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生物炭对土壤微生物群的作用机制分析

时间:2016-10-31 来源:未知 作者:chunt 本文字数:12682字
  摘要

        生物炭是指由含碳量丰富的生物质( 如木材、家禽粪便和秸秆等) 在相对较低的温度(<700 ℃)和无氧或限氧的条件下热解炭化而得到的一类高度芳香化的难熔性固态高聚产物[1].由于生物炭在生物质能源生产、有机废弃物资源化、土壤改良、肥料创新和温室气体减排等方面具有重要意义,因此,生物炭在农业上的应用引起了国内研究者的广泛关注,成为近年来的研究热点之一[2].在前哥伦布时期,亚马逊盆地的居民就将木炭与粪肥、动物骨骼等混合,用于改良贫瘠土壤,至今的亚马逊黑土因含有木炭而具有较高的p H值及养分含量、丰富的微生物数量及微生物多样性[3].许多研究表明,生物炭不仅可以通过提高土壤p H值或阳离子交换量(CEC) 来增强土壤肥力[4],还可以通过改变土壤微生物群落组成[5]、丰度[6]及活性[7]来影响土壤养分循环[8]及结构[9].另外,由于生物炭具有较大的表面积、较高的p H值,表面带有大量的负电荷和含 氧 官 能 团,可 吸 附 铬、铜、镍、锌 等 金 属 离子[10-11]和有机污染物[12-13],有效地降低金属离子等污染物在环境中的迁移率,从而减小毒害作用。但是,鉴于不同生物炭的性质、施用量以及土壤质地和肥力等因素的差异,有关生物炭施用效果的研究结果并不一致,而且生物炭性质与土壤微生物之间的相互作用也缺乏系统分析。笔者结合国内外有关生物炭的最新研究进展,重点阐述生物炭对土壤微生物丰度、群落结构及活性的影响及其作用机制,并提出现阶段研究中存在的问题和未来研究的主要方向。
  
  1 生物炭的特性
  
  生物炭的组分可以粗略分为无定型碳、芳香族碳和灰分[14].生物炭中各部分碳含量与热解温度有关,当生物质在较低温度条件下热解时,只蒸发出部分物理吸附水、CO和CO2,这时产生的主要是无定形碳; 当温度升高后,碳原子晶格中的一些金属元素会挥发,其化学成分也因发生氧化还原而改变,此时产生的主要是芳香族碳[15].另外,由于生物炭的生产是有机物热解炭化的过程,其制备过程中必定会产生多环芳烃等有机污染物。研究表明,生物炭中多环芳烃含量与多环芳烃的种类、制备生物炭的原材料及生产条件密切相关[16-18].一般而言,随 着 热 解 温 度 的 升 高,多 环 芳 烃 含 量 会 降低[16-17].但也有研究发现,在400~500 ℃条件下制备的生物炭中,多环芳烃含量最高,而低于400 ℃或高于500 ℃条件下制备的生物炭,多环芳烃含量会显着下降[18].灰分是热解时产生的矿物质,包括基本的大量和微量元素,其所占比例随热解温度的升高而增加[19].此外,生物炭的p H值及导电性主要由灰分含量和组分决定,所以生物炭的p H值及导电性也随着热解温度的升高而增加( 表1)。 生物炭的基本特征取决于生物质材料及热解温度。一般而言,木本植物生物炭含碳量较高,矿质养分含量低; 而厩肥及秸秆生物炭含碳量较低,矿质养分含量较高[20].与低温热解形成的生物炭相比,高温热解形成的生物炭中碳、磷、钾、钙含量较高,而H/C、O / C、(N+O)/ C比值及水溶性有机碳(DOC) 含量较低[19,21].生物炭的养分有效性与相关元素的状态有关[22].有效磷主要存在于灰分中,并受p H值和螯合物质的影响; 生物炭中的钾大部分可被植物利用,有效氮却因生物质材料及生产条件的不同而差异很大。研究表明,生物炭中有效氮含量很低[20],且大部分以杂环结构存在于生物炭表面[23].另外,生物炭的多孔性、巨大的表面积、丰富的羧基及高电荷密度使生物炭具有较强吸附能力和较大的离子交换量[24].
  
  不同生物质材料及温度条件生产的生物炭的理化性质[14]
  
  2 生物炭对土壤微生物丰度、多样性和活性的影响
  
  土壤微生物作为生态系统的重要组成部分,其群落健康和多样性对土壤功能和生态系统服务非常重要,而这些反过来又会影响土壤的结构和稳定性、通透性、持水性及养分循环,并对碳储存及植物的抗病性产生有益影响。生物炭作为一种新型的土壤改良剂,能改善土壤微生物群落结构,促进有益微生物的生长,增强土壤微生物活性。
  
  2. 1生物炭对土壤微生物丰度的影响
  
  生物炭具有特殊的结构特性和功能,使其能促进大部分土壤微生物的生长。MAKOTO等[25]研究发现,生物炭可以使外生菌根菌在落叶松的根际定殖率增加19% ~ 157%.SOLAIMAN等[26]也发现同样的现象,当在小麦田施用0. 6 ~ 6 t·hm-2木质生物炭2 a后,丛枝菌根菌在小麦根际的定殖率增加20% ~ 40%.也有研究发现,添加生物炭后丛枝菌根菌丰度下降[27].WARNOCK等[28]认为原因可能包括: 植物所需的有效养分( 如有效磷) 和水分含量增加,从而使其对菌根菌的共生需要减少; 土壤性能的改变; 高含量矿质元素或抑制真菌生长的有机化合物( 如高盐、重金属等) 对真菌具有消极影响;有机养分的结合或有机碳的吸附对有效养分产生消极影响。
  
  生物炭对土壤细菌和放线菌也具有显着影响,且不同土壤类型和微生物种类对生物炭的反应各不相同。CHEN等[29]利用RT-PCR技术,分别对江西、湖南和四川的稻田土壤微生物种群进行检测,发现生物炭使3个省稻田土壤中细菌16S rRNA基因拷贝数分别增加45%、37%和60%.ANDERSON等[30]通过T-RFLP方法研究农业土壤中微生物,发现添加生物炭的土壤中,生丝微菌、链孢囊菌、根瘤菌和高温单胞菌丰度分别增加8%、14%、6%和8%,而微单胞菌和链霉菌丰度分别下降7%和11%.
  
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