全 文 ：生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展*
丁艳丽摇 刘摇 杰摇 王莹莹**
(南开大学环境科学与工程学院 /环境污染过程与基准教育部重点实验室 /天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,
天津 300071)
摘摇 要摇 生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭
对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将
土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.本文总结了施
用生物炭后土壤理化性质的改变与土壤微生物群落变化之间的相互关系:生物炭不仅能够提
高土壤 pH值、增强土壤的持水能力、增加土壤有机质等,而且会影响土壤微生物的群落结构、
改变细菌和真菌的丰度;施用生物炭后,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,共同
促进了土壤微生物生态系统的改良.本文旨在为生物炭改良农田土壤微生态的深入研究提供
新的思路,从生态系统的角度促进生物炭环境效应影响的研究,使生物炭的应用更具有科学
性和有效性,并对生物炭在相关领域的应用进行了展望.
关键词摇 生物炭摇 土壤改良摇 微生物生态摇 联合修复
文章编号摇 1001-9332(2013)11-3311-07摇 中图分类号摇 S15; X24摇 文献标识码摇 A
Effects of biochar on microbial ecology in agriculture soil: A review. DING Yan鄄li, LIU Jie,
WANG Ying鄄ying (College of Environmental Science and Engineering, Nankai University / Ministry
of Education Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria / Tianjin Key Laborato鄄
ry of Environmental Remediation and Pollution Control, Tianjin 300071, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2013,24(11): 3311-3317.
Abstract: Biochar, as a new type of soil amendment, has been obtained considerable attention in
the research field of environmental sciences worldwide. The studies on the effects of biochar in im鄄
proving soil physical and chemical properties started quite earlier, and already covered the field of
soil microbial ecology. However, most of the studies considered the soil physical and chemical
properties and the microbial ecology separately, with less consideration of their interactions. This
paper summarized and analyzed the interrelationships between the changes of soil physical and
chemical properties and of soil microbial community after the addition of biochar. Biochar can not
only improve soil pH value, strengthen soil water鄄holding capacity, increase soil organic matter con鄄
tent, but also affect soil microbial community structure, and alter the abundance of soil bacteria and
fungi. After the addition of biochar, the soil environment and soil microorganisms are interacted
each other, and promote the improvement of soil microbial ecological system together. This review
was to provide a novel perspective for the in鄄depth studies of the effects of biochar on soil microbial
ecology, and to promote the researches on the beneficial effects of biochar to the environment from
ecological aspect. The methods to improve the effectiveness of biochar application were discussed,
and the potential applications of biochar in soil bioremediation were further analyzed.
Key words: biochar; soil amendment; microbial ecology; combined bioremediation.
*中央高校基本科研业务费专项和国家自然科学基金项目
(31270545)资助.
**通讯作者. wangyy@ nankai. edu. cn
2013鄄03鄄15 收稿,2013鄄08鄄20 接受.
摇 摇 近年来生物炭(biochar)成为农业、环境修复、
能源利用等领域的研究热点,生物炭是指动植物残
体或其他生物质在完全或部分缺氧的情况下,以相
对“低温冶(<700 益)热解炭化,产生的一类高度芳
香化难熔性固态高聚产物[1-2] . 生物炭具有土壤改
良剂功能源于南美亚马逊盆地黑色土壤的研究中,
这种被称为 Terra Preta的土壤是古人类刀耕火种下
形成的一种特殊的肥沃土壤[3] . 早期对生物炭在农
田土壤中的研究主要集中在增加农作物产量方面,
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 11 月摇 第 24 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2013,24(11): 3311-3317
1994 年在日本就有研究报道了生物炭对柑橘生长
的影响[4] .在 Web of Science 数据库中以 biochar 为
关键词搜索,2000—2005 年期刊科研论文数只有十
几篇,而自 2006 年以来却有近 700 篇,这是因为随
着 Marris的题为“Black is the new green冶的文章在
Nature上的发表[5],利用生物炭增加土壤碳截留以
应对全球气候变化的技术受到广泛关注. 生物炭应
用于农田土壤是一项双赢政策,不仅解决了大量农
林废弃物露天焚烧造成的环境污染和资源浪费问
题,在缓解气候变化方面也具有很大的潜力.生物炭
制备原料来源广泛,秸秆、芦苇、果树修剪及林木采
伐树枝,生物转化废弃物如禽畜粪便、发酵渣等都可
以作为原料. 生物炭生产没有统一标准,由于原材
料、技术工艺及热解条件的差异,其结构、pH、元素
组成以及比表面积等理化性质都表现出非常广泛的
多样性[5-6],因而具有不同的环境效应和应用.
随着研究的深入,生物炭应用于土壤的研究已
经扩展到了改良机理的高度[6],但多侧重于单一方
面,且生物炭类型不一,对于生物炭长期生态环境效
益也存在不同的观点,目前缺乏对这些研究机理的
归纳分析.为填补这一空缺,本文从土壤理化性质和
土壤微生物两大方面出发,总结了不同生物炭应用
到土壤后的变化,并对生物炭未来可能应用的领域
进行简要概述,力求为生物炭改良农田土壤微生态
环境的应用提供理论依据,从生态系统的角度客观
评价施用生物炭产生的环境效应,从而增强生物炭
应用的科学性、广泛性和有效性.
1摇 生物炭对土壤基本理化性质的影响
生物炭本身可供作物利用的养分含量并不
多[7],但其还田后可以改变土壤的物理性状和结
构,促进土壤物理化学与生物化学的相互作用,从而
提高土壤肥力[8] . 本文主要从 pH 变化、有机质含
量、持水能力和阳离子交换量几个方面阐述生物炭
对土壤微环境的影响(表 1).
1郾 1摇 土壤 pH
土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长的影响很
大,是反映土壤特性的一个重要指标.生物炭的灰分
中含有很多的盐基离子如钙、镁、钾、钠等,作为土壤
改良剂施用后,可以交换降低土壤氢离子及交换性
铝离子水平[7],从而显著增加土壤的 pH 值[2] .生物
炭的原料及生产工艺决定了其酸碱性,研究表明大
部分生物炭显碱性[5,9] . 高温热裂解生物炭中具有
更多的灰分,酸性挥发物更少,pH 值更高[10],所以
在酸化土壤的改良中,高温生产的生物炭比低温生
产的生物炭具有更好的效果[11] .生物炭对解决现代
农业土壤酸化、盐基离子流失问题具有很高的应用
价值.
1郾 2摇 土壤有机质
有机质是土壤的重要组成部分,可以改善土壤
团聚体和稳定性、增强养分吸持与交换、促进微生物
活动.生物质炭具有高度芳香化结构,与其他任何形
式的有机碳相比,具有更高的生物化学和热稳定
性[12] . Glaser 等[13]研究发现,生物炭在高温高湿环
境下难以被分解,能够提高土壤有机质含量,其提高
幅度决定于生物炭的稳定性和用量[13] .生物炭能够
吸附土壤有机分子,通过表面催化活性促进小的有
机分子聚合形成土壤有机质[14] . 另外,尽管生物炭
与腐殖质碳来源和形成方式不同,但其进入土壤环
境后,经过沉降风化等循环过程,与土壤腐殖质共同
成为土壤碳库的重要组成部分[15] . 大量证据表明,
土壤微生物可以将生物炭转变成腐殖质碳,这将有
利于腐殖质碳的形成[16] . 由此可见,生物炭对土壤
有机质的保存具有积极的意义,在全球碳循环中具
表 1摇 生物炭对土壤微环境的影响
Table 1摇 Effects of biochar on soil microenvironment
环境因子
Environmental factor
影响结果
The results
参考文献
Reference
pH 生物炭的原料及生产工艺决定了其酸碱性,但大部分生物炭显碱性. 高温生产
比低温生产的生物炭促进土壤 pH升高的效果更好
[2]、[5]、[7]、[9-11]
有机质
Organic matter
生物炭在高温高湿环境下难以被分解,能够提高土壤有机质含量,提高幅度决
定于生物炭的稳定性和用量.土壤微生物可以将生物炭转变成腐殖质碳,这将
有利于腐殖质碳的形成
[12-16]
水分含量
Water content
生物炭可提高土壤持水能力,能吸收和保留水分;在沙质土壤(提高 34% ~
41% )效果比在粉砂质土壤(提高 27% ~41% )效果更好
[17-21]
阳离子交换量
CEC
生物炭对土壤 CEC的影响与生物炭种类、其在土壤中的存留时间以及土壤类
型有关.动物生物质来源比植物生物质来源改善效果好.生物炭对低 CEC 土壤
和酸性土壤的改善作用十分明显,但对石灰性土壤的 CEC没有明显作用
[3]、[6]、[19]、[22-24]
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有重要作用和地位.
1郾 3摇 土壤水分
水分是土壤环境中的一个重要因子,含量主要
取决于土壤质地和降水率. 生物炭能增加水分的滞
留,特别是在根际区,同时也会增加营养物质循环和
减少淋溶[17] .随着生物炭颗粒表面在土壤中的氧化
及羧基基团增多,生物炭的亲水性会逐渐增强[18],
同时会显现出氧化以及吸收和保留水分的潜力[19] .
Major等[17]认为,生物炭应用到土壤中后,其物理特
性会改变土壤孔隙的大小分布,这可能导致水分渗
流模式、停留时间和土壤溶液流动路径的变化,从而
能够增强土壤的持水能力.
研究表明,生物质炭能够提高田间土壤持水量,
应用到砂质土壤比在粘土成分较高的土壤中效益更
大[19],因为这类土壤对水分的保蓄能力很弱.另外,
土壤的持水能力并不会随着生物炭添加量的增加而
一直提高,Dugan 等[20]在加纳土壤试验中得出,在
添加生物炭量为 5 t·hm-2时土壤持水能力达到最
佳状态.生物炭添加量持续增加反而会产生疏水作
用,使土壤持水能力降低[20] .因此,生物炭可以作为
提高干旱地区砂性土壤持水能力的一种有效手
段[23],并通过调节添加比例来增强其应用的有
效性.
1郾 4摇 阳离子交换量
土壤阳离子交换量( cation exchange capacity,
CEC)能够反映土壤吸持和供给可交换养分的能力,
是衡量土壤肥力的重要指标. Lehmann[3]认为,生物
炭具有丰富的芳环结构和羟羧基等基团,添加到土
壤后会显著增加离子交换的位点,使表面交换活性
提高,显著提高土壤的 CEC水平.
生物炭对土壤 CEC的影响与生物炭种类、在土
壤中的存留时间以及土壤类型有关[24] .不同来源的
材料和热解条件下制备的生物炭表面特性不同[6],
如动物生物质与植物生物质相比,C / N 较低且灰分
含量更高,导致生物炭的阳离子交换量更高[23],其
CEC改良效果更好. 生物炭对低 CEC、酸性土壤的
CEC改善作用十分明显,例如造纸污泥和木屑混合
物生物炭对铁铝土 CEC的提高作用显著,但对石灰
性土壤的 CEC 没有明显作用[24] .同时,生物炭与土
壤相互作用时间的长短对土壤 CEC 提升也有影响.
Cheng等[19]研究认为,随着生物炭与土壤作用时间
的延长,其在生物和非生物的作用下能氧化产生羧
基等官能团,电荷量或 CEC 增大,从而更明显地提
高了土壤 CEC.
2摇 生物炭对土壤微生物生态的影响
目前大多数研究侧重于生物炭对土壤理化性质
的影响,而较少关注生物炭对土壤生物区系的影响.
土壤微生物作为土壤中活的生物体,对环境变化比
较敏感,能够较早地指示出生态系统功能的变化,从
而为土壤性质的变化提供可靠的依据. 本文从土壤
酶活性、微生物丰度以及群落结构 3 个方面综合分
析生物炭对微生物生态的影响.
2郾 1摇 土壤酶活性
土壤酶主要来源于土壤中动物、植物根系和微
生物的细胞分泌物等,土壤酶活性反映了土壤中各
种生物化学过程的强度和方向. 张伟等[25]研究发
现,长期的秸秆还田,增强了土壤中过氧化氢酶和蔗
糖酶的活性,但降低了脲酶的活性.研究酶活性引起
的土壤代谢性能变化,可以更好地揭示生物炭应用
后对农业土壤微生态的影响.
Turner等[26]研究表明,葡萄糖苷酶的活性与土
壤的理化性质呈正相关,特别是土壤中总有机碳的
含量. Bailey 等[27]研究发现,施用生物炭后葡萄糖
苷酶、脂肪酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰葡糖胺糖甘酶
在不同土壤中活性变化不一致. 这是因为:一方面,
生物炭对土壤中一些酶基质的吸附抑制了酶反应的
进行[28];另外,不同土壤中一些特定的微生物种群
会导致某些酶活性变化不一致[29],并且碳素和生物
炭表面的微生物协同定位效率提高后,也会降低酶
生产的需要[27,30] .酶活性的变化与生物炭的添加量
也有一定关系,茁鄄纤维二糖水解酶和 茁鄄葡萄糖苷酶
在碳循环和土壤纤维素分解中有重要的作用[30],在
生物炭使用量为 12 t·hm-2或者更大时,葡萄糖苷
酶以最大速度下降到非常低的水平.
2郾 2摇 微生物丰度
生物炭的多孔性和表面特性为土壤微生物生长
与繁殖提供了良好的栖息环境,减少了微生物之间
的生存竞争,能保护土壤有益微生物,特别是菌根真
菌的繁殖与活性[31-32] .不同群体中微生物数量变化
对生物炭的响应有所不同.
生物炭的一些物理特性会对微生物丰度有影
响.细菌能够吸附到生物炭的表面,使它们不易受土
壤淋洗的影响[33],从而增加了土壤中细菌的数量.
生物炭的吸附作用很大程度上取决于孔隙大小[34],
一般微生物最佳附着的孔径大概是其大小的 2 ~ 5
倍,对于较大或较小的孔径,附着力都可能减少[35] .
因此,生物炭保留细菌的能力大部分取决于其灰分、
313311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁艳丽等: 生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展摇 摇 摇 摇 摇
孔径和挥发物含量等特性. 丛枝菌根菌(AM)和外
生菌根菌(EM)是研究中最常出现的两个类型,通
常根据其在寄主植物的根部定植来评估菌根真菌的
影响.研究发现,添加生物炭 2 年后,AM 在小麦根
系的定植增加了 20% ~ 40% ,而未添加的对照组只
增加了 5% ~20% [36] .很多文献中认为无论是细菌
还是真菌,生物炭的孔隙都能更好地保护其免受竞
争者的影响[37-38] .究竟是孔隙的物理位置还是表面
的吸附为微生物提供保护,还需要进一步的研究来
确定.
生物炭对土壤微环境的改变也会间接影响微生
物丰度.有研究表明,生物炭虽然提高了土壤中磷的
有效性,但导致菌根真菌丰度下降[39] . 这可能是由
于添加生物炭增加了对植物养分和水分的供应,从
而减少了对菌根共生的需求[32,40] . Aciego等[41]研究
得出,随着土壤 pH 从 3. 7 上升到 8. 3,微生物量有
所增加,但是真菌和细菌群落对 pH 有不同的反应;
随着 pH上升到大约 7 时,细菌丰度增加,而真菌丰
度变化并不一致,或者在总生物量上没有变化[42],
或者在较高的 pH时显著降低[43] . 生物炭改良土壤
后一般都会导致土壤 pH 升高,但是不同类型生物
炭引起的变化幅度不同[3,12] .另外,生物炭对抑制微
生物生长的化合物的吸附会增加微生物丰度,例如
邻苯二酚对微生物是有毒的化合物[44],玉米秸秆在
高温下烧制的生物炭可以对其有很强的吸附[45] .
2郾 3摇 微生物群落结构
土壤微生物生态特征与土壤理化性质关系密
切,有效养分比例不合适,无论是过高还是过低都会
对土壤微生物产生不利影响[46] . 总体来说,土壤环
境的改变例如营养物质、水分、pH 值以及栖息环境
等,都可能导致一些微生物群体迅速增殖成为竞争
优势群落,引起群落组成和结构的变化.生物炭的添
加能够改变土壤中养分的生物可利用性,同时会导
致生物群落结构发生相应的变化.
土壤微生物中,细菌在多数情况下占优势.在过
去的研究中,无论是亚马逊黑色土壤,还是生物炭改
良土壤,真菌、细菌和古细菌种群在群落组成和多样
性上都有显著变化[47-50] . 与未改良土壤相比,施加
生物炭后土壤细菌多样性增加 25% [51],并且这种
增加在属和种[51]以及科[47]的水平上都有所体现.
有研究表明,生物炭的应用可以增加硝化作用[52] .
固氮菌是细菌中的一个特殊种群,它们具有固氮酶,
能够通过硝化作用将大气中分子态氮转化为硝酸根
被植物吸收.生物炭可以提供一个有利的小生境,在
这个小生境中,氧分压较低,氧气浓度下降,使固氮
功能提高,同时,由于生物炭无机氮含量低,可以为
固氮菌在生物炭表面的植入提供有利条件,使其成
为优势种群. Anderson等[53]描述了生物炭影响土壤
中细菌群落的过程及其所参与的相关生物地球化学
循环(图 1).植物和微生物的碳库来源包括植被中
的纤维素、丙酸酯、富马酸等以及生物炭中的低碳化
合物如醋酸盐和乙烯. 生物炭还可以引入其他不稳
定碳,如一些酸类、醛类、酯类、碳氢化合物和苯酚
等.高温单孢菌科、鞘氨醇单胞菌科、酸热菌科等科
的微生物能够利用范围更广的碳源,并释放出其他
微生物较容易利用的碳源.在生物炭存在的情况下,
微杆菌科、间孢囊菌生长速度增加,从而影响了无机
磷的生物利用率.生物炭的存在还可以通过促进生
丝微菌属和分支杆菌科的增长,来增强 NO3 -的氨化
氧化,并通过根瘤菌完全反硝化为 N2O和 N2 .
图 1摇 生物炭对不同科细菌及相关生物地球化学过程影响示意图[53]
Fig. 1摇 Schematic diagram showing the effects of biochar on different bacterial families and the associated biogeochemical processes[53] .
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摇 摇 然而,通过比较亚马逊黑色土壤和生物炭改良
土壤的研究发现,改良土壤真菌多样性比未改良土
壤低,说明不同的微生物群体对生物炭有不同的反
应方式,例如将玉米秸秆烧制成的生物炭添加到温
带土壤中,得到了较少的遗传多样性群落[48] . 生物
炭改良土壤后,真菌如接合菌门和球囊菌门数量增
加,而担子菌门和变型菌门的丰度却有所降低[48],
这种不一致的变化[48]可能是由于生物炭本身有效
碳的缺乏抑制了这些真菌的定植,而生物炭表面吸
附的溶解性有机碳可以选择性地被接合菌门利用.
Khodadad 等[50] 利用 ARISA ( automated ribosomal
RNA intergenic spacer analysis)技术研究了不同生物
炭对微生物群落结构变化的影响,得出低温
(250 益)和高温(650 益)制备的生物炭都会降低土
壤整体的微生物多样性,但是会使一些细菌和放线
菌的相对丰度增加. 这可能是因为低温热解生物炭
能够提供容易利用的碳源,而高温热解生物炭具有
非常大的比表面积,能够为微生物的生长提供一个
合适的生境[54] .生物炭对土壤微生物群落结构的影
响是很复杂和具有多变性的,影响程度与土壤及生
物炭类型有密切的关系[50],影响机制还有待深入
研究.
3摇 生物炭对土壤中养分循环的影响
生物炭本身的矿质元素含量是较低的[6],其对
土壤养分的影响大多与生物炭本身特性以及对土壤
物理化学性质和微生物影响的间接作用有关. 生物
炭作为土壤改良剂能够减少养分的淋失[18],有效促
进土壤中养分的滞留,在地球土壤生物化学过程特
别是营养元素循环中起到非常重要的作用[23,55-56] .
研究证明,生物炭不仅可以增加氮、磷、钾等大量元
素,也 可 以 增 加 微 量 营 养 元 素 (铜、 锌、 铁、
锰) [1-2,57],这些都是维持农业持续生产所必需的
元素.
生物炭表面特性对元素有吸附作用.生物炭可
以同时产生负电荷和正电荷,因而不仅可以吸持有
机质吸持的养分,而且还可以吸持有机质不能吸持
的养分[58],极大地增强了对营养元素 (如 NH4 +、
NO3 -)的吸附能力和养分的有效性[13] . 同时,生物
炭的吸附选择性与生物炭的种类有关.例如,本身富
含矿物质 K+、Ca2+、Mg2+等离子的木炭对土壤中原
有的 K+、Ca2+、Mg2+的吸附量较低或基本不吸附[59] .
另外,由于热解温度会影响生物炭的性质,因此生物
炭的吸附选择性也会不同. 生物炭由于具有多孔和
低密度的特性,施用后能改善土壤通气状况,降低厌
氧程度,从而抑制反硝化作用,影响土壤中的氮循
环[8] .对于有效磷含量低的土壤,生物炭能够结合
土壤中的 Al3+和 Fe3+,促使磷由闭蓄态转化为有效
态[60] .生物炭可以作为肥料的缓释体,延缓养分在
土壤中的释放,从而降低肥料养分的淋失及固定等
损失[57] .
土壤微生物参与多种生化反应过程,是有机物
的主要分解者,在陆地生态系统养分循环中扮演着
重要角色[61] .生物炭能够影响微生物的群落结构,
在养分循环的调控方面具有广阔的应用前景.
4摇 研究展望
目前,生物炭在环境、生态等领域作用机理的基
础研究鲜有报道,还缺少大规模试验和统计数据支
持,在土壤微环境中的地位与作用方面的研究还刚
刚起步,具体的贡献与作用机理还不清楚,亟待加强
相关基础理论和技术的研究,拓宽研究领域.
生物炭产生的生态环境效应与生物炭类型和土
壤类型有密切关系,现有的生物炭改良土壤主要是
基于本身质量比较差的土壤,而生物炭应用于温和
土壤的优势还存在争议,需要展开长期试验研究来
加以确定.在生物炭投入到实际应用时应该考虑选
取该地区较易获得的原材料,通过调控热解条件找
到最佳的生物炭类型,这样才能提高废弃资源的利
用率,使生物炭应用更具有科学性和有效性. 另外,
生物炭在土壤中保留时间较长,虽然大多数研究都
证明其具有改良土壤的功能,但是在长期的生态环
境效益和应用后的环境风险方面还有待考察.
利用联合修复技术来治理污染土壤得到了越来
越多的关注.农药污染是农田土壤面对的一个最大
问题之一,也是研究者一直关注的环境污染热点问
题.但是大部分研究都集中在吸附解吸分析和微生
物降解两大方面,生物炭的出现给研究者提供了一
个新的思路,即农药降解菌与生物炭联合修复方法,
该方法充分利用生物炭的吸附特性和提高微生物活
性等特点,提高污染物的降解效率,具有十分重要的
生态学意义.随着研究的深入,生物炭在农业土壤改
良、作物栽培以及污染土壤生物修复领域有着巨大
的应用潜力,可以预见生物炭在环境科学、土壤学和
农业生产方面将有广阔的应用前景.
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作者简介摇 丁艳丽,女,1987 年生,硕士研究生.主要从事环
境微生物生态学研究 E鄄mail: yanliding022 @ mail. nankai.
edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
713311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁艳丽等: 生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展摇 摇 摇 摇 摇