连作障碍（Continuous cropping obstacle）是指在正常栽培管理条件下，同一地块上连续种植同一作物或近缘作物而引起的生长异常现象，一般表现为作物产量降低、品质变劣，生长发育不良等。
徐小军等研究发现，连作障碍对甜瓜设施栽培产量和品质影响较大，且随着连作年限的增加，土壤pH值和土壤容重不断降低，含盐量持续上升。连作3 a的辣椒，其生长发育显著受阻，可造成产量下降30%~50%。
大量研究表明，造成连作障碍的主要原因是土传病害（约占60%）、土壤性质劣变（约占20%）及其他因素（约占20%）。如造成草莓连作障碍的主要原因是酚酸类物质的化感作用。特别是在设施条件下，由于大棚蔬菜复种指数高、种植品种相对单一、化肥施用量超标等，进一步造成土壤劣变、病虫害增多。
近年来，生物炭（Biochar）成为农业土壤改良的研究热点，其在应对农业发展、环境污染、气候变化和能源危机等方面受到普遍关注。在高度集约化种植条件下，生物炭对修复连作土壤、改善植物生长方面具有得天独厚的作用。
总结了国内外生物炭的研究现状，介绍了生物炭的特性，进一步探讨了生物炭在缓解连作障碍中的作用，以期为下一步研究生物炭在作物高效栽培中的应用提供理论指导。
1 生物炭特性
1.1 生物炭原料及用途
农林有机废弃物如农作物秸秆、园林枯枝烂叶、动物粪便等富含多种营养元素，常被用于制作生物炭，不仅能够实现农林废弃物资源化利用，而且有利于生态环境保护，是农业可持续发展的重要途径。
目前，生物炭已应用在许多不同领域，如因其具有强大的吸附作用，常被用来处理废水，去除水体中的污染物和杂质；在工业领域，生物炭还可作为能源材料，制备超级电容器。
1.2 生物炭热解性质
制备生物炭有热解法、氧化法、化学方法等，其中热解法是在无氧状态下将废弃物进行高温热解（300~600℃）处理，在热解过程中，生物炭分子重新排列形成烷基和芳香结构，原材料中的养分被富集，形成富态炭。
这种方法工艺简单，制备效率高，在农业领域有很好的可行性。温度越高，生物炭的碱性更强，其在热解碳化过程中碳含量和灰分含量增加，且与pH值呈正相关。
如王淼等制备生物炭发现，随着热解温度的升高，番茄秸秆生物炭灰分含量增加，当温度达到500℃时，番茄秸秆制备的生物炭pH值达到峰值。戚琳等通过盆栽试验发现，不同热解温度下形成的水稻秸秆生物炭对菠菜生物量和品质的影响显著，其中热解500℃和700℃处理的效果最显著，进一步说明了高温热解生物炭增效优于低温热解生物炭。
此外，研究发现，温度对生物炭表面特性及释放氮磷有显著影响，温度越高，产生的碳、磷等元素越多。
1.3 生物结构及理化特性
生物炭一般呈碱性，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积及丰富的含氧官能团，这些特点使生物炭具备良好的吸附特性及调节酸碱平衡的能力。
生物炭的理化特性与制备原材料、温度均有关，采用不同原材料制备出的生物炭结构不同，如玉米秸秆生物炭比表面积1.01 ㎡/g，孔径7.41 nm左右；稻壳生物炭比表面积则高达48.35 ㎡/g，孔径为4.31 nm左右。
由动物粪便制成的生物炭pH值显著高于由植物制备的生物炭。研究发现，生物炭具有很高的固碳潜力。Wang等利用Meta系统分析发现，生物炭可在土壤中持续存在百年，且会导致土壤原始有机碳的分解速率下降，从而对碳固存有积极影响。
2 生物炭对连作土壤的修复作用
2.1 改良连作土壤理化性状
土壤理化性状直接影响养分转化和作物生长发育。长期连作会导致土壤板结，造成土壤孔隙度和透气性降低。生物炭因具有裂解性，对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用。其多孔特性和较大的比表面积有利于土壤聚集水分，提高孔隙度，降低容重。
刘宇娟等通过连续在小麦田施用生物炭发现，生物炭施用量与土壤含水量、土壤总孔隙度呈正相关，且能显著提高麦田耕层硝态氮、有机碳等的含量，有力改善小麦的生长环境。
同时，生物炭具有强大的缓冲作用，常被用于调节土壤pH值，使土壤的酸碱度保持在一定范围内。水稻秸秆和玉米秸秆生物炭均可改良红壤性水稻土的酸性，提高土壤养分含量和微生物量水平。张红雪等研究结果表明，施用烟秆生物炭后南方土壤pH值提升了11.64%~12.98%。
在提高土壤有机质方面，生物炭能够将自身含有的大量营养元素归还到土壤中，提高土壤肥力。如在土壤中添加5%（质量比）生物炭可有效提高黑土有机质含量32.5%左右。周涵君等研究发现，随着烤烟生育期的延长，土壤pH值和有机质含量均呈升高趋势，这主要是因为生物炭促使土壤中的有机分子结合，进而提升有机质含量。
2.2 吸附重金属
研究发现，生物炭对土壤重金属具有吸附作用。董盼盼等试验结果表明，进行芦苇种植与生物炭添加联合处理，能显著降低各层土壤的Cd含量，对Cd修复效果最好。
此外，茶渣制作的生物炭，对重金属Cd有较强的吸附作用，最大吸附能力超过97 mg/g；研究发现，橙皮衍生生物炭（91%）比大豆秸秆衍生生物炭（70%）对Cd表现出更高的吸附率。连神海等将4种生物炭（水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、绿狐尾藻生物炭、竹炭和木炭）施入土壤，发现水稻秸秆生物炭对磷具有更好的吸附能力。
2.3 改善连作土壤微生物结构
土壤微生物包括真菌类、细菌类、放线菌类，种类繁多、数量巨大，是土壤的重要组成部分，具有养分循环、固碳等功能，有助于维持土壤肥力。然而，长期连作会破坏土壤中的微生物结构，使土壤有益微生物减少，有害真菌增多。
研究表明，生物炭能改善连作土壤的微生物结构，为有益微生物提供良好的繁殖条件。谢华研究发现，与未添加生物炭相比，添加生物炭的番茄土壤，其细菌、真菌、假单胞菌和芽孢杆菌的菌群丰度显著提高。
进一步研究发现，因具有促进碳循环作用，生物炭能为土壤微生物提供充足的养分，还能将植物光合作用所固定的有机碳转化为惰性碳，使其不被微生物迅速矿化，从而实现固碳减排。在微生物作用下，生物炭所含有的营养元素能够被快速转化，供作物吸收利用，提高农产品产量。由此可见，生物炭对增加土壤生物活性具有重要作用。
2.4 活化连作土壤酶活性
土壤酶是一种生物催化剂，能够反映土壤物质转化能力，是土壤健康的重要指标之一。研究表明，连作障碍极易导致土壤酶活性降低，且随着连作年限的增加，过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶等活性逐渐降低。
生物炭能够在一定程度上调控连作导致的土壤酶活性降低问题。邹春娇等研究结果表明，生物炭处理对连作黄瓜根际土壤中的蔗糖酶和脲酶活性有明显调节作用。随着生物炭用量的增加，土壤酶活性呈升高趋势，说明含碳丰富且多孔的生物炭通过改变土壤的理化性状，从而影响土壤酶的活性。
但不同温度下制备的生物炭对土壤酶活性的影响不同，施用低温（300℃）热解生物炭能显著提高油茶林根际土壤微生物的呼吸速率，及脲酶、转化酶和酸性磷酸酶活性，而高温（600℃）热解生物炭对土壤微生物的呼吸速率及酶活性无显著影响。
3 生物炭对土传病害的防治作用
土传病害是导致连作障碍的主要因素之一，其病原菌主要通过植株残体在土壤中生活，条件适宜时，侵染植株根茎而引发病害，经常给农作物生产造成无可挽回的损失。
研究结果显示，生物炭通过影响植株根部环境进而抑制土传病害的发生。饶霜研究发现，施用生物炭能显著提高番茄对青枯病的抗性，病情指数降低61.11%；这可能是由于生物炭含有大量的有机化合物，对病原菌产生抑制作用。
4 生物炭对自毒物质的抑制作用
植物可通过地上部淋溶、植株残体腐解等释放次生代谢物质，这些次生代谢物质如酚酸类、类萜等对植物生长发育可产生毒害作用。自毒物质对土壤酶活性具有显著的抑制作用，能够降低土壤酶活性，同时破坏土壤微生物结构，增加有害真菌数量。
研究发现，生物炭能够缓解自毒物质对植物的毒害作用。加入生物炭后，木霉菌生长受自毒物质的影响减弱，其菌丝干质量大幅增加。在番茄种植土壤中添加2.5%炭化玉米芯和稻壳后，能够缓解番茄叶片腐解物（自毒物质）对土壤酶活性，土壤中细菌、真菌数量的影响。这可能是因为生物炭具有强大的吸附性，降低了自毒物质的浓度所致。
5 展望
国内外对连作障碍进行了大量研究，但连作障碍复杂多样，通过某一种手段去调控很难彻底解决。生物炭因其来源广、工艺简单、成本低及生物特性，是一种良好的土壤改良剂。
其碳化过程会促使植物残体的木质组织释放磷酸盐，从而成为土壤可溶性与可交换性磷酸盐的直接来源，对缓解植物连作障碍及增加土壤养分含量意义重大。因此，在今后的研究中，应重点关注以下几个方面。
5.1 开展生物炭系统研究
生物炭虽然是良好的连作土壤改良剂，但其安全性、持续性等还没有进行深入评估。特别是炭化工艺方面，还有诸多技术需要攻破。此外，生物炭结构、理化性状的研究还停留在表面阶段，需要进一步探索。
5.2 探究生物炭与其他物质配施对连作土壤的改良效果
生物炭能够改善连作土壤的理化性质、土壤微生物结构及提高土壤酶活性，但由于生物炭自身可利用的养分含量不高，对植物生长调控有限，需要配合其他物质，如有机肥、腐植酸等一起施用。此外，其对不同连作年限的土壤作用效果不同，需开展进一步研究。
5.3 开发生物炭在蔬菜领域的应用
目前，生物炭主要用于制作炭基肥，在市场上流通广泛，大量田间研究证实，与传统化肥相比，炭基肥具有保水保肥能力，且因自身结构特点，可提高土壤孔隙度，疏松土壤。但很少有针对某种蔬菜开发的生物炭专用有机肥，下一步应加大相关研究，拓宽生物炭在蔬菜方面的精细化应用。
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信息来自《长江蔬菜》2023年12月下
