摘要
生物炭在农业土壤改良、环境修复和绿色可持续发展等方面应用广泛。生物炭通过多种作用过程来改善土壤环境以保证土壤生态系统稳定。系统地梳理了生物炭对土壤典型酶活、土壤微生物、土壤养分、土壤碳库和土壤生态修复的影响及研究进展，在此基础上提出了生物炭对土壤改良作用机制，为土壤固碳培肥和健康培育提供了理论参考。
Abstract
Biochar is widely used in agricultural soil improvement，environmental remediation，and green sustainable development．Biochar improves soil environment through various processes to ensure soil ecosystem stability．This research systematically reviewed the effects and research progress of biochar on typical soil enzyme activity，soil microorganisms， soil nutrients，soil carbon pool，and soil ecological remediation．Based on this，the mechanism of biochar’s effects on soil improvement was proposed，providing theoretical reference for soil carbon fixation，fertilization，and healthy cultivation．
Keywords
生物炭是一种在低氧条件下对农业废弃物、动物生物质或污泥等固体废料进行炭化处理所生成的一种富含碳元素、高度芳香化的固体材料[1]。生物炭具有较大的比表面积、高度多孔等特点，其特殊结构能够提高土壤的保水保肥能力，固持土壤的养分元素。因此近些年来，生物炭在改善土壤结构、提高作物养分利用率、修复土壤重金属污染和补充土壤碳库等方面发挥着重要作用[2]。现有研究显示，生物炭可以通过与土壤颗粒的相互作用改变土壤总碳、总氮、pH 等理化性质，进而影响土壤酶活性[3]。在植烟土壤施入生物炭可以显著改善土壤微生物多样性、提高土壤细菌丰度[4]。同时，也有大量研究表明，生物炭通过吸附、表面络合、共沉淀等多种作用对修复土壤重金属污染作用显著[5-7]。因此，研究生物炭与土壤酶活性及土壤生态功能之间的作用机制对维持土壤生态系统的稳定具有重要意义。
土壤酶学的研究与土壤肥力的研究联系非常紧密，已经成为评价土壤肥力和土壤健康的重要指标。土壤酶作为土壤生态系统的组分之一，是生态系统的生物催化剂，也是土壤有机体的代谢动力[8]。土壤酶是土壤中活性最强的有机物质之一，它在土壤肥力形成、腐殖质合成、环境净化、动植物残体分解等过程中发挥着重要作用[9]。其活性受土壤营养因子、微生物因子、植物因子、肥料因子、耕作措施、农药和重金属等因素的影响[10]。因此，生物炭施用后根际土壤研究重点之一就是生物炭对土壤酶活性、生态功能之间的关系。目前已有大量研究表明，施用生物炭能够影响土壤酶活性及土壤生态功能[11-12]。冯慧琳等[13]将生物炭添加到植烟土壤，研究其对土壤理化性质及酶活性的影响，结果发现生物炭能够显著提高 4 种土壤主要酶活性及土壤养分。生物炭对不同土壤酶活性的影响是不同的。李茂森等[14]的研究中发现生物炭的施用可以显著提高烟叶质量，降低植烟土壤病害。土壤生态功能指土壤为实现植物生长而提供养分、水分和氧气等，维持土壤物质循环、能量流动和信息交换以及稳定土壤环境条件的能力。生物炭在土壤中可以存在很长时间，其施用可以通过多种方式来影响土壤生态功能。宋延静等[15]的研究发现，生物炭施用在进行碳封存的同时还可以通过改善土壤理化性质、提高土壤肥力、修复土壤污染等形式对土壤生态系统功能产生影响。同时，在土壤生态系统中，一切复杂的生化过程都是在土壤酶的作用下进行的，土壤酶的活性可以作为判别土壤肥力与土壤质量的重要指标之一。因此，研究生物炭对土壤酶活性的影响因子对于判定土壤生态功能、探讨生物炭-酶-土壤生态功能之间的相互关系具有重要意义。
1 生物炭施用对土壤主要酶活性的影响研究进展
1.1 生物炭施用对磷酸酶活性的影响
土壤微生物作为土壤酶的主要来源之一，其群落结构及丰富度是影响土壤酶活性的重要因素。由于生物炭在炭化制备过程中大量非碳元素分解，使其表面形成大量的孔洞[16]。这些孔洞为土壤微生物提供了适宜的生长环境，进而促进了土壤酶活性。土壤磷酸酶是一类催化土壤有机磷化合物矿化的酶，其活性直接影响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性。磷酸酶作为土壤中与有机磷可用性相关的重要水解酶[17]，其活性直接影响着土壤磷素水平以及农作物生长。有研究发现土壤中磷酸酶活性与细菌群落呈显著正相关关系[13]，因此，生物炭的施用可以通过改善土壤中细菌群落结构来提高土壤磷酸酶活性。在烤烟田间施用生物炭可以在不同程度上提高磷酸酶活性，且磷酸酶活性变化与作物生长发育时期具有一定的相关性[18]。然而，也有研究指出，在棕壤中施用秸秆黑炭后土壤的磷酸酶活性呈降低趋势[19]。这是因为生物炭的吸附作用不仅可以吸附反应底物来提高酶活性[20]，而且添加生物炭也能够吸附土壤中的酶分子，对酶促反应的结合点位形成保护作用，从而抑制土壤酶活性[21]。由于不同种类的生物炭组分及吸附作用具有特异性，因此，添加生物炭的种类和施用量是影响土壤磷酸酶的关键因素。
1.2 生物炭施用对脲酶活性的影响
土壤脲酶是主要来源于微生物（包括大多数细菌、真菌等）和高等植物中的一种水解酶，可高度专一性催化尿素分解生成氨、水和二氧化碳。土壤中脲酶的活性是反映土壤氮素状况的重要指标之一。通过测定土壤中脲酶的活性，可以了解土壤中尿素的转化速度和供氮能力，进而评估土壤的肥力水平和氮素营养状况。脲酶作为土壤中积极参与有机质分解与转化的一类酶，其活性也依赖于土壤中有机质含量[22]。生物炭施用可以显著提升土壤有机质含量，脲酶活性也会随之提升。同时，生物炭自身含有的氮元素也可以提升脲酶活性[23]，并且高水平生物炭添加量对脲酶的促进作用要明显高于低水平添加量[24]。也有研究表明，有些木质原材料制备的生物炭可利用性营养物质较低，其氮素含量不足而导致脲酶活性降低[25]。因此，土壤中脲酶的活性不仅与生物炭种类有关，还受到作物种类、耕作制度等多因素影响。
1.3 生物炭施用对蔗糖酶活性的影响
土壤蔗糖酶是一种由微生物分泌的酶，主要将土壤中蔗糖分解为葡萄糖和果糖，进而提高植物对蔗糖吸收率。蔗糖酶作为土壤中反映土壤肥力水平、参与土壤有机质矿化和分解的重要水解酶，其活性受土壤有机质、腐殖质、土壤黏粒含量和微生物数量等多种因素影响[26]。而经过生物炭处理后的土壤有机质水平以及微生物含量都有明显提升[13]，同时生物炭是一种表面富含大量官能团的物质，这些含氧官能团（如羟基、羧基、羰基等）与土壤酶具有很好的亲和性[27]。根据土壤酶与生物炭表面官能团的亲和力，生物炭可以促进土壤蔗糖酶活性提高。生物炭含有的含氧官能团也使其表现出较高的阳离子交换能力[28]，土壤阳离子交换能力的提升可以增大土壤对养分的持有能力和支持土壤微生物活动，从而提高土壤蔗糖酶活性。同时，生物炭表面的官能团还可以与土壤矿物质进行反应，再通过土壤有机质形成生物炭-土壤矿物复合物[27]。而土壤中的蔗糖酶绝大部分都吸附于土壤中的有机、无机或复合胶体表面[29]。故生物炭的施用可以显著提升土壤蔗糖酶活性。也有研究表明，生物炭对蔗糖酶活性的影响与耕层深度有关，土壤蔗糖酶活性随着耕层深度的增加而逐渐下降[30]。
1.4 生物炭施用对土壤过氧化氢酶活性的影响
土壤过氧化氢酶可以将土壤中对作物产生毒害作用的过氧化氢分解成水和氧气，从而促进土壤中氧化还原反应发生[31]，进而提高土壤透气性和水分利用率，增加土壤肥力，维持土壤生态系统稳定。土壤过氧化氢酶活性与土壤透气性有关。生物炭疏松多孔的结构可以直接改善土壤透气性[32]，因此，生物炭的施用可以显著提高土壤过氧化氢酶活性。同时，不同原料和热解条件下制成生物炭的酸碱度不同，大多数生物炭呈碱性。因此，生物炭的施用可以显著改良酸性土壤 pH，生物炭的吸附作用也可以吸附大量离子来调节土壤 pH 值[33]，而中性 pH 环境能更好地维持微生物细胞稳定，有利于微生物生长代谢[34]。且在中性土壤中微生物的呼吸酶、蛋白酶、过氧化氢酶等维持微生物生长代谢的酶活性可以达到最高[35]。同时，生物炭本身含有大量营养元素，也可以直接为土壤微生物提供 N、P、K 等以及生物质原材料中具有的微量元素[36]。如低温生产的动物粪便生物炭富含 N、S、Ca、Mg 等营养元素[37]。玉米秸秆制生物炭中含有大量有效磷、速效钾[38]。这些营养元素可以跟随生物炭的施用进入土壤，被土壤微生物所吸收利用，从而提高土壤过氧化氢酶活性。因此，生物炭种类是影响土壤过氧化氢酶的关键因素。
1.5 生物炭施用对荧光素二乙酸酯水解酶活性的影响
土壤荧光素二乙酸盐（FDA）水解酶是土壤中一类重要的有机物水解酶，用于分解土壤中的有机物（包括多糖、植物油脂、纤维素等），从而获得有机酸、碳水化合物和氨基酸类物质以促进作物生长发育。FDA 水解酶主要包括酯酶、蛋白酶和脂肪酶等[39]，它能较好地反映土壤有机物质的转化和微生物活动，是衡量土壤健康状况的重要生物学指标[40]。花生壳类生物炭的施用可以通过改善土壤有机质含量从而提高土壤 FDA 水解酶活性[41]。但也有研究表明，在酸性植烟土壤中施用生物炭会降低 FDA 水解酶活性，且生物炭施用量越大，FDA 水解酶活性越低[42]。在生物炭长期施用研究中发现，生物炭在长期施用后其内部易分解态碳已经被微生物分解，能够被 FDA 水解酶所利用的活性有机碳含量较少，甚至降低土壤活性炭的作用，从而降低土壤 FDA 水解酶活性[43]。目前关于生物炭对 FDA 水解酶活性影响的研究较少，且研究结果并不一致，有报道生物炭可以提升 FDA 水解酶活性，有报道生物炭降低 FDA 水解酶活性，也有报道生物炭对 FDA 水解酶活性无显著影响[44-45]。因此，要在不同生物炭种类和施用量、土壤类型、作物种类以及耕作制度等多方面对其进行进一步地研究。
1.6 土壤酶活性对生物炭的响应
生物炭与土壤酶活性之间的关系受生物炭种类及施用量、作物类型、耕作制度、土壤酶的种类等多种因素影响（图1）。究其本质主要有 3 个方面： （1）生物炭的施用通过改变土壤微生物的群落结构来影响土壤酶活性；（2）生物炭的施用通过改善土壤理化性质来影响土壤酶活性；（3）生物炭自身理化特性作用于土壤酶。
图1生物炭对土壤主要酶活性的影响
1.6.1 生物炭对土壤酶的直接作用
生物炭对土壤中不同酶活性产生了不同影响。生物炭疏松多孔的结构有利于土壤性质改善，从而促进土壤酶活性提高，不同施用量对土壤酶活性的影响具有显著差异性[46-47]。这些研究表明生物炭对促进土壤酶的产生具有一定的潜在作用。相反，一些研究表明，生物炭的吸附作用会抑制土壤酶活性，导致土壤中葡萄糖淀粉酶、脂肪酶等活性变化水平不同[48]。不同类型生物炭对土壤酶活性作用不同。例如，稻草类生物炭会抑制酸性磷酸酶活性[49]，玉米秸秆制生物炭可以显著提高脲酶、蔗糖酶活性[50]。生物炭中的有机组分在缺氧热解条件下与矿物元素相互作用产生稳定的自由基 （EPFRs），这些 EPFRs 又参与促进土壤生态系统中碳循环。研究发现，生物炭表面的 EPFRs 可以对酶的活性位点造成氧化损伤，同时土壤中酶和蛋白质等大分子物质在 EPFRs 的作用下易被氧化而变形、断裂，从而抑制酶活性[51]。生物炭不同热解温度对土壤酶活性影响也不同，在低温 （<500℃）条件下生物炭对 N、P 及脱氢酶活性影响显著，在高温（≥ 500℃）热解条件下生物炭对大多数酶呈抑制作用[52]。总的来说，生物炭的原材料以及制备方式对不同土壤酶活性产生的影响不同，选择适宜类型生物炭来促进土壤微生物生长并改善土壤理化性质，生物炭可以显著稳定土壤酶活性，并保护土壤酶在胁迫条件下不被降解或变性[53]。因此，生物炭的特殊性质是保护酶活性的关键因素。
1.6.2 生物炭对土壤酶的间接作用
生物炭具有较高的碳含量及稳定性，可以为与土壤碳循环有关的酶提供充足的反应底物，从而促进相关酶活性。生物炭可以为土壤酶提供适宜的 pH 技能来提高酶活性。pH 可以通过改变土壤微生物丰度来影响土壤酶活性[54]。另外，pH 可能通过改变土壤酶的空间构象以及酶与土壤颗粒之间的结合状态来影响酶活性[55]。生物炭本身包含部分金属离子，不同种类金属离子对土壤酶活性的调节作用不同。例如：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+ 等金属离子可以作为土壤酶的辅助因子来刺激酶活性，而 Cu2+、Ni2+、Pb2+ 等金属离子可以与酶和底物反应，改变酶的空间构象，从而抑制酶活性[56]。同时，生物炭对土壤酶活性的影响主要取决于土壤微生物对生物炭内营养物质的利用程度[57-58]。土壤养分的可用性使微生物产生特定的酶，导致各种酶活性调整。生物炭施入后可以改变土壤的营养结构，进而调节微生物对不同酶的分泌程度。因此，生物炭自身的养分有效性与土壤酶相对活性关系密切。
2 生物炭施用对土壤生态功能的影响
2.1 生物炭施用对土壤理化性质的影响
生物质炭是一种新型的土壤改良剂，由于其多孔、疏松等特点，可以降低土壤容重、提高孔隙度、改变孔隙结构及含量，从而改变土壤水分的入渗和蒸发特性[59]。因为生物炭在制备过程中容易形成大量的孔洞，而这些孔洞的表层又会被烧蚀，再加上灰份的存在，很容易生成羧基、羟基、内酯基等含氧官能团，这些官能团使生物炭具备较强的亲水性[60]。因此，生物炭施入后可以提高土壤的保水性。另外，生物炭还可以与土壤颗粒形成团聚体和有机-无机复合物[61]。这些团聚体对土壤保肥能力也有一定的提升作用。生物炭的施用还可以提高土壤阳离子或阴离子交换量，从而增加土壤的保肥能力[62]。生物炭吸附力强，化学反应活性强，可以用作化肥的缓释剂，减缓养分的流失，从而提高土壤对化肥的利用率[63]。同时，大多数生物炭本身偏碱性，施入土壤后可以提高酸性土壤 pH[64]。生物炭的施用还可以显著提高土壤有机质、有效磷和速效钾含量，且随着生物炭用量增加效果更明显[14]。
2.2 生物炭施用对土壤微生物的影响
土壤微生物作为土壤的关键组分，能够有效地推动土壤中的物质转化，对维持土壤结构和土壤生态系统稳定具有重要意义[65-66]。生物炭施用对土壤微生物的影响十分关键。生物炭利用其丰富的孔隙和较大的比表面积来提高土壤的孔隙度，为土壤微生物提供适宜的生长环境，从而提高土壤中微生物的种群数量[67]。生物炭的高阳离子交换能力一定程度上提升了土壤养分持有力，为土壤微生物的生长提供了充足的养分补给，从而改良土壤微生物群落结构[68]。生物炭对土壤微环境的改变也会间接影响微生物丰度。Covacevich 等[69]的研究发现，生物炭虽然提高了土壤中磷的有效性，但会导致土壤真菌丰度下降。同时，生物炭施用后可以提高土壤 pH。Aciego 等[70]研究表明，土壤中真菌和细菌群落对土壤 pH 有不同的反应，随着土壤 pH 上升到 7 时，细菌丰度增加，而真菌丰富度变化并不一致。对于生物炭与土壤真菌之间的作用关系，李茂森等[14]研究表明，生物炭是一种极难分解的惰性碳，因此，真菌在短时间内无法利用生物炭。侯宁等[71]研究表明，施用生物炭后土壤微生物群落结构发生了显著改变，主要表现为放线菌、变形菌、酸性杆菌等菌群发生了明显的提升。
2.3 生物炭施用对作物生长发育的影响
生物炭对土壤中氮、磷的持留以及对土壤水分的固持效应可以有效增强土壤的保水保肥能力，从而促进作物增产[72]。同时，由于生物炭的高孔隙率、低容重等特点，还田后能有效地降低土壤容重、紧实度，从而促进作物根系发育，提高植株的地上部分生长[73]。但由于气候条件、生物炭类型、生物炭用量、植物种类和土壤质地等诸多因子的差异，生物炭对作物生长发育的影响仍存在一定的不确定性[74]。梁嘉平[75]研究表明，施用生物炭能明显提高甜菜叶的叶绿素含量、减少细胞内 CO2 浓度、增强气孔导度、提高光合作用效率。在酸性土壤中施用生物炭对作物产量的影响更显著，Li 等[76]研究显示，在酸性和中性土壤上施用生物炭的平均增产率为 13%。张伟明[77]在不同栽培环境条件下施用生物炭，发现生物炭对水稻和大豆的生理特性具有一定的促进效应，体现为生物炭处理的作物叶片净光合速率在不同时期都有一定程度的提高。但目前普遍认为，施用低剂量生物炭有利于提高作物产量，高剂量则会抑制作物生长[78]。
2.4 生物炭施用对土壤有机碳及碳库的影响
土壤有机碳既可以作为土壤碳储量的指示因子，又是表征土壤肥力与健康状况的重要指标。土壤有机碳与土壤理化及生物学性质密切相关，是土壤碳矿化、碳投入等一系列复杂过程的综合结果[79]。生物炭的稳定性是提高土壤有机碳储量的最直接影响因素。由于生物炭的类型和环境条件不同，其半保留时间从数十年到数千年不等[80]。 Wang 等[81]研究发现，生物炭中大约有 3% 的成分属于易降解成分，其半保留时间为 108 d，剩余 97% 的半保留时间为 556 d，结果表明生物炭中的大多数碳具有较好的稳定性，可以作为稳定碳库得以保存。生物炭的热解温度对其稳定性有很大影响，随着热解温度的升高，生物炭的热解速率降低。同一类型的生物炭在不同土壤中的分解速度无明显差别[82]。Zhang 等[83]研究发现，施用生物炭能明显促进农田土壤碳储量和固碳能力，从而补充土壤有机碳含量。施用生物炭还能够影响土壤碳库的收支，提高其对土壤有机碳库的贡献，进而提高土壤碳库的积累。同时，生物炭对土壤中的有机质降解也有明显的抑制作用，在一定程度上可为土壤供给稳定的碳源、改良土壤微环境、延长有机碳在土壤中的持留时间[84]；还可以通过施用生物炭来改良土壤的理化特性，提高其保水性能和团聚体的稳定性，进一步提升土壤有机质与微生物间的交互作用，提高土壤有机碳的固定和储存[85]。
研究结果表明，生物炭对土壤有机碳库含量的提升具有显著的正面效应，但其具体效果受到生物炭类型、环境类型等多种因素的影响。因此，进一步探索生物炭与土壤有机碳库改良的作用机理、生物炭长期施用后老化作用对土壤有机碳的影响对维持土壤碳库水平、保持土壤肥力与健康具有重要意义。
2.5 生物炭施用对土壤团聚体形成及稳定的影响
土壤团聚体是土壤的重要组成部分、土壤结构的基本单元，对土壤生态功能的维持至关重要[86]。研究表明，土壤团聚体形成过程中有一系列的物理、化学及生物作用参与，主要依赖于土壤中各种胶结物质的数量和性质[87]。朱锟恒等[88]研究表明，将有机碳添加土壤后，有利于土壤团聚体形成和稳定性提高。生物炭作为一种富含有机碳的土壤改良剂，研究其对土壤团聚体形成及稳定作用具有十分重要的意义。
影响土壤团聚体形成及稳定的因素有很多，包括土壤有机质、土壤微生物、土壤耕作方式等。 Glaser 等[89]研究发现，将生物炭施用后可以促进土壤团聚体的形成，进而显著提高土壤团聚体稳定性。对其作用机制，大量学者从不同角度进行研究分析。Bronick 等[90]研究表明，土壤阳离子交换量在团聚体形成和稳定中发挥重要作用。生物炭由于其特殊理化性质，施用后可以显著提高土壤阳离子交换量，因此，施用生物炭对土壤团聚体稳定有着积极作用。生物炭自身含有大量有机碳，施入土壤后可以增加土壤团聚体有机碳含量，有利于团聚体稳定性。同时，Schmidt 等[91]研究表明，在土壤中添加生物炭可以长期封存大气 CO2、增加土壤有机质含量及保持土壤碳库的稳定，从而有利于团聚体稳定性。土壤团聚体的形成和稳定除了有机-矿物作用外，也有其他微生物及其衍生物质来稳定。 Huang 等[92]研究表明，活的微生物可以直接通过静电吸附与土壤矿物结合，作为形成团聚体的核。因此，生物炭施用后通过提升土壤中微生物群落，对土壤团聚体的形成及稳定起着关键作用。同时，生物炭自身的稳定性也使其在长期改善土壤团聚体方面发挥重要作用。
2.6 生物炭施用修复土壤重金属污染
近年来，国内外众多学者对生物炭修复土壤重金属污染的作用机理进行了大量研究。主要作用包括物理吸附、化学沉淀、络合作用、离子交换、氧化还原作用和静电作用[93]。
生物炭对土壤中重金属离子的吸附作用主要通过范德华力使重金属离子进入到生物炭的孔隙中[94]。因此，具有较大比表面积和较高孔隙度的生物炭吸附作用更强。化学沉淀主要是由生物炭内含有的矿物质或碳酸盐等与重金属离子发生反应，生成难以降解的产物，从而达到修复土壤重金属污染的目的[95]。同时，生物炭表面所富含的羟基、酚羟基等含氧官能团也可以与土壤中的重金属发生络合反应，产生的络合物固定于生物炭表面，从而达到修复土壤重金属污染的目的[96]。生物炭阳离子交换所释放出的 Ca2+、Mg2+ 等离子与生物炭表面的重金属离子发生交换，从而减轻重金属离子对土壤的毒害作用。同时，生物炭所含有的高负电荷可以增强土壤颗粒与金属离子之间的静电作用，通过静电吸引使得金属离子固定[97]。
值得关注的是，相关研究结果表明，生物炭对土壤理化性质的改变也会影响雨水或灌溉过程中重金属的渗透行为，从而导致重金属渗透急剧增加。生物炭作为土壤膨胀剂在疏松土壤物理结构时，重金属会随着水流通过固定基质，而不会与生物炭和土壤混合在一起。有研究表明，在动态水浸系统中，生物炭对 Pb、Cu 和 Zn 的固定作用无法发挥出来[98]。生物炭种类的不同导致其物化特性及重金属修复能力的差异。同时，土壤环境、污染物种类等也会影响生物炭对土壤重金属污染的修复能力。近些年来大量学者利用生物炭改性的手段使生物炭具有良好的结构、增加表面有效官能团的数量，从而使生物炭具有更好的吸附作用，以修复重金属污染[99]。对于重金属离子砷（As）来说，由于 As 属于含氧阴离子型重金属，其在土壤中的固定机理为依靠氧化还原来降低其毒性，随后由沉淀和络合作用对其进行固化。由于大多数生物炭表面以负电荷为主，这会限制生物炭对 As 的固定效率[100]。因此，在生物炭上负载具有氧化还原活性的金属（如铁、锰等）可以显著提升其电子交换容量，从而提升生物炭对砷离子的固定。对于重金属离子镉（Cd2+）来说，生物炭主要通过离子交换来固定土壤中的 Cd，阳离子（如 Ca2+、Mg2+）可以通过与 Cd2+ 交换来参与固定过程。有研究表明，使用铁酸镁制备的改性生物炭在治理酸性土壤中 Cd 污染的效果显著[101]。因此，利用金属元素制备改性生物炭来增强其氧化还原活性，固定并降低土壤重金属毒性是土壤重金属污染修复的研究热点之一。
3 生物炭对土壤改良的作用机制初探
生物炭对土壤主要酶活性及其生态功能的作用机理如图2所示，当生物炭施入土壤后，通过提高土壤微生物活性、补充土壤碳素、调节土壤 pH、表面附着官能团的吸附作用以及自身含有的营养物质进而影响土壤主要酶活性。不同生物炭具有不同的吸附性能及利用效率，其对土壤酶活性的影响作用也不同，因此，要针对具体情况进行选择，优化生产工艺、选择合适的原料制备高质量生物炭以应对不同的土壤类型。同时，随着土壤酶活性的改变，其对土壤生态功能的作用效果不同。例如，水解酶类（蔗糖酶、脲酶、磷酸酶）能够水解土壤中的多糖、蛋白质等大分子物质，对于土壤生态系统中的碳、氮循环具有重要意义。氧化还原酶类（过氧化氢酶）能够参与土壤中腐殖质的分解与合成，对土壤中物质和能量的转化具有重要作用（图3）。
在长期施用生物炭的研究中发现，生物炭老化后理化性质的改变会对土壤理化结构及土壤酶活性产生负影响。同时，生物炭自身携带的有毒有害物质、生物炭的非特异性吸附作用以及生物炭对土壤生态系统的负面影响也是需要解决的问题。生物炭作为一种土壤改良剂，随着未来可持续农业的发展，生物炭在农业领域的应用将会得到进一步的扩展，尤其是生物炭与其他材料（如微生物菌剂、特定金属元素）的复合使用，以更高效解决土壤重金属复合污染问题。另外，探索生物炭老化对土壤酶以及土壤肥力的长期效应对其老化后的长期效应还有待进一步评估。
图3生物炭对根系土壤酶活性及土壤生态功能调控作用机制示意图
4 小结与展望
生物炭通过提高土壤 pH、改善土壤微生物结构、补充土壤碳素、自身的吸附作用以及提供大量营养物质来影响土壤酶活性。这些酶活性的改变又影响着土壤物质与能量的转化。不同的生物炭类型、土壤类型又对酶活性的影响存在差异。
在实现“双碳”目标背景下，土壤生态系统是大气 CO2、NOx、CH4 等温室气体的“转换媒介”，而这些温室气体的转换过程与土壤酶系统的生物化学过程（如纤维素半纤维素的降解、有机质的矿质化）密切相关。因此，从作物、土壤微生物、土壤酶系统和碳、氮、磷等物质循环的互动机理过程探讨土壤酶对全球气候变化的响应及其互动机制可能是未来土壤酶学面临的新挑战，同时更有利于促进土壤资源健康管理和农业可持续利用。