农田土壤黑碳应用研究进展

在应对全球气候变暖和保障粮食安全的双重背景下,如何增加土壤碳库容量、 提升土壤生产力以及减少环境危害已成为农学家、 土壤学家和环境学家在二十一世纪的研究重点和热点,黑碳（或生物碳）在农田土壤中的应用作为一种增加土壤碳库和提高土地生产力的新方法引起了极大关注。本文综述了黑碳在农业土壤中的含量,应用黑碳（生物碳）对作物产量、 土壤肥力和温室气体排放的影响; 探讨了应用黑碳影响作物生产力和土壤环境行为的机理以及农田土壤应用黑碳在不同区域、 作物类型、 用量和黑碳性质上的差异表现; 展望了农田应用黑碳未来研究的方向和热点。     

生物黑炭对玉米苗期根际土壤氮素形态及相关微生物的影响

生物黑炭被作为土壤改良剂应用逐渐被认可,但其应用机制特别是生物黑炭对氮素形态和根际微生物的影响机理尚不明确,影响其推广。本文采用盆栽试验,研究了玉米和水稻秸秆烧制的生物黑炭按不同量施入土壤后,对玉米苗期株高、生物量和根际土壤氮素形态及相关微生物的影响。结果表明,施入60 g·kg-1玉米黑炭和40~60 g·kg-1水稻黑炭均对玉米苗期株高有显著(P0.05)降低作用,其中水稻黑炭的降低效果更为明显;分别施入60 g·kg-1玉米黑炭和20~60 g·kg-1水稻黑炭后,玉米植株地上部生物量均显著降低。施入60 g·kg-1玉米黑炭后根际土壤含水量和微生物量氮显著提高。随两种生物黑炭施入量的不断增加,玉米苗期根际土壤全氮、硝态氮含量以及固氮作用强度也显著增加,且均在60 g·kg-1施用量下达最大值。施用40 g·kg-1玉米黑炭可显著提高玉米苗期根际土壤氨态氮含量。同时,施用两种生物黑炭后,均不同程度地抑制了玉米根际土壤中细菌总体数量,促进了固氮菌和纤维素降解菌的生长,其中施入60 g·kg-1玉米黑炭的效果最为明显。综上,玉米和水稻秸秆生物黑炭的适量施用,可以促进玉米根际土壤氮素的循环转化,影响相关微生物的群落结构,且与水稻秸秆相比,玉米秸秆生物黑炭的施用效果更加明显。本文针对作物生长、土壤氮素形态及相关微生物数量3个方面研究生物黑炭施入土壤对氮有效性的影响,能够更全面、更准确地将生物黑炭如何影响土壤氮素转化展现出来,促进生物黑炭的深入开发利用,对黑土肥力保护具有一定意义。     

生物质炭对酸性土壤改良作用的研究进展

由于生物质炭在农业和环境中的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用,近期成为土壤学家和环境学家研究的热点。本文综述了生物质炭对热带和亚热带地区酸性土壤的改良作用及其机制,总结了生物质炭对土壤肥力和养分有效性及作物生长和产量的影响的研究进展,分析了该领域未来的发展趋势,可为酸性土壤改良和管理提供参考。     

施用生物炭对红壤性水稻土重金属钝化与土壤肥力的影响

通过田间小区试验,分析了不同用量的生物炭处理下(0,10,20,30,40 t/hm^2)0-17,17-29 cm土层土壤的理化性质、重金属钝化及酶活性的影响。采用IFI(土壤肥力综合质量指数)评价了土壤肥力状况。结果表明:施用生物炭可以改善红壤的理化性状,降低土壤容重,提高土壤的孔隙度、饱和含水量、pH、CEC、有机质、有效磷、铵态氮和全氮及DOC含量;同时提高土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性。土壤有效态Cd和Pb含量均随生物炭施用量的增加而减少;而有效态As含量则随生物炭施用量的增加呈先增后减的趋势,三者均在生物炭施用量为40 t/hm^2时为最小值。利用IFI对土壤肥力综合质量进行评价可知,在不同生物炭用量条件下土壤肥力综合质量指数依次为A30>A40>A20>A10>CK,相应的土壤肥力综合质量指数分别为0.64,0.62,0.57,0.47,0.44。评价结果表明在生物炭施用量为30 t/hm^2时,红壤的肥力改良效果最佳。因此,采用适量的生物炭可修复重金属对红壤性水稻土的污染,并改善土壤肥力状况。     

农艺措施对土壤可溶性有机质的影响研究进展

土壤可溶性有机质(DOM)是土壤有机物中的高活性组分，在土壤养分的生物地球化学循环、重金属和有机污染物的迁移转化、土壤矿物质的活化及土壤肥力的保持等过程中发挥着重要作用。农艺措施可通过内外源同步作用显著影响土壤DOM的含量、组分及性质，本文综述了近年来相关研究中不同农艺措施下土壤DOM的变化，总结了不同耕作管理、种植制度、施肥措施以及新型土壤改良剂等对土壤DOM的影响。分析表明，免耕加秸秆覆盖方式可显著提高土壤DOM含量，与单一耕作相比轮作可提升土壤DOM含量，绿肥配施有机肥较单一化肥施用可显著改善土壤DOM的组成和结构，合理调控热解炭和水热炭等土壤调理剂的施用时间、施用量、C/N等性质可优化土壤DOM结构和性能。本综述分析了农艺措施对土壤DOM的影响效果及作用途径，指出了当前的研究热点和难点，并对未来研究方向进行了展望，可为今后合理的农艺措施管理和土壤健康调控提供科学指导。     

生物质炭对土壤有机质活性的影响

为了解施用生物质炭对土壤碳组分的潜在影响,通过室内2年盆栽培养试验研究施用不同用量生物质炭对土壤有机碳积累、有机碳稳定性、微生物量碳和水溶性有机碳的影响,并与施用等碳量的小麦秸秆、酸洗生物质炭(去除生物质炭中的速效养分)及同时施用小麦秸秆与生物质炭的处理进行比较。结果表明,施用生物质炭可显著提高土壤有机碳的积累,增加土壤有机碳的氧化稳定性,降低土壤水溶性有机碳。施用生物质可在短时间内增加微生物量碳,但随着培养时间的增加,其微生物量碳逐渐下降,最终明显低于对照土壤(不施有机物料的处理)。土壤水溶性有机碳的下降可能与生物质炭对其吸附固定有关,而短时间内激发微生物量碳增加可能与施入生物质炭增加了土壤有效养分、改善土壤微生物生长环境有关。研究结果认为,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。     

Manure application followed by biochar application increases plant production regardless of soil dehydrogenase activity

Biochar is obtained by the pyrolysis of biomass, and contains abundant carbon and minerals. Biochar supplementation of soils can greatly improve soil health and quality, but these beneficial effects typically develop slowly over time. Depending on the quality of the biochar and the soil to which it is applied, it may take years before positive effects are apparent. This is because organic substances are slowly sorbed onto the biochar over time, and the biochar eventually becomes part of the sorption complex of the soil. It is therefore advisable to apply biochar together with some organic material. We examined the effect of co-application of different doses of biochar with manure on soil dehydrogenase activity (DHA), soil oxidizable carbon (COX), cumulative soil respiration, soil buffering capacity, the soil exchange reaction (pH/KCl) and the production yield of winter rape seeds. We also determined seed production when artificial granular fertilizers were added to biochar and manure. The results showed that the application of biochar and manure significantly increased grain yield, DHA, the soil exchange reaction and cumulative respiration. Thus, application of biochar with organic material can increase seed yield and some properties of agricultural soils. However, the positive effect of biochar on seed yield was not directly proportional to biochar dose, in that the seed yield was lower for a biochar dose of 45 t/ha than 30 t/ha.     

生物炭对土壤钾素生物有效性影响的研究进展

土壤缺钾已成为影响作物产量和品质,限制我国农业可持续发展的重要因素之一,亟待深入开展如何提高土壤钾素生物有效性的相关研究。本文收集整理了近年来研究者比较感兴趣的生物炭对土壤肥力,特别是对土壤钾素生物有效性影响的相关资料,从生物炭影响土壤温度、水分、p H值、阳离子交换量、微生物生物量与活性、作物根系生长与活动等方面论述了生物炭影响土壤钾素生物有效性的可能机理,并提出了今后需要深入研究的方面。     

An overview on biochar production, its implications, and mechanisms of biochar-induced amelioration of soil and plant characteristics

The degradation of soil fertility and quality due to rapid industrialization and human activities has stimulated interest in the rehabilitation of low-fertility soils to sustainably improve crop yield. In this regard, biochar has emerged as an effective multi-beneficial additive that can be used as a medium for the amelioration of soil properties and plant growth. The current review highlights the methods and conditions for biochar production and the effects of pyrolysis temperature, feedstock type, and retention time on the physicochemical properties of biochar. We also discuss the impact of biochar as a soil amendment with respect to enhancing soil physical (e.g., surface area, porosity, ion exchange, and water-holding capacity) and chemical (e.g., pH, nutrient exchange,functional groups, and carbon sequestration) properties, improving the soil microbiome for increased plant nutrient uptake and growth, reducing greenhouse gas emissions, minimizing infectious diseases in plants, and facilitating the remediation of heavy metal-contaminated soils. The possible mechanisms for biochar-induced amelioration of soil and plant characteristics are also described, and we consider the challenges associated with biochar utilization. The findings discussed in this review support the feasibility of expending the application of biochar to improve degraded soils in industrial and saline-alkali regions, thereby increasing the usable amount of cultivated soil. Future research should include long-term field experiments and studies on biochar production and environmental risk management to optimize biochar performance for specific soil remediation purposes.     

生物炭的10年土壤培肥效应

大量短期的室内试验和田间试验研究表明,施用生物炭可以增加土壤碳固定,提升土壤肥力和作物产量,然而关于生物炭的长期土壤肥力效应尚不明确。为此,依托持续10年的生物炭的田间定位试验[4个处理:对照(CK)、生物炭4. 5 t·hm-2·年-1(B4. 5)、生物炭9 t·hm-2·年-1(B9. 0)、秸秆还田(SR)],研究了长期施用生物炭对土壤肥力状况的影响。结果显示,与对照相比,长期施用生物炭和秸秆还田对土壤p H值没有显著影响,但容重降低了2. 2%～8. 2%,施用生物炭的土壤电导率降低了1. 5%～7. 8%,而秸秆还田处理土壤电导率提高了4. 7%～13. 4%。施炭和秸秆还田使土壤有机质(SOM)含量增加57. 7%～123. 1%,总氮含量提高11. 3%～21. 9%,总磷没有显著性变化。不同处理土壤NH+4-N含量的差异不显著,而施用生物炭和秸秆还田土壤NO-3-N含量增加3. 8%～67. 1%,且高炭处理的效果显著。土壤有效磷含量显著降低了23. 1%～42. 0%,速效钾含量上升了2. 0%～23. 1%。总体而言,长期施用生物炭提升了土壤肥力,尤其是对土壤有机质的提升有显著的效果。