生物炭對土壤氮磷轉化和流失的影響

吳蔚君，徐云連，邢素林，馬凡凡，陳寧怡，馬友華

（1安徽農業大學資源與環境學院，合肥230036；2中國科技大學地球和空間科學學院，合肥230026）

0 引言

為解決農田土壤普遍缺氮的問題，首要解決的問題是農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。現階段中國農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作物健康生長和提高經濟產量的同時，也產生了較多的負面環境問題，例如氮肥流失造成溫室氣體加劇和土壤退化等[3-4]。在中國農業生產中，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物質還有磷素和鉀素[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量，因此在種植作物時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，農業生產利用率為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境[9-10]。雖然中國主要農作物（水稻和小麥）肥料利用率水平已在國際利用率范圍之內，但處于較低水平，肥料利用率提升空間較大。應采用新型的施肥方式和農業生產方式，減少土壤土壤養分流失，提高農作物肥料利用率，才能增強我國的農業生產水平，保障我國糧食供給[9-10]。

生物炭是指生物有機質（比如木屑、農作物秸稈、動物尸體糞便等）在完全無氧或部分缺氧條件下，一定溫度環境中（通常溫度控制在700°C以下為宜）通過熱解反應產生的一種含碳元素的固態物質[11]，具有碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強等特性[12]。近幾年將生物炭作為土壤改良劑，研究對土壤養分的淋失的作用逐漸增多，例如：Zheng[13]為了研究生物炭對氨態氮和硝態氮的損失程度和作物生長影響，采用室內玉米盆栽對比試驗，試驗結果是添加生物炭的處理氨態氮和硝態氮損失分別減少了7.0%和15.4%，同時促進了玉米幼苗的生長，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 生物炭促進農作物對土壤氮磷的吸收

1.1 生物炭改善土壤理化性質

生物炭具有較大比表面積、發達孔隙結構、較高陽離子交換量、促進植物生長的營養元素[18]。施用生物炭可以增加土壤中氮磷的吸持能力、土壤中有機質含量以及土壤中養分有效性，生物炭特殊的結構能作為肥料養分載體，吸收肥料養分，使土壤中養分釋放與淋失速度延緩[19]，達到長期改善土壤理化性質的目的。總體來說，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 生物炭促進農作物生長

作物生長根系是作物吸收營養的主要器官，作物對土壤中礦質營養元素吸和水分的吸收能力，影響著根系的大小、數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，導致水平分布角度增大，嚴重影響根系生長發育[23]。例如Alburquerque[24]通過室內小區試驗，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向日葵的生長，結果顯示添加生物炭的土壤，植物的生物量增加了26%～31%，促進了向日葵葉片生長，減少根莖數量。因為生物炭添加到土壤中增加土壤田間能力，降低土壤容重。生物炭巨大的比表面積，為養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，增強土壤持水性[25]，減少了養分的淋失，改善了土壤的性狀。生物炭的施入也能提高土壤的有機質含量，增強了土壤肥力，從而促進作物生長[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分緩釋功能，可減少化肥施用量，促進農作物的生長和產量的增加[27]。

2 生物炭對土壤氮、磷吸附作用

2.1 生物炭的吸附機制

生物炭特殊的物理化學性質，使其成為一種優質高效的吸附材料。從生物炭的結構上看，生物炭的疏松多孔結構比表面積大，具有超強的吸附能力，特別是對陽離子的吸附，如銅、鉛、鎘等。從化學性質上看，生物炭富含多種化學官能團，能與陰陽離子發生螯合配位作用，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制驅動主要包括：分配作用機制、表面吸附機制、聯合作用機制和其他微觀機制[28]。Chiou[29]首次提出了線性分配理論，即非離子有機物被土壤吸附，使非離子有機物分配到有機質當中，但與表面積無關。分配理論的提出為生物炭吸附機理研究提供了基礎。表面吸附機制被吸附物質與吸附表面之間，通過分子間引力或化學鍵而形成的吸附過程[30]，是生物炭吸附土壤中氨氮、硝氮、磷的主要機制。土壤理化性質、有機物含量和吸附環境條件影響生物炭的吸附作用機制，闡述生物炭對養分吸附作用，僅分析分配平衡或生物炭表面吸附，存在一定局限性，因此要聯合生物炭分配作用機制和表面吸附機制，全面的進行分析[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制會影響吸附過程，如孔隙作用：孔隙填充機制會在生物炭吸附過程中發揮作用[32]。

2.2 生物炭增加土壤氮、磷的吸附效率

農業非點源污染的根本原因是土壤中的氮、磷等養分的無效轉化與遷移[33]。生物炭豐富的中小孔結構和特殊的表面特性使其對吸附養分離子起主導作[34]，孔隙度和孔徑分布會養分的改變滲濾模式，增加養分在土壤中的停留時間和養分量[35]。同時，生物炭表面有豐富的含氧團，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、氮硝態氮、可溶性氮、可溶性磷等，減少氮、磷等養分的流失因此土壤中添加生物炭促進了對氮磷的吸收和吸附[36-38]。土壤中添加一定量生物炭，能吸附剩余的氮、磷元素，延緩養分在土壤中釋放，一定程度上減少養分流失。美國研究員Chintala[39]采用3種生物質（玉米秸稈、松木屑和柳枝）熱解形成的生物碳作為研究材料，結果認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氮淋失。

3 生物炭促進土壤中氮、磷的遷移轉化

3.1 生物炭促進氮素的遷移轉化

生物炭改變土壤基本理化性質，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系到固氮作用、氮素礦化過程、氨揮發、硝化和反硝化作用等一些列與土壤氮循環有關的微生物活動[41]。

土壤中氮素的轉化是土壤氮循環的核心內容，而礦化過程、硝化－反硝化過程和土壤對NH4+的吸收固定則是土壤中氮素轉化的主要途徑[42]，促進了氮素的形態轉化，直接影響作物對氮的吸收和利用以及氮在植物-土壤系統中的損失[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田或草地，對土壤的有機氮礦化產生負作用，降低氮礦化的速度，使得氮對植物的有效性降低[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，監測土壤氨揮發過程，研究發現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%。生物炭可通過促進有機氮礦化或減少微生物對無機氮的同化來減緩NH4-N的降低。生物炭施用能促進潛在硝化速率，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]通過室內盆栽試驗研究生物炭對土壤中影響氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細菌(AOB)的影響。試驗設置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。監測發現生物炭使用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 生物炭促進磷素的遷移轉化

磷素在土壤中遷移轉化主要包括：沉淀溶解、吸收吸附。其中無機磷對生物固定以及有機磷礦化等屬于特殊的化學過程[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系統中的磷素循環，增加土壤中有效磷的供給，提高磷的可利用性，對土壤磷素物質轉化過程產生重要影響[53-55]。生物質的木質組織在炭化過程中會釋放磷酸鹽，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]；相同材質的生物質，生物炭總磷和效磷含量，與炭化溫度成反比[56]，Christel等[58]使用擴散薄膜技術中的梯度來確定磷的可用性，采用豬糞進行熱處理（在300～1000℃下熱解或燃燒）加工成生物炭，對磷的變化進行監測，發現磷有效性隨干燥程度的增加呈下降趨勢：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合，促進磷在土壤中的溶解，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，采用光譜技術與連續萃取，監測土壤磷素的動態變化，得出土壤中添加生物炭利于提高總磷的可持續性，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

水分作為土壤養分載體是導致土壤氮磷淋失主要因素[63]。加強田間水分管理，對控制土壤氮磷淋失起到至關重要作用。農田施用生物炭增加土壤持水量和團聚體的穩定性、提高作物對土壤有效水利用，對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，一部分的營養物質隨水動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源污染物的輸出負荷。針對這一污染問題，解決的措施之一就是更改農業生產過程中的施肥類型和配施方式[67-68]。馮軻等[69]通過小區試驗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）。施肥后共進行了9次田面水的采樣，對水樣進行測定，結果顯示施肥后的第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，田面水總氮輸出負荷減少39%～50%，總磷輸出負荷減少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，因此優化生物炭田間施肥技術，不僅可以降低田面水中養分的流失，還能保護生態質量，具有良好的環境經濟效益。

4.2 生物炭減少養分的淋失

4.2.1 生物炭減少土壤氮淋失 氮淋溶是氮素損失的重要途徑之一，導致地下水硝態氮污染的重要原因[70]。不同理化性質生物炭對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，尤其對減少硝態氮、總氮及有機氮淋失作用明顯[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]通過試驗也得出了相同的結論，隨生物炭施用量的增加，硝態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 農田施用生物炭對土壤中磷淋失量也有一定的影響，一般認為炭化溫度高的生物炭可有效減少土壤可溶態磷的淋失[73]。李卓瑞等[74]探討了生物炭與土壤磷流失之間的關系，研究表明生物炭降低磷流失，主要是生物炭促進陰離子交換能力，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，實驗結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]在試驗中使用稻殼制成的生物炭，認為生物炭的添加對于磷淋溶影響小，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的損失

氨揮發是農田土壤氮素損失的又一主要途徑，每年全世界通過氨揮發導致的氮素損失約32 t[77]。農業生產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[78]，提高土壤的pH值，但也會加速NH3的揮發[79]。土壤中添加生物炭一方面影響氮素的動態過程，減緩氮素的轉化率，起到了固氮作用[14]，另一方面能減少氮素損失[80]，因此生物炭有利于減少氨揮發。澳大利亞研究員Sanchita[81]對此展開了深入研究，共設置七組室內土壤試驗，作為對照其中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。相應研究結果為強堿性土壤有助于NH3揮發，最高揮發量為151.6 mg/kg，但添加生物炭的土壤不僅氨揮發降低70%，而且小麥干重和氮吸收量分別高達24.24%和76.11%，生物炭在減少土壤氮素揮發中的潛力，同時提高了小麥的利用效率。

5 研究展望

近年來，國內外學者對農田土壤施用生物炭后理化環境改變研究日益增多。生物炭作為土壤改良劑，對改善土壤氮磷淋溶流失和氨揮發損失有顯著作用，但對土壤理化性質改善的穩定性和長期效果還沒有系統研究，并且生物炭施用對農業非點源污染的風險方面研究也存在一定的不足，未來對生物炭的研究應加強以下幾點：

（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損失。土壤中氮磷流失還包括徑流流失途徑，對此可開展實驗，研究生物炭對土壤氮磷徑流流失影響。

（2）在農業生態系統中，生物炭施用改善土壤養分的有效性和提高作物產量的短期影響，已有很好的研究。未來可開展長時間跨度的研究，分析生物炭對作物產量和土壤質量的長期影響。

（3）當前的研究都是將生物炭與肥料同時加入。未來可在種植前一個月施加生物炭，研究農田生物炭前施能否有效減少土壤中氮磷流失，農作物產量。

（4）農作物種植中磷肥過量施用，會導致水體富營養華，對環境產生巨大危害。已有研究表明生物炭能減少土壤中磷流失，對于生物炭減輕水體富營養化作用，應進行充分研究。