由于不合理的利用或受外界污染等因素的影响, 我国部分农用地土壤肥力逐渐下降, 使得农作物生长缓慢、产量和品质也逐渐降低。如何提高土壤肥力, 成为农业和环境领域亟待解决的重要问题。研究表明, 在无氧或缺氧条件下热解炭化而成的富碳物质——生物炭, 不仅能够改良土壤理化性质, 如提高 pH, 增大孔隙度, 增强保水性, 减小土壤容重等; 而且由于其富含氮、磷、钾等营养元素, 还可提高土壤肥力, 有效恢复退化土壤, 被认为是替代工业肥料的新一代绿色产品。同时, 生物炭具有比表面积大、电子交换能力强、多孔隙等特点, 对土壤污染物能起到吸附、固定以及催化降解的作用, 被誉为最具前景的土壤改良剂之一。微生物是土壤生态系统的重要组成部分, 是土壤中最活跃的组分之一, 主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类、原生动物和病毒。土壤微生物的生长代谢活动在维持土壤生物活性、土壤肥力形成、养分循环等过程中发挥着重要作用。自生物炭进入农业生产应用以来, 不断有研究表明, 生物炭不仅能够改善土壤微生物的生存环境, 提高土壤微生物代谢活动的强度、增加群落丰度及多样性, 还能参与微生物的胞外电子传递过程。但也有学者表示, 生物炭高温裂解过程中产生的多环芳烃、挥发性有机物和环境持久性自由基, 以及生物质本身含有的重金属也会随生物炭的施用进入土壤, 对土壤微生物产生毒害作用。因此, 深入研究生物炭对土壤微生物的影响机制将有利于正确评估生物炭对土壤的正面效应及潜在风险。

生物炭对土壤pH的改变

由于大部分细胞内部的DNA、ATP等对酸性敏感, 而RNA和磷脂等对碱性敏感, 过酸过碱都易损害细胞的生长, 因此中性pH环境能更好地维持微生物细胞稳定, 有利于微生物的生长代谢, 且在中性至弱碱性(pH7.2~7.6)时微生物的呼吸酶、蛋白酶、过氧化氢酶等维持微生物生长代谢的酶活性可达最高。研究表明, 生物炭 pH 通常为8.0~13.0, 其施用可显著提高酸性土壤的 pH, 有利于微生物的生长。例如, 在桉树林施用50t?hm?2的高比例桉树生物炭, 土壤 pH从4.0增加为4.8,土壤微生物总量提高了21.63%; 在酸性红壤中施用5t?hm?2的竹叶生物炭, 土壤pH值从5.7增加到6.4, 丰富了土壤中固氮菌和硝化菌的多样性。热解温度是影响生物炭pH的重要因素, 一般情况下, 热解温度越高, 生物炭中的挥发性物质含量越低, 酸性官能团越少, 含有盐碱离子的灰分增加, 使得生物炭的pH升高。如施用550℃桉树木生物炭使得南方酸性红壤pH由4.04提高至6.12, 而300℃和350℃生物炭仅使其pH分别增加了0.18和0.27, 高温生物炭对红壤pH的大幅度提升使得土壤中固氮菌的丰度和多样性也显著提高, 而低温生物炭对pH的微弱改变对固氮菌群落影响不明显。因此, 针对酸性土壤, 施用高温(500 ℃以上)生物炭可有效提高土壤pH, 为土壤微生物的生长提供良好的环境。