氮與生物質(zhì)炭的關(guān)系研究進展

王夢雨 方磊 胡競

摘要對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與生物質(zhì)炭的關(guān)系研究進展與狀況進行了綜述，并分析了生物質(zhì)炭可以減少氮的積累淋失量等原因。最后，對研究內(nèi)容、結(jié)果以及不足之處進行了闡述與分析，進而提出了今后的研究方向。

關(guān)鍵詞硝態(tài)氮；銨態(tài)氮；生物質(zhì)炭；相關(guān)程度；淋溶

中圖分類號S156文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）19-0066-03

Research Progress on the Relationship between Nitrogen and Biomass Carbon

WANG Mengyu， FANG Lei， HU Jing

（College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing， Jiangsu 210095）

AbstractThe research progress and status of relationship between ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and biomass carbon were reviewed， the reasons why biomass carbon can reduce nitrogen accumulation and moisture content were analyzed. Finally， the research content， results and shortcomings were expounded， and further research directions were proposed and analyzed.

Key wordsNitrate nitrogen；Ammonium nitrogen；Biomass carbon；Degree of correlation；Leaching

氮素是農(nóng)作物生長發(fā)育過程中的必需營養(yǎng)元素，氮素參與農(nóng)作物新陳代謝的所有過程。我國是農(nóng)業(yè)大國，氮素在我國農(nóng)業(yè)中起著重要作用。2008年我國氮肥施用量占全世界消耗總量的1/3。盡管農(nóng)業(yè)氮肥利用率已普遍優(yōu)化，但集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮肥利用效率仍很低，主要表現(xiàn)在氮的淋失，如施用過量的氮肥會增加淋溶或氣態(tài)氮揮發(fā)損失的風(fēng)險[1]。研究證明，生物質(zhì)炭對減少氮淋失有積極作用，損失的氮主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。筆者綜述了氮與生物質(zhì)炭關(guān)系的研究進展，以期為今后生物質(zhì)炭的合理利用提供借鑒。

1生物質(zhì)炭的概念及應(yīng)用原理

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)（如作物秸稈、木屑等）在完全或部分缺氧以及相對較低溫度（≤700 ℃）條件下，經(jīng)熱解炭化形成的一種含碳量極其豐富、性質(zhì)穩(wěn)定的產(chǎn)物，本質(zhì)屬于黑炭的一種[2]。現(xiàn)今，生物質(zhì)炭已經(jīng)被用作土壤改良劑來提高土壤質(zhì)量并減少營養(yǎng)物質(zhì)的淋失損失，這主要是由于生物質(zhì)炭的多孔性可增加土壤的孔隙度和表面積，影響了土壤的保水能力，還有益于提高水分的導(dǎo)通性和團聚體的穩(wěn)固性，進而減少水分在土壤中的流動和養(yǎng)料的淋失損失[3]。

至今，生物質(zhì)炭主要分為2種，一種是從淤泥中提取的生物質(zhì)炭，其有大量孔隙，含有很多礦物質(zhì)，如硝酸鹽、三氯氧化磷和鉀等。另一種是在高溫環(huán)境下產(chǎn)出的生物質(zhì)炭，其含有更大的表面積、納米孔隙和對有機化合物的強隔絕能力。因為熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭與原來的生物質(zhì)炭相比，比表面積顯著加大，這有利于表面含有大量的含氧基團如羰基、酚基和醌基[4]。

2生物質(zhì)炭與氮的關(guān)系研究

近年來，生物質(zhì)炭與氮的關(guān)系研究取得了顯著進展。如生物質(zhì)炭提高作物產(chǎn)量的試驗發(fā)現(xiàn)，土壤生物質(zhì)炭的加入使不同種類的玉米產(chǎn)量提高了2倍[5]。這種有益的效果可能要歸因于營養(yǎng)成分的直接加入，如生物質(zhì)炭中含有的鉀元素、鈣元素和鎂元素，尤其是當(dāng)養(yǎng)分豐富的生物質(zhì)炭作為原料被加入時。生物質(zhì)炭也可激發(fā)土壤微生物的活動，特別是對養(yǎng)分循環(huán)十分重要的菌根菌，生物質(zhì)炭中易揮發(fā)的物質(zhì)可以增加微生物的活動能力，因此可以導(dǎo)致氮元素的固定[6]。生物質(zhì)炭巨大的表面積、內(nèi)部的孔隙及極性表面和非極性表面的存在使生物質(zhì)炭能夠吸收有機分子及其附帶的養(yǎng)分[7]。如生物質(zhì)炭在農(nóng)田中的應(yīng)用可以提高對硝酸根的吸收，硝酸根在作物根部區(qū)域停留的時間將增加，因此，施用了生物質(zhì)炭的土壤將大大有利于硝酸根保持在土壤中，以防止淋失，增加作物對氮元素的利用效率，同時硝酸根的淋失將會減少。進一步來講，除了能提高作物對水和養(yǎng)分的利用率之外，生物質(zhì)炭的施用還有益于固碳[8]。

綜上所述，目前研究內(nèi)容方向大致有生物質(zhì)炭對土壤氮素循環(huán)的影響，生物質(zhì)炭對陽離子交換量和氮素利用的影響，生物質(zhì)炭對土壤中氮素滯留效應(yīng)的影響，生物質(zhì)炭對各種作物氮素利用率的影響，生物質(zhì)炭對不同類型土壤影響的差異，生物質(zhì)炭溫室氣體排的影響，生物質(zhì)炭對土壤有機質(zhì)活性的影響，這些研究方向都和生物質(zhì)炭與氮素研究程度有關(guān)，是當(dāng)前研究的熱點。

生物質(zhì)炭與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮關(guān)系研究中，大多數(shù)科學(xué)家采用人工模擬土柱的方法進行硝態(tài)氮和銨態(tài)氮穿透淋溶試驗，分別模擬了不同生物質(zhì)炭施用量的人工模擬土柱。結(jié)果表明，不同處理的土壤淋溶速率隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而顯著降低，不同處理土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的穿透曲線具有相同趨勢。除硝態(tài)氮的濃度峰值與容重呈正顯著的相關(guān)性外，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的累積淋溶量和濃度峰值與土壤容重、孔隙度、有機碳、陽離子交換量（CEC）及生物質(zhì)炭量均呈極顯著負(fù)相關(guān)[9]。淋溶作用是土壤氮肥損失途徑之一，也是水體氮素污染的重要途徑。研究證明，隨著加入生物質(zhì)炭比例的增加，土壤的淋溶速率大幅減緩，即生物質(zhì)炭能顯著減少土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋溶速率，延長淋溶時間，減少累計淋失量[9]。

生物質(zhì)炭與銨態(tài)氮的關(guān)系。

銨態(tài)氮肥適用于水田，也適用于旱地。銨態(tài)氮主要被吸附和固定在土壤膠體表面和膠體晶格中，移動性較小，易被土壤吸附，因此目前我國主要的氮肥是銨態(tài)氮肥。但施用于土壤表面或撒施于水田，氨揮發(fā)的損失較大，為了減少這種損失和氮淋失，可在土壤中加入生物質(zhì)炭。

土柱試驗表明，淋溶初期銨態(tài)氮淋出量較大，然后降低，降低過程中出現(xiàn)銨態(tài)氮的淋失量高峰，最后逐漸下降至穩(wěn)定。在淋溶初期淋溶液中的銨態(tài)氮含量較高，主要是由于加水平衡期間過量的銨態(tài)氮素向下移動，這部分銨態(tài)氮主要是分布在水相中的銨態(tài)氮，因此可以隨水體向下運移；而后續(xù)淋出的可能是水與土壤交換態(tài)銨態(tài)氮[10]。淋洗中期，生物質(zhì)炭添加后，銨態(tài)氮淋失量明顯降低，且銨態(tài)氮的向下淋失同樣得到明顯延緩；銨態(tài)氮素的淋失峰值隨生物炭添加量的增大而延后，相比之下，不加生物質(zhì)炭的土壤峰值出現(xiàn)最早[11]。隨著生物質(zhì)炭添加比例的增加，不同處理的土壤平均淋溶速率顯著降低，這是由于具有極大比表面積生物質(zhì)炭的顆粒粒徑小于土壤顆粒粒徑，溶液在土柱中向下運移時，生物質(zhì)炭顆粒會堵塞土壤的毛細(xì)孔隙，從而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。除外，生物質(zhì)炭具有較強的吸附能力，可將土壤中的雜質(zhì)、微小懸浮物吸附，從而堵塞了土壤中水分流通路徑，導(dǎo)致土柱中淋溶速率顯著降低[12]。而生物質(zhì)炭對氮的吸附能力是由于生物質(zhì)炭具有多孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，具有大量的表面負(fù)電荷及高電荷密度，能吸附固定水、土壤或沉積物中的陽離子[13-17]。生物質(zhì)炭被氧化后，其表面可形成含氧基團（如羰基、酚基和醌基等），從而增加了負(fù)電荷量和陽離子交換量，能夠有效吸附硝酸根和銨根，使其淋失量減少，淋失峰值延后[18]。

生物質(zhì)炭與硝態(tài)氮的關(guān)系。

硝態(tài)氮肥適宜于氣候冷涼的地區(qū)和季節(jié)，在旱地分次施用，肥效快而明顯，因此硝態(tài)氮肥也是我國重要的肥料[19]。但硝態(tài)氮淋失不僅是肥料的淋失，也是一個環(huán)境問題，因為硝酸鹽不僅會造成近岸海域富營養(yǎng)化、增加大氣氨或氮氧化污染物、加速土壤酸化、消耗土壤肥力并降低作物產(chǎn)量，還會污染地下水，含有硝酸鹽的飲用水可能導(dǎo)致人們高鐵血紅蛋白血癥[8]。如在以紅壤為主的農(nóng)耕地區(qū)，農(nóng)民使用大量的氮肥以求提高玉米產(chǎn)量，導(dǎo)致氮的總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玉米所需的氮含量，過量的硝態(tài)氮經(jīng)過淋失，對環(huán)境產(chǎn)生了不良影響[20]。因此，減少硝酸態(tài)氮淋失就顯得十分重要。

Kwon等[21]研究證明，生物質(zhì)炭可以減少土壤中硝態(tài)氮淋失，提高土壤對硝態(tài)氮的吸附能力，增加滯留時間，提高土壤氮儲量，是良好的土壤改良劑。靖彥等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對硝態(tài)氮的穿透曲線有重要影響。Jin等[8]研究發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮淋溶總時間隨著生物質(zhì)炭的施用量逐漸增加，而其累計淋失量、峰值濃度、水通量逐步減少；淋溶總時間與生物質(zhì)炭施用率之間呈正相關(guān)，硝態(tài)氮的累計淋失量、峰值濃度、水通量與生物質(zhì)炭的施用率呈負(fù)相關(guān)[9]。這是由于生物質(zhì)炭被氧化后，其表面可形成含氧基團，增加了負(fù)電荷量和陽離子交換量，具有很強的吸附能力。

因此，添加生物質(zhì)炭可以改善土壤的理化性質(zhì)（容重、孔隙度、有機質(zhì)和ECE等），提高土壤的氮儲量，減少硝化和反硝化的氮素?fù)p失，這與累計淋失量和相對濃度峰值有很大的相關(guān)程度。

3現(xiàn)階段生物質(zhì)炭與氮的研究方向

國內(nèi)外對氮與生物質(zhì)炭的研究很多，方向各不相同。越來越多的研究表明，生物質(zhì)炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)起到不可忽視的作用。國外研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

（1）生物質(zhì)炭的輸入對土壤生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)功能微生物的影響，尤其是微生物生態(tài)學(xué)方面的影響機理。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭對土壤氮素周轉(zhuǎn)作用顯著，德國Lehmann教授等[22]研究指出，土壤中加入生物質(zhì)炭后，土壤通氣狀況有所改善，微生物的反硝化作用被抑制，氮氧化物的排放可以被抑制，使土壤中的全氮儲量增加。Rondon等[23]在利用同位素標(biāo)記法研究施加生物質(zhì)炭對豆類作物生物固氮作用的影響中發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加適量的生物質(zhì)炭能夠顯著提高土壤生物固氮效率，推測生物質(zhì)炭的施入提高了土壤B和Mo的含量，進而促進土壤固氮菌生物固氮作用。Quilliam等[24]在研究生物質(zhì)炭輸入對三葉草根部固氮效果的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，盡管生物質(zhì)炭的輸入并未提高固氮根瘤數(shù)量，但是能夠顯著提高固氮酶活性。但這些研究結(jié)果的解釋往往基于生物質(zhì)炭的本身屬性及對土壤中可能存在的變量的推測，缺乏諸如功能微生物豐度、多樣性及功能酶活性等直接的證據(jù)[25]。因此，分子生物學(xué)方面的深入研究對于了解生物質(zhì)炭在土壤氮素循環(huán)中的作用機理具有重要的指導(dǎo)意義。

（2）系統(tǒng)長期評價生物質(zhì)炭對不同土質(zhì)土壤氮素周轉(zhuǎn)的影響。目前，國際上對生物質(zhì)炭的研究基本都是溫室與實驗室的短期研究結(jié)果，與真實土壤環(huán)境有一定差異，試驗結(jié)果不夠可靠，且目前不同類型土壤對試驗結(jié)果造成的差異難以評估。因此，需要對不同類型土壤進行系統(tǒng)、長期試驗，為氮肥合理施用提供可靠的理論依據(jù)。

（3）生物質(zhì)炭與氮肥的交互作用。目前的研究結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭與氮肥配合施用有一定的協(xié)同作用[25]，能夠有效提高氮肥的利用率，但配施原理尚不明確，是目前的一個研究熱點。

（4）生物質(zhì)炭降解過程與土壤氮素的相互作用。Spokas等[26]研究證明，生物質(zhì)炭在土壤中能夠釋放一定量的乙烯作用于土壤微生物群落，對產(chǎn)生N2O的反硝化菌造成一定的消極影響，即生物質(zhì)炭釋放乙烯影響土壤氮素循環(huán)功能微生物的生理活性。同時，生物質(zhì)炭降解對土壤有機質(zhì)的影響也可能會間接作用于氮素循環(huán)。這項研究對于生物質(zhì)資源化利用具有重要的指導(dǎo)意義和科學(xué)價值。

（5）生物質(zhì)炭-土壤-作物之間的相互作用。生物質(zhì)炭對硝酸根和銨根具有很強的吸附特性，可有效降低農(nóng)田土壤氨的揮發(fā)，顯著減少土壤養(yǎng)分淋失，提高作物產(chǎn)量[11]。奧地利科學(xué)家Christoph Steiner博士將生物質(zhì)炭與堆肥結(jié)合，既解決了堆肥過程中氮素?fù)p失的問題，又提高了堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)和肥效。另外，生物質(zhì)炭能夠?qū)⑽降陌睔庾鳛橹参锟衫眯缘貎Υ嬗谕寥?，該研究將在改善土壤性能、提高作物產(chǎn)量及降低氮素流失等方面發(fā)揮多重效益。

（6）生物質(zhì)炭對環(huán)境中的氮污染起到一定的緩解作用。Mizuta 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，竹炭可有效吸附地表和地下水中的硝酸根，以防止地下水和地表水的富營養(yǎng)化。這項研究對未來農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，我國的研究也同樣取得了顯著的進展。郭偉等[27]通過3年華北高產(chǎn)農(nóng)田定位試驗發(fā)現(xiàn)，在生物質(zhì)炭施用3年后，0～15 cm 耕層土壤中的全氮儲量均有大幅提升。稻田試驗中，單一施用生物質(zhì)炭使得 N2O 的排放量減少了約25%，而生物質(zhì)炭與氮肥的配合施用使 N2O 的排放減少了 40%～51%[28]；劉玉學(xué)等[29]以考古發(fā)現(xiàn)的古稻田土壤黑土層，用封存于數(shù)千年前的古稻田中的秸稈炭為例說明了生物質(zhì)炭化還田可以成為一種有效的碳捕捉與儲存的方法。

雖然現(xiàn)在實驗室基本研究出生物質(zhì)炭對氮淋失的影響，但不同性狀的生物質(zhì)炭添加到不同質(zhì)地的土壤中，引起土壤對氮的吸附作用也會不同。因此，研究不同生物質(zhì)炭對不同土壤的影響非常必要，這有利于合理確定生物質(zhì)炭的施用種類和施用量。對于在氮淋失的紅壤地區(qū)提供生物質(zhì)炭所造成的長期影響知之甚少，因此，研究作為土壤改良劑的生物質(zhì)炭對硝態(tài)氮運移的影響是一個需要重點的研究方向。大量、長期施用生物質(zhì)炭可能存在的環(huán)境風(fēng)險與長期效果、生物質(zhì)炭的碳匯穩(wěn)定性和生態(tài)效應(yīng)尚不完全清楚；生物質(zhì)炭對土壤和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境功能影響的機理目前還缺乏系統(tǒng)全面的研究。生物質(zhì)炭基肥料的效果改善研究還處于起步階段，且目前的研究仍停留在室內(nèi)模擬與小規(guī)模的田間理論研究階段，后續(xù)生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究需要在以上幾個方面予以加強[30]。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

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