植物炭黑对土壤湿度的保持作用及其在干旱农业中的应用

植物炭黑作为一种源于植物残体（如秸秆、果壳、竹材等）的多孔炭材料，凭借其独特的物理结构与化学特性，在改善土壤保水能力、缓解干旱胁迫方面展现出显著优势，为干旱农业的可持续发展提供了重要技术支撑。深入解析其对土壤湿度的保持机制，并探索其在干旱农业中的应用路径，对提升干旱区作物产量、保障农业生态安全具有重要意义。

一、对土壤湿度的保持作用及机制

植物炭黑对土壤湿度的保持并非单一作用的结果，而是通过优化土壤物理结构、调节水分运移过程、增强水分吸附能力等多维度机制协同实现，具体可从以下三方面展开：

（一）改良土壤物理结构，减少水分流失

干旱区土壤普遍存在质地偏砂、孔隙结构不合理、团聚体稳定性差等问题，导致水分易随重力下渗或通过地表蒸发流失。植物炭黑具有丰富的多孔结构（包括微孔、中孔与大孔），将其施入土壤后，可像“骨架”一样填充土壤颗粒间的空隙，优化土壤孔隙分布：一方面，其大孔结构能增加土壤通气孔隙占比，避免土壤板结导致的水分滞留障碍；另一方面，微孔与中孔结构可形成“微型水库”，吸附并储存水分，减少重力性下渗带来的深层水分流失。同时，植物炭黑表面的有机官能团能促进土壤颗粒团聚，形成稳定的团粒结构，提升土壤保水保肥能力 —— 团粒内部的小孔隙可储存水分，外部的大孔隙则利于通气，这“储水-通气”平衡的结构，能显著降低干旱区土壤的水分无效消耗。

（二）增强土壤水分吸附与持留能力

植物炭黑的高比表面积（通常可达数百至数千平方米每克）使其具备极强的水分吸附能力，其多孔结构如同“海绵”，可通过物理吸附（如毛细管力、范德华力）将土壤中的自由水转化为吸附水或毛管水，减少水分蒸发。此外，植物炭黑表面含有羟基、羧基等亲水性官能团，能与水分子形成氢键，进一步增强对水分的持留能力 —— 即使在土壤含水量较低的干旱条件下，这些被吸附的水分也不易被蒸发，可缓慢释放供作物根系吸收，延长土壤有效供水时间。研究表明，在砂质土壤中添加适量植物炭黑，可使土壤田间持水量提升10%-30%，显著降低土壤水分的蒸发速率与渗漏损失。

（三）调节土壤热状况，减缓水分蒸发

干旱区昼夜温差大、地表温度高，是导致土壤水分快速蒸发的重要因素。植物炭黑呈黑色，虽会增加土壤对太阳辐射的吸收，但同时也能通过改善土壤孔隙结构调节热量传导：其多孔结构可降低土壤导热率，减少地表热量向深层土壤传导，避免深层水分因受热向上迁移并蒸发；同时，炭黑本身的热稳定性较强，能缓冲土壤温度的剧烈波动，减少因温度骤升导致的水分蒸发损耗，例如，在夏季干旱时段，施入植物炭黑的土壤表层温度波动幅度可降低3-5℃，水分蒸发速率较未施炭土壤下降15%-20%，间接实现对土壤湿度的保持。

二、在干旱农业中的应用方向

基于对土壤湿度的保持作用，植物炭黑在干旱农业中可针对不同作物类型、耕作模式与干旱程度，形成多样化的应用方案，主要包括以下方向：

（一）大田作物种植中的基肥与改良剂应用

在小麦、玉米、棉花等干旱区主栽大田作物种植中，植物炭黑可作为基肥或土壤改良剂提前施入土壤：播种前将植物炭黑与腐熟有机肥按一定比例混合（通常炭黑添加量为20-50吨/公顷，具体视土壤砂黏程度调整），均匀撒施后翻耕入土，既能通过改良土壤结构提升保水能力，又能通过吸附作用减少肥料养分流失，实现“保水-保肥”双重效果，例如，在西北干旱区的砂质土壤中种植玉米，施入30吨/公顷植物炭黑后，土壤含水量在生育期内可维持在15%-20%（未施炭土壤仅为10%-13%），玉米籽粒产量提升12%-18%，同时减少灌溉次数2-3次，显著降低农业用水成本。

（二）设施农业中的基质改良与保水调控

干旱区设施农业（如温室大棚、日光温室）因封闭环境下水分蒸发集中，需频繁灌溉，而植物炭黑可作为栽培基质的改良成分，提升基质保水性能，例如，在蔬菜育苗基质中添加5%-10%的植物炭黑，可替代部分珍珠岩或蛭石，使基质持水量提升20%-25%，减少育苗期浇水频率，同时避免基质板结，促进幼苗根系发育；在温室番茄、黄瓜等作物的栽培中，将植物炭黑与土壤按1:10的比例混合作为栽培层，可使土壤水分利用效率提升15%-20%，减少灌溉量的同时，降低温室内部因高湿度引发的病害风险，实现节水与增产的协同。

（三）经济林果种植中的抗旱造林与养护

在干旱区林果业（如红枣、核桃、苹果等）种植中，植物炭黑可用于抗旱造林与果树养护：造林时，在苗木定植穴底部铺设5-10厘米厚的植物炭黑与表土混合物，可形成“保水层”，减少根系周围水分下渗，同时吸附雨水或灌溉水，为幼苗缓苗提供持续水分供应，提高造林成活率 —— 在黄土高原干旱区的红枣造林中，采用该方法可使幼苗成活率从60%左右提升至85%以上。对于成龄果树，每年春季在树冠投影范围内撒施植物炭黑（每株5-10千克）并浅耕，可增强土壤保水能力，缓解夏季伏旱对果树生长的影响，减少果实因干旱导致的落果与畸形，提升果实品质与产量。

（四）极端干旱区的节水农业配套应用

在降水极少、灌溉条件有限的极端干旱区（如沙漠边缘、绿洲农业区），植物炭黑可与节水农业技术（如滴灌、覆膜种植）结合，形成“炭黑改良+节水灌溉”的复合技术体系：一方面，植物炭黑改良土壤保水性能，减少滴灌水分的深层渗漏；另一方面，覆膜可进一步降低地表水分蒸发，二者协同可使水分利用效率提升30%-40%，例如，在新疆绿洲棉田种植中，采用“滴灌+覆膜+植物炭黑改良”模式，可使棉花全生育期灌溉量减少25%-30%，而籽棉产量维持稳定甚至略有提升，同时土壤有机质含量逐年增加，实现干旱区农业的“节水-提质-培肥”循环。

三、应用中的挑战与优化方向

尽管植物炭黑在干旱农业中应用潜力显著，仍需应对部分现实挑战，并通过技术优化推动其规模化应用：

一是成本与原料供应问题：当前植物炭黑制备成本较高（尤其是高纯度产品），且原料依赖特定植物残体，在大规模农田应用中经济性不足。未来可通过开发农业废弃物（如玉米秸秆、棉花秆、果壳）的低成本炭化技术，利用干旱区丰富的作物残体资源生产植物炭黑，降低原料成本；同时优化炭化工艺（如采用生物质热解联产技术），实现炭黑与生物气、生物油的协同生产，提升资源利用效率与经济性。

二是应用参数的精准化：不同土壤类型（砂质土、壤土、黏土）、作物种类对植物炭黑的适宜添加量与施用方式差异较大，目前缺乏统一的技术标准，易导致应用效果不稳定。需针对干旱区主要土壤-作物系统开展长期定位试验，明确不同场景下的适宜炭黑添加量、施用时期与配伍方式（如与有机肥、保水剂的协同使用），形成标准化的技术规程，指导农户科学应用。

三是长期生态效应评估：目前关于植物炭黑在土壤中长期残留（如分解速率、对土壤微生物群落的影响）的研究较少，需开展长期定位观测，评估其对土壤生态系统的持续影响，避免因长期大量施用导致土壤理化性质失衡（如孔隙堵塞、养分固定），确保其应用的生态安全性。

植物炭黑通过改良土壤结构、增强水分吸附、调节热状况等机制，能有效提升土壤湿度保持能力，在干旱农业的大田种植、设施农业、林果养护及极端干旱区节水配套中均有明确应用价值。随着原料成本降低、技术参数精准化与生态效应明晰，植物炭黑将成为干旱区农业节水增效、可持续发展的重要技术手段，为应对全球气候变化下的农业干旱挑战提供有力支撑。

本文来源于：河南品曼食品有限公司 http://www.hnpmsp.com/