生物炭對土壤磷、鉀養(yǎng)分影響研究進展

王寧，焦曉燕，武愛蓮，王勁松，董二偉，郭珺，丁玉川，王立革

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

生物炭對土壤磷、鉀養(yǎng)分影響研究進展

王寧1，焦曉燕2，武愛蓮2，王勁松2，董二偉2，郭珺2，丁玉川2，王立革2

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

從施用生物炭對土壤磷、鉀有效含量，形態(tài)轉(zhuǎn)化及淋溶損失的影響等方面，分析總結(jié)了施用生物炭后對土壤磷、鉀養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明，生物炭施入土壤后會不同程度地提高土壤中有效磷、速效鉀的含量，這和生物炭本身攜帶一定量的磷、鉀養(yǎng)分有關(guān)；生物炭也會通過改善土壤理化性質(zhì)和微生物生境等對土壤磷素有效態(tài)轉(zhuǎn)化和固定態(tài)鉀的釋放產(chǎn)生一定的積極影響；此外，生物炭具有較大的比表面積和較強的吸附性，也能有效減少土壤中磷、鉀的淋溶損失；生物炭類型、施用量、土壤類型和肥力狀況等因素在一定程度上影響了生物炭對磷、鉀的作用。建議今后綜合考慮上述因素開展多點聯(lián)網(wǎng)定位試驗，以進一步明確生物炭對土壤磷、鉀養(yǎng)分的影響和作用。

生物炭；磷；鉀；轉(zhuǎn)化；淋溶

磷、鉀是植物生長所必需的大量營養(yǎng)元素[1]。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，缺磷缺鉀已經(jīng)成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[2-4]。大量的磷、鉀肥料被施入土壤中，但其當季利用率卻很低。例如磷的當季利用率只有10%～25%，施入的磷絕大多數(shù)以無效態(tài)形式在土壤中積累[2]。而鉀肥施入土壤后也極易被固定失活[5]。并且磷、鉀還會隨徑流損失，尤其是磷隨徑流進入水體后還會引起水體的富營養(yǎng)化，造成環(huán)境污染[6]。磷、鉀肥的大量施用造成了資源浪費，過量施磷也增加了環(huán)境污染風險。所以，尋找一種既能減少磷鉀肥料投入又能提高土壤磷鉀有效性的經(jīng)濟有效措施迫在眉睫。

生物炭（Biochar）是生物質(zhì)（如作物秸稈、動物糞肥等）在無氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、富含碳素的物質(zhì)[7]。作為一種外源輸入的新型功能材料，其在增加土壤碳庫，改善土壤質(zhì)量，持留土壤水分養(yǎng)分和提高作物產(chǎn)量質(zhì)量方面發(fā)揮作用[8-10]。有研究指出，生物炭施入土壤后能提高土壤中有效磷、速效鉀的含量，還能減少土壤磷、鉀的淋溶損失[11-13]。土壤中磷和鉀的遷移轉(zhuǎn)化受到諸如水分、溫度、pH值、CEC和施肥等諸多因素的影響[14-16]。生物炭可能影響其中一種或幾種因素進而影響到土壤磷、鉀的轉(zhuǎn)化。目前，國內(nèi)外在生物炭對土壤氮素的循環(huán)轉(zhuǎn)化上研究較多，而對磷、鉀的轉(zhuǎn)化研究較少[17-19]。因此，筆者重點綜述了生物炭對土壤磷、鉀的有效性轉(zhuǎn)化以及淋溶損失的影響，以期為生物炭在土壤磷、鉀養(yǎng)分管理方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 生物炭對土壤有效磷、速效鉀含量的影響

有效磷、速效鉀是植物能直接吸收利用的土壤磷、鉀養(yǎng)分，其含量的多少是評價土壤供磷、供鉀能力的一個最重要的指標?；蒎\卓等[20]通過土柱模擬試驗表明，灌淤土有效磷、速效鉀含量隨稻殼生物炭添加量的增加而增加。才吉卓瑪[21]將玉米秸稈炭添加到紅壤、水稻土、潮褐土、潮土后發(fā)現(xiàn)，土壤中Olsen-P含量顯著增加，并隨著生物炭施用比例的增加而增加。顧美英等[22]將小麥秸稈炭施入新疆灰漠土和風沙土后發(fā)現(xiàn)，生物炭對灰漠土養(yǎng)分影響無明顯規(guī)律性，但風沙土中有效磷、速效鉀含量隨著生物炭施用量的增加而增加。這可能是因為灰漠土基礎(chǔ)養(yǎng)分較高而風沙土基礎(chǔ)養(yǎng)分較低的緣故。然而曾愛等[23]在塿土中添加生物炭后發(fā)現(xiàn)，當添加量為1 000 kg/hm2時，小麥在生長期土壤中有效磷含量最高，當添加量為5 000，10 000，20 000 kg/hm2時，土壤有效磷含量反而呈遞減趨勢；但土壤速效鉀含量隨生物炭添加量的增加而增加。由此可見，生物炭類型、生物炭添加量的不同以及土壤類型等都會影響到土壤中有效磷、速效鉀的含量。但總體來說，生物炭輸入土壤中會不同程度地提高土壤中有效磷、速效鉀的含量。

2 生物炭對土壤中磷、鉀轉(zhuǎn)化的影響

生物炭輸入土壤后，會攜帶一部分磷、鉀養(yǎng)分，其在改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤持水性，提高土壤pH值和CEC等方面發(fā)揮作用，從而影響土壤中磷、鉀的轉(zhuǎn)化。此外，生物炭還會直接或間接地影響土壤微生物的生存環(huán)境，對其產(chǎn)生一定影響，進而影響其對土壤磷、鉀的活化或鈍化作用。

2.1 生物炭對土壤磷轉(zhuǎn)化的影響

生物炭由于自身特有的理化性質(zhì)，施入土壤后會對土壤中磷的遷移轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生一定的影響。武玉[24]通過室內(nèi)模擬試驗研究了生物炭對酸性土壤（pH值為4.7）和堿性土壤（pH值為7.0）磷素形態(tài)及有效性的影響，并采用Hedley分級方法進行了分級研究。結(jié)果表明，與對照處理相比，生物炭提高了土壤中有效磷的含量。生物炭加入酸性土壤后，在培養(yǎng)初期對除NaHCO3-Pi外各形態(tài)的磷有一個正激發(fā)效應(yīng)，能夠增加各形態(tài)磷的含量，但是隨著培養(yǎng)時間的延長，生物炭對H2O-Pi，NaOH-Pi正激發(fā)效應(yīng)加強，對NaHCO3-Pi的負激發(fā)效應(yīng)減弱；生物炭加入堿性土壤后，在培養(yǎng)初期對各形態(tài)的磷大致有一個負激發(fā)作用，但是隨著培養(yǎng)時間的延長，生物炭對H2O-Pi由負激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正激發(fā)效應(yīng)，對NaHCO3-Po的負激發(fā)效應(yīng)減弱，并且促進土壤中難以被植物吸收利用的HCl-Pi向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化?？傮w來說，添加生物炭可以提高酸堿土壤中H2O或NaHCO3提取態(tài)P的含量。Hedley等[25]將H2O或NaHCO3提取態(tài)磷劃為植物可以利用的磷，其有效性類似于Olsen-P。因此，添加生物炭有助于提高土壤中磷的有效性。蘇倩等[26]在新疆灰漠土上的試驗亦證明了這一點。

生物炭自身含有一定的磷。在制備過程中，原材料中的磷幾乎全部保留在生物炭中，這部分磷隨著生物炭添加到土壤中成為水溶性磷和可交換性磷的直接來源。才吉卓瑪[21]通過培養(yǎng)試驗，研究了添加2%，4%，8%比例生物炭對紅壤、水稻土、潮褐土和潮土中磷有效性的影響，結(jié)果表明，添加生物炭后Olsen-P含量顯著提高，且與生物炭施用量達到了顯著性正相關(guān)。并通過對比試驗表明，去除灰分后，對提高土壤Olsen-P含量顯著低于未去除灰分處理，因此，生物炭灰分是提高土壤有效磷含量的重要組分。Jin等[27]以糞源生物炭替代磷肥施入2種土壤（沙壤土和黏壤土）中，經(jīng)過98 d的模擬培養(yǎng)試驗后發(fā)現(xiàn)，添加1.5%生物炭的土壤總磷分別增加了82.1%和81.1%，而且認為主要是生物炭中富含的正磷酸鹽和焦磷酸鹽增加了土壤中無機磷的含量。

土壤pH值也是影響土壤磷素有效態(tài)轉(zhuǎn)化的重要因素，石灰性土壤pH值的降低會顯著增加土壤磷素的有效性，而酸性土壤上作物的吸磷量也會隨著石灰的施用量增加而增加[28-29]。生物炭的堿性會提高土壤的pH值，進而對土壤磷素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生間接影響。靖彥等[30]研究了生物炭與無機肥料配施對旱地紅壤有效磷和pH（初始值為4.54）的影響，結(jié)果表明，經(jīng)生物炭處理后土壤的有效磷與pH值呈顯著相關(guān)性，有效磷含量隨著生物黑炭用量的增多而增加。添加40 t/hm2生物炭的土壤pH值和有效磷含量在油菜各生育期均得到不同程度的提高，在抽薹期、開花期、成熟期分別較種植前平均提高了16%，26%；23%，38%；100%，317%。土壤pH值還會影響土壤磷素的沉淀溶解。尤其是在酸性土壤上，pH值的輕微變化都會影響到磷與Fe3+和Al3+沉淀的變化[31]。在堿性土壤上，磷的溶解性主要取決于其與Ca2+的相互作用。生物炭能夠通過改變土壤的pH值，進而改變磷酸根與Fe3+，Al3+和Ca2+等金屬離子相互作用的強度[32]。

土壤中許多微生物具有將植物難以利用的磷轉(zhuǎn)化為可以利用的磷的能力[33]。生物炭可以通過改變微生物生存環(huán)境、土壤磷酸酶活性等來影響土壤磷素轉(zhuǎn)化。才吉卓瑪[21]將生物炭施入紅壤、水稻土、潮褐土和潮土后發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤磷酸酶產(chǎn)生了一定的抑制作用，而在生物炭與外源磷配施條件下，其對磷酸酶的抑制作用減弱。Jin等[27]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭雖然抑制了酸性磷酸酶的活性，但增強了堿性磷酸酶的活性。生物炭施入土壤后，土壤水分、肥力、pH值、CEC和EC等條件發(fā)生變化，進而影響了微生物生存環(huán)境[34]。此外，生物炭對微生物的生長也有著直接的作用：（1）生物炭的多孔性和巨大表面積能為微生物提供良好的棲息地，有效吸附微生物，為其提供附著載體；（2）生物炭為微生物提供P，C，Na，Mo等多種營養(yǎng)元素和微量元素，也為微生物生長提供了有利條件[35-36]。生物炭促進了微生物對無機固定態(tài)磷的溶解，對有機態(tài)磷的礦化和對磷的固持作用，進而提高土壤有效態(tài)磷的含量[16]。

2.2 生物炭對土壤鉀轉(zhuǎn)化的影響

與磷相同，生物炭也會攜帶大量鉀進入土壤。王耀鋒等[37]將竹炭和水洗竹炭（水洗是處理生物炭較簡單的方式，其對生物炭本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響較少）等量施入水稻土后發(fā)現(xiàn)，生物炭可以顯著提高土壤中速效鉀的含量，且竹炭土壤中速效鉀含量顯著高于水洗竹炭土壤。這是由于竹炭經(jīng)水洗后，減少了其灰分含量，尤其是鉀元素。也有研究指出，生物炭配合鉀肥施入土壤中也會提高鉀肥的利用效率。與單施鉀肥對照相比，配施1%生物炭的鉀肥利用率比單施鉀肥提高了9.4%，這在減少肥料投入上具有一定的指導(dǎo)意義[38]。

除直接為土壤供鉀外，生物炭也可能會對土壤鉀的固定及釋放作用產(chǎn)生一定的影響。但目前關(guān)于添加生物炭對土壤鉀素固定及釋放特性影響的研究報道較少。土中鉀素的固定與釋放受到粘土礦物類型，溫度，pH值，CEC，土壤水分含量，鉀離子飽和度等因素的影響[5，14]。由于生物炭添加到土壤后會提高土壤溫度，提高土壤pH值和CEC，以及可以吸附和保持水分，可能會對土壤鉀素有效性產(chǎn)生積極影響。

3 生物炭對土壤磷、鉀淋溶損失的影響

土壤養(yǎng)分淋溶損失可導(dǎo)致土壤肥力下降，土壤酸化，有機質(zhì)含量減少，同時也會影響到地表水或地下水的質(zhì)量[39]。尤其在我國南方地區(qū)，由于水熱充沛、土壤礦物風化程度高、土壤偏酸和有機質(zhì)含量低以及過量施肥等原因，土壤養(yǎng)分淋失問題尤為突出，嚴重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[40]。生物炭由于具有較大的比表面積及多孔結(jié)構(gòu)，以及其表面附著的大量鹽基離子及負電荷基團，所以，對土壤水分、養(yǎng)分有較強的吸持作用。李江舟等[40]研究了玉米炭對南方植煙土壤養(yǎng)分淋失的影響，結(jié)果表明，生物炭與肥料配合施入土壤后能顯著降低土壤磷的淋溶損失，且降低幅度隨生物炭施用量的增加而升高。此外，降幅隨時間呈先升高后降低的趨勢。而其對土壤鉀素淋失反而有促進作用。40%添加量下土壤鉀素淋失比對照高47%。這可能與生物炭自身攜帶大量鉀素有關(guān)。郎印海等[41]研究了柚皮生物炭對河口灘涂土壤磷吸附能力的影響，通過Freundilich模型進行描述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物炭抑制了土壤對磷的吸附，且高溫生物炭（600℃）的抑制作用大于低溫生物炭（300℃）。張成紅[42]通過土柱模擬試驗研究2種生物炭（玉米、小麥）對3種土壤（普通棕壤、普通褐土、酸性棕壤）磷、鉀養(yǎng)分淋失的影響，結(jié)果表明，生物炭對磷、鉀的淋失都有很強的促進作用，且小麥秸稈炭的促進作用大于玉米秸稈炭。而李際會等[43]通過負載Fe鹽來為生物炭改性，通過對比試驗表明，未負載鐵鹽生物炭處理有效磷淋失量顯著高于對照，而負載鐵鹽生物炭處理有效磷淋失量則顯著低于對照。由此可見，生物炭的性質(zhì)、添加量以及施用土壤類型不同，其對土壤磷、鉀的淋溶損失的影響也不相同。

4 展望

通過對目前生物炭對土壤的改良作用及對磷、鉀養(yǎng)分影響的研究成果的綜述，發(fā)現(xiàn)有幾個方向的研究還存在不足，今后的研究應(yīng)集中在以下方面。

（1）生物炭施入土壤后會長期留存于土壤中并參與土壤各項生物地球化學(xué)循環(huán)。但目前生物炭的研究主要以土柱模擬和室內(nèi)盆栽為主，缺乏長期定位試驗，所以，有必要建立生物炭應(yīng)用于不同類型土壤的長期定位試驗。

（2）我國土壤類型眾多，生物質(zhì)多種多樣，不同生物質(zhì)制成的生物炭性質(zhì)也有很大差異，所以，不同種類生物炭應(yīng)用在不同土壤上的表現(xiàn)肯定不同，有必要開展全國多點聯(lián)網(wǎng)定位研究。

（3）雖然生物炭的施用對土壤磷、鉀養(yǎng)分有積極作用，提高了土壤有效磷、速效鉀的含量，但對磷、鉀養(yǎng)分組分變化的影響研究較少，還需要進一步研究。

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Research Advances on Effects of Biochar Application on Soil Phosphorus and Potassium

WANGNing1，JIAOXiaoyan2，WUAilian2，WANGJinsong2，DONGErwei2，GUOJun2，DINGYuchuan2，WANGLige2

（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

In this paper,the current studying progresses about the effects of biochar application on soil phosphours and potassium nutrients with respect to effevtive component,morphological transformation and the leaching loss were reviewed.The result showed that biochar application could improve the content of effective phosphorus and rapidly-available potassium,and it was related to the biochar itself.Biochar also had some positive effects on the transformation of soil phosphorus availability and release of soil potassium fixation by improving soil physical and chemical properties and soil microbial habitat.In addition,the biochar had larger specific surface area and strong adsorption abaility,could effectively reduce the leaching losses of soil phosphorus and soil potassium.The factors such as biochar types,application rates,soil types and fertilitymight influence the effects ofbiochar on soil phosphorus and potassium.Consider the above factors,a research on the positioning of multi-point network should be proposed to make the effects of biochar application on soil phosphorus and potassiummore clear.

biochar;phosphorus;potassium;transformation;leaching

S158

A

1002-2481（2016）09-1402-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.42

2016-04-19

山西省國際合作項目（2014081040）

王寧（1992-），男，山西懷仁人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)水土資源管理與荒漠化防治。焦曉燕為通信作者。