添加生物炭對土壤磷素有效性影響研究進展

馬 珍，黃凱文，張珍明，苫君月，姜 鑫，黃先飛*

(1.貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴陽 550001；2.貴州省生物研究所，貴陽 550008)

磷是維持生命體生長和代謝的重要營養元素，其含量及供給能力直接影響植株生產水平。土壤全磷含量一般為100~3 000 mg·kg-1，是土壤養分主要限制因子[1]。有效磷是影響磷生物可利用性的主要因素[2]，其含量通常較低，當季利用率僅10%~25%。土壤磷素主要源于磷肥施用，大量施磷造成土壤磷素過度累積，累積的磷素稱為土壤遺留磷（Legacy phosphorus）[3-4]。我國磷礦資源儲量相對匱乏，僅占全球5%。與此同時，土壤磷素形態復雜，一般通過無機磷解吸和溶解、有機磷酶解及微生物生物量磷礦化等一系列生物化學過程轉化為溶液磷才可被植物吸收利用。土壤磷素利用率低且累積嚴重，造成磷資源浪費，威脅糧食生產和環境安全。因此，提高土壤磷素生物有效性，是解決我國磷資源危機、實現綠色生態和資源可持續利用關鍵。

生物炭是生物有機質在無氧或缺氧條件下通過熱解反應形成的富碳產物，具有多孔、比表面積高、溶解難、穩定性強、芳香化程度高、生產成本低廉和易存儲等特點。生物炭是一種可再生資源，廣泛用于改良土壤和提高土壤養分，在土壤中施加生物炭改良劑有助于植株生長、增加作物產量、提高磷肥利用率及改良土壤質量。生物炭絕大多數研究和應用基于以下原材料：稻草、小麥秸稈、甘蔗渣、玉米秸稈、核桃殼、開心果殼、草、廢棄木材、城市污水污泥、藻類廢棄物和糞便等。生物炭施用可增加土壤有效磷含量和磷素利用率。周慧華等研究生物炭輸入到4種不同土地利用類型中（林地、草地、耕地和荒地），土壤有效磷含量分別增加40.0%、50.2%、34.0%和43.6%[5]。王秋君等研究發現，連續施用生物炭顯著增加NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、Fe/Al-Pi和Ca-Pi含量[6]。

生物炭不僅含有大量磷，且是一種已被證實的長效緩釋磷資源，可持續向土壤中補充磷。從短期看，生物炭釋放的磷主要是水溶性磷，以無機正磷酸鹽（HPO42-）和焦磷酸鹽（HP2O73-、P2O74-）形式存在[7]，保留在生物炭中的NaHCO3-P、NaOH-P和HCl可提取磷是中長期磷源。不同原料和生物炭中磷釋放速度不同，如糞便釋放的磷為快速解吸，而糞便生物炭釋放的磷緩慢且穩定。一般來說，其他材料中釋放磷的速度比生物炭中釋放磷的速度快。例如，有機肥+化肥處理與生物炭+有機肥+化肥處理研究發現，在浸提時間超過4 h后磷含量差異顯著，20 h后有機肥+化肥處理達到80 mg·kg-1，而生物炭+有機肥+化肥處理僅30 mg·kg-1，并以相對緩慢且恒定速率釋放[6]。利用生物炭自身物理特性和長效釋緩機制，提高土壤磷有效性，不僅高效、環保，且與土壤環境親和，是解決土壤磷素利用效率低的有效途徑之一。文章從施加生物炭提高土壤磷素利用率展開綜述，探討生物炭對土壤磷素化學與生物影響機理，為解決生物炭改良劑對磷在農業上引起經濟、環境、資源可持續發展問題提供理論參考。

1 生物炭提高土壤磷有效性的影響因素

生物炭作為改良劑可提高土壤磷含量、利用率和磷酸鹽可用性。決定生物炭中土壤磷有效性因素包括原材料類型、熱解溫度和添加量等。

1.1 生物炭原材料

劉玉學等研究發現，水稻秸稈經炭化形成生物炭添加至土壤后，磷含量顯著升高，為原水稻秸稈10倍[8]。原因可能是生物質炭化過程中，可溶性磷酸鹽釋放殘留在生物炭中，成為土壤磷源。生物炭原材料不同，其改良效果不同，玉米芯生物炭比稻殼生物炭更能有效提高酸性土壤磷有效性。玉米芯生物炭使酸性土和極酸性土吸磷能力分別降低33.7%和36.8%，稻殼生物炭則降低29.4%和34.8%，用玉米芯生物炭改良土壤后，土壤對磷吸附相對較低，是因為玉米芯生物炭中鋁和鐵含量較低，而磷含量較高[9]。與其他類型生物炭相比，動物糞便和污水污泥生物炭具有更高水溶性磷含量，且在施用到土壤后釋放更多磷。農作物秸稈和家禽糞便中磷主要以有機磷（如磷脂和植酸）為主，植物難以利用。

1.2 熱解溫度和施加量

生物炭熱解溫度和施加量影響原材料中碳揮發和磷保存。在低溫（<200℃）熱解過程中，植物和糞便中部分有機磷轉化為無機磷，在500℃時有機磷完全轉化為無機磷，這是溫度升高時原材料中碳揮發和O-P鍵斷裂的結果[10]。制備溫度更高，生物炭傾向于產生更多HCl可提取磷，生成的磷較為穩定，不因水土流失而釋放到土壤中[11-12]。此外，周麗麗等研究不同秸稈生物炭施加量2%、4%和6%，發現有效磷含量隨生物炭施入量增加而依次增加，土壤中有效磷含量均值分別較對照增加10.9%、15.66%和19.62%。有效磷含量增加可能是因生物炭增強土壤團聚體穩定性，減少有機質釋放，從而提高土壤磷素固持能力，減少磷素淋溶及損失[13]。

研究表明，隨生物炭熱解溫度和施加量增加，土壤對磷吸附量降低，總磷含量增加。郎印海等用柚子皮制備生物炭，生物炭施加量和熱解溫度增加，土壤對磷吸附降低，吸附平衡時添加1%、2%和5%生物炭（BC300），土壤對磷吸附量與CK相比分別減少2.06%、3.12%和4.53%；而BC600處理下土壤對磷吸附量與CK相比分別減少2.42%、3.17%和5.13%[14]。吸附量降低原因可能是：①生物炭降低Fe離子對磷的吸附；②施加生物炭有機質和有機酸含量增加，促進磷活化；③柚子皮與土壤磷相互作用，改變磷有效性和微生物活性。張樸等研究水稻秸稈生物炭熱解溫度和添加量對土壤磷吸附的影響，也得出類似結果，達到吸附平衡時添加2%、4%和8%生物質炭，土壤對磷吸附量與CK相比分別減少1.45%、2.17%和2.54%。生物炭添加量增加，土壤對磷的吸附減少，可能是水稻秸稈含有無機磷，磷吸附減少，有效性增加[15]。吸附量隨熱解溫度呈相反結果，熱解溫度為600℃生物質炭土壤磷吸附量比添加450℃生物質炭顯著增加4.43%，溫度可提高碳化程度，增大比表面積。

1.3 其他因素

除上述因素外，其他因素對生物炭中磷的釋放也有顯著影響。例如，水與生物炭比例越大，生物炭釋放磷越多。當生物炭與水比率從1/50降低到1/500時，磷釋放量增加2.8倍[16]。同時，土壤中磷濃度越高，生物炭釋放的磷越少，因為在這種條件下，生物炭吸附土壤磷而不是釋放磷。此外，共存陰離子（Cl-、NO3-和SO42-）引入溶液時，溶液離子強度顯著增加（從0.003 mol·L-1增至0.1/0.3 mol·L-1），共存陰離子占據生物炭表面陽離子橋和活性點位，降低磷酸鹽再吸附，促進磷釋放[17]。可見，利用生物炭提高土壤磷素有效性，易獲得且具有廣闊應用前景，未來應多關注生物炭改良劑對土壤磷可得性、降解途徑及改良機理。

2 生物炭對土壤磷素有效性的影響

生物炭降低土壤對磷的吸附，使有機質含量增加，促進植物根系分泌有機酸，提升磷活化效果，同時提高碳化程度，增加比表面積，改變微生物磷酸酶活性[18-19]，增強土壤團聚體穩定性[13,20]和磷素固持能力，減少有機質釋放和減少磷淋溶等作用。添加生物炭后，土壤pH、微生物活性和磷淋失將發生相應改變。

2.1 生物炭通過改變土壤pH影響土壤磷有效性

生物炭含有豐富陽離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、氯化物和碳酸鹽，多呈堿性，可改善土壤酸堿度。土壤pH可調節土壤中固磷礦物吸附特性和溶解度。木質素生物炭增加土壤緩沖能力，穩定pH[21]。添加生物炭后pH升高，土壤中磷礦物和金屬離子絡合作用發生改變，改變磷溶解性和有效性。在富含鐵/鋁氧化物的酸性土壤中，pH增加可導致磷與土壤礦物相互作用減少，形成礦物-有機質復合體，磷吸附能力降低[9]。因此，在施用生物炭后短期內，土壤中溶解態磷含量可能隨土壤pH增加而增加。Ghodszad等研究發現，在添加生物炭后，酸性土壤（pH 4.6和6.0）中pH增加，土壤對磷吸附減少，解吸增加[22]。相比之下，在極堿性土壤中施用生物炭對pH無顯著變化或影響極少[23]。Glaser等研究表明，施用生物炭顯著提高酸性土壤（pH<6.5）和中性土壤（pH 6.5~7.5）中磷有效性，分別提高5.1和2.4倍，在堿性土壤（pH>7.5）中未檢測到顯著反應[24]。

決定生物炭pH主要因素為原材料和熱解溫度。例如，利用草本和木本植物制備生物炭，在高溫熱解過程中酸性官能團（羧基、酚羥基）分解和有機酸揮發，保留無機礦物和堿性成分（硝酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物）[25]。此外，熱解溫度從400~600℃，不同表面官能團如酚類、表面羧基、內酯和總酸性官能團濃度降低，導致總酸性官能團減少，而熱解產生較多揮發性物質和含碳氣體，灰分含量和芳香結構增加，pH增加[26]。可見，生物炭對酸性土壤pH有明顯改良作用。

2.2 生物炭通過微生物因素影響土壤磷素有效性

目前，關于生物炭對土壤微生物影響綜述較少。土壤微生物作為土壤中的活生物體，對環境變化十分敏感，可較早指示生態系統功能變化，為土壤性質研究提供可靠依據[25]。生物炭對土壤理化性質改變直接或間接影響土壤微生物活性[27]。生物炭高度芳香烴結構和表面性質易成為土壤微生物（如藻類、細菌、真菌和土壤動物）棲息地，為土壤微生物生長提供場所和養分[28-29]。

2.2.1 生物炭影響土壤磷代謝

生物炭通過增加溶磷微生物（PSMs）生物量促進土壤磷有效性。PSMs可促進土壤中廣泛存在的不溶性磷和有機磷釋放有效磷[30]，對土壤磷代謝產生積極影響，極大促進植物對磷的利用。添加生物炭可增加PSMs數量，提高磷有效性或保持力[11]。盆栽試驗表明，秸稈生物炭4周顯著提高無機PSMs數量和存活率，導致根際土壤有效磷含量增加10倍以上，是微生物存活良好載體[29]。微生物數量增加可歸因于生物炭多孔結構，為微生物生存提供適宜條件。此外，生物炭高比表面積可有效儲存水分，有利于微生物發育和存活。生物炭還可為PSMs提供充足養分，增加其生物量并加強磷循環[29]。生物炭增加微生物數量和活性，增強植物從生物炭或土壤中吸收磷的能力，影響土壤磷代謝。在添加生物炭和堆肥后果園土壤中發現，Epolea類線蟲分別增加14%和25%，原天牛和彈尾目節肢動物分別比對照提高421%和346%，而千葉蟲在堆肥處理中最為豐富，約占堆肥改良土壤中后生動物總數10%。細菌、真菌和真核生物數量增加，可產生更多堿性磷酸酶，促進根系生長和磷吸收[31]。也有研究發現，松木屑生物炭增加叢枝菌根真菌（AMF）數量和菌絲功能，增加磷的可得性和植物對磷的吸收[32]。

生物炭可提高土壤磷酸酶（ALP）含量和活性。土壤酶主要來源于動物、植物根系和土壤微生物細胞分泌物[33]。研究表明，生物炭對磷酸酶活性具有積極影響。糞便生物炭在400℃熱解過程中，黏土和粉土堿性磷酸單酯酶含量分別增加28.5%和95.1%[34]。添加原始殘留物和生物炭，磷酸酶活性提高3.1至4.4倍，可能原因是生物炭顆粒對土壤磷酸酶有較強吸附作用[35]。Pandey等研究也得出類似結果，添加生物炭后土壤脫氫酶活性比對照組增加27%，脲酶活性從7.4%增至39%[36]。生物炭對土壤磷酸酶活性的積極影響是微生物增殖、生物炭對磷酸酶的表面吸附、土壤磷形態變化和土壤pH升高的結果。但對土壤磷酸酶活性時有負面影響或無顯著影響。Zhai等盆栽試驗表明，添加生物炭顯著降低紅壤和潮土中磷酸單酯酶活性，隨生物炭施用量從0增至2%、4%和8%，紅壤酸性磷酸單酯酶活性分別降低4%、33%和69%，潮土堿性磷酸單酯酶活性分別降低8%、27%和26%[37]。這種異常結果可能因生物炭釋放無機磷和生物炭引起土壤電導率和鹽度增強所致，造成酶變性并產生不利影響[18]。同時研究表明，添加生物炭抑制酶反應，導致不同土壤中β-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰葡萄糖苷酶、脂肪酶、亮氨酸氨基肽酶活性變化不一致[19]。

2.2.2 生物炭可提供土壤微生物碳氮營養和生存環境

生物炭表面含有易分解的碳源和氮源，可為微生物提供能源物質，使微生物更加高效調節碳氮磷物質轉化，提高土壤磷利用率。土壤中磷酸酶有助于通過磷酸單酯二酯水解將磷從有機形式轉化為無機形式。生物炭還可通過土壤中礦化溶解作用提高磷可用性，改變磷酸酶活性。Yadav等研究發現，添加生物炭后微生物含量增加，氮礦化率提高；老化和新鮮土壤生物炭在BC1.5（1.5 t·hm-2）處理下，微生物生物量碳分別增加89%和78%；老化生物炭有效磷濃度、微生物和酶活性（脫氫酶、酸性和堿性磷酸酶和脲酶）高于新鮮生物炭[38]。微生物碳增加可能由于老化生物炭活性碳源可用性增加，而磷酸酶活性提高歸因于有機磷礦化作用和礦物結合磷風化作用。

生物炭為微生物提供良好生存環境，改變微生物活性，影響土壤磷素轉化，增加菌根活性提高植物對磷的吸收利用[8,39]。生物炭孔隙率和表面特性為土壤微生物生長繁殖提供良好環境，減少微生物之間競爭，保護土壤微生物，特別是根系真菌繁殖和活性。María等試驗表明，生物炭添加使叢枝菌根真菌（AMF）根系定殖率提高211%、孢子數提高168%和侵染力提高223%[40]。AMF活性普遍提高，磷酸單酯酶活性增強，促進土壤-植物-微生物系統中磷有效性。也有研究指出，隨生物炭添加量增加，真菌響應不明顯。例如，Dai等發現在添加生物炭土壤中，細菌群落響應高于真菌群落，可能是真菌比細菌更能抵抗環境干擾，易適應環境變化[41]。Yan等研究表明，牛糞生物炭與對照組之間微生物生物量和真菌群落組成無顯著差異，與細菌群落有顯著差異[42]。生物炭改良劑可增加植物養分和水分供應，滿足菌根營養需求，提高土壤微生物生物量，改變細菌和真菌群落。

生物炭加入可顯著改變微生物生物量和土壤微生物結構組成，而磷酸酶活性變化可能是生物炭孔隙和養分中碳和化學變化結果。一方面，生物炭表面含有部分可溶碳源和有利于微生物活動氮源。另一方面，生物炭孔隙具有顯著變異性，其孔隙結構和比表面積可儲存水分和營養物質，成為微生物生存的微環境，向土壤中添加生物炭影響生物群落變化和土壤有機質循環[25,43]。添加生物炭可顯著降低土壤中氮含量，同時增加土壤有機質，促進微生物生長[44]，間接影響土壤磷素轉化。土壤微生物對環境變化較敏感，且對生物炭應用反應迅速。不同施用量對土壤微生物影響不同，高施用量可能損害微生物群落數量和組成。例如，高比例（60 t·hm-2）污泥生物炭無法繼續對土壤性質或作物產量產生積極作用，但40 t·hm-2在兩年內是肥沃砂土最佳施用量[45]。

總之，生物炭多孔結構為土壤生物和微生物提供生存空間，提高土壤生物活性和多樣性，促進土壤磷素轉化，增加土壤有效磷含量。固氮細菌活性增加，有利于土壤化學性質提高，土壤磷酸酶活性和數量也隨生物炭添加而增加。然而，目前研究大多集中在生物炭對作物產量的影響，未來應重點研究生物炭促進土壤細菌、真菌和微生物生物量以及磷酸酶活性機理。

3 生物炭影響土壤磷淋溶

生物炭可直接將可溶性磷釋放到土壤中，增加土壤磷有效性，但并無確切結果表明磷淋溶增強。據報道，向土壤中施用生物炭，尤其是低磷含量生物炭[11]，增加土壤中磷截留，減輕土壤磷向水體環境淋失[46]。

3.1 生物炭直接吸附土壤磷素

生物炭可通過吸附作用減少土壤磷淋失，生物炭已被證明是有效的磷酸鹽吸附劑[9]。生物炭高表面電荷密度、高比表面積、高內部孔隙率和極性與非極性表面位置存在有助于其吸附磷[47]。生物炭可通過表面正電荷位置的靜電吸附磷，生物炭含有大量含氧官能團，有助于產生負表面電荷，含氧基團也表現出對磷的吸附能力增加[11,48]。此外，高比表面積和孔隙率對陽離子和陰離子交換能力也很重要，具有更高比表面積的生物炭往往對磷具有更高吸附能力，表明存在孔隙填充機制[49]。生物炭中微孔可加強流動磷吸附，否則被淋濾。生物炭中Fe/Al/Ca/Mg離子可通過沉淀作用吸附磷[50]。隨風化增加，生物炭顆粒表面物理、化學和生物反應改變其性質，生物炭對磷吸附減少，這種減少歸因于生物炭在老化過程中發生官能團變化[51]。當加入生物炭衍生有機質（BDOM）時，氧化生物炭對磷吸附增加，可能因氧化生物炭中填充BDOM微孔對磷酸鹽的吸附。與單獨使用氧化生物炭的試驗相比，氧化生物炭和BDOM聯合使用增加磷吸附[11]，表明BDOM有可能減弱老化生物炭對磷吸附[52]。隨生物炭對土壤磷吸附量的增加，土壤中可移動磷濃度降低，進一步減少土壤中磷淋失。

3.2 生物炭提高土壤對磷的截留

生物炭可通過土壤保水能力或促進植物吸收磷減少磷淋失。生物炭具有多孔結構和較大比表面積，可通過毛細作用保持水分[53]。施用生物炭改良后，土壤孔隙度增加、土壤容重降低和團聚體穩定性提高，間接提高土壤保水能力[54]。例如，大團聚體中總磷含量增加，徑流中顆粒磷濃度降低，可能是生物炭在微團聚體結構中整合結果，間接促進磷在大團聚體中滯留，有利于生物炭對土壤磷的保持。同時，較大團聚體更穩定，減少風蝕和水蝕造成土壤磷流失[55]。添加生物炭后，土壤中水入滲率、入滲量和保水能力可能受影響，降低磷淋溶風險[56]。此外，生物炭可通過促進種子萌發和根系生長，降低根系直徑和根組織密度，增加生物炭與根相互作用，有利于水和養分獲取，增加磷可用性和減少土壤中磷流失[54]。

合理添加生物炭可提高土壤磷有效性和降低土壤磷淋失。應對生物炭施用量開展具體研究，確保充足養分供應，避免淋濾風險。目前研究集中在生物炭改良土壤溶解磷的淋溶[46,57]，然而，磷從陸地到水生環境主要傳輸過程之一是顆粒磷[11,58]。因此，土壤中顆粒磷淋失可能危害水體環境，添加生物炭是否減少土壤顆粒磷輸出尚未開展系統研究，顆粒磷和生物炭在土壤中遷移及其相互作用還有待進一步研究。

4 結論

生物炭特有長效釋緩機制，是解決土壤磷素利用率有效途徑。施用生物炭影響土壤pH、磷含量、微生物數量和酶活性，通過吸附和截留磷直接或間接影響土壤磷素有效性。其中，pH主要通過土壤與磷絡合、吸附和溶解作用，提高磷有效性，改良土壤酸堿度；磷含量增加主要是因生物炭含有一定程度磷；微生物數量和活性增加則歸因于生物炭孔隙結構和高比表面積，為微生物提供水分、養分和適宜條件，影響微生物發育和存活，提高磷有效性和保持力，加強磷吸收和磷循環。同時微生物增殖，生物炭對磷酸酶吸附增加，酶活性增加；生物炭表面電荷、比表面積、孔隙率、含氧官能團和微孔有利于吸附磷，減少磷淋失；土壤對磷截留是促進生物炭毛細作用、增加孔隙度、降低土壤容重和增強團聚體穩定性，提高保水能力，降低磷淋溶。因此，生物炭對提高土壤磷有效性和減少磷淋溶具有重要作用。但土壤磷有效性影響機制復雜，不同影響因素之間存在協同效應，因素對土壤磷素轉化機制尚不明確，尚無統一結論。所以未來需結合多因素綜合考慮，深入探究不同因素對土壤磷轉化作用機制。

5 展望

生物炭用于提高土壤磷素利用率，需加強以下方面研究：①確定制備過程中磷形態，根據磷形態施加特定生物炭。研究不同熱解時間、溫度和原材料對生物炭理化性質的影響，制定制備標準。②微生物改性生物炭孔隙結構可為其提供生存環境，改善有特殊需要的土壤環境。未來可利用微生物分子生物學技術研究解磷菌作用機理和影響因素，解磷肥料生產應用也急需推進。③加強對生物炭孔隙結構、土壤密度和保水能力研究。探究生物炭對土壤保水能力影響機理和最佳添加量，有利于改善干旱區土壤缺水狀況，提高土壤作物產量。④深入研究生物炭對土壤動物、植物和微生物微型生態系統影響，重點研究生物炭對土壤環境的不利影響，評估環境影響機制并制定改進方案，有助于生物炭在土壤中大規模應用。