生物炭對土壤氮磷轉化和流失的影響

呂慧捷 孫紅艷 周鴻淼 付國勝

（1. 新疆巴音郭楞職業技術學院，新疆庫爾勒 841000；2. 浙江大學寧波理工學院，浙江寧波 315100； 3. 新疆恒輝君揚生物科技有限公司，新疆庫爾勒 841000）

生物炭具有特殊的理化性質與材料結構，對土壤中的氮磷含量具有一定影響。生物炭不僅可以增強農作物對土壤當中氮磷養分的吸收，促進作物產量提高，而且還能改善土壤的理化性質，降低土壤中氮磷養分的損失，從而使肥料效益得到有效改善。因此，生物炭對氮磷形態轉化、氮磷流失減少都有著重要影響，對土壤環境的污染治理及其持續性發展有著重要影響。

1 生物炭對土壤氮、磷的吸附作用

1.1 生物炭的吸附機制 生物炭具備的特殊物理與化學性質使其成為高效且優質的吸附材料。生物炭其疏松多孔的結構有著顯著的吸附力，尤其是吸附陽離子，比如鉛、銅、鎘等。生物炭通常含有多種的化學官能團，可以和陰陽離子產生配位作用。土壤中，生物炭的吸附過程通常包含多種機理，如分配作用、聯合作用、表面吸附等[1]。表面吸附通常是指被吸附表面和吸附物質間以分子之間的引力或者化學鍵形成的一種吸附過程，其屬于生物炭對土壤中硝氮、氨氮、磷進行吸附的主要機理。土壤的理化性質、吸附環境條件、有機物的含量都會對生物炭的吸附作用產生影響。另外，除了表面吸附與分配作用外，生物炭在吸附中還存在相應的微吸附機理，對吸附的全過程也可造成影響，例如孔隙作用。

1.2 生物炭增強土壤氮、磷吸附效率 農業中非點源污染主要原因是土壤中的氮、磷等養分出現無效遷移與轉化。生物炭中的小孔結構與特殊表面特征促使其對吸附的養分離子具有主導作用，孔徑分布與孔隙度會促使養分的滲濾模式發生改變，使土壤中的養分含量與停留時間增加。另外，生物炭表面有豐富含氧基團，其具有較高的吸附交換能力，且吸附的容量相對較大，可以對土壤中的硝態氮、可溶性磷、可溶性氮、銨態氮等進行吸附，從而使氮、磷的養分流失有效減少。由此可知，土壤中添加適量的生物炭，能夠有效促進氮磷的吸附與吸收[2]。同時，土壤中添加生物炭也可對過量的氮、磷等養分進行吸附，使過量的養分在土壤中緩慢釋放，從而使養分流失程度有效減少。

2 生物炭對土壤中氮、磷轉化的影響

2.1 生物炭對土壤中氮轉化的影響 生物炭能夠有效改變土壤理化性質。生物炭的高孔隙度特征會使土壤中微生物新陳代謝作用受到影響，氮素在土壤中循環周轉涉及的反硝化細菌、固氮菌、硝化細菌等的活性、多樣性、豐度也會受到影響。微生物種群的變化通常與氮素礦化過程、固氮作用、硝化與反硝化、氨揮發等和土壤氮循環相關微生物的活動有直接關系。土壤氮素礦化過程、土壤對NH4+的吸收與固定、硝化與反硝化的過程都屬于土壤氮素轉化的主要途徑，這些過程與作物對氮素的利用與吸收及氮在土壤中的損失密切相關[3]。將生物炭施加到草地或者農田中，對土壤中的有機氮礦化會產生負作用，從而影響土壤氮素對植物的有效性。在土壤中增添不同量的秸稈生物炭后，以氯仿熏蒸的方法測定土壤及生物炭中的微生物量，同時對土壤氨的揮發全過程進行監測發現，生物炭施加到稻田中，微生物產生的作用占42% 左右，非微生物的作用占59% 左右。同時，生物炭可提高潛在的硝化速率。

2.2 生物炭對土壤中磷轉化的影響 磷在土壤中的轉化通常包含吸收吸附和沉淀溶解兩種。其中，有機磷礦化與無機磷固定等均屬于相對特殊的一種化學過程。該過程中，受非生物與生物相關因素的作用，生物炭可以增加土壤有效磷含量和有效磷的生物可利用性，對土壤磷的轉化產生重要影響[4]。生物炭屬于木質組織，其在炭化過程中通常會釋放較多磷酸鹽，因此生物炭添加到土壤中后，生物炭中含有的磷酸鹽便會成為土壤中磷的重要來源。同時，受到生物炭制備條件以及原料類型不同的影響，各種生物質材料所制成的生物炭實際含磷量存有較大差異，因此不同生物炭對土壤磷含量的影響不同。

3 生物炭對土壤中氮、磷流失的影響

水分是土壤養分的重要載體。強化田間的水分管理，通常對土壤氮、磷流失控制有著重要作用。在農田中，通過生物炭增加團聚體穩定性、土壤持水量、作物對土壤有效水分利用等，都對土壤當中氮、磷的流失產生了重要影響。

3.1 減少田面水氮磷的流失 水稻季完成施肥之后，部分營養物質會根據水動力流到田面水當中，田面水當中的氮、磷濃度提高，易導致非點源污染物輸出負荷增加。根據該污染問題，最好的解決方法就是更改農業生產中的施肥類型與配施方法[5]。通過適量添加生物炭，能夠削減田面水中的氮、磷流失。利用生物炭進行田間施肥不僅可以使田面水當中的養分流失降低，而且還能對農田生態質量進行保護，通常也會產生良好的經濟效益。

3.2 減少養分流失

3.2.1 減少土壤中氮流失 氮淋溶不僅是氮損失的一種主要途徑，而且還是地下水出現硝態氮污染的重要原因。不同理化性質的生物炭對土壤中氮流失的作用也不同，溫度達到550℃的生物炭，其降低氮流失的效果明顯比550℃以下所制成生物炭的效果好，特別是對總氮、有機氮、硝態氮流失的減少作用更加明顯。土壤中添加生物炭會使土壤顆粒孔隙度增大，通過對土壤中氮的固定，減少土壤氮的流失。

3.2.2 減少土壤中磷流失 農田施加生物炭通常對土壤的磷流失具有相應的影響。通常認為，溫度較高的生物炭能夠使土壤磷的流失有效減少。通過對生物炭和土壤中磷流失的關系進行探究發現，生物炭能夠使磷流失有效降低，主要是因為生物炭能夠促進陰離子的交換能力，并對磷和陽離子之間的互相作用造成影響，從而使土壤中磷活性增加，實現磷流失降低。

4 結語

綜上所述，生物炭不僅是土壤的改良劑，而且對土壤氮、磷流失的改善以及氨揮發的損失有著重要作用，其能夠有效促進土壤中氮、磷的轉化，減少氮、磷的流失。