生物炭對(duì)土壤氮磷轉(zhuǎn)化和流失的影響

呂慧捷 孫紅艷 周鴻淼 付國(guó)勝

（1. 新疆巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆庫(kù)爾勒 841000；2. 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100； 3. 新疆恒輝君揚(yáng)生物科技有限公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

生物炭具有特殊的理化性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤中的氮磷含量具有一定影響。生物炭不僅可以增強(qiáng)農(nóng)作物對(duì)土壤當(dāng)中氮磷養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)作物產(chǎn)量提高，而且還能改善土壤的理化性質(zhì)，降低土壤中氮磷養(yǎng)分的損失，從而使肥料效益得到有效改善。因此，生物炭對(duì)氮磷形態(tài)轉(zhuǎn)化、氮磷流失減少都有著重要影響，對(duì)土壤環(huán)境的污染治理及其持續(xù)性發(fā)展有著重要影響。

1 生物炭對(duì)土壤氮、磷的吸附作用

1.1 生物炭的吸附機(jī)制 生物炭具備的特殊物理與化學(xué)性質(zhì)使其成為高效且優(yōu)質(zhì)的吸附材料。生物炭其疏松多孔的結(jié)構(gòu)有著顯著的吸附力，尤其是吸附陽(yáng)離子，比如鉛、銅、鎘等。生物炭通常含有多種的化學(xué)官能團(tuán)，可以和陰陽(yáng)離子產(chǎn)生配位作用。土壤中，生物炭的吸附過(guò)程通常包含多種機(jī)理，如分配作用、聯(lián)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(zhì)間以分子之間的引力或者化學(xué)鍵形成的一種吸附過(guò)程，其屬于生物炭對(duì)土壤中硝氮、氨氮、磷進(jìn)行吸附的主要機(jī)理。土壤的理化性質(zhì)、吸附環(huán)境條件、有機(jī)物的含量都會(huì)對(duì)生物炭的吸附作用產(chǎn)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(yīng)的微吸附機(jī)理，對(duì)吸附的全過(guò)程也可造成影響，例如孔隙作用。

1.2 生物炭增強(qiáng)土壤氮、磷吸附效率 農(nóng)業(yè)中非點(diǎn)源污染主要原因是土壤中的氮、磷等養(yǎng)分出現(xiàn)無(wú)效遷移與轉(zhuǎn)化。生物炭中的小孔結(jié)構(gòu)與特殊表面特征促使其對(duì)吸附的養(yǎng)分離子具有主導(dǎo)作用，孔徑分布與孔隙度會(huì)促使養(yǎng)分的滲濾模式發(fā)生改變，使土壤中的養(yǎng)分含量與停留時(shí)間增加。另外，生物炭表面有豐富含氧基團(tuán)，其具有較高的吸附交換能力，且吸附的容量相對(duì)較大，可以對(duì)土壤中的硝態(tài)氮、可溶性磷、可溶性氮、銨態(tài)氮等進(jìn)行吸附，從而使氮、磷的養(yǎng)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(jìn)氮磷的吸附與吸收[2]。同時(shí)，土壤中添加生物炭也可對(duì)過(guò)量的氮、磷等養(yǎng)分進(jìn)行吸附，使過(guò)量的養(yǎng)分在土壤中緩慢釋放，從而使養(yǎng)分流失程度有效減少。

2 生物炭對(duì)土壤中氮、磷轉(zhuǎn)化的影響

2.1 生物炭對(duì)土壤中氮轉(zhuǎn)化的影響 生物炭能夠有效改變土壤理化性質(zhì)。生物炭的高孔隙度特征會(huì)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(huán)周轉(zhuǎn)涉及的反硝化細(xì)菌、固氮菌、硝化細(xì)菌等的活性、多樣性、豐度也會(huì)受到影響。微生物種群的變化通常與氮素礦化過(guò)程、固氮作用、硝化與反硝化、氨揮發(fā)等和土壤氮循環(huán)相關(guān)微生物的活動(dòng)有直接關(guān)系。土壤氮素礦化過(guò)程、土壤對(duì)NH4+的吸收與固定、硝化與反硝化的過(guò)程都屬于土壤氮素轉(zhuǎn)化的主要途徑，這些過(guò)程與作物對(duì)氮素的利用與吸收及氮在土壤中的損失密切相關(guān)[3]。將生物炭施加到草地或者農(nóng)田中，對(duì)土壤中的有機(jī)氮礦化會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，從而影響土壤氮素對(duì)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(cè)定土壤及生物炭中的微生物量，同時(shí)對(duì)土壤氨的揮發(fā)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，生物炭施加到稻田中，微生物產(chǎn)生的作用占42% 左右，非微生物的作用占59% 左右。同時(shí)，生物炭可提高潛在的硝化速率。

2.2 生物炭對(duì)土壤中磷轉(zhuǎn)化的影響 磷在土壤中的轉(zhuǎn)化通常包含吸收吸附和沉淀溶解兩種。其中，有機(jī)磷礦化與無(wú)機(jī)磷固定等均屬于相對(duì)特殊的一種化學(xué)過(guò)程。該過(guò)程中，受非生物與生物相關(guān)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(duì)土壤磷的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響[4]。生物炭屬于木質(zhì)組織，其在炭化過(guò)程中通常會(huì)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(huì)成為土壤中磷的重要來(lái)源。同時(shí)，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(zhì)材料所制成的生物炭實(shí)際含磷量存有較大差異，因此不同生物炭對(duì)土壤磷含量的影響不同。

3 生物炭對(duì)土壤中氮、磷流失的影響

水分是土壤養(yǎng)分的重要載體。強(qiáng)化田間的水分管理，通常對(duì)土壤氮、磷流失控制有著重要作用。在農(nóng)田中，通過(guò)生物炭增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤持水量、作物對(duì)土壤有效水分利用等，都對(duì)土壤當(dāng)中氮、磷的流失產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)根據(jù)水動(dòng)力流到田面水當(dāng)中，田面水當(dāng)中的氮、磷濃度提高，易導(dǎo)致非點(diǎn)源污染物輸出負(fù)荷增加。根據(jù)該污染問(wèn)題，最好的解決方法就是更改農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施肥類型與配施方法[5]。通過(guò)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(jìn)行田間施肥不僅可以使田面水當(dāng)中的養(yǎng)分流失降低，而且還能對(duì)農(nóng)田生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行保護(hù)，通常也會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 減少養(yǎng)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(xiàn)硝態(tài)氮污染的重要原因。不同理化性質(zhì)的生物炭對(duì)土壤中氮流失的作用也不同，溫度達(dá)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(duì)總氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮流失的減少作用更加明顯。土壤中添加生物炭會(huì)使土壤顆?？紫抖仍龃?，通過(guò)對(duì)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(nóng)田施加生物炭通常對(duì)土壤的磷流失具有相應(yīng)的影響。通常認(rèn)為，溫度較高的生物炭能夠使土壤磷的流失有效減少。通過(guò)對(duì)生物炭和土壤中磷流失的關(guān)系進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠使磷流失有效降低，主要是因?yàn)樯锾磕軌虼龠M(jìn)陰離子的交換能力，并對(duì)磷和陽(yáng)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(shí)現(xiàn)磷流失降低。

4 結(jié)語(yǔ)

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