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中国沙漠, 2024, 44(4): 315-326 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00104

生物炭在沙质土壤修复中的应用研究进展

向宇,1,2,3, 李玉强1,2,3, 郑成卓1,2,3, 袁梦琪3,4, 刘伟媛5

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区生态安全与可持续发展重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学，北京 100049

4.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011

5.奈曼旗大柳树国有治沙林场，内蒙古 奈曼旗 028300

Advances in the application of biochar in sandy soil remediation

Xiang Yu,1,2,3, Li Yuqiang1,2,3, Zheng Chengzhuo1,2,3, Yuan Mengqi3,4, Liu Weiyuan5

1.Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Naiman Desertification Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

4.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

5.Daliushu State Owned Sand Control Forest Farm in Naiman Banner，Naiman Banner 028300，Inner Mongolia，China

收稿日期: 2024-06-09   修回日期: 2024-07-09  

基金资助: 内蒙古自治区科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目.  2024JBGS000701
国家自然科学基金项目.  31971466

Received: 2024-06-09   Revised: 2024-07-09  

作者简介 About authors

向宇（1997—），男，湖南吉首人，博士研究生，主要从事生物炭与半干旱区恢复生态学研究E-mail：15616495801@163.com , E-mail：15616495801@163.com

摘要

中国面临着沙地扩张及土壤沙化的严峻挑战，迫切需要进行生态修复与土壤保护。生物炭是一种由不同来源物质热解得到的富碳材料，常作为改良剂用于土壤修复，对干旱区沙质土壤改良具有重要意义。通过收集和梳理文献，总结了生物炭对沙质土壤的理化性质、固碳能力以及作物生长的影响。该综述有利于了解生物炭在沙质土壤中的应用现状，提升对生物炭改良土壤机理的认识和理解，为生物炭在沙质土壤中的实际应用和理论研究提供参考。

关键词： 生物炭 ; 沙地修复 ; 土壤改良 ; 土壤固碳 ; 土壤改良剂

Abstract

China is confronted with severe challenges of desertification， sandy land expansion， and soil degradation， which urgently necessitate ecological restoration and soil conservation efforts. Biochar is a carbon-rich material derived from the pyrolysis of various feedstocks， which is commonly used as an amendment for soil improvement and remediation， and is of significant importance for improving sandy soils in arid regions. This study examines the effects of biochar on soil physical and chemical properties， carbon sequestration capacity，and crop growth in sandy soils. This review is conducive to understanding the current status of biochar application in sandy soils and enhancing the understanding and comprehension of the mechanisms underlying biochar-mediated soil improvement. It provides a reference for both practical applications and theoretical research on the use of biochar in sandy soils.

Keywords： biochar ; sand restoration ; soil improvement ; soil carbon sequestration ; soil amendment

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向宇, 李玉强, 郑成卓, 袁梦琪, 刘伟媛. 生物炭在沙质土壤修复中的应用研究进展. 中国沙漠[J], 2024, 44(4): 315-326 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00104

Xiang Yu, Li Yuqiang, Zheng Chengzhuo, Yuan Mengqi, Liu Weiyuan. Advances in the application of biochar in sandy soil remediation. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(4): 315-326 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00104

0 引言

土壤沙化作为全球范围内紧迫的生态环境问题，影响范围广泛且深远。全球超过40%的土地已演变为沙漠或面临沙化的威胁［1］。中国荒漠化和沙化土地面积分别占国土总面积的27.2%和17.9%，显著沙化倾向的土地面积30.03万km2，占国土面积的3.12%［2］，对土地生产力、资源可持续性及区域生态环境构成了严重威胁，并导致包括强沙尘暴在内的频繁风沙灾害，对西北、华北及东亚地区社会经济造成巨大经济损失，年经济损失额估计高达540亿元［3］。此外，全球气候变暖加剧了干旱和半干旱地区土地沙化的进程，进一步恶化了土壤质量［4］。

鉴于沙漠化修复与防治的紧迫性，探索有效改良沙质土壤的方法尤为必要。生物炭是一种利用废弃生物质材料（竹子、稻草、木屑、动物残体、活性污泥等）在缺氧或无氧环境中高温热解得到的难溶且高度芳香化的富碳固体材料［5-7］。生物炭具有碳含量高、比表面积大、孔隙发达、高养分含量以及丰富的表面官能团等特点［8-9］，不仅能有效降低土壤容重，提升土壤通气性和持水能力，还能通过吸附作用提高土壤养分的有效性，调节土壤pH，从而综合改善土壤的物理与化学性质，因此被广泛应用于土壤改良中，其中包括沙质土壤［10-11］。目前，生物炭对沙质土壤理化性质的影响已得到广泛的研究，生物炭表现出良好的改良潜力。因此，本文在已有研究的基础上综述了生物炭对沙漠和沙地土壤理化性质的影响及其与生物炭性质间的关联，以期为生物炭高效应用于沙质土壤的修复提供科学依据。

1 生物炭对土壤物理性质的影响

1.1　土壤孔隙度

土壤颗粒本身含有一定的孔隙，其中沙质土壤的比表面积通常为0.01~0.1 m2·g-1［12］。生物炭的比表面积为0.5~2 200 m2·g-1，被证实能有效提升沙质土壤的孔隙度［13-17］。

研究者常通过增加生物炭的施用量来提升土壤的孔隙度。然而，由于生物炭具有复杂的孔隙结构且孔隙大小不一，仅通过增加生物炭的施加量来改善土壤孔隙度往往不能达到预期效果。Głąb等［18］研究结果表明，在生物炭添加达到一定数量后，继续增加生物炭添加量对土壤孔隙度无显著影响。这是因为生物炭的孔隙结构和粒径大小对其在土壤中的分布和孔隙度提升效果具有重要影响。粒径较大的生物炭颗粒（0.15~2 mm）有助于提高土壤孔隙度，而粒径较小的生物炭颗粒（<0.15 mm）则会略微降低土壤的总孔隙度，且孔隙度的降低与粒径的减小成正比［19］。类似地，Blanco-Canqui等［20］发现生物炭的施用提高了沙质土壤的孔隙度，尤其是在较大粒径（125 µm~2 mm和>2 mm）的生物炭处理中，这进一步支持了上述结论。Alghamdi等［21］的研究却显示出不同的结果，他们发现粒径为1~0.5、0.5~0.1、<0.1 mm的生物炭均能使土壤孔隙度有所增加，分别提高了10.6%、12.2%、17.6%，这可能是由于不同粒径的生物炭均能有效增加土壤中微孔的数量［22］。这表明生物炭对土壤孔隙度的积极影响并不总是与生物炭颗粒的大小成正比，还可能与土壤粒径密切相关。因此，深入探讨生物炭对沙质土壤粒径的具体影响，并阐明沙质土壤粒径与生物炭粒径之间如何协同作用于土壤孔隙度的变化显得尤为重要。

1.2　土壤团聚体

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，介导土壤中多种物理、化学和生物过程［23-25］。多项研究表明，在沙质土壤中施用生物炭可以改善土壤团聚性［12，24，26-27］。也有研究指出，生物炭的施加对土壤团聚体稳定性并未产生显著影响［28-29］，这种差异由生物炭的添加量、热解温度、碳含量和粒径等多种因素造成。Ouyang等［26］和Khademalrasoul等［30］发现，随着生物炭施用率的增加，土壤团聚体的稳定性得到显著改善。Islam等［24］和Blanco-Canqui［31］的研究则进一步表明，高施用量的生物炭能显著增加土壤团聚体，而低施用量则在少数情况下无法增加土壤团聚体。这一现象可能是由于高施用量的生物炭能在土壤颗粒与生物炭的界面产生黏液和菌丝，提高了微生物活性，进而促进了土壤微观团聚体与宏观团聚体的连接和形成［32］。Albalasmeh等［33］的研究表明，在300、400、500、600 ℃温度的生物炭中，300 ℃的生物炭比其他温度热解的生物炭更能显著提高土壤团聚体的稳定性，表明低温生物炭可以通过促进微生物活动和有机物积累来增强土壤聚集，而高温生物炭可以通过形成稳定的孔隙结构来提升土壤稳定性。同时，生物炭碳含量也是一个重要因素。添加生物炭可增加沙质土壤中的碳含量，从而有助于提升团聚体的稳定性［19］。最后，生物炭的粒径同样会对团聚体稳定性产生影响。Obia等［34］研究表明在砂壤土中，1~5 mm粒径的玉米芯生物炭对团聚体稳定性的提升效果最佳，尤其是对0.6~2 mm团聚体。

除了生物炭自身的性质，土壤的性质也是影响生物炭效果的重要因素。Herath等［35］的研究表明，相较于总有机碳含量较高的粉沙壤土（10%），初始总有机碳含量较低的粉沙壤土（4%）中添加玉米秸秆生物炭后，团聚体稳定性的提升效果更为显著。同样，Obia等［34］也发现，沙壤土中玉米芯生物炭对团聚体稳定性的提升效果最佳，而在沙土中，生物炭粒径对团聚体稳定性的影响较小。

以上研究结果表明，生物炭对土壤团聚体的影响是一个复杂的过程，受到土壤类型、生物炭特性及土壤初始条件等多种因素的共同影响，这一过程存在多种机制。因此，未来研究需深入探索这些因素的交互作用机制，以准确评估生物炭在改善土壤团聚体稳定性方面的潜力。

1.3　土壤容重

土壤容重作为衡量土壤物理性质的关键指标，直接反映了土壤的密实程度，对作物的生长和发育具有重要影响。生物炭改良会导致沙质土壤容重降低或不发生显著变化，这与生物炭产生的多种影响机制密切相关［19，34，36-38］。生物炭对土壤容重的影响机制包括：①小生物炭颗粒占据土壤孔隙或团聚体崩解/分散导致团聚体间大孔隙减少；②低密度生物炭占据土壤体积引起的稀释作用；③团聚体间大孔隙的增加；④大生物炭颗粒与土壤基质之间引入的容纳孔隙［39］。

生物炭由于自身丰富的孔隙度和小于土壤颗粒的密度，进入土壤中可以提升土壤孔隙度并降低土壤容重［32，39-40］。然而，这种影响并非一成不变，生物炭的粒径大小显著影响了土壤的容重，较大粒径的生物炭具有更大的体积和孔隙度，与土壤混合后能更大程度地增加土壤孔隙，减少容重，而较小颗粒的生物炭可能会占据土壤中的孔隙并降低总孔隙度，导致土壤容重增加［18-19，41］。例如，Ndede等［42］发现粒径大于2 mm的生物炭处理导致容重降低约6%，而粒径小于125 µm的生物炭处理与对照组相比没有显著差异。因此，选择粒径适宜的生物炭显得尤为重要。生物炭的添加量是影响土壤容重的另一个重要因素，过量添加生物炭可能不会进一步降低土壤容重，甚至可能产生相反的效果［16，43］。此外，有研究表明，生物炭对土壤容重的影响可能是暂时的，长期施用生物炭未必能够持续降低土壤容重［20］，这可能是由于生物炭结构的变化所致，而这种变化与生物炭的机械强度有关，但目前尚缺乏相关研究的证据。

1.4　土壤含水量

沙质土壤由于其结构松散、孔隙较大，通常具有较低的水分保持能力，这限制了作物的生长和生产力。在干旱地区，提升土壤的保水能力尤为重要。添加生物炭能够有效增强沙质土壤的水分保持能力［44］。这是因为生物炭颗粒能够填充土壤基质中的孔隙，减小土壤平均孔径，同时其丰富的孔结构相较于较大的土壤孔隙，在重力作用下能容纳更多水分［31，36，45］，而这一机制受多种因素影响。

生物炭的添加剂量影响着沙质土壤的持水能力。Zhelezova等［46］研究发现生物炭对土壤持水能力的增加与添加量显著正相关，当生物炭添加量从0增加到30%（质量比），沙质土壤的保水能力从27%增加到了42%。相反，Gluba等［45］的研究则表明，与低剂量的生物炭添加相比，添加更高剂量生物炭时，土壤有效含水量则会降低。类似地，Villagra-Mendoza等［47］的研究也表明相比于2.5%的剂量，5%的生物炭添加后沙质土壤的持水能力降低。

生物炭的热解温度是另一个重要的影响因素。随着热解温度的升高，生物炭的比表面积增加，其多孔结构和表面性质得到优化。这种优化不仅促进了土壤颗粒的聚集，形成了更稳定的水稳性团聚体，而且比表面积的增加也直接促进了土壤的保水能力提升［48-49］。Villagra-Mendoza等［47］研究证明了这一观点，并且该研究还表明高热解温度生物炭比低热解温度生物炭更有利于改善土壤持水能力。但Albalasmeh等［33］的结果表明低热解温度（300 ℃）生物炭增加了土壤的水分保持能力，而其余热解温度下制备的生物炭对土壤的水分保持没有影响。在300 ℃条件下，土壤的渗透率随生物炭施加率而降低，在其他热解温度下，随着生物炭施加率的增加，土壤的渗透率增加。其认为，提高热解温度会减小产生的生物炭颗粒的尺寸。与较大的生物炭颗粒相比，较小的生物炭颗粒与土壤颗粒的相互作用和混合性更强，从而形成更强的土壤团聚体。这种现象有助于扩大土壤大孔隙，从而增强土壤的渗透性和水力传导性。上文提到，高热解温度生物炭的高比表面积特性可以增强土壤的持水能力。这与此处增强土壤的渗透性的机制存在矛盾。因此，对于这两种机制作用的条件及其相互影响需要更为清晰的阐述。

生物炭的粒径大小也影响土壤的持水能力。细粒径（粒径≤1 mm）和中等粒径（1 mm<粒径≤5 mm）的生物炭能更显著提高土壤有效持水量，因为它们能更好地填充土壤孔隙并限制水的路径，故大粒径（粒径>5 mm）生物炭对土壤有效持水量的改善效果有限［50］。Liu等［51］研究发现当生物炭粒径小于沙粒时，土壤的渗透系数下降了72%±2%。当生物炭粒径大于沙粒时，土壤的渗透系数下降了15%±2%。当生物炭粒径与沙粒相当时，对土壤的渗透系数没有显著影响。

生物炭的添加对土壤持水能力的影响并不显著［29，52-54］，这与生物炭的粒径和热解温度密切相关。一方面，生物炭粒径过小且生物炭过量添加时可能导致土壤孔隙堵塞改变土壤表面的润湿性，进而降低有效储水空间。另一方面相对较高的热解温度会导致生物炭中有机化合物的非极性脂肪族和芳香族基团丰富，从而产生更明显的疏水性。这种疏水性条件会产生负毛细压力，阻止水分进入土壤孔隙，并且还将使土壤的表面由亲水性转变为疏水性［47，55-57］。此外，生物炭的粒径较大或者生物炭的添加量过低，其疏水性无法对土壤产生显著影响［18，54］。生物炭的疏水性和孔隙度均随着热解温度的升高而增加，但两者对于沙质土壤持水能力的影响却是矛盾的，因此如何抵消疏水性的影响仍需深入研究（表1）。

表1   生物炭对沙质土壤含水量的影响

Table 1  The influence of biochar on the water content of sandy soil

原料类型热解温度/℃施加量效果实验条件参考文献
黄松木4000~100% wt.提升实验室[58]
柳树、纤维污泥和谷物壳550、5201% wt.提升实验室[43]
老芒果树6002.5%和5% wt.提升实验室[47]
约80%硬木和20%挪威云杉木材的混合物380~43010%、20%、30% wt.提升实验室[46]
葡萄茎—0、2%、5% wt.提升实验室[59]
棉壳、猪粪、桉树锯木厂残渣、甘蔗滤饼

400

500

600

5% wt.提升实验室[60]
松木、杂交杨木、松树皮350、60020 g·kg-1提升实验室[61]
牧豆树4002% wt.提升实验室[33]
松木片、硬木片、硬木颗粒、燕麦壳5001%、2%、5% wt.提升实验室[62]
松树、杨树或污泥500~55018 g·kg-1提升实验室[63]
玉米秸秆和柳枝稷65040 g·kg-1提升实验室[53]
油茶壳树5500、1%、5%提升实验室[38]
粪便5002% wt.提升实验室[26]
木兰叶、苹果屑、玉米秸秆300、400、500、600、7000、2%、5%、7% wt.提升实验室[55]
木屑500~60050、100 g·kg-1提升实验室[64]

混合木片

小麦秸秆

葡萄园修剪物

525

400

3% wt.提升实验室[65]
消化渣（主要由玉米组成）和木屑（由柳树和杨树组成）7502%wt.提升实验室[57]
牧豆树木材40010% wt.提升实验室[66]
柳枝稷375~4751% wt.提升实验室[67]
红橡木5000、3%、6% wt.提升实验室[68]
玉米和橡树4500.5% wt.提升实验室与田间[69]
玉米7501%、2.5%、5% wt.提升实验室与田间[70]
软木、核桃壳

600~700

900

0、0.5%、1% wt.提升实验室与田间[71]
谷壳和纸纤维污泥450~5000、3、15、30 t·hm-2提升田间[72]
玉米芯500~55010、20、20 t·hm-2提升田间[73]
玉米芯350

0、0.8%、2.5% wt.

0、1.7%、3.4% wt.

提升田间[13]
草本原料400~6001、5、10、20、50 t·hm-2无明显影响田间[29]
桉木400~5000.4%、0.7%、1.5% wt.提升田间[74]
金合欢55015 kg无明显影响田间[52]
玉米芯3500、2、6 t·hm-2提升田间[37]
去皮云杉木片550~6000、5、10、20、30 t·hm-2提升田间[75]

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2 生物炭对土壤化学性质的影响

2.1　土壤pH

生物炭含有较多的盐基离子，如钾、钠、钙、镁等，可通过吸附作用降低土壤中交换性氢离子和交换性铝离子水平等方式对土壤pH产生影响［76-77］。生物炭在热解过程中无机物燃烧后产生碱性灰分，这些灰分直接以钙、镁、钾和钠的氧化物、氢氧化物和碳酸盐的形式添加到土壤中，从而改善土壤pH［15，73，78-79］。由于生物炭偏碱性，因此相比于碱性土壤，对酸性土壤pH的提升程度更高。值得注意的是，生物炭的添加对土壤pH没有影响或者略微降低［78，80-82］。导致这种差异的原因是土壤自身具有一定的缓冲能力，当生物炭的施用量过低时，其对土壤pH的影响效果将被稀释［18，83-84］；生物炭中无机盐组分和表面官能团的含量与生物炭的热解温度密切相关，低温制备的生物炭含有酸性官能团（如羧基），导致土壤pH降低，而高温制备的生物炭则富含碱性成分，导致土壤pH升高［85-86］。生物炭在老化过程中理化性质将会发生变化从而改变其对土壤pH的影响。Blanco-Canqui等［20］研究表明生物炭仅在施用后的第一年内显著提升了土壤pH；相比之下，Zhelezova等［46］的研究则显示，在生物炭的老化过程中，土壤的pH有所升高。不同生物炭性质的差异导致其老化后对土壤性质（不仅仅是pH）的影响具有差异性，目前关于生物炭老化对沙质土壤理化性质影响的研究仍存在不足，在同一研究中涉及的生物炭种类较少，导致对这一问题的阐述不够全面。此外值得注意的是，Martins等［87］将咖啡渣生物炭添加到土壤中后对土壤的pH没有明显影响，其中生物炭的pH为9.65，土壤的pH为5.1。这种特殊情况往往具有更高的研究价值，但作者并未对其原因进行解释，其中的影响机制还有待进一步探究。

2.2　土壤养分

沙质土壤下渗能力强，导致营养元素易于流失。而生物炭的多孔结构、高比表面积以及丰富的表面吸附点位，能够有效吸附并保留沙质土壤中易流失的氮、磷等营养元素，从而减少养分的淋失，提高土壤养分的保持能力。Saarnio等［88］发现生物炭通过离子交换机制有效吸附铵态氮和硝态氮，减少其淋失。其次，生物炭本身富含碳、盐基离子等养分，这些养分在施入土壤后可逐渐释放，为植物提供必要的营养支持。王桂君等［89］研究表明，随着生物炭添加量逐渐增加，土壤中速效氮、速效磷以及速效钾的含量也随着增加。生物炭还可以通过改变土壤条件影响其他元素。Nelissen等［90］研究表明生物炭的添加可能通过其高C/N比激活微生物分解更复杂的土壤有机碳（SOC），导致氮素矿化增加；类似地，生物炭的高阳离子交换量促进了NH4+的吸附，减少了氮素损失。更为重要的是，生物炭通过改变土壤pH影响养分的溶解度，进而影响植物对养分的吸收和利用［82，91］。Gaskin等［92］观察到添加花生壳生物炭后，土壤可提取钾含量呈线性增加，但在研究的第二年，钾效应减弱了，这表明生物炭仅作为钾的临时来源或土壤无法保留钾。在考虑生物炭对土壤养分的影响时，与考虑生物炭添加量的问题相比，研究生物炭对土壤环境的改变进而影响土壤中养分状况的机制，更加值得关注。

2.3　土壤有机碳

生物炭作为一种高碳含量的土壤改良剂，添加后能够显著提升沙质土壤的有机质含量［93-94］。Duarte等［16］、Luo等［81］以及Liang等［95］研究均表明土壤有机质含量随着生物炭添加量的增加而呈现上升趋势。然而值得注意的是，生物炭对土壤有机质的提升效果仅在短期内显著。Blanco-Canqui等［20］的研究显示，木质生物炭添加至土壤中后，第一年土壤有机质浓度增加了6.0 g·kg-1，但在第三年和第五年仅增加了4 g·kg-1。Frene等［96］进一步探究了生物炭添加量与这种短期提升效果间的关系，发现5%和10%松木生物炭（体积比）添加在第一年均导致了SOC增加，但在第二年5%生物炭添加使得SOC明显降低。这表明，更高的添加剂量能延长生物炭的显著提升效果，但从上文可知生物炭添加量也存在上限，过多添加也可能对其他性质产生副作用，因此在实际应用中需要寻求生物炭添加量与土壤改良效果之间的最佳平衡点。同时，Frene等［96］还探讨了不同土层深度中生物炭添加后的影响，结果显示表层（0~15 cm）土在生物炭添加的两年内SOC均有所增加，但在15~30 cm土层中，生物炭添加后的第一年降低了土壤SOC，第二年却增加了土壤SOC，作者并未对此现象进行具体解释。因此，生物炭在不同土层中作用的差异性及其具体机制需要进一步的研究和探讨，以便更全面地理解生物炭对土壤有机质的复杂影响。

3 生物炭对作物生长的影响

生物炭的添加能够增加土壤中的碳含量，有助于提高土壤团聚体的稳定性、保水性、植物可利用水含量，并降低土壤容重以及增加土壤中养分含量，这些土壤特性的改善对植物发育至关重要［21］。生物炭在沙质土壤中促进作物的生长［79，97-98］，但也有研究表明生物炭对作物产生了不利影响。Danish等［99］的研究表明，6%的生物炭单独应用于沙质土壤时，罗勒种子发芽率降低了29%。还有研究报道，生物炭改良剂未对小麦产量产生显著影响［78，82］。但Abd El-Azeim等［100］的研究表明生物炭的添加显著提高了小麦产量和质量，尤其是在3%（质量比）的生物炭处理下。对于这种情况研究者将其解释为较高的生物炭添加量导致土壤pH升高、氮固定，并影响了磷的有效性［101］。Uzoma等［15］研究表明在15 t·hm-2生物炭添加率下，玉米产量比对照组提高了150%。但在20 t·hm-2的添加率下，产量有所下降。Hussain等［101］研究表明在碱性土壤条件下过量施用生物炭导致玉米和小麦产量下降，这是因为生物炭固定了氮和微量营养素，导致植物可利用的养分变少。以上研究表明不同作物间所适宜或者最有利于提高产量的生物炭施加量存在差异，同时较高的施加量会阻碍作物的生长［102］。此外，Buss等［103］表明生物炭添加后降低了沙质土壤中种植的藜麦的铜毒性。Danish等［99］的研究表明生物炭显著提高了植物对磷、钾、锌和锰等有益营养元素的吸收，同时减少了对有害元素铝的吸收，这对作物是有利的。但Hartley等［78］研究发现，生物炭添加会显著降低谷物中铁、锌的含量，降低了作物的质量。推测生物炭可能通过吸附作用降低了土壤溶液中微量元素的浓度，进而影响了植物对微量元素的吸收。这表明生物炭的吸附作用既可以防止养分流失，也可能影响植物对营养元素的吸收利用。对于沙质土壤，由于养分容易随水体下渗流失，生物炭的吸附机制能够有效地促进养分的保存。然而，需要进一步研究如何在生物炭吸附固持养分的同时，提高作物对这些养分的有效利用。

4 生物炭对土壤固碳的影响

土壤碳封存是一种抵消土壤中CO2排放增加的可行方法［104］，在土壤中施用生物炭可增强土壤的“碳库”作用。研究表明生物炭在沙质土壤中主要通过增加输入和减缓SOC矿化速率来促进碳封存。

生物炭稳定性。生物炭中的芳香族碳是一种微生物难以分解利用的碳形式。随着热解温度的升高，生物炭中易分解的组分减少，芳香族组分增加，从而增强了其稳定性。Yang等［105］表明，相对于300、450 ℃热解的生物炭，600 ℃热解的生物炭具有更高的芳香碳比例，因此在土壤中矿化比例最低，仅为0.27%~0.40%。此外，老化作用还进一步加强了生物炭的稳定性。然而，尽管生物炭具有较强的稳定性，但仍有研究表明其在土壤中会受到水蚀、风蚀、淋溶、碳排放、风化和分解等多种过程的影响，导致碳的损失［106］。Blanco-Canqui等［20］研究表明，在木质生物炭施用量为25 t·hm⁻2的条件下，5年间损失了50%以上的碳。类似地，Dong等［107］也表明5年培养时间，生物炭损失了40%的碳。因此，如何减少生物炭在土壤中的碳损失成为需要解决的研究课题。

增加了微生物源有机碳向土壤的输入。生物炭为微生物提供底物和氮源，减少其对微生物残体的再利用，导致其在土壤中积累。微生物残体可能吸附在生物炭表面，导致微生物快速滞留和稳定、真菌残留单宁复合物以及真菌的细胞外多糖和菌丝体的产生，这些物质促进了土壤大团聚体的形成并保护土壤有机质免于分解从而增加SOC储量［85，108-109］。

正激发效应：即生物炭进入到土壤中后促进了土壤有机碳的矿化。Dodor等［110］的研究结果表明，稻壳生物炭的添加增加了SOC的矿化，这主要归因于生物炭中包含了生物可利用的碳组分，如脂肪族和挥发性有机碳，这些碳组分易于被土壤微生物呼吸利用。Han等［12］发现，在沙质土壤（黏土含量<5%）中加入生物炭会产生正激发效应，而在黏土含量高于10%的土壤中则未发现显著的影响。这可能是因为沙质土壤中活性矿物较少，形成的OC（有机碳）-矿物复合物对SOC的保护作用较弱，使得SOC更容易被微生物分解。这些现象均可归纳为与生物炭对微生物活动的影响密切相关。

负激发效应：即生物炭进入到土壤中后抑制了土壤有机碳的矿化。Lu等［111］发现玉米秸秆衍生的生物炭在沙壤土中诱导了负的激发效应，主要表现为生物炭显著降低了天然SOC的CO2排放量64.9%~68.8%，这表明生物炭抑制了天然SOC的分解，并减弱了无机氮对天然SOC降解的刺激作用。这一负激发效应的产生，主要是由于生物炭对土壤溶解性有机碳（DOC）的吸附作用，减少了微生物可利用的DOC量，进而降低了土壤原生有机碳的矿化速率。Dodor等［110］也表明水溶性有机碳是微生物呼吸的重要碳源。此外，生物炭对土壤有机质的包裹作用也可能导致负激发效应［112］。并且不同生物炭在同一种土壤上可能产生不同的影响。Wu等［113］的研究表明，在酸性沙质土壤中添加玉米生物炭使CO2排放量显著降低11.8%，而橄榄生物炭的添加则使最大CO2排放率提高约2倍。此外，Cheng等［114］的研究表明，土壤有机质（SOM）的负激发效应与生物炭生产温度呈正相关；而Yang等［105］发现，负激发效应随生物炭生产温度的升高和孵育时间的延长而增强。

综上可知，负激发效应中有许多机制尚不清楚，例如对DOC的吸附，不同来源的DOC在分子种类上差异较大，具体是何种分子结构DOC的作用尚未可知。并且，每种机制对激发效应的影响程度也未得到清晰的阐述。这使得生物炭在土壤碳循环中的作用机制仍不完全清楚。此外，还有研究显示，尽管生物炭在短期内可能通过正激发效应促进SOM分解，但长期内对SOM和植物残体分解的抑制作用表明其具有土壤碳固存的潜力，但这其中的机制并不清楚［114］。

5 生物炭对土壤微生物的影响

生物炭对沙质土壤中土壤微生物的影响是多方面的，涉及微生物多样性、群落结构、代谢活性等多个层面。生物炭通过其丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，为土壤微生物提供了理想的栖息地和保护空间［81，115］。这种物理结构不仅有助于微生物免受捕食者的侵害，还促进了微生物之间的相互作用和共生关系，从而增加了微生物群落的多样性和稳定性。

生物炭的添加能够显著改变沙质土壤的pH［116-117］。由于生物炭本身呈碱性，能够提高土壤的pH，这对于许多微生物来说是有利的，因为适宜的pH环境能够促进微生物的生长和繁殖。例如，Ameloot等［117］研究表明丛枝菌根真菌（AMF）标志物在350 ℃生物炭处理中显著增加，且其浓度与土壤pH显著正相关。同时，pH的改变还会影响土壤中养分的溶解度，进而影响微生物对养分的吸收和利用效率［115］。此外，生物炭富含碳源和矿物质，为微生物提供了丰富的营养物质［86，115］。这些营养物质不仅可以直接被微生物利用，还可以通过吸附作用稳定土壤中的有机物和重金属，减少有害物质对微生物的毒害作用［112］。并且，生物炭的加入往往能够提高土壤微生物的生物量和代谢活性，促进微生物对有机质的降解和矿化过程［115，117］。

生物炭的热解温度同样影响着其对土壤微生物的作用效果［80］。Senbayram等［116］与Kuzyakov等［118］的研究表明低温热解的生物炭富含易分解的碳源，更有利于微生物的初期生长和繁殖；而高温热解的生物炭则更加稳定，对土壤的长期改良效果更佳。同时，生物炭的施用量也需要控制在合理范围内。Luo等［81］研究表明，高剂量生物炭（50 t·hm⁻2）显著增加了真菌与细菌的比例（F/B），表明高剂量的生物炭可能促进真菌多样性而非细菌多样性。30 t·hm⁻2的生物炭处理显著降低了腐生真菌数量。Liang等［95］表明虽然较高剂量的生物炭总体上对微生物生物量和酶活性有积极影响，但并非所有酶都对剂量敏感。例如，磷酸单酯酶活性在BC500的较低剂量（1%）下较高，而在较高剂量（3%）下降低。需要注意的是，有研究表明生物炭添加对土壤微生物量没有显著效果或者对土壤微生物的总体活性有负面影响［31，112］。

综上所述，生物炭通过改善沙质土壤的物理化学性质、提供丰富的营养物质以及稳定土壤中的有害物质等多种途径，对土壤微生物产生了积极的影响。未来应进一步深入探讨生物炭与土壤微生物之间的相互作用机制，为生物炭在农业可持续发展中的应用提供科学依据。

6 总结与展望

生物炭的添加总体上显著改善了沙质土壤的理化性质，为干旱地区沙质土壤修复与改良提供了新的可能性，但其应用过程中也伴随着一些不容忽视的潜在负面效应。由于生物炭的性质受到原料和制备条件的控制，导致其具有高度的异质性，以及土壤和作物性质的差异，这导致生物炭的应用效果呈现出差异性。因此，在实际应用中对生物炭的经济、高效利用仍存在挑战。未来的研究应重点关注以下3个方面的问题：①生物炭的粒径和添加量对沙质土壤物理性质的影响具有重要作用，并且不同的物理性质对生物炭添加量的响应存在差异。因此如何选定一个对各种土壤性质均有利的生物炭施用量，规避潜在的负面效应，还需要进一步研究。②生物炭在土壤中引发的正激发效应或者是负激发效应的幅度并不相同，且每种效应出现的具体条件尚未得到系统研究。此外，生物炭对土壤有机碳激发效应的幅度，以及该幅度与生物炭性质之间的内在关系机理，仍需进一步深入探究。③生物炭在农田施用后面临较为严重的碳损失，探讨生物炭与其他农业管理措施（如施肥、灌溉制度）的协同作用，旨在进一步明确生物炭在沙质土壤中的作用机制，为生物炭在干旱地区土壤修复与改良中提供依据。

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