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摘 要 当今，随着社会科学技术逐步发展，环境污染愈加严重，使社会各界人士普遍关注生态问题。近年来，新型的土壤改良剂生物炭的出现受到了国内外科学技术领域人士的广泛关注。围绕生物炭展开讨论，分析生物炭对农田土壤微生物生态的影响。
关键词 生物炭；农田生态系统；影响分析
中图分类号：S154.3 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.17.052
随着温室气体二氧化碳的增加，逐渐变暖的气候成为国内外各界人士重点关注的问题。近年来，国内外围绕生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响发表了多篇文章。本文通过文献等的收集与整理，分析生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响。
1 生物炭的概述
1.1 生物炭的定义
生物炭与一般的木炭不相同，其最根本的区别在于含碳量的多少、生物炭则是一种含有碳元素极高的木炭。生物炭理论的基础就是生物质，需要在低氧甚至是无氧的条件下，将木材、玉米秆或草等植物或动物置于高温环境下进行燃烧，从而形成这种含碳量极高的生物炭。与生物炭有关的一个制作过程称作“碳负性”，指的是将燃烧得到的生物炭埋入地下。由于生物炭的含碳量极高，几乎接近于纯碳，因此将生物炭埋入地下可以维持长时间不消失，这就相当于把木炭保存在土壤里面。这样一来，生物炭可以通过本身存在的微孔将有机物含量过渡给土壤，并且可以生物炭可以有效防止水分及养料的流失，从而提高土壤质量，提高农业生产率。
1.2 生物炭的生产方式
从前，人们主要是利用木炭来生火，而木炭的利用率相对较低，故人们常常只需要通过农作物在缺氧的环境下燃烧来制造木炭就可以满足日常的需求。但如今，随着时代的发展，木炭的运用领域逐渐广泛，传统制作生物炭的方式已经无法满足当代社会的需求。
目前，生物炭的生产方式主要是通过高温分解制造及变废为宝两种方式。其中高温分解制造指的是在缺氧的环境下，将有机物处于500～600 ℃的高温下进行有控制的分解。通过对分解速度的控制，可以得到含量不同的生物炭，合成气以及生物油。在高速条件下分解出的生物炭占20%，合成气占20%，生物油占60%；而在低速的条件下则可以分解得到50%的生物炭及少量的生物油。此外，英国的相关研究所认为，通过合成气的运转，可以将产出的能量增加到所需能源的3～9倍。变废为宝作为社会上另外一种生物炭的生产方式，它指利用一些如种子壳，粪便等动植物的废料，或人们生活中的生活垃圾等废弃物品来制作木炭。另外，甲烷会随着这些废料自行腐烂而产生，而甲烷是一种对温室效应影响比二氧化碳还要严重20多倍的温室气体。因此，利用这些废料生产生物炭可以进一步减少社会环境中的温室气体，可达到缓解全球变暖危机的作用。
2 生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响
2.1 生物炭对土壤基本理化性质的影响
虽然生物炭是一种含碳量极高的木炭，但在实际上可以提供给作物的养分却不多。而生物炭真正对作物起作用的方式是通过自身改变土壤的物理性状以及结构，从而改善土壤的性质，进而提高土壤的质量，作用于作物。生物炭主要是通过影响土壤的pH值、有机质的含量、持水能力作用于土壤。
2.1.1 土壤的pH值
土壤的酸碱度作为反映土壤的重要指标，极大影响了土壤的肥沃程度及作物的成长。生物炭的灰分中含有许多如钙、镁、钾等盐基离子。因此，将生物炭埋入土壤之后，通过一定的化学反应，降低土壤中的氢离子及铝离子的水平，提高土壤的酸碱度，防止过酸的土壤性质妨碍作物无法正常成长。研究表明，大部分的生物炭偏向碱性，并且现代生产生物炭的方式大多是通过高温分解，而在这种方式下生产出来的生物炭含有较多的灰分，进一步抑制了生物炭中酸性物质的挥发，提高土壤的酸碱度。由此可见，生物炭可以很好地解决由于土壤酸化或者盐基离子流失导致的问题。
2.1.2 土壤有机质
由于土壤有机质可以改善土壤团聚体以及稳定性，提高土壤对养分的吸收以及交换；同时，可以促进微生物在土壤中的运动，因此有机质的存在对土壤有重要的作用。而生物炭除了具有高度芳香化的结构外，还具有比其他有机碳更高的生物化学和热稳定性等。其主要的理论依据是由于生物炭具有较高的稳定性，在高温高湿的环境下都不会被分解，将生物炭埋在土壤中可以通过其对土壤有机物的吸附和催化来提高土壤中的有机质含量的同时，提高有机质的稳定性。此外，生物炭在进入土壤之后，经过一系列的沉降风化等作用形成土壤碳库的重要组成部分之一，由此可见生物炭可以有效地保存土壤有机质。
2.1.3 土壤水分
水分对于任何生物的重要性是有目共睹的，其在土壤中含量亦对土壤有着重要的作用。土壤的质地及该地区的降水率决定了土壤中水分含量的高低，而这两种决定因素都属于自然条件。因此，需要通过人工改善土壤质量以保证土壤中水分的充足性，生物炭在提高土壤水分方面发挥了很大作用。生物炭可以通过本身在土壤中的氧化并且增加羧基基团，增强亲水性，从而有效防止土壤中水分的流失，特别是在根际区内的水分更为充沛。此外，生物炭的物理性质会改变土壤空隙的大小及分布情况，提高土壤中水分的保存量。研究表明，生物炭能够有效保存土壤水分的这一特性在沙质土壤中的效益更为显著，而不沙质土壤的持水能力又相对较弱。另外，由Dugan的实验表明，当生物炭在土壤中的添加量为5 t/hm2时，土壤的持水能力能够达到最佳状态。
2.2 生物炭对土壤微生物生态的影响
土壤中的微生物作为土壤中可以活动的生物体，其存在的客观性对土壤产生重要的影响。微生物不同于土壤的理化性质，对周围环境的变化更加敏感，能更为及时地提供相应的信息暗示生态系统的变化。而生物炭对于土壤中微生物的影响主要是通过影响土壤中酶的活性以及微生物的丰度和群落结构作用于微生物。
2.2.1 土壤酶活性
土壤中的动物、植物的根系及微生物细胞分泌物等是土壤酶的重要来源，土壤酶的活性则体现了土壤中发生的生物化学反应的强度及反应的方向。另外，酶的活性还能够改变土壤的代谢性能。研究表明，土壤的理化性质与酶的活性呈正比例的关系，而生物炭对土壤的理化性质有很大的改善作用，从而进一步影响土壤酶的活性。此外，土壤中生物炭含量的高低同样对酶的活性有影响，其最适宜的添加量大约为12t/hm2。
2.2.2 微生物的丰度以及群落结构
首先，由于生物炭本身表面的多孔性，增加了土壤中微生物的栖息地点，降低了微生物之间由于生存空间不足而引发的生存竞争，从而有效促进微生物的繁殖，增加微生物的丰度，且细菌可以利用生物炭的吸附作用而避免受到土壤的淋洗，从而有效保存了土壤中细菌的数量。
其次，过高或者过低土壤的有效养分的比例都不利于土壤微生物的生存，从而引起不同微生物群体的生存竞争，改变土壤中的微生物群落结构。因此，对于土壤理化性质的掌握需要更为严谨。生物炭在土壤中发挥的硝化作用有利于固氮菌的生存以及繁殖，使之成为土壤中的优势群落。
研究表明，不同微生物群对生物炭的反应不尽相同。例如，将利用燃烧玉米秆而得的生物炭埋入土壤中之后，土壤中的微生物群落相对较少。因此相关人员可以根据具体情况利用生物炭改变土壤中的微生物丰度以及群落结构，从而帮助作物的茁壮成长。
3 结语
迄今为止，中国仍然是世界上的农业大国，利用废料来制造生物炭这一新途径为我国提供了废物利用的新思路，且生物炭对能够有效缓解日益严重的全球气候变暖问题。随着生物炭的研究，有关人士发现其对农业方面的重压作用，通过影响土壤的理化性质及土壤中的微生物进一步提高农产品的产量及质量。因此，相关人员可以根据生物炭对农田生态系统的影响，控制生物炭的使用量，促进我国农业的进一步发展。
（责任编辑：赵中正）
关键词 生物炭；农田生态系统；影响分析
中图分类号：S154.3 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.17.052
随着温室气体二氧化碳的增加，逐渐变暖的气候成为国内外各界人士重点关注的问题。近年来，国内外围绕生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响发表了多篇文章。本文通过文献等的收集与整理，分析生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响。
1 生物炭的概述
1.1 生物炭的定义
生物炭与一般的木炭不相同，其最根本的区别在于含碳量的多少、生物炭则是一种含有碳元素极高的木炭。生物炭理论的基础就是生物质，需要在低氧甚至是无氧的条件下，将木材、玉米秆或草等植物或动物置于高温环境下进行燃烧，从而形成这种含碳量极高的生物炭。与生物炭有关的一个制作过程称作“碳负性”，指的是将燃烧得到的生物炭埋入地下。由于生物炭的含碳量极高，几乎接近于纯碳，因此将生物炭埋入地下可以维持长时间不消失，这就相当于把木炭保存在土壤里面。这样一来，生物炭可以通过本身存在的微孔将有机物含量过渡给土壤，并且可以生物炭可以有效防止水分及养料的流失，从而提高土壤质量，提高农业生产率。
1.2 生物炭的生产方式
从前，人们主要是利用木炭来生火，而木炭的利用率相对较低，故人们常常只需要通过农作物在缺氧的环境下燃烧来制造木炭就可以满足日常的需求。但如今，随着时代的发展，木炭的运用领域逐渐广泛，传统制作生物炭的方式已经无法满足当代社会的需求。
目前，生物炭的生产方式主要是通过高温分解制造及变废为宝两种方式。其中高温分解制造指的是在缺氧的环境下，将有机物处于500～600 ℃的高温下进行有控制的分解。通过对分解速度的控制，可以得到含量不同的生物炭，合成气以及生物油。在高速条件下分解出的生物炭占20%，合成气占20%，生物油占60%；而在低速的条件下则可以分解得到50%的生物炭及少量的生物油。此外，英国的相关研究所认为，通过合成气的运转，可以将产出的能量增加到所需能源的3～9倍。变废为宝作为社会上另外一种生物炭的生产方式，它指利用一些如种子壳，粪便等动植物的废料，或人们生活中的生活垃圾等废弃物品来制作木炭。另外，甲烷会随着这些废料自行腐烂而产生，而甲烷是一种对温室效应影响比二氧化碳还要严重20多倍的温室气体。因此，利用这些废料生产生物炭可以进一步减少社会环境中的温室气体，可达到缓解全球变暖危机的作用。
2 生物炭对农田土壤微生物生态系统的影响
2.1 生物炭对土壤基本理化性质的影响
虽然生物炭是一种含碳量极高的木炭，但在实际上可以提供给作物的养分却不多。而生物炭真正对作物起作用的方式是通过自身改变土壤的物理性状以及结构，从而改善土壤的性质，进而提高土壤的质量，作用于作物。生物炭主要是通过影响土壤的pH值、有机质的含量、持水能力作用于土壤。
2.1.1 土壤的pH值
土壤的酸碱度作为反映土壤的重要指标，极大影响了土壤的肥沃程度及作物的成长。生物炭的灰分中含有许多如钙、镁、钾等盐基离子。因此，将生物炭埋入土壤之后，通过一定的化学反应，降低土壤中的氢离子及铝离子的水平，提高土壤的酸碱度，防止过酸的土壤性质妨碍作物无法正常成长。研究表明，大部分的生物炭偏向碱性，并且现代生产生物炭的方式大多是通过高温分解，而在这种方式下生产出来的生物炭含有较多的灰分，进一步抑制了生物炭中酸性物质的挥发，提高土壤的酸碱度。由此可见，生物炭可以很好地解决由于土壤酸化或者盐基离子流失导致的问题。
2.1.2 土壤有机质
由于土壤有机质可以改善土壤团聚体以及稳定性，提高土壤对养分的吸收以及交换；同时，可以促进微生物在土壤中的运动，因此有机质的存在对土壤有重要的作用。而生物炭除了具有高度芳香化的结构外，还具有比其他有机碳更高的生物化学和热稳定性等。其主要的理论依据是由于生物炭具有较高的稳定性，在高温高湿的环境下都不会被分解，将生物炭埋在土壤中可以通过其对土壤有机物的吸附和催化来提高土壤中的有机质含量的同时，提高有机质的稳定性。此外，生物炭在进入土壤之后，经过一系列的沉降风化等作用形成土壤碳库的重要组成部分之一，由此可见生物炭可以有效地保存土壤有机质。
2.1.3 土壤水分
水分对于任何生物的重要性是有目共睹的，其在土壤中含量亦对土壤有着重要的作用。土壤的质地及该地区的降水率决定了土壤中水分含量的高低，而这两种决定因素都属于自然条件。因此，需要通过人工改善土壤质量以保证土壤中水分的充足性，生物炭在提高土壤水分方面发挥了很大作用。生物炭可以通过本身在土壤中的氧化并且增加羧基基团，增强亲水性，从而有效防止土壤中水分的流失，特别是在根际区内的水分更为充沛。此外，生物炭的物理性质会改变土壤空隙的大小及分布情况，提高土壤中水分的保存量。研究表明，生物炭能够有效保存土壤水分的这一特性在沙质土壤中的效益更为显著，而不沙质土壤的持水能力又相对较弱。另外，由Dugan的实验表明，当生物炭在土壤中的添加量为5 t/hm2时，土壤的持水能力能够达到最佳状态。
2.2 生物炭对土壤微生物生态的影响
土壤中的微生物作为土壤中可以活动的生物体，其存在的客观性对土壤产生重要的影响。微生物不同于土壤的理化性质，对周围环境的变化更加敏感，能更为及时地提供相应的信息暗示生态系统的变化。而生物炭对于土壤中微生物的影响主要是通过影响土壤中酶的活性以及微生物的丰度和群落结构作用于微生物。
2.2.1 土壤酶活性
土壤中的动物、植物的根系及微生物细胞分泌物等是土壤酶的重要来源，土壤酶的活性则体现了土壤中发生的生物化学反应的强度及反应的方向。另外，酶的活性还能够改变土壤的代谢性能。研究表明，土壤的理化性质与酶的活性呈正比例的关系，而生物炭对土壤的理化性质有很大的改善作用，从而进一步影响土壤酶的活性。此外，土壤中生物炭含量的高低同样对酶的活性有影响，其最适宜的添加量大约为12t/hm2。
2.2.2 微生物的丰度以及群落结构
首先，由于生物炭本身表面的多孔性，增加了土壤中微生物的栖息地点，降低了微生物之间由于生存空间不足而引发的生存竞争，从而有效促进微生物的繁殖，增加微生物的丰度，且细菌可以利用生物炭的吸附作用而避免受到土壤的淋洗，从而有效保存了土壤中细菌的数量。
其次，过高或者过低土壤的有效养分的比例都不利于土壤微生物的生存，从而引起不同微生物群体的生存竞争，改变土壤中的微生物群落结构。因此，对于土壤理化性质的掌握需要更为严谨。生物炭在土壤中发挥的硝化作用有利于固氮菌的生存以及繁殖，使之成为土壤中的优势群落。
研究表明，不同微生物群对生物炭的反应不尽相同。例如，将利用燃烧玉米秆而得的生物炭埋入土壤中之后，土壤中的微生物群落相对较少。因此相关人员可以根据具体情况利用生物炭改变土壤中的微生物丰度以及群落结构，从而帮助作物的茁壮成长。
3 结语
迄今为止，中国仍然是世界上的农业大国，利用废料来制造生物炭这一新途径为我国提供了废物利用的新思路，且生物炭对能够有效缓解日益严重的全球气候变暖问题。随着生物炭的研究，有关人士发现其对农业方面的重压作用，通过影响土壤的理化性质及土壤中的微生物进一步提高农产品的产量及质量。因此，相关人员可以根据生物炭对农田生态系统的影响，控制生物炭的使用量，促进我国农业的进一步发展。
（责任编辑：赵中正）