吳蔚君，徐云連，邢素林，馬凡凡，陳寧怡，馬友華

（1安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥230036；2中國科技大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026）

0 引言

為解決農(nóng)田土壤普遍缺氮的問題，首要解決的問題是農(nóng)田中氮肥合理施用量，只有解決了氮肥施用量的問題，才有可能保障中國糧食安全與資源?，F(xiàn)階段中國農(nóng)作物中氮肥施用量為世界第一，占世界氮肥總用量的32%[1-2]。大量氮肥的投入使用保證農(nóng)作物健康生長和提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的同時(shí)，也產(chǎn)生了較多的負(fù)面環(huán)境問題，例如氮肥流失造成溫室氣體加劇和土壤退化等[3-4]。在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，約7%的氮肥被用于水稻種植，僅有20%～40%的氮素利用率[5]。除氮素之外，作物的生長還必須的營養(yǎng)物質(zhì)還有磷素和鉀素[6]，其中磷素的需求僅次于氮素，磷素能維持作物正常生長、使作物保持較高的產(chǎn)量，因此在種植作物時(shí)需要不斷向土壤添加磷素。磷肥與氮肥同樣存在利用率不高的問題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用率為5%～20%[7]，磷肥在水稻中的利用率為25%[8]。氮磷肥料的利用率低主要原因是農(nóng)田土壤中氮磷元素可以通過地表徑流、侵蝕和淋溶途徑流失入周圍環(huán)境[9-10]。雖然中國主要農(nóng)作物（水稻和小麥）肥料利用率水平已在國際利用率范圍之內(nèi)，但處于較低水平，肥料利用率提升空間較大。應(yīng)采用新型的施肥方式和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，減少土壤土壤養(yǎng)分流失，提高農(nóng)作物肥料利用率，才能增強(qiáng)我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，保障我國糧食供給[9-10]。

生物炭是指生物有機(jī)質(zhì)（比如木屑、農(nóng)作物秸稈、動(dòng)物尸體糞便等）在完全無氧或部分缺氧條件下，一定溫度環(huán)境中（通常溫度控制在700°C以下為宜）通過熱解反應(yīng)產(chǎn)生的一種含碳元素的固態(tài)物質(zhì)[11]，具有碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強(qiáng)等特性[12]。近幾年將生物炭作為土壤改良劑，研究對(duì)土壤養(yǎng)分的淋失的作用逐漸增多，例如：Zheng[13]為了研究生物炭對(duì)氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的損失程度和作物生長影響，采用室內(nèi)玉米盆栽對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是添加生物炭的處理氨態(tài)氮和硝態(tài)氮損失分別減少了7.0%和15.4%，同時(shí)促進(jìn)了玉米幼苗的生長，增加幼苗量，說明生物炭提高了土壤中氮素利用率，直接影響氮肥使用量。生物炭利于提高土壤中有機(jī)碳含量，改善土壤保水性能、肥提升料利用率、消減氮磷流失量[14-17]。

1 生物炭促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)土壤氮磷的吸收

1.1 生物炭改善土壤理化性質(zhì)

生物炭具有較大比表面積、發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、較高陽離子交換量、促進(jìn)植物生長的營養(yǎng)元素[18]。施用生物炭可以增加土壤中氮磷的吸持能力、土壤中有機(jī)質(zhì)含量以及土壤中養(yǎng)分有效性，生物炭特殊的結(jié)構(gòu)能作為肥料養(yǎng)分載體，吸收肥料養(yǎng)分，使土壤中養(yǎng)分釋放與淋失速度延緩[19]，達(dá)到長期改善土壤理化性質(zhì)的目的?？傮w來說，土壤中添加生物炭可以增大土壤的比表面積，增加土壤的持水量，增加土壤的pH值[20]。

1.2 生物炭促進(jìn)農(nóng)作物生長

作物生長根系是作物吸收營養(yǎng)的主要器官，作物對(duì)土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸和水分的吸收能力，影響著根系的大小、數(shù)量和土壤中的分布特征[21]。此外土壤容重影響作物根系在土壤中穿插活力[22]。隨著土壤容重增大，根系生長變慢，長度縮減，直徑增加，生物量銳減，且分布在土壤表層，導(dǎo)致水平分布角度增大，嚴(yán)重影響根系生長發(fā)育[23]。例如Alburquerque[24]通過室內(nèi)小區(qū)試驗(yàn)，在土壤中添加小麥秸稈和橄欖果皮制成的生物炭，來證明生物炭能促進(jìn)向日葵的生長，結(jié)果顯示添加生物炭的土壤，植物的生物量增加了26%～31%，促進(jìn)了向日葵葉片生長，減少根莖數(shù)量。因?yàn)樯锾刻砑拥酵寥乐性黾油寥捞镩g能力，降低土壤容重。生物炭巨大的比表面積，為養(yǎng)分吸附和微生物群落生存提供較大的空間，增加土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤持水性[25]，減少了養(yǎng)分的淋失，改善了土壤的性狀。生物炭的施入也能提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了土壤肥力，從而促進(jìn)作物生長[26]。生物炭作為肥料載體與肥料混合制成生物炭基肥料有一定養(yǎng)分緩釋功能，可減少化肥施用量，促進(jìn)農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量的增加[27]。

2 生物炭對(duì)土壤氮、磷吸附作用

2.1 生物炭的吸附機(jī)制

生物炭特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，使其成為一種優(yōu)質(zhì)高效的吸附材料。從生物炭的結(jié)構(gòu)上看，生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)比表面積大，具有超強(qiáng)的吸附能力，特別是對(duì)陽離子的吸附，如銅、鉛、鎘等。從化學(xué)性質(zhì)上看，生物炭富含多種化學(xué)官能團(tuán)，能與陰陽離子發(fā)生螯合配位作用，使其也保持良好的吸附特性[28]。

生物炭在土壤中吸附過程往往受到多種作用機(jī)制驅(qū)動(dòng)主要包括：分配作用機(jī)制、表面吸附機(jī)制、聯(lián)合作用機(jī)制和其他微觀機(jī)制[28]。Chiou[29]首次提出了線性分配理論，即非離子有機(jī)物被土壤吸附，使非離子有機(jī)物分配到有機(jī)質(zhì)當(dāng)中，但與表面積無關(guān)。分配理論的提出為生物炭吸附機(jī)理研究提供了基礎(chǔ)。表面吸附機(jī)制被吸附物質(zhì)與吸附表面之間，通過分子間引力或化學(xué)鍵而形成的吸附過程[30]，是生物炭吸附土壤中氨氮、硝氮、磷的主要機(jī)制。土壤理化性質(zhì)、有機(jī)物含量和吸附環(huán)境條件影響生物炭的吸附作用機(jī)制，闡述生物炭對(duì)養(yǎng)分吸附作用，僅分析分配平衡或生物炭表面吸附，存在一定局限性，因此要聯(lián)合生物炭分配作用機(jī)制和表面吸附機(jī)制，全面的進(jìn)行分析[31]。除分配和表面吸附其主要作用外，在生物炭吸附過程中還存在其他一些微觀吸附機(jī)制會(huì)影響吸附過程，如孔隙作用：孔隙填充機(jī)制會(huì)在生物炭吸附過程中發(fā)揮作用[32]。

2.2 生物炭增加土壤氮、磷的吸附效率

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的根本原因是土壤中的氮、磷等養(yǎng)分的無效轉(zhuǎn)化與遷移[33]。生物炭豐富的中小孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面特性使其對(duì)吸附養(yǎng)分離子起主導(dǎo)作[34]，孔隙度和孔徑分布會(huì)養(yǎng)分的改變滲濾模式，增加養(yǎng)分在土壤中的停留時(shí)間和養(yǎng)分量[35]。同時(shí)，生物炭表面有豐富的含氧團(tuán)，具有較高離子吸附交換能力，吸附容量大，能夠吸附土壤中銨態(tài)、氮硝態(tài)氮、可溶性氮、可溶性磷等，減少氮、磷等養(yǎng)分的流失因此土壤中添加生物炭促進(jìn)了對(duì)氮磷的吸收和吸附[36-38]。土壤中添加一定量生物炭，能吸附剩余的氮、磷元素，延緩養(yǎng)分在土壤中釋放，一定程度上減少養(yǎng)分流失。美國研究員Chintala[39]采用3種生物質(zhì)（玉米秸稈、松木屑和柳枝）熱解形成的生物碳作為研究材料，結(jié)果認(rèn)為生物炭的比表面積和表面凈電荷，有助于土壤吸附肥料中硝酸鹽，利于減少土壤中硝態(tài)氮淋失。

3 生物炭促進(jìn)土壤中氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化

3.1 生物炭促進(jìn)氮素的遷移轉(zhuǎn)化

生物炭改變土壤基本理化性質(zhì)，利用生物炭高孔隙度的特性，影響了參與土壤中的微生物降解過程，影響土壤氮素周轉(zhuǎn)過程中硝化菌、反硝化菌和固氮菌的多樣性、活性及豐度[40]。微生物種群的改變直接關(guān)系到固氮作用、氮素礦化過程、氨揮發(fā)、硝化和反硝化作用等一些列與土壤氮循環(huán)有關(guān)的微生物活動(dòng)[41]。

土壤中氮素的轉(zhuǎn)化是土壤氮循環(huán)的核心內(nèi)容，而礦化過程、硝化－反硝化過程和土壤對(duì)NH4+的吸收固定則是土壤中氮素轉(zhuǎn)化的主要途徑[42]，促進(jìn)了氮素的形態(tài)轉(zhuǎn)化，直接影響作物對(duì)氮的吸收和利用以及氮在植物-土壤系統(tǒng)中的損失[43-44]。土壤中氮礦化作用和固氮作用的有效性取決于土壤中施入的生物炭量[45]。首先生物炭施入在農(nóng)田或草地，對(duì)土壤的有機(jī)氮礦化產(chǎn)生負(fù)作用，降低氮礦化的速度，使得氮對(duì)植物的有效性降低[46]。楊帆[47]在土壤中添加秸稈生物炭，通過氯仿熏方法殺死土壤和生物炭中的微生物，監(jiān)測土壤氨揮發(fā)過程，研究發(fā)現(xiàn)生物炭施入稻田后其中微生物作用約占42%，非微生物作用約占59%。生物炭可通過促進(jìn)有機(jī)氮礦化或減少微生物對(duì)無機(jī)氮的同化來減緩NH4-N的降低。生物炭施用能促進(jìn)潛在硝化速率，提高土壤硝化速度[48]。增加土壤中硝化作物的豐富度[49]。Song[50]通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究生物炭對(duì)土壤中影響氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)菌(AOB)的影響。試驗(yàn)設(shè)置4組處理，生物炭（棉花桿制成的生物炭）的使用率分別是0%、5%、10%和20%，得出AOB的活性高于AOA，主要是生物炭對(duì)硝化菌的影響不同，增加了AOB的多樣性，降低了AOA的多樣性。氮肥利用率的低的主要原因之一是土壤反硝化過程，反硝化過程影響N2O排放，為驗(yàn)證生物炭施入土壤后能夠減少或抑制N2O氣體排，Kang等[51]在大田土壤中添加大麥秸稈制成的生物炭，生物炭的使用量為0、100、300、500 kg/hm2。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)生物炭使用500 kg/hm2減少CH4和N2O排放通量最高，分別降低了31.6%和26.1%。生物炭的添加有助于N2O排放量的減少。

3.2 生物炭促進(jìn)磷素的遷移轉(zhuǎn)化

磷素在土壤中遷移轉(zhuǎn)化主要包括：沉淀溶解、吸收吸附。其中無機(jī)磷對(duì)生物固定以及有機(jī)磷礦化等屬于特殊的化學(xué)過程[52]。此過程受生物和非生物因素的綜合作用，生物炭可參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中的磷素循環(huán)，增加土壤中有效磷的供給，提高磷的可利用性，對(duì)土壤磷素物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響[53-55]。生物質(zhì)的木質(zhì)組織在炭化過程中會(huì)釋放磷酸鹽，并隨著生物炭添加至土壤成為土壤中磷的直接來源[56]。生物炭對(duì)土壤磷素含量的影響，主要原因是生物炭原料類型和制成條件，不同生物質(zhì)材料所制得生物炭含磷量差異較大，例如在相同溫度（350℃下）油菜秸稈和豌豆秸稈制成的生物炭，炭化后磷含量分別為2.2、16.6 g/kg[57]；相同材質(zhì)的生物質(zhì)，生物炭總磷和效磷含量，與炭化溫度成反比[56]，Christel等[58]使用擴(kuò)散薄膜技術(shù)中的梯度來確定磷的可用性，采用豬糞進(jìn)行熱處理（在300～1000℃下熱解或燃燒）加工成生物炭，對(duì)磷的變化進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)磷有效性隨干燥程度的增加呈下降趨勢(shì)：干燥＞堆肥＞熱解＞燃燒，磷在熱解到700℃或燃燒在400℃以上有效性全無。生物炭還能影響土壤磷素的溶解性，抑制可溶性磷與其他離子的結(jié)合，促進(jìn)磷在土壤中的溶解，提高磷肥利用率[59-61]，Wisawapipat[62]的研究目的是如何控制磷酸鹽的溶解性。試驗(yàn)在酸性水稻土的還原和氧化過程中加入油棕櫚灰和生物炭，采用光譜技術(shù)與連續(xù)萃取，監(jiān)測土壤磷素的動(dòng)態(tài)變化，得出土壤中添加生物炭利于提高總磷的可持續(xù)性，間接說明生物炭增加土壤中磷素溶解性。

4 生物炭減少土壤氮、磷的流失

水分作為土壤養(yǎng)分載體是導(dǎo)致土壤氮磷淋失主要因素[63]。加強(qiáng)田間水分管理，對(duì)控制土壤氮磷淋失起到至關(guān)重要作用。農(nóng)田施用生物炭增加土壤持水量和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、提高作物對(duì)土壤有效水利用，對(duì)減少土壤中氮磷流失起到重要作用[64-66]。

4.1 生物炭降低田面水中氮磷的流失

水稻季施肥后，一部分的營養(yǎng)物質(zhì)隨水動(dòng)力過程流入田面水中，田面水中氮、磷的超高濃度增加了非點(diǎn)源污染物的輸出負(fù)荷。針對(duì)這一污染問題，解決的措施之一就是更改農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的施肥類型和配施方式[67-68]。馮軻等[69]通過小區(qū)試驗(yàn)施用生物炭代替了其中部分氮肥（二銨）的使用量，分別為5000 kg/hm2生物炭（代替167 kg/hm2氮肥）、10000 kg/hm2生物炭（代替334 kg/hm2氮肥）、20000 kg/hm2生物炭（無氮肥）。施肥后共進(jìn)行了9次田面水的采樣，對(duì)水樣進(jìn)行測定，結(jié)果顯示施肥后的第l0天，生物炭的作用開始明顯，采用生物炭部分替代化肥的施肥方式，田面水總氮輸出負(fù)荷減少39%～50%，總磷輸出負(fù)荷減少38%～50%，降低田面水中氮磷的流失的效果明顯。生物炭的添加削減了田面水的氮磷的流失，因此優(yōu)化生物炭田間施肥技術(shù)，不僅可以降低田面水中養(yǎng)分的流失，還能保護(hù)生態(tài)質(zhì)量，具有良好的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 生物炭減少養(yǎng)分的淋失

4.2.1 生物炭減少土壤氮淋失 氮淋溶是氮素?fù)p失的重要途徑之一，導(dǎo)致地下水硝態(tài)氮污染的重要原因[70]。不同理化性質(zhì)生物炭對(duì)土壤中氮淋失作用不同，在溫度為550℃炭化制成的生物炭，減少氮淋失效果顯著高于550℃下制成的生物炭，尤其對(duì)減少硝態(tài)氮、總氮及有機(jī)氮淋失作用明顯[71]。Sun[72]在使用聚氯乙烯(PVC)柱模擬濱海鹽漬土，在尿素的使用量相同的情況下混合不同比例的小麥生物炭共有5種處理方式：（1）單獨(dú)使用尿素；（2）尿素混合4.5 g生物炭；（3）尿素混合9.0 g生物炭；（4）尿素混合18 g生物炭；（5）尿素混合36 g生物炭，其余4中處理與單獨(dú)使用尿素相比總氮淋失分別降低了11.6%～24.0%、13.2%～29.7%、14.6%～26.0%和25.6%～53.6%。表明生物炭可以有效降低土壤中總氮淋失。中國研究員周志紅[71]通過試驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論，隨生物炭施用量的增加，硝態(tài)氮的淋失量也顯著降低。土壤中添加生物炭增大土壤顆粒的孔隙度，利于土壤中氮的固定，可以大幅度地降低土壤氮素的淋失作用。

4.2.2 生物炭減少土壤磷淋失 農(nóng)田施用生物炭對(duì)土壤中磷淋失量也有一定的影響，一般認(rèn)為炭化溫度高的生物炭可有效減少土壤可溶態(tài)磷的淋失[73]。李卓瑞等[74]探討了生物炭與土壤磷流失之間的關(guān)系，研究表明生物炭降低磷流失，主要是生物炭促進(jìn)陰離子交換能力，影響與磷與陽離子的相互作用，增加土壤中有效磷活性，減少可溶性磷的流失。Laird[75]采用室內(nèi)土柱模擬方式，處理中有添加了混合硬木（橡木和山核桃木）制作的生物炭，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為土柱中添加了生物炭的處理，總氮和總磷的流失分別降低了11%和69%，證明了生物炭能能減弱土壤中氮磷淋失量。Pratiwi[76]在試驗(yàn)中使用稻殼制成的生物炭，認(rèn)為生物炭的添加對(duì)于磷淋溶影響小，但可以用來增加磷的有效性，因此生物炭的添加可以減少土壤中磷肥的施用。

4.3 生物炭減少土壤氨揮發(fā)的損失

氨揮發(fā)是農(nóng)田土壤氮素?fù)p失的又一主要途徑，每年全世界通過氨揮發(fā)導(dǎo)致的氮素?fù)p失約32 t[77]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中常用的氮肥有尿素(46%N)、磷酸二銨(18%N)、PM(3%N)，施入這些肥料后可明顯改善土壤性質(zhì)[78]，提高土壤的pH值，但也會(huì)加速NH3的揮發(fā)[79]。土壤中添加生物炭一方面影響氮素的動(dòng)態(tài)過程，減緩氮素的轉(zhuǎn)化率，起到了固氮作用[14]，另一方面能減少氮素?fù)p失[80]，因此生物炭有利于減少氨揮發(fā)。澳大利亞研究員Sanchita[81]對(duì)此展開了深入研究，共設(shè)置七組室內(nèi)土壤試驗(yàn)，作為對(duì)照其中5組未添加生物炭的土壤pH值分別為pH 9.04、8.3、8.02、5.8、5.5，而2組添加家禽糞便與澳洲堅(jiān)果殼制成的兩種生物炭的土壤pH值分別為pH 8.66、10.84。相應(yīng)研究結(jié)果為強(qiáng)堿性土壤有助于NH3揮發(fā)，最高揮發(fā)量為151.6 mg/kg，但添加生物炭的土壤不僅氨揮發(fā)降低70%，而且小麥干重和氮吸收量分別高達(dá)24.24%和76.11%，生物炭在減少土壤氮素?fù)]發(fā)中的潛力，同時(shí)提高了小麥的利用效率。

5 研究展望

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)田土壤施用生物炭后理化環(huán)境改變研究日益增多。生物炭作為土壤改良劑，對(duì)改善土壤氮磷淋溶流失和氨揮發(fā)損失有顯著作用，但對(duì)土壤理化性質(zhì)改善的穩(wěn)定性和長期效果還沒有系統(tǒng)研究，并且生物炭施用對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的風(fēng)險(xiǎn)方面研究也存在一定的不足，未來對(duì)生物炭的研究應(yīng)加強(qiáng)以下幾點(diǎn)：

（1）目前研究主要集中在生物炭消減田面水氮磷流失、土壤氮磷淋失和氨揮發(fā)損失。土壤中氮磷流失還包括徑流流失途徑，對(duì)此可開展實(shí)驗(yàn)，研究生物炭對(duì)土壤氮磷徑流流失影響。

（2）在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，生物炭施用改善土壤養(yǎng)分的有效性和提高作物產(chǎn)量的短期影響，已有很好的研究。未來可開展長時(shí)間跨度的研究，分析生物炭對(duì)作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量的長期影響。

（3）當(dāng)前的研究都是將生物炭與肥料同時(shí)加入。未來可在種植前一個(gè)月施加生物炭，研究農(nóng)田生物炭前施能否有效減少土壤中氮磷流失，農(nóng)作物產(chǎn)量。

（4）農(nóng)作物種植中磷肥過量施用，會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)華，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大危害。已有研究表明生物炭能減少土壤中磷流失，對(duì)于生物炭減輕水體富營養(yǎng)化作用，應(yīng)進(jìn)行充分研究。