土壤质量是人类赖以生存的根本，土壤质量的高低关乎粮食产量这一决定人类温饱的指标。随着社会经济的发展，用于粮食生产的土地面积在工业扩产、城镇扩张的挤压下不断减少，虽然化肥、农药等的使用促进单位面积粮食产量有所提升，消减了部分耕地减少带来的负面影响，但是并不能完全抵消面积增长带来的影响，粮食危机在世界范围内时有发生。想要平衡粮食产量与人类生存需求，就必须在土壤质量上下功夫，做文章。土壤质量对于我国来说尤为重要，我国用占世界6.44%的土地养育了世界18%的人口，国土面积位居世界第三，但是人均土地面积仅为世界人均土地面积的29%，人均耕地面积不足世界平均数量的一半。要用有限的土地养活众多的人口，进而让人民吃的好、吃的健康，就必须提高现有耕地土壤质量。
生物炭是一种优质的土壤质量提升材料。它是指各种生物质（通常为木材、秸秆等植物残体）在限氧或缺氧条件下，经过热解形成的产物。生物质在热解过程中，其原本的性质逐渐发生改变。所含水分在高温下逐渐蒸发，挥发性和半挥发性物质逐渐热解、挥发；较为稳定的碳架结构逐渐形成，无定形碳减少，石墨微晶态结构逐渐增多，形成较为稳定的多孔结构。生物质中的化学键断裂，蛋白质、纤维素、半纤维素等官能团在高温热解下逐渐形成羟基、羧基、羰基、酯基等官能团，广泛分布在生物炭的内部及表面。稳定的碳架结构、较高的比表面积、丰富的官能团及元素组成，使得生物炭具有优异的物理化学性质，可以对土壤进行物理化学性质方面的调节，改良部分对作物生长不利的土壤条件，因此被广泛的应用于土壤质量提升领域。
1.生物炭对土壤物理性质的调节作用
1.1 生物炭对土壤容重的影响
容重是土壤质量的重要指标，容重的高低直接影响土壤水分、空气等的含量，进而对土壤微生物、作物的养分吸收、呼吸产生影响。容重过高或过低均不利于作物生长，过高则作物根系下扎困难，呼吸不畅；过低土壤水分、养分无法保持，作物无法吸收生长发育所需的物质。由于生物炭密度低，单位体积的生物炭质量轻，所以适宜用来改良容重偏高的粘质土壤。对于粉粒、粘粒含量较高，容重较大，偏紧实的土壤，施用生物炭可以疏松土壤，有效降低土壤容重，利于作物根系下扎。李倩倩等的研究表明，在塿土中添加超过40t·hm-2果树树干、枝条生物炭可以显著降低其容重[1]。Githinji的研究发现，砂质壤土中每添加1%体积的花生壳生物炭，土壤容重降低2.4×10-3g·cm-3[2]。生物炭对土壤容重的调节一方面来源于稀释效应，即单位体积生物炭较土壤质量轻[3]；另一方面，生物炭的添加改善了土壤水、气、热和养分条件，促进土壤微生物的活性，增强其代谢产物团聚土壤矿物颗粒的作用，也可降低土壤容重[4]。生物炭对土壤容重的改良效果受生物炭种类、颗粒大小和时间等因素的影响。生物炭种类不一，颗粒大小不同会对生物炭的容重产生影响，进而影响添加生物炭后的土壤容重。生物炭施用后土壤容重降低，但随着时间延长，容重逐渐增大，Madari等研究表明，每公顷施用木质生物质炭16 t土壤容重降低了0.1 g·cm-3，2年后土壤容重恢复到未施用前的水平，5年后土壤容重较未施用生物炭时增大，这可能与生物炭的分解和长期耕作有关[5]。
1.2 生物炭对土壤水分的影响
土壤水分是作物生长的命脉，水分含量的高低直接影响着作物长势。研究表明，生物炭的添加可以通过提高土壤孔隙度、改变土壤温度等来对土壤水分入渗能力、持水性能、水分蒸发等产生影响。添加生物炭对土壤入渗能力的调节效果与土壤质地有关，质地较为粘重的土壤如塿土添加生物炭后，水分入渗能力增强；质地偏砂的风沙土添加生物炭后水分入渗能力减弱[6]。生物炭对土壤持水性能的影响主要与土壤质地有关。砂质土壤中添加生物炭，可以提高土壤的田间持水量，而粘粒含量较高的黏土内添加生物炭，对田间持水量几乎不产生影响。生物炭对砂质土壤田间持水量的影响还与生物炭颗粒大小有关，粒径1-2mm的生物炭（核桃壳）比小粒径的生物炭对土壤田间持水量的增幅更大。研究者借助中子成像观察土壤中生物炭颗粒及其周围空间水分分布，发现生物炭润湿后，内部孔隙中的水可以释放到干燥的土壤中，持续为土壤提供水分，时间长达七天，土壤持水性能由此得到增强。在较高的施用量（≥10t/ha）下，粒径大于1mm的生物炭可以改善砂质土壤的保水能力。当生物炭的孔隙容积较小或者土壤质量良好时，生物炭对土壤的持水性能影响较小[7]。
生物炭对土壤水分蒸发具有双重影响效应。研究表明，生物炭添加量在10%（体积比）以上时，土壤蒸发量增大，这是因为生物炭的添加增大了土壤孔隙，拓宽了水分运输通道，颜色较深也提高了土壤温度，会促进土壤蒸发。但是生物炭添加量在5%（体积比）时，土壤的蒸发量降低，这可能是因为生物炭对土壤水分的吸持效应锁住了部分水分[8]。
2生物炭对土壤化学性质的影响
2.1 生物炭对土壤pH的影响
生物炭是有生物基质通过高温灼烧而成，通常呈碱性，因此生物炭的添加对酸性土壤的pH影响较大。将核桃壳生物炭（pH=7.3）加入到酸性土壤（pH=4.8）中后，土壤的pH提高了31%；施用污泥质生物炭（pH=8.2）后，土壤的pH从4.3增长到4.6。而Chintala将生物炭添加进入碱性土壤中后，土壤的pH变化较小。因此，生物炭是一种良好的酸性土壤改良剂。
2.2 生物炭对土壤养分含量的影响
生物炭是一种有机物质，其添加可以有效提高土壤有机质含量。张明奎等的研究表明，生物炭对土壤有机质活性影响较大，土壤有机碳的累积量在添加生物炭后显著提高，但是水溶性有机碳组分降低，短时间内微生物量碳增加，随着时间推移逐渐降低，甚至低于原本水平。长期单一施用生物质炭可能会引起土壤有机质生物活性的下降,但生物质炭与一般生物质有机肥配合施用可减免这些负影响[9]。
生物炭对土壤中的养分具有明显的调节作用。刘元生等人在旱作土壤上的研究表明，黄泥土、黄砂土施生物质炭后有效N、P、K、Ca、Mg、B含量表现出不同程度的增加，大泥土中有效P、K、Fe、Mn、Cu、B的含量呈现不同程度的提高，但土壤有效N、Ca、Mg、Zn的含量出现不同程度的减少[10]。
2.3 生物炭对土壤微生物的影响
生物炭的添加对土壤理化性质产生不同程度的改变，因此对土壤微生物也会产生影响。研究认为，生物炭的多孔结构可成为微生物繁育的温床，提高土壤微生物代谢活动的强度，增加群落丰度及多样性[11]。研究表明，在棕壤上种植大豆，施用生物炭后，根际细菌数量增加了约95%。也有研究表明，微生物量随着生物炭的使用量增加而有增大的趋势。
3 生物炭在土壤质量提升中的应用展望
土壤质量通常包含土壤肥力质量和土壤环境质量两部分。土壤肥力质量是指土壤供给植物养分和生产作物的能力，侧重于机械组成、结构、容重、孔隙度、水分、入渗速率等土壤物理性质和土壤pH、阳离子交换量、氮、磷、钾等化学性质与养分含量。土壤环境质量是土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物质的能力，主要为镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌等重金属污染物含量和六六六、滴滴涕、苯并芘、石油烃等有机污染物含量。生物炭对土壤肥力质量的改良效应已在文中重点论述，其在土壤环境质量改良中也有重要作用，其较高的比表面积、丰富的表面官能团，可以有效吸附土壤中的重金属、有机污染物，降低其生物毒性，从而改善土壤环境质量，有利于作物生长和人类健康。生物炭在土壤质量提升中的应用已受到越来越多国内外学者的关注，在今后的研究中，一方面可重点在生物炭的生态制备、减碳效应等领域重点开展工作，将生物炭的应用与碳达峰、碳中和目标有机结合；另一方面，需要重点关注生物炭在土壤污染修复后的回收与再利用问题，以达到从降低污染物生物毒性到降低污染物绝对含量的质变。
参考文献
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[2] Githinjil. Effect of biochar application rate on soil physical and hydraulic properties of a sandy loam[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2014, 60(4):457-470
[3] Leigh D. Burrella, Franz Zehetnera, Nicola Rampazzo, et al. Long-term effects of biochar on soil physical properties[J]. Geoderma, 2016, 282:96-102
[4] 董心亮, 林启美. 生物质炭对土壤物理性质影响的研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(12): 1846-1854.
[5] Madari B E, Silva Mas, Carvalho M T M. Properties of a sandy clay loam Haplic Ferralsol and soybean grain yield in a five-year field trial as affected by biochar amendment[J]. Geoderma, 2017, 305:100-112
[6] Qi Rui Peng，Zhang Lei，Yan Yong Hao, et al. Effects of biochar addition into soils in semiarid land on water infiltration under the condition of the same bulk density[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(8):1-8.
[7] Wang Daoyuan, Li Chongyang, Parikh Sanjai J, et al. Impact of biochar on water retention of two agricultural soils- A multi-scale analysis[J]. Geoderma, 2019, 340: 185-191.
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[9] 章明奎, Walelign D Bayou, 唐红娟. 生物质炭对土壤有机质活性的影响[J]. 水土保持学报, 2012, 2: 127-131,137.
[10] 刘元生, 刘方, 陈祖拥, 等. 生物质炭对旱作土壤生物性状及养分有效性的调控效应[J]. 水土保持学报, 2019,33(3):166-171,178.
[11] 谭春玲, 刘洋, 黄雪刚, 等. 生物炭对土壤微生物代谢活动的影响[J]. 中国生态农业学报, 2022, 30(3): 333−342.
作者简介：闫波（1990-），男，山东德州人，硕士，工程师。主要从事土壤质量提升技术研究。
