DOI: 10.12357/cjea.20230026
冉继伟, 齐昕, 武栋, 黄敏, 蔡泽江, 黄亚萍, 张文菊. 施用生物炭对土壤养分有效性和离子交换性能影响的整合分析[J].
中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(9): 1449?1459
RAN J W, QI X, WU D, HUANG M, CAI Z J, HUANG Y P, ZHANG W J. Impacts of biochar application on soil nutrient availabil-
ity and exchangeable based cations: a meta-analysis[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(9): 1449?1459
施用生物炭对土壤养分有效性和离子交换性能影响的
整合分析
冉继伟1,2, 齐 昕3, 武 栋1, 黄 敏2, 蔡泽江1,4, 黄亚萍1, 张文菊1
(1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室/北方干旱半干旱耕地高效利用
全国重点实验室 北京 100081; 2. 武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉 430070; 3. 中国农业大学土地科学与技术
学院 北京 100083; 4. 中国农业科学院衡阳红壤实验站 祁阳 426182)
摘 要: 为准确评估施用生物炭对土壤养分有效性及交换性盐基离子的影响, 通过收集2000—2020年发表的文献,
获得不施生物炭(空白无添加)和单施生物炭648组匹配数据、不施生物炭和生物炭配施化肥430组匹配数据。采
用数据整合分析(Meta-analysis)方法, 分析了不同方式施用生物炭对土壤氮磷含量(总氮、NH4+-N、NO3–-N、Olsen-
P)、交换性盐基离子(K+、Ca2+、Na+和Mg2+)及阳离子交换量(CEC)的影响。结果显示: 施用生物炭(单施或与化
肥配施)土壤氮磷含量增加14.0%~128.1%、盐基离子含量增加22.5%~270.2%。对不同方式施用生物炭的效果比
较可知, 生物炭与化肥配施对土壤养分的提升效果更加显著, 单施生物炭对土壤盐基离子提升效果更高。进一步分
析显示, 当生物炭原料pH≥8时, 单施生物炭显著增加土壤Olsen-P含量达10.3%~58.5%; 制备温度>500 ℃时, 单
施生物炭对土壤盐基离子含量的增加幅度为33.9%~384.7%; 生物炭施用量<10 t?hm?2时, 生物炭与化肥配施对土壤
Olsen-P含量增加幅度(374.1%)高于单施生物炭(2.1%); 在pH<6.5土壤施用生物炭提高土壤氮磷及交换性钙含量,
其中单施生物炭土壤Olsen-P含量和CEC的增幅分别达45.0%和17.9%。因此, 施用生物炭能有效改善土壤养分
有效性和离子交换性能, 降低环境风险。实际应用中需要根据不同目的选择生物炭单施或配施化肥, 同时综合生物
炭特性、施用量和土壤属性条件, 有效利用生物炭提升土壤肥力是未来农业高质量发展的重点方向。
关键词: 生物炭; 土壤养分有效性; 交换性盐基离子; Meta分析
中图分类号: S156开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Impacts of biochar application on soil nutrient availability and exchangeable
based cations: a meta-analysis
RAN Jiwei1,2, QI Xin3, WU Dong1, HUANG Min2, CAI Zejiang1,4, HUANG Yaping1, ZHANG Wenju1
(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Cultivated
Land Quality Monitoring and Evaluation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid
and Semi-Arid Arable Land in Northern China, Beijing 100081, China; 2. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan Uni-
versity of Technology, Wuhan 430070, China; 3. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100083,
China; 4. Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences in Hengyang, Qiyang 426182, China)
新疆维吾尔自治区重大科技专项项目(2022A02007-1)和国家重点研发计划项目(2021YFD1901201)资助
通信作者: 黄亚萍, 主要研究方向为农田养分循环。E-mail: huangyaping@caas.cn
冉继伟, 研究方向为土壤改良。E-mail: ranjiwei@163.com
收稿日期: 2023-01-11 接受日期: 2023-03-31
This study was supported by the Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region (2022A02007-1) and the
National Key Research and Development Program of China (2021YFD1901201).
Corresponding author, E-mail: huangyaping@caas.cn
Received Jan. 11, 2023; accepted Mar. 31, 2023
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年9月 ?第?31?卷 ?第?9?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Sep.?2023,?31(9):?1449?1459
http://www.ecoagri.ac.cn
Abstract: In order to accurately assess the effects of biochar application on soil nutrient availability and exchangeable based cations,
a total of 2000?2020 published literature was collected to obtain 648 matched data for no biochar application (blank or no addition)
and single biochar application, and 430 matched data for no biochar application and biochar co-application with fertilizer. A meta-
analysis was performed to quantify the effects of different biochar applications on soil N and P availability (total N, NH4+-N, NO3–-N,
Olsen-P), salt-based ions contents (K+, Ca2+, Na+, and Mg2+), and cation exchange capacity (CEC). Results showed that the applica-
tion of biochar (alone or combined with chemical fertilizers) significantly increased soil N and P content by 14.0%?128.1%, and salt-
based ions contents by 22.5%?270.2%, respectively. By comparing the effects of different biochar application, it was found that the
increasing of soil N and P availability in chemical fertilizer combination treatment was higher than that in biochar application alone,
while the increasing of salt-based ions contents in biochar application alone was higher than that in chemical fertilizer combination.
Further analysis showed that when the pH of biochar was higher than 8, the application of biochar alone significantly increased soil
Olsen-P content by 10.3%?58.5%. When the biochar pyrolysis temperature was higher than 500℃, the application of biochar alone
increased the soil salt-based ions contents by 33.9%?384.7%. When the application rate of biochar was less than 10 t?hm?2, soil Olsen-
P content increased higher under biochar combined with chemical fertilizer (374.1%) than that of biochar application alone (2.1%). In
addition, applying biochar to soil with pH<6.5 could effectively increase soil N, P and Ca2+ contents, with Olsen-P content and CEC
increased by 45.0% and 17.9%, respectively, under biochar application alone. Therefore, the application of biochar could effectively
improve soil nutrient availability and ion exchange properties, and reducing environmental risks. In practical applications, biochar can
be applied alone or in combination with fertilizer depending on the specific aims. Taking into account the characteristics of biochar,
application rate, and soil conditions, the effective use of biochar to improve soil fertility will be the priority direction of the high-quality
agricultural development in the future.
Keywords: Biochar; Soil nitrient availability; Soil exchangeable based cations; Meta-analysis
生物炭是农业废弃物(如作物秸秆、壳渣、木
材和粪肥等)在缺氧条件下燃烧后的固体残留物, 通
常呈碱性[1]。生物炭一般主要由芳香烃、单质碳或
具有类石墨结构的碳组成, 碳含量可达到50%以上,
通常具备较大的比表面积、丰富的孔隙结构和表面
官能团[2]。研究结果显示, 施用适量的生物炭能够改
善土壤结构和养分状况、促进作物生长和产量提升[3]。
近年来, 大量研究集中在施用生物炭对土壤理
化性质方面的影响, 但是由于施入农田系统的生物
炭受原料类型、施用时间、土壤类型等因素影响,
导致研究结果存在差异[4-6]。例如, 施用棉秆生物炭
能够促进沙壤土大团聚体的形成和稳定性[7]; 施用玉
米秸秆生物炭提高潮土有效磷(Olsen-P)和速效钾
(AK)含量, 增幅分别为7.5%~20.6%和5.53%~14.9%[8];
稻壳生物炭配施化肥显著提升土壤Olsen-P含量达
18.0%[9]。施用生物炭1年后, 土壤硝态氮(NO3–-N)的
含量降低36.7%, 而施用2年后则显著提高10.0%[10];
连续5年施用生物炭, 棕壤全磷以及Olsen-P含量显
著提高[11]。除了生物炭原料、施用时间会影响土壤
养分有效性以外, 不同土壤pH环境可能通过影响土
壤碳氮矿化相关过程改变生物炭添加对土壤养分含
量及有效性的影响[12-13]。酸性土壤条件下, 施用生物
炭显著降低土壤铵态氮(NH4+-N)和NO3–-N的含量
分别达71.2%和81.5%[14]; 但也有研究表明施用生物
炭能显著提升土壤总氮、Olsen-P及速效钾含量[15]。
因此, 基于早期的田间试验或者室内培养试验结果
表明, 生物炭应用的适宜性可能是非单一因素影响
而是受多种因素共同作用, 需进一步将其影响因素
进行分类和整理分析。
土壤交换性盐基离子(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)对
维持土壤养分和缓冲性能起关键作用, 阳离子交换
量(CEC)是评价土壤保肥能力的重要指标。由于生
物炭含有大量的碱金属离子和丰富的阴阳离子交换
位点, 农田施用后会显著改变盐基离子含量; 另一方
面, 由农作物秸秆和渣壳制备而成生物质炭含有大
量盐基离子, 施用后通过与土壤表面交换位点上的
H+、Al3+发生置换反应, 会进一步富集土壤交换性盐
基离子[16-17]。李九玉等[18]研究表明, 红壤施用秸秆炭
显著增加土壤交换性盐基阳离子、有效阳离子交换
量和盐基饱和度, 其中油菜秸秆炭对Ca2+的增幅最大、
花生秸秆炭对Mg2+增幅最高。Uzoma等[19]的研究表
明, 不同用量生物炭对Ca2+的影响存在差异, 其中施
用20.0 t?hm?2生 物 炭 增 幅 效 果 可 显 著 达 到65.8%。
王世斌等[16]针对盐碱土的研究表明, 连续3年施用
生物炭均能有效降低土壤水溶性Na+含量, 减轻土壤
盐碱化程度, 其中每年施用10.0 t?hm?2处理效果最优。
除了单施生物炭, 郭春雷等[17]研究表明生物炭配施
化肥能显著提高棕壤土壤交换性Ca2+、Mg2+和K+含
量、而对Na+含量无显著影响。另外, 制备生物炭的
热解温度会影响生物炭的孔隙结构, 改变生物炭比
表面积, 进而决定土壤盐基离子含量。季雅岚等[20]
研究表明, 生物质炭的酸碱度和盐基离子含量受热
解温度和制备原料不同呈现差异性, 其中500 ℃下
制备的生物质炭对改良盐基不饱和酸性土壤效果更
1450 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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好。尽管这些研究都聚焦了施用生物炭对离子交换
性能的影响, 但随着生物质炭设备工艺的发展和农
田管理措施的改变, 还需综合分析实际地域环境条
件下施用生物炭的效果及影响因素。
综上所述, 随着生物炭应用研究的不断深入, 为
了更加准确评估施用生物炭对土壤养分有效性及交
换性能的影响, 本研究通过数据整合分析(Meta-ana-
lysis)方法, 针对生物炭原料类型、施用时间和土壤
属性等方面, 重点区分单施生物炭和生物炭与化肥
配施效果, 明确影响其使用效果的主要因素, 以期为
生物炭的选择性应用, 以及农业生态系统中作物生
长和粮食增产提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 数据来源
本研究数据来源于中国知网、万方和Web of
Science文献数据库。检索关键词分别为“生物炭”或
“生物质炭”或“生物焦”或“半焦” “土壤”和“全氮”或
“有效氮”或“有效磷”或“阳离子交换量”或“盐基离
子”, 检索时间为2000年至2020年。筛选文献的基
本要求包括: 1)同一试验须包含配对的对照组和处
理组, 对照组为不施用生物炭处理, 处理组分为单独
施用生物炭, 或生物炭与化肥配施处理; 2)试验处理
重复数大于或等于3次[21]。
数据收集内容主要包括: 单施生物炭处理、生
物炭配施化肥处理、生物炭性质、生物炭施用时间、
生 物 炭 施 用 量 和 土 壤 理 化 性 质[ 全 氮(TN)、 全 磷
(TP)、全钾(TK)、NH4+-N、NO3–-N、Olsen-P、AK、
CEC和盐基离子 ], 还包括每个试验点对应的质地和
土壤pH等, 其中土壤质地分为黏土、壤土和砂土,
土壤pH分为酸性(pH<6.5)、中性(6.5≤pH≤7.5)和
碱性(pH>7.5)。土壤pH的测定统一为水浸提测定
结果, 如果采用CaCl2溶液法则通过公式进行换算,
即pH(H2O)=1.65+0.86×pH(CaCl2)[22]。数据收集过程
中, 以图形式展示的数据利用GetData Graph Digit-
izer 2.24软件获得。最终共计143篇有效文献, 获得
不施生物炭和单施生物炭648组匹配数据、不施生
物炭和生物炭配施化肥430组匹配数据。
结合搜集数据和已发表文献将影响生物炭施用
效果的因素进行分类[23-25]。其中, 将生物炭原材料分
为3种类型: 秸秆类(花生秸秆、玉米秸秆和小麦秸
秆等), 壳渣(核桃壳、花生壳和甘蔗渣等)以及木材
类(树皮、木片和树干等); 生物炭pH分为4个水平:
<8、8~9、9~10和≥10; 生物炭热解温度分为3个水
平: ≤400 ℃、400~500 ℃和>500 ℃; 生物炭碳氮比
值(C/N)划分为3个水平: <50、50~100和>100; 生物
炭阳离子交换量分为3个水平: <20 cmol?kg?1、20~
50 cmol?kg?1和>50 cmol?kg?1; 生物炭总施用量分为3
个水平: <10 t?hm?2、10~40 t?hm?2和≥40 t?hm?2; 施用
生物炭以后试验时间按年份分为3个水平: <1年、
1~2年和≥2年。
1.2 数据分析
本文所收集的数据均来自相对独立的研究, 可
以通过整合分析来判断施用生物炭和生物炭配施化
肥对土壤理化性质产生的正效应或负效应以及效应
大小[26]。主要利用Meta Win 2.1软件进行整合分析,
量化生物炭特性对土壤理化性质的影响程度。在检
验影响因子差异性时, 每组数据均包含平均值(mean,
M)、标准差(standard deviations, SD)和样本数(sam-
ples size, n)。如果文献中是标准误(standard errors,
SE)则根据下式进行换算:
SD=SE pn (1)
统计学指标采用合并计数资料响应比(response
ratio, RR)表示, 并计算其95%置信区间(95% CI), 其
中RR计算公式为:
RR= Ma=Mb (2)
式中: Ma表示处理组平均值, Mb表示对照组平均值。
分析过程中需将RR进行对数化, 采用自然对数
响应比(lnRR)反映不同生物炭特性对土壤理化性质
的影响程度并通过式(3)实现:
lnRR=ln
(M
a
Mb
)
=lnMa lnMb (3)
另外, 平均值的变异系数(V)、权重(Wij)、权重
响 应 比(RR++)、RR++的 标 准 误[S(RR++)]和95% CI
通过下式计算:
V =SD2a=(na M2a)+SD2b=(nb M2b) (4)
Wij =1=V (5)
RR++ =
m∑
i=1
ki∑
j=1
Wij RRij
/ m∑
i=1
ki∑
j=1
Wij (6)
S(RR++)=1
/0BBBB
BB@
m∑
i=1
ki∑
j=1
Wij
1C
CCCC
CA
1=2
(7)95%CI=RR
++ 1:96S(RR++) (8)
式中: SDa2和SDb2分别表示处理组和对照组的标准
差; na和nb分别表示处理组和对照组的样本数。数
据分析前, 数据库的各研究结果须进行异质性检验,
第 9 期 冉继伟等 : 施用生物炭对土壤养分有效性和离子交换性能影响的整合分析 1451
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eRR++
若P>0.1, 表明多个研究具有同质性, 此时选择固定
效应模型进行分析(fixed effect model, FEM); 若P≤
0.1, 则多个研究不具有同质性, 此时选择随机效应模
型(random effect model, REM)。效应值的标准差越
小, 分配的权重越大, 权重响应比及其95% CI可以
通过( ?1)×100%来转化。如果95% CI包含零值
表明该变量中处理与对照没有显著差异(P>0.05)[27]。
2 结果与分析
2.1 不同方式施用生物炭对土壤养分有效性和离子
交换性能的影响
施用生物炭增加土壤养分有效性和盐基离子含
量(图1)。与不施生物炭相比, 单施生物炭土壤TN、
TP、TK、Olsen-P和AK含量显著增加14.0%~43.0%,
生物炭与化肥配施增加24.4%~128.1%。施用生物炭
对盐基离子含量的增加幅度为22.5%~270.2%, 其中
单 施 生 物 炭 显 著 增 加30.1%~270.2%, 包 括K+含 量
270.2%、Na+含量43.8%、Ca2+含量30.1%和Mg2+含
量84.7%, 但是生物炭和生物炭与化肥配施处理间并
无显著差异。同时, 单施生物炭显著增加CEC达
8.2%, 而生物炭与化肥配施CEC仅增加4.6%。因此,
生物炭与化肥配施土壤氮磷有效性的增加效果较好,
而单施生物炭对土壤盐基离子和CEC的增加效果较
好。施用生物炭(单施或与化肥配施)显著增加了土
壤氮磷钾含量为14.0%~128.1%、土壤盐基离子含量
为22.5%~270.2%。
TN
TP
TK
NH4+-N
NO3?-N
Olsen-P
AK
K+
Na+
Ca2+
Mg2+
CEC
(226)
(34)
(38)
(140)
(73)
(93)
(38)
(135)
(112)
(155)
(141)
(114)
(85)
(27)
(55)
(35)
(52)
(37)
(65)
(54)
(65)
(65)
(31)
0 40 80 120 280 320
权重响应比 Effect size (%)
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
图 1 生物炭单施和与化肥配施对土壤养分有效性和盐基离子含量的影响
Fig. 1 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability and salt-based
ions contents
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。TN: 总氮; TP: 总磷; TK: 总钾; Olsen-P: 有效磷; AK: 有效钾; CEC: 阳离子交换量。
Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence interval (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means signific-
ant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of
biochar combined with chemical fertilizers (right). TN: total N; TP: total P; TK: total K; Olsen-P: available phosphorus; AK: available K; CEC: cation exchange
capacity.
2.2 施用不同特性生物炭对土壤氮磷有效性和离子
交换性能的影响
施用不同特性的生物炭对土壤养分有效性的影
响存在差异(图2)。单施壳渣类生物炭, 土壤TN和
NO3–-N增加31.6%和15.4%, Olsen-P含量增加33.0%;
秸秆类(木材类)生物炭配施化肥对NH4+-N和Olsen-
P含量的增加幅度是单施生物炭的5.6 (10.6)倍和
2.2 (2.8)倍。同时, 与不施用生物炭相比, 当生物炭
pH为8~9、9~10和≥10时, 单施生物炭对土壤Olsen-P
含量的增加幅度分别为27.4%、58.5%和10.3%。
当制备温度≤400℃时, 与不施生物炭相比, 单
施生物炭显著增加23.6%的土壤TN含量和39.8%
的Olsen-P含量; 制备温度在400~500 ℃时, 生物炭
与化肥配施对土壤NH4+-N和Olsen-P含量的增加显
著高于单施生物炭, 分别为81.8%和106.6%; 当制备
温度>500 ℃时, 单施生物炭对土壤Olsen-P的影响
无显著差异。
当生物炭C/N<50时, 单施生物炭有利于土壤
TN增加, 同时配施化肥后对NH4+-N的增加幅度是
单施生物炭的28.8倍; 当生物炭C/N>100时, 单施生
物炭对土壤Olsen-P含量的影响无显著差异。另外,
单施生物炭CEC值的增加有助于促进土壤NH4+-N
1452 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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和Olsen-P含量的提升。
土壤盐基离子和CEC的变化受生物炭特性和施
用方式影响(图3)。相较于单施秸秆类生物炭, 生物
炭与化肥配施降低了土壤交换性K+和Na+含量, 而木
材类生物炭对土壤交换性Mg2+含量的增加效果低于
壳渣类和秸秆类生物炭; 另外, 施用木材类生物炭和
秸秆类生物炭可分别增加土壤CEC达21.7%和14.8%。
生物炭pH的增加有助于土壤CEC增加, 与不施生
物炭相比, 当生物炭pH在<8、8~9、9~10和≥10范
围时单施时可有助于土壤CEC分别增加7.4%、10.8%、
16.8%和24.0%。随着制备温度的升高, 生物炭对土
壤盐基离子的增加效果有所降低, 当制备温度>500 ℃
a壳渣类Shell residue
秸秆类 Straw
木材类 Wood
<8
8~9
9~10
≥10
≤400
400~500
>500
<50
<20
50~100
>100
>50
20~50
制备原料Raw materials
原料
pH pH
制备温度Pyrolysis
temperature (
℃
)
原料
C/N
比
C∶
N ratio
原料
CEC CEC
?20 0 20 40 60
权重响应比 Effect size (%)
b
?50 0 50 100 150
c
?40?80 0 40 80 120160
d
?40 40 120 200
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
图 2 生物炭单施和与化肥配施条件下生物炭特征对土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3?-N (c)和Olsen-P (d)含量 ] 的影响
Fig. 2 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of
total nitrogen; b: content of NH4+-N; c: content of NO3?-N; d: content of Olsen-P) under different biochar properties
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。CEC: 阳离子交换量。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and
95% confidence interval (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in
parentheses represent the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right). CEC: cation ex-
change capacity.
a壳渣类Shell residue
秸秆类 Straw
木材类 Wood
<8
8~9
9~10
≥10
≤400
400~500
>500
<50
<20
50~100
>100
>50
20~50
制备原料Raw materials
原料
pH pH
制备温度Pyrolysis
temperature (
℃
)
原料
C/N
比
C∶
N ratio
原料
CEC CEC
?200 0 200 400 600 800
权重响应比 Effect size (%)
b
?50 50 150
c
?40 0 40 80 120
d
?60 0 60 120 180 240
e
0 10 20 30 40
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
图 3 生物炭单施和与化肥配施条件下生物炭特征对土壤盐基离子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+ (c)和Mg2+ (d)] 含量和阳离子交换
量(CEC) (e)的影响
Fig. 3 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+; b: Na+; c: Ca2+;
d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC, e) under different biochar properties
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence inter-
val (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent
the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right).
第 9 期 冉继伟等 : 施用生物炭对土壤养分有效性和离子交换性能影响的整合分析 1453
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时, 土壤盐基离子含量提高幅度为33.9%~384.7%。
单 施 生 物 炭 对 土 壤CEC的 增 加 效 果 随 着 生 物 炭
C/N值 的 增 加 逐 渐 降 低, 其 中 生 物 炭 原 料C/N值
>100时, 土壤 CEC增加幅度是C/N值<50的46.3%。
随着生物炭CEC值的增加, 单施生物炭土壤CEC的
增加幅度有所降低, 生物炭CEC值为20~50 cmol?kg?1
时, 增加幅度为29.6%。
2.3 生物炭施用量及施用时间对土壤氮磷有效性和
离子交换性能的影响
生物炭施用量和施用时间是影响土壤养分有效
性的重要因素。分析结果表明, 土壤TN和Olsen-P
含量随着生物炭施用量的增加而增加(图4)。其中
当 施 用 量 为≥40 t?hm?2时, TN增 加 幅 度 达 到 最 高
29.8%; 当施用量为10~40 t?hm?2和≥40 t?hm?2时, 单
施生物炭可显著增加35.7%和37.5%的土壤Olsen-
P含量。另一方面, 随着生物炭施用时间的延长, 土
壤NO3?-N含量增加幅度逐年降低; 而NH4+-N含量
表现为: 施用时间≤1 a时显著增加10.6%、施用时
间≥2.0 a时较不施用生物炭处理降低12.2%。
从图5可知, 当生物炭施用量为10~40 t?hm?2时,
与不施生物炭相比, 单施生物炭对盐基离子含量的
增加幅度高于生物炭与化肥配施, 同时单施生物炭
a
<10
<1
10~40
≥2
1~2
施用量
Application rate
(t?hm
?2
)
施用时间
Application time
(a)
0 2010 30 40 50
权重响应比 Effect size (%)
b
?80 0 80 160 240
c
0 80 160
d
800 160 240 320
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
≥40
图 4 生物炭单施和与化肥配施条件下生物炭施用量和施用时间对土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3?-N (c)和Olsen-P
(d)含量 ] 的影响
Fig. 4 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of
total nitrogen; b: content of NH4+-N; c: content of NO3?-N; d: content of Olsen-P) under different application rates and applic-
ation times
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence inter-
val (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent
the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right).
a
<10
<1
10~40
≥40
≥2
1~2
施用量(t?hm
?2
)
施用时间
Application time
(a)
0?200 200 400 600
权重响应比 Effect size (%)
b
?60 0 60 180120 240
c
0 40 80
d
400 80 120 160
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
e
100 20 30 40
Appl
ication ra
te
图 5 生物炭单施和与化肥配施条件下生物炭施用量和施用时间对土壤盐基离子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和
阳离子交换量(CEC) (e)的影响
Fig. 5 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+; b: Na+; c: Ca2+;
d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC, e) under different amendment rates and application times
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence inter-
val (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent
the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right).
1454 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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对土壤CEC的增幅最大(19.4%)。随着生物炭施用
时间的延长, 土壤盐基离子含量增加幅度逐渐降低。
施用1 a内, 单施生物炭增加土壤交换性Ca2+和Mg2+
含量分别达35.7%和109.0%, 同时增加17.3%的土
壤CEC。当生物炭施用时间≥2.0 a时, 单施生物炭
对土壤CEC的增加幅度为23.0%; 而当施用年限<1 a
和≥2 a时, 单施生物炭对土壤CEC的增加幅度是生
物炭配施化肥的6.6倍和3.8倍。
2.4 土壤属性对土壤氮磷有效性和离子交换性能的
影响
土壤质地是土壤稳定的自然属性, 能够反映母
质来源及成土过程。与不施生物炭相比, 砂质土壤
单施生物炭能显著增加28.1%的土壤TN含量, 远高
于壤质土壤(11.4%)(图6)。土壤pH>7.5的环境中,
单施生物炭显著增加了NO3–-N含量, 增加幅度为
15.1%; 当土壤pH<6.5时, 单施生物炭显著增加了土
壤Olsen-P含量, 增加幅度为45.0%。生物炭与化肥
配施对土壤Olsen-P含量的增加随着土壤pH值的增
加而降低, 当土壤pH<6.5时增加幅度达75.0%。
单 施 生 物 炭 对 砂 质 土 壤 能 提 升56.5%的 土 壤
CEC, 而单施生物炭对壤质土壤CEC提升幅度仅为
11.8% (图7)。在黏质和壤质土壤上, 单施生物炭对
土壤CEC的增加幅度是生物炭与化肥配施的2.8倍
和16.6倍。在pH<6.5的土壤上, 单施生物炭和生物
a黏土Clay soil
<6.5
壤土Loamy soil
砂土Sandy soil
>7.5
6.5~7.5
土壤质地Soil texture
土壤
pH
Soil pH
0 20 40 60
权重响应比 Effect size (%)
b
?40 40
c
0 24016080 320
d
0
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
160320120200
图 6 生物炭单施和与化肥配施条件下土壤质地和pH对土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3?-N (c)和Olsen-P (d)含量 ]
的影响
Fig. 6 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of total
nitrogen; b: content of NH4+-N; c: content of NO3?-N; d: content of Olsen-P) under different soil textures and soil pH
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence inter-
val (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent
the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right).
a黏土Clay soil
<6.5
壤土Loamy soil
砂土Sandy soil
>7.5
6.5~7.5
土壤质地Soil textures
土壤
pH
Soil pH
0 200 400 600
权重响应比 Effect size (%)
b
?160?80 0 16080 240
c
0 16080 240
d
400?40 80 120160
单施生物炭 Biochar applied alone
生物炭与化肥配施 Biochar combined with chemical fertilizers
e
200 40 60 80
图 7 生物炭单施和与化肥配施条件下土壤质地和pH对土壤盐基离子 [K+(a)、Na+ (b) 、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和阳离子交
换量(CEC) (e)的影响
Fig. 7 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+; b: Na+; c: Ca2+;
d: Mg2+) contetns and soil cation exchange capacity (CEC, e) under different soil textures and soil pH
点和误差线分别代表响应比和95%置信区间, 如果95%置信区间没有跨越零线, 表示处理与对照存在显著差异。括号内数值分别代表单独
施用生物炭样本数(左边)和生物质炭与化肥配施样本数(右边)。Dots with error bars denote the overall mean response ratio and 95% confidence inter-
val (CI), respectively. The 95% CI no across the zero line means significant difference between the treatment and control. The values in parentheses represent
the sample size of biochar applied alone (left) and the sample size of biochar combined with chemical fertilizers (right).
第 9 期 冉继伟等 : 施用生物炭对土壤养分有效性和离子交换性能影响的整合分析 1455
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炭配施化肥显著增加了土壤盐基离子含量, 其中, 土
壤中交换性K+含量增加幅度最大, 分别为311.4%和
180.7%。
3 讨论
由于生物炭价格低廉、材料易获取, 并且含有
较高的矿质养分, 探索其应用于土壤养分调理剂是
目前一个研究热点。本研究表明, 单施生物炭和生
物炭配施化肥均能显著增加土壤氮磷养分(除矿质
态氮)有效性, 这与前人的研究结果一致[25,28]。施用
生物炭对土壤养分有效性提升的主要原因可能与其
本身含有的矿质养分有关, 而化肥配施后由于额外
矿质养分的投入对土壤中氮磷钾养分含量的提升效
果更加显著[10]。分析显示, 单施生物炭显著增加了土
壤离子交换性能, 这与先前多数研究一致[29-30]。一方
面, 生物炭具有较大比表面积和较强吸附性能, 大量
的养分离子通过物理作用被截留在生物炭空隙中,
从而增加了对阳离子的吸附; 另一方面, 生物炭中含
有大量的盐基离子, 当施入土壤后生物炭表面被氧
化形成羰基和酚基等含氧的官能团, 从而增加了土
壤阳离子交换量和盐基离子含量吸附位点[2-3,29]。然
而, 生物炭配施化肥降低了土壤盐基离子含量和阳
离子交换量, 主要原因是化肥施入导致土壤酸化, 土
壤溶液中H+进入胶体, 导致交换性盐基离子发生置
换性淋溶而逐步减少, 从而降低了土壤胶体表面吸
附的可交换阳离子总量[31]。
生物炭特性对土壤养分有效性和盐基离子含量
具有重要影响[32-33]。生物炭含氮量为0.24%~6.80%,
生物炭单施或与化肥配施由于外源氮素的补充及其
强吸附性能有助于提高土壤氮素含量, 特别是配施
化学氮肥时生物炭吸附土壤中的NH4+-N同时削弱
硝化作用[34]。同时, 单施原材料pH≥8的生物炭对
土壤Olsen-P含量的增幅效果较好, 主要原因是: 相
较于中性和酸性生物炭, 碱性生物炭对土壤中吸附
磷的阳离子活性降低效果较好, 但生物炭pH过高对
土壤中磷的活性有所降低[35]。制备温度对不同方式
施用生物炭影响矿质态氮含量的差异可能与生物炭
电子接受能力有关, 低温热解的生物炭作为电子供
体能降低反硝化作用[35]。
随着生物炭制备温度的提高, 单施生物炭对土
壤Olsen-P无显著影响, 可能原因是生物炭对土壤可
溶性磷的吸附作用增强, 进而使得土壤中Olsen-P含
量降低[36-37]。另外, 施用木材生物炭增加了土壤CEC,
主要的原因可能是木材热解炭化后芳构化程度较高,
比表面积较大, 利于生物炭对土壤阳离子的吸附[38];
对于秸秆类生物炭而言, 土壤阳离子交换量与有机
质关系密切, 其中秸秆类生物炭对土壤有机质的增
加效果最好, 进而增加了土壤阳离子交换量[39]。制备
温度过高条件下, 生物炭对土壤盐基离子含量的增
加效果高于中温条件(400~500 ℃)制备的生物炭, 主
要原因可能是过高温度致使生物炭中挥发性物质挥
发, 导致钠、钙和镁等元素富集, 从而增加了土壤中
盐基离子含量[40]。
生物炭C/N和土壤pH是影响生物质炭改良土
壤的最主要因子[41]。结果表明, 当生物炭的C/N>100
时土壤Olsen-P含量并无显著变化, 主要原因可能是
生物炭中含有大量有机碳, 施入土壤后会产生激发
效应使得微生物磷需求增加[42-43]。在本研究中, 生物
炭CEC的增加对土壤CEC的影响呈先增加后缓慢
降低的趋势, 主要原因可能是高CEC的生物炭具有
较低的石灰值, 提高土壤pH的效果较低, 从而使土
壤ECE有所降低[44-45]。当生物炭CEC较低时, 单施
生物炭降低了土壤NH4+-N的含量; 随着生物炭ECE
的增加, 土壤NH4+-N含量显著增加。原因可能是生
物炭吸收土壤中H+的能力逐渐增强, 导致土壤pH的
增加, 进而使得土壤中NH4+-N含量的增加[46]。
生物炭施用量≥40 t?hm?2时, 土壤中Olsen-P含
量的增加幅度显著高于施低量的生物炭(<10 t?hm?2),
主要原因可能是生物炭是土壤磷的直接来源, 随着
施用量的增加, 生物炭中部分有机结合态磷化物会
被矿化释放, 导致输入土壤中的有效磷量增加[47-48]。
随着生物炭施用时间的延长, 土壤总氮含量逐渐增
加, 主要原因是生物炭氮含量较高, 并且能够促进微
生物将矿质态氮转化为有机氮, 增强土壤对氮素的
吸附, 减少氮素的流失, 导致土壤中总氮含量增加[48-49]。
当施用时间超过2 a时, 生物炭对土壤NH4+-N和盐
基离子含量的增加效果逐渐降低, 这主要是由于生
物炭具有较高的生物化学稳定性, 施用一段时间内
难以被降解, 对持续改善土壤理化性质的作用有
限[50-51]。本研究表明, 施用生物炭对土壤CEC的增
加效果在施用量为10~40 t?hm?2时最明显, 该结果与
Liang等[52]的研究结果一致。原因可能是超量生物
炭施入土壤后, 生物炭对土壤养分的固持能力有所
降低, 吸附土壤阳离子能力下降[53]。黄超等[54]研究
发现, 生物炭施用时间超过2 a时, 生物炭芳香结构
边缘逐渐氧化, 形成碳基、酚基等官能团, 从而增加
了阳离子的吸附, 导致旱地红壤中CEC显著增加。
土壤质地和酸碱度也是影响施用生物炭条件下
1456 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
土壤化学性质变化的重要因素。分析结果显示, 砂
质和黏质土壤中单施生物炭对土壤总氮含量和CEC
的增加幅度显著高于壤质土壤, 主要原因可能是砂
质土壤结构较为松散, 生物炭易于进入土壤, 充分利
用生物炭表面的官能团和比表面积, 其中生物炭吸
附更多养分离子, 避免养分的流失[46,55]。针对不同
pH土壤的分析结果表明, 土壤pH>7.5时单施生物炭
显著增加了土壤NO3–-N含量, 其原因可能是土壤硝
化作用受到土壤pH的影响, pH越高硝化速率越快,
促进了土壤NO3–-N含量的增加[56]。而在pH<6.5土
壤条件下, 单施生物炭和生物炭配施化肥显著增加
了土壤盐基离子含量, 主要原因是生物炭中盐基离
子(硅酸盐和碳酸氢盐等)可与土壤溶液中H+结合,
释放出生物炭中盐基阳离子, 同样提高了土壤pH 从
而增加了磷的有效性, 导致土壤Olsen-P含量增加[57]。
由于收集样本数量的限制, 未考虑试验条件如
盆栽和大田的影响, 部分试验结果有一定的条件适
应性。本研究定量化分析了单施生物炭和生物炭与
化肥配施对土壤理化性质的影响, 为土壤培肥和粮
食增产提供了科学依据。未来研究仍需加强生物炭
制备和生物炭对土壤养分影响机理方面的探究, 为
进一步促进绿色农业的高质量发展提供支撑。
4 结论
生物质炭由于制备原料和工艺的差异而具备不
同的酸碱性和吸附特性, 施用生物炭能显著提高土
壤氮磷养分有效性和交换性盐基离子性能。在不同
生物质炭特性和土壤条件下, 生物炭单施或与化肥
配施对土壤NH4+-N、NO3–-N和Olsen-P, 以及钙镁离
子及交换性能的影响存在明显差异。其中, 生物炭
与化肥配施对土壤养分有效性的增加幅度高于单施
生物炭, 而单施生物炭对土壤盐基离子的提升效果
比生物炭与化肥配施效果更加显著。影响生物炭的
施用效果与生物炭属性、施用量以及土壤属性密切
相关。在酸性和砂质土壤条件下, 单施生物炭对土
壤总氮、Olsen-P、盐基离子和阳离子交换量的增加
较为显著; 低于500 ℃制备的偏碱性(pH>8)木材类
生物炭对土壤磷有效性提升效果较好, 特别是在酸
性的砂土中效果更加明显; 生物炭制备温度在400~
500 ℃、原料C/N比值低于50、原料pH>9的秸秆
类生物炭能显著增加酸性土壤中Ca2+和Mg2+含量。
优选生物炭施用方式和条件以达最佳效果, 对土壤
保肥能力提升具有重要意义。
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