的效应，但也有一些负效应的报道。Kishimoto和Sugiura的研究结果显示，当土壤中施入5 t•hm-2和15 t•hm-2生物炭时，大豆的产量分别下降了37%和71%。生物炭施入量过大也会降低玉米等对pH敏感的作物的产量。张晗芝等发现，生物炭对玉米苗期的生长有显著地抑制作用。邓万刚等的研究则表明，当炭/土比为 0.1%、0.5%和 1.0%时，在一定程度上降低了种植在花岗岩砖红壤上的王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量，同时品质也有所下降。
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生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一，但总体来说是正向效应大于负向效应。产生正向效应的原因主要来自以下几个方面：（1）生物炭具有丰富的多微孔结构，比表面积较大。在施入土壤后，有利于微生物的生存繁衍，增加土壤中有益菌群数量，增强土壤生态系统功能，为作物根系提供良好的生长环境。（2）施用生物炭有助于改善土壤理化性状，如pH、容重、孔隙度、持水性等，特别是有利于提高土壤有效养分含量，这些条件的改变对于促进作物生长发育有重要作用。（3）生物炭本身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，可增加土壤中可交换性阳离子如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 等的数量，在一定程度上减少活性铝等有毒元素的影响，为作物生长发育提供良好的元素供应源。（4）生物炭与其它肥料配合使用时，可减少肥料养分淋失，提高利用效率，促进增产。
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产生负向效应的原因可能来自于以下几个方面：（1）生物炭呈碱性（表1），当施用量过大时，某些对pH敏感的作物极易表现出平产或减产。（2）生物炭对作物生长发育和产量影响的差异性与土壤类型有关，Jeffery等的研究结果表明，在酸性土壤、中性土壤、粗质地与中等质地土壤中施用生物炭，增产幅度分别为14%、13%、10%和13%。
表1不同材质生物炭及其原材料pH值比较
Table1 Compare of pH between different raw materials and biochars
原 材 料
Material
原材料（pH）
Raw material
生物炭（pH）
Biochar
蘑 菇 盘
Mushroom matrix
4.211
7.906
花 生 壳
Peanut hull
5.556
7.939
稻  壳
Rice hull
5.704
7.864
稻 秸 秆
Rice straw
5.837
9.044
玉 米 芯
Corncob
4.981
9.810
玉米秸秆
Maize straw
5.690
9.229