生物炭对土壤氮磷转化和流失的影响

时间：2024-05-24

吴蔚君，徐云连，邢素林，马凡凡，陈宁怡，马友华

（1安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036；2中国科技大学地球和空间科学学院，合肥230026）

0 引言

为解决农田土壤普遍缺氮的问题，首要解决的问题是农田中氮肥合理施用量，只有解决了氮肥施用量的问题，才有可能保障中国粮食安全与资源。现阶段中国农作物中氮肥施用量为世界第一，占世界氮肥总用量的32%[1-2]。大量氮肥的投入使用保证农作物健康生长和提高经济产量的同时，也产生了较多的负面环境问题，例如氮肥流失造成温室气体加剧和土壤退化等[3-4]。在中国农业生产中，约7%的氮肥被用于水稻种植，仅有20%～40%的氮素利用率[5]。除氮素之外，作物的生长还必须的营养物质还有磷素和钾素[6]，其中磷素的需求仅次于氮素，磷素能维持作物正常生长、使作物保持较高的产量，因此在种植作物时需要不断向土壤添加磷素。磷肥与氮肥同样存在利用率不高的问题，农业生产利用率为5%～20%[7]，磷肥在水稻中的利用率为25%[8]。氮磷肥料的利用率低主要原因是农田土壤中氮磷元素可以通过地表径流、侵蚀和淋溶途径流失入周围环境[9-10]。虽然中国主要农作物（水稻和小麦）肥料利用率水平已在国际利用率范围之内，但处于较低水平，肥料利用率提升空间较大。应采用新型的施肥方式和农业生产方式，减少土壤土壤养分流失，提高农作物肥料利用率，才能增强我国的农业生产水平，保障我国粮食供给[9-10]。

生物炭是指生物有机质（比如木屑、农作物秸秆、动物尸体粪便等）在完全无氧或部分缺氧条件下，一定温度环境中（通常温度控制在700°C以下为宜）通过热解反应产生的一种含碳元素的固态物质[11]，具有碳含量高、多孔性、碱性、吸附能力强等特性[12]。近几年将生物炭作为土壤改良剂，研究对土壤养分的淋失的作用逐渐增多，例如：Zheng[13]为了研究生物炭对氨态氮和硝态氮的损失程度和作物生长影响，采用室内玉米盆栽对比试验，试验结果是添加生物炭的处理氨态氮和硝态氮损失分别减少了7.0%和15.4%，同时促进了玉米幼苗的生长，增加幼苗量，说明生物炭提高了土壤中氮素利用率，直接影响氮肥使用量。生物炭利于提高土壤中有机碳含量，改善土壤保水性能、肥提升料利用率、消减氮磷流失量[14-17]。

1 生物炭促进农作物对土壤氮磷的吸收

1.1 生物炭改善土壤理化性质

生物炭具有较大比表面积、发达孔隙结构、较高阳离子交换量、促进植物生长的营养元素[18]。施用生物炭可以增加土壤中氮磷的吸持能力、土壤中有机质含量以及土壤中养分有效性，生物炭特殊的结构能作为肥料养分载体，吸收肥料养分，使土壤中养分释放与淋失速度延缓[19]，达到长期改善土壤理化性质的目的。总体来说，土壤中添加生物炭可以增大土壤的比表面积，增加土壤的持水量，增加土壤的pH值[20]。

1.2 生物炭促进农作物生长

作物生长根系是作物吸收营养的主要器官，作物对土壤中矿质营养元素吸和水分的吸收能力，影响着根系的大小、数量和土壤中的分布特征[21]。此外土壤容重影响作物根系在土壤中穿插活力[22]。随着土壤容重增大，根系生长变慢，长度缩减，直径增加，生物量锐减，且分布在土壤表层，导致水平分布角度增大，严重影响根系生长发育[23]。例如Alburquerque[24]通过室内小区试验，在土壤中添加小麦秸秆和橄榄果皮制成的生物炭，来证明生物炭能促进向日葵的生长，结果显示添加生物炭的土壤，植物的生物量增加了26%～31%，促进了向日葵叶片生长，减少根茎数量。因为生物炭添加到土壤中增加土壤田间能力，降低土壤容重。生物炭巨大的比表面积，为养分吸附和微生物群落生存提供较大的空间，增加土壤孔隙度，增强土壤持水性[25]，减少了养分的淋失，改善了土壤的性状。生物炭的施入也能提高土壤的有机质含量，增强了土壤肥力，从而促进作物生长[26]。生物炭作为肥料载体与肥料混合制成生物炭基肥料有一定养分缓释功能，可减少化肥施用量，促进农作物的生长和产量的增加[27]。

2 生物炭对土壤氮、磷吸附作用

2.1 生物炭的吸附机制

生物炭特殊的物理化学性质，使其成为一种优质高效的吸附材料。从生物炭的结构上看，生物炭的疏松多孔结构比表面积大，具有超强的吸附能力，特别是对阳离子的吸附，如铜、铅、镉等。从化学性质上看，生物炭富含多种化学官能团，能与阴阳离子发生螯合配位作用，使其也保持良好的吸附特性[28]。

生物炭在土壤中吸附过程往往受到多种作用机制驱动主要包括：分配作用机制、表面吸附机制、联合作用机制和其他微观机制[28]。Chiou[29]首次提出了线性分配理论，即非离子有机物被土壤吸附，使非离子有机物分配到有机质当中，但与表面积无关。分配理论的提出为生物炭吸附机理研究提供了基础。表面吸附机制被吸附物质与吸附表面之间，通过分子间引力或化学键而形成的吸附过程[30]，是生物炭吸附土壤中氨氮、硝氮、磷的主要机制。土壤理化性质、有机物含量和吸附环境条件影响生物炭的吸附作用机制，阐述生物炭对养分吸附作用，仅分析分配平衡或生物炭表面吸附，存在一定局限性，因此要联合生物炭分配作用机制和表面吸附机制，全面的进行分析[31]。除分配和表面吸附其主要作用外，在生物炭吸附过程中还存在其他一些微观吸附机制会影响吸附过程，如孔隙作用：孔隙填充机制会在生物炭吸附过程中发挥作用[32]。

2.2 生物炭增加土壤氮、磷的吸附效率

农业非点源污染的根本原因是土壤中的氮、磷等养分的无效转化与迁移[33]。生物炭丰富的中小孔结构和特殊的表面特性使其对吸附养分离子起主导作[34]，孔隙度和孔径分布会养分的改变渗滤模式，增加养分在土壤中的停留时间和养分量[35]。同时，生物炭表面有丰富的含氧团，具有较高离子吸附交换能力，吸附容量大，能够吸附土壤中铵态、氮硝态氮、可溶性氮、可溶性磷等，减少氮、磷等养分的流失因此土壤中添加生物炭促进了对氮磷的吸收和吸附[36-38]。土壤中添加一定量生物炭，能吸附剩余的氮、磷元素，延缓养分在土壤中释放，一定程度上减少养分流失。美国研究员Chintala[39]采用3种生物质（玉米秸秆、松木屑和柳枝）热解形成的生物碳作为研究材料，结果认为生物炭的比表面积和表面净电荷，有助于土壤吸附肥料中硝酸盐，利于减少土壤中硝态氮淋失。

3 生物炭促进土壤中氮、磷的迁移转化

3.1 生物炭促进氮素的迁移转化

生物炭改变土壤基本理化性质，利用生物炭高孔隙度的特性，影响了参与土壤中的微生物降解过程，影响土壤氮素周转过程中硝化菌、反硝化菌和固氮菌的多样性、活性及丰度[40]。微生物种群的改变直接关系到固氮作用、氮素矿化过程、氨挥发、硝化和反硝化作用等一些列与土壤氮循环有关的微生物活动[41]。

土壤中氮素的转化是土壤氮循环的核心内容，而矿化过程、硝化－反硝化过程和土壤对NH4+的吸收固定则是土壤中氮素转化的主要途径[42]，促进了氮素的形态转化，直接影响作物对氮的吸收和利用以及氮在植物-土壤系统中的损失[43-44]。土壤中氮矿化作用和固氮作用的有效性取决于土壤中施入的生物炭量[45]。首先生物炭施入在农田或草地，对土壤的有机氮矿化产生负作用，降低氮矿化的速度，使得氮对植物的有效性降低[46]。杨帆[47]在土壤中添加秸秆生物炭，通过氯仿熏方法杀死土壤和生物炭中的微生物，监测土壤氨挥发过程，研究发现生物炭施入稻田后其中微生物作用约占42%，非微生物作用约占59%。生物炭可通过促进有机氮矿化或减少微生物对无机氮的同化来减缓NH4-N的降低。生物炭施用能促进潜在硝化速率，提高土壤硝化速度[48]。增加土壤中硝化作物的丰富度[49]。Song[50]通过室内盆栽试验研究生物炭对土壤中影响氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的影响。试验设置4组处理，生物炭（棉花杆制成的生物炭）的使用率分别是0%、5%、10%和20%，得出AOB的活性高于AOA，主要是生物炭对硝化菌的影响不同，增加了AOB的多样性，降低了AOA的多样性。氮肥利用率的低的主要原因之一是土壤反硝化过程，反硝化过程影响N2O排放，为验证生物炭施入土壤后能够减少或抑制N2O气体排，Kang等[51]在大田土壤中添加大麦秸秆制成的生物炭，生物炭的使用量为0、100、300、500 kg/hm2。监测发现生物炭使用500 kg/hm2减少CH4和N2O排放通量最高，分别降低了31.6%和26.1%。生物炭的添加有助于N2O排放量的减少。

3.2 生物炭促进磷素的迁移转化

磷素在土壤中迁移转化主要包括：沉淀溶解、吸收吸附。其中无机磷对生物固定以及有机磷矿化等属于特殊的化学过程[52]。此过程受生物和非生物因素的综合作用，生物炭可参与土壤生态系统中的磷素循环，增加土壤中有效磷的供给，提高磷的可利用性，对土壤磷素物质转化过程产生重要影响[53-55]。生物质的木质组织在炭化过程中会释放磷酸盐，并随着生物炭添加至土壤成为土壤中磷的直接来源[56]。生物炭对土壤磷素含量的影响，主要原因是生物炭原料类型和制成条件，不同生物质材料所制得生物炭含磷量差异较大，例如在相同温度（350℃下）油菜秸秆和豌豆秸秆制成的生物炭，炭化后磷含量分别为2.2、16.6 g/kg[57]；相同材质的生物质，生物炭总磷和效磷含量，与炭化温度成反比[56]，Christel等[58]使用扩散薄膜技术中的梯度来确定磷的可用性，采用猪粪进行热处理（在300～1000℃下热解或燃烧）加工成生物炭，对磷的变化进行监测，发现磷有效性随干燥程度的增加呈下降趋势：干燥＞堆肥＞热解＞燃烧，磷在热解到700℃或燃烧在400℃以上有效性全无。生物炭还能影响土壤磷素的溶解性，抑制可溶性磷与其他离子的结合，促进磷在土壤中的溶解，提高磷肥利用率[59-61]，Wisawapipat[62]的研究目的是如何控制磷酸盐的溶解性。试验在酸性水稻土的还原和氧化过程中加入油棕榈灰和生物炭，采用光谱技术与连续萃取，监测土壤磷素的动态变化，得出土壤中添加生物炭利于提高总磷的可持续性，间接说明生物炭增加土壤中磷素溶解性。

4 生物炭减少土壤氮、磷的流失

水分作为土壤养分载体是导致土壤氮磷淋失主要因素[63]。加强田间水分管理，对控制土壤氮磷淋失起到至关重要作用。农田施用生物炭增加土壤持水量和团聚体的稳定性、提高作物对土壤有效水利用，对减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，一部分的营养物质随水动力过程流入田面水中，田面水中氮、磷的超高浓度增加了非点源污染物的输出负荷。针对这一污染问题，解决的措施之一就是更改农业生产过程中的施肥类型和配施方式[67-68]。冯轲等[69]通过小区试验施用生物炭代替了其中部分氮肥（二铵）的使用量，分别为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（无氮肥）。施肥后共进行了9次田面水的采样，对水样进行测定，结果显示施肥后的第l0天，生物炭的作用开始明显，采用生物炭部分替代化肥的施肥方式，田面水总氮输出负荷减少39%～50%，总磷输出负荷减少38%～50%，降低田面水中氮磷的流失的效果明显。生物炭的添加削减了田面水的氮磷的流失，因此优化生物炭田间施肥技术，不仅可以降低田面水中养分的流失，还能保护生态质量，具有良好的环境经济效益。

4.2 生物炭减少养分的淋失

4.2.1 生物炭减少土壤氮淋失氮淋溶是氮素损失的重要途径之一，导致地下水硝态氮污染的重要原因[70]。不同理化性质生物炭对土壤中氮淋失作用不同，在温度为550℃炭化制成的生物炭，减少氮淋失效果显著高于550℃下制成的生物炭，尤其对减少硝态氮、总氮及有机氮淋失作用明显[71]。Sun[72]在使用聚氯乙烯(PVC)柱模拟滨海盐渍土，在尿素的使用量相同的情况下混合不同比例的小麦生物炭共有5种处理方式：（1）单独使用尿素；（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中处理与单独使用尿素相比总氮淋失分别降低了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总氮淋失。中国研究员周志红[71]通过试验也得出了相同的结论，随生物炭施用量的增加，硝态氮的淋失量也显著降低。土壤中添加生物炭增大土壤颗粒的孔隙度，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 生物炭减少土壤磷淋失农田施用生物炭对土壤中磷淋失量也有一定的影响，一般认为炭化温度高的生物炭可有效减少土壤可溶态磷的淋失[73]。李卓瑞等[74]探讨了生物炭与土壤磷流失之间的关系，研究表明生物炭降低磷流失，主要是生物炭促进阴离子交换能力，影响与磷与阳离子的相互作用，增加土壤中有效磷活性，减少可溶性磷的流失。Laird[75]采用室内土柱模拟方式，处理中有添加了混合硬木（橡木和山核桃木）制作的生物炭，实验结果为土柱中添加了生物炭的处理，总氮和总磷的流失分别降低了11%和69%，证明了生物炭能能减弱土壤中氮磷淋失量。Pratiwi[76]在试验中使用稻壳制成的生物炭，认为生物炭的添加对于磷淋溶影响小，但可以用来增加磷的有效性，因此生物炭的添加可以减少土壤中磷肥的施用。

4.3 生物炭减少土壤氨挥发的损失

氨挥发是农田土壤氮素损失的又一主要途径，每年全世界通过氨挥发导致的氮素损失约32 t[77]。农业生产过程中常用的氮肥有尿素(46%N)、磷酸二铵(18%N)、PM(3%N)，施入这些肥料后可明显改善土壤性质[78]，提高土壤的pH值，但也会加速NH3的挥发[79]。土壤中添加生物炭一方面影响氮素的动态过程，减缓氮素的转化率，起到了固氮作用[14]，另一方面能减少氮素损失[80]，因此生物炭有利于减少氨挥发。澳大利亚研究员Sanchita[81]对此展开了深入研究，共设置七组室内土壤试验，作为对照其中5组未添加生物炭的土壤pH值分别为pH 9.04、8.3、8.02、5.8、5.5，而2组添加家禽粪便与澳洲坚果壳制成的两种生物炭的土壤pH值分别为pH 8.66、10.84。相应研究结果为强碱性土壤有助于NH3挥发，最高挥发量为151.6 mg/kg，但添加生物炭的土壤不仅氨挥发降低70%，而且小麦干重和氮吸收量分别高达24.24%和76.11%，生物炭在减少土壤氮素挥发中的潜力，同时提高了小麦的利用效率。