添加生物炭對(duì)土壤磷素有效性影響研究進(jìn)展

馬 珍，黃凱文，張珍明，苫君月，姜 鑫，黃先飛*

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001；2.貴州省生物研究所，貴陽(yáng) 550008)

磷是維持生命體生長(zhǎng)和代謝的重要營(yíng)養(yǎng)元素，其含量及供給能力直接影響植株生產(chǎn)水平。土壤全磷含量一般為100~3 000 mg·kg-1，是土壤養(yǎng)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(dāng)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(guò)度累積，累積的磷素稱為土壤遺留磷（Legacy phosphorus）[3-4]。我國(guó)磷礦資源儲(chǔ)量相對(duì)匱乏，僅占全球5%。與此同時(shí)，土壤磷素形態(tài)復(fù)雜，一般通過(guò)無(wú)機(jī)磷解吸和溶解、有機(jī)磷酶解及微生物生物量磷礦化等一系列生物化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)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(yán)重，造成磷資源浪費(fèi)，威脅糧食生產(chǎn)和環(huán)境安全。因此，提高土壤磷素生物有效性，是解決我國(guó)磷資源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)和資源可持續(xù)利用關(guān)鍵。

生物炭是生物有機(jī)質(zhì)在無(wú)氧或缺氧條件下通過(guò)熱解反應(yīng)形成的富碳產(chǎn)物，具有多孔、比表面積高、溶解難、穩(wěn)定性強(qiáng)、芳香化程度高、生產(chǎn)成本低廉和易存儲(chǔ)等特點(diǎn)。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(yǎng)分，在土壤中施加生物炭改良劑有助于植株生長(zhǎng)、增加作物產(chǎn)量、提高磷肥利用率及改良土壤質(zhì)量。生物炭絕大多數(shù)研究和應(yīng)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(fā)現(xiàn)，連續(xù)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(shí)的長(zhǎng)效緩釋磷資源，可持續(xù)向土壤中補(bǔ)充磷。從短期看，生物炭釋放的磷主要是水溶性磷，以無(wú)機(jī)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(zhǎng)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(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，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(jī)肥+化肥處理與生物炭+有機(jī)肥+化肥處理研究發(fā)現(xiàn)，在浸提時(shí)間超過(guò)4 h后磷含量差異顯著，20 h后有機(jī)肥+化肥處理達(dá)到80 mg·kg-1，而生物炭+有機(jī)肥+化肥處理僅30 mg·kg-1，并以相對(duì)緩慢且恒定速率釋放[6]。利用生物炭自身物理特性和長(zhǎng)效釋緩機(jī)制，提高土壤磷有效性，不僅高效、環(huán)保，且與土壤環(huán)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(duì)土壤磷素化學(xué)與生物影響機(jī)理，為解決生物炭改良劑對(duì)磷在農(nóng)業(yè)上引起經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源可持續(xù)發(fā)展問(wèn)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(xué)等研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈經(jīng)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(zhì)炭化過(guò)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(duì)磷吸附相對(duì)較低，是因?yàn)橛衩仔旧锾恐袖X和鐵含量較低，而磷含量較高[9]。與其他類型生物炭相比，動(dòng)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(nóng)作物秸稈和家禽糞便中磷主要以有機(jī)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(fā)和磷保存。在低溫（<200℃）熱解過(guò)程中，植物和糞便中部分有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，在500℃時(shí)有機(jī)磷完全轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，這是溫度升高時(shí)原材料中碳揮發(fā)和O-P鍵斷裂的結(jié)果[10]。制備溫度更高，生物炭?jī)A向于產(chǎn)生更多HCl可提取磷，生成的磷較為穩(wěn)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(fā)現(xiàn)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(duì)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(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，減少有機(jī)質(zhì)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(duì)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(duì)磷吸附降低，吸附平衡時(shí)添加1%、2%和5%生物炭（BC300），土壤對(duì)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(duì)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(duì)磷的吸附；②施加生物炭有機(jī)質(zhì)和有機(jī)酸含量增加，促進(jìn)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(duì)土壤磷吸附的影響，也得出類似結(jié)果，達(dá)到吸附平衡時(shí)添加2%、4%和8%生物質(zhì)炭，土壤對(duì)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(duì)磷的吸附減少，可能是水稻秸稈含有無(wú)機(jī)磷，磷吸附減少，有效性增加[15]。吸附量隨熱解溫度呈相反結(jié)果，熱解溫度為600℃生物質(zhì)炭土壤磷吸附量比添加450℃生物質(zhì)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(duì)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(dāng)生物炭與水比率從1/50降低到1/500時(shí)，磷釋放量增加2.8倍[16]。同時(shí)，土壤中磷濃度越高，生物炭釋放的磷越少，因?yàn)樵谶@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(shí)，溶液離子強(qiáng)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(jù)生物炭表面陽(yáng)離子橋和活性點(diǎn)位，降低磷酸鹽再吸附，促進(jìn)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(yīng)用前景，未來(lái)應(yīng)多關(guān)注生物炭改良劑對(duì)土壤磷可得性、降解途徑及改良機(jī)理。

2 生物炭對(duì)土壤磷素有效性的影響

生物炭降低土壤對(duì)磷的吸附，使有機(jī)質(zhì)含量增加，促進(jìn)植物根系分泌有機(jī)酸，提升磷活化效果，同時(shí)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(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[13,20]和磷素固持能力，減少有機(jī)質(zhì)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(fā)生相應(yīng)改變。

2.1 生物炭通過(guò)改變土壤pH影響土壤磷有效性

生物炭含有豐富陽(yáng)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(diào)節(jié)土壤中固磷礦物吸附特性和溶解度。木質(zhì)素生物炭增加土壤緩沖能力，穩(wěn)定pH[21]。添加生物炭后pH升高，土壤中磷礦物和金屬離子絡(luò)合作用發(fā)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(dǎo)致磷與土壤礦物相互作用減少，形成礦物-有機(jī)質(zhì)復(fù)合體，磷吸附能力降低[9]。因此，在施用生物炭后短期內(nèi)，土壤中溶解態(tài)磷含量可能隨土壤pH增加而增加。Ghodszad等研究發(fā)現(xiàn)，在添加生物炭后，酸性土壤（pH 4.6和6.0）中pH增加，土壤對(duì)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(duì)pH無(wú)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(cè)到顯著反應(yīng)[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?zé)峤膺^(guò)程中酸性官能團(tuán)（羧基、酚羥基）分解和有機(jī)酸揮發(fā)，保留無(wú)機(jī)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(tuán)如酚類、表面羧基、內(nèi)酯和總酸性官能團(tuán)濃度降低，導(dǎo)致總酸性官能團(tuán)減少，而熱解產(chǎn)生較多揮發(fā)性物質(zhì)和含碳?xì)怏w，灰分含量和芳香結(jié)構(gòu)增加，pH增加[26]?？梢?，生物炭對(duì)酸性土壤pH有明顯改良作用。

2.2 生物炭通過(guò)微生物因素影響土壤磷素有效性

目前，關(guān)于生物炭對(duì)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(duì)環(huán)境變化十分敏感，可較早指示生態(tài)系統(tǒng)功能變化，為土壤性質(zhì)研究提供可靠依據(jù)[25]。生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)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(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)易成為土壤微生物（如藻類、細(xì)菌、真菌和土壤動(dòng)物）棲息地，為土壤微生物生長(zhǎng)提供場(chǎng)所和養(yǎng)分[28-29]。

2.2.1 生物炭影響土壤磷代謝

生物炭通過(guò)增加溶磷微生物（PSMs）生物量促進(jìn)土壤磷有效性。PSMs可促進(jìn)土壤中廣泛存在的不溶性磷和有機(jī)磷釋放有效磷[30]，對(duì)土壤磷代謝產(chǎn)生積極影響，極大促進(jìn)植物對(duì)磷的利用。添加生物炭可增加PSMs數(shù)量，提高磷有效性或保持力[11]。盆栽試驗(yàn)表明，秸稈生物炭4周顯著提高無(wú)機(jī)PSMs數(shù)量和存活率，導(dǎo)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(shù)量增加可歸因于生物炭多孔結(jié)構(gòu)，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(chǔ)存水分，有利于微生物發(fā)育和存活。生物炭還可為PSMs提供充足養(yǎng)分，增加其生物量并加強(qiáng)磷循環(huán)[29]。生物炭增加微生物數(shù)量和活性，增強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，Epolea類線蟲分別增加14%和25%，原天牛和彈尾目節(jié)肢動(dòng)物分別比對(duì)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(dòng)物總數(shù)10%。細(xì)菌、真菌和真核生物數(shù)量增加，可產(chǎn)生更多堿性磷酸酶，促進(jìn)根系生長(zhǎng)和磷吸收[31]。也有研究發(fā)現(xiàn)，松木屑生物炭增加叢枝菌根真菌（AMF）數(shù)量和菌絲功能，增加磷的可得性和植物對(duì)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(lái)源于動(dòng)物、植物根系和土壤微生物細(xì)胞分泌物[33]。研究表明，生物炭對(duì)磷酸酶活性具有積極影響。糞便生物炭在400℃熱解過(guò)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?xì)埩粑锖蜕锾?，磷酸酶活性提?.1至4.4倍，可能原因是生物炭顆粒對(duì)土壤磷酸酶有較強(qiáng)吸附作用[35]。Pandey等研究也得出類似結(jié)果，添加生物炭后土壤脫氫酶活性比對(duì)照組增加27%，脲酶活性從7.4%增至39%[36]。生物炭對(duì)土壤磷酸酶活性的積極影響是微生物增殖、生物炭對(duì)磷酸酶的表面吸附、土壤磷形態(tài)變化和土壤pH升高的結(jié)果。但對(duì)土壤磷酸酶活性時(shí)有負(fù)面影響或無(wú)顯著影響。Zhai等盆栽試驗(yàn)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(jié)果可能因生物炭釋放無(wú)機(jī)磷和生物炭引起土壤電導(dǎo)率和鹽度增強(qiáng)所致，造成酶變性并產(chǎn)生不利影響[18]。同時(shí)研究表明，添加生物炭抑制酶反應(yīng)，導(dǎo)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(yíng)養(yǎng)和生存環(huán)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(zhì)，使微生物更加高效調(diào)節(jié)碳氮磷物質(zhì)轉(zhuǎn)化，提高土壤磷利用率。土壤中磷酸酶有助于通過(guò)磷酸單酯二酯水解將磷從有機(jī)形式轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)形式。生物炭還可通過(guò)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(fā)現(xiàn)，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(jī)磷礦化作用和礦物結(jié)合磷風(fēng)化作用。

生物炭為微生物提供良好生存環(huán)境，改變微生物活性，影響土壤磷素轉(zhuǎn)化，增加菌根活性提高植物對(duì)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(zhǎng)繁殖提供良好環(huán)境，減少微生物之間競(jìng)爭(zhēng)，保護(hù)土壤微生物，特別是根系真菌繁殖和活性。María等試驗(yàn)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(shù)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(qiáng)，促進(jìn)土壤-植物-微生物系統(tǒng)中磷有效性。也有研究指出，隨生物炭添加量增加，真菌響應(yīng)不明顯。例如，Dai等發(fā)現(xiàn)在添加生物炭土壤中，細(xì)菌群落響應(yīng)高于真菌群落，可能是真菌比細(xì)菌更能抵抗環(huán)境干擾，易適應(yīng)環(huán)境變化[41]。Yan等研究表明，牛糞生物炭與對(duì)照組之間微生物生物量和真菌群落組成無(wú)顯著差異，與細(xì)菌群落有顯著差異[42]。生物炭改良劑可增加植物養(yǎng)分和水分供應(yīng)，滿足菌根營(yíng)養(yǎng)需求，提高土壤微生物生物量，改變細(xì)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(jié)構(gòu)組成，而磷酸酶活性變化可能是生物炭孔隙和養(yǎng)分中碳和化學(xué)變化結(jié)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(dòng)氮源。另一方面，生物炭孔隙具有顯著變異性，其孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積可儲(chǔ)存水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，成為微生物生存的微環(huán)境，向土壤中添加生物炭影響生物群落變化和土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)[25,43]。添加生物炭可顯著降低土壤中氮含量，同時(shí)增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)[44]，間接影響土壤磷素轉(zhuǎn)化。土壤微生物對(duì)環(huán)境變化較敏感，且對(duì)生物炭應(yīng)用反應(yīng)迅速。不同施用量對(duì)土壤微生物影響不同，高施用量可能損害微生物群落數(shù)量和組成。例如，高比例（60 t·hm-2）污泥生物炭無(wú)法繼續(xù)對(duì)土壤性質(zhì)或作物產(chǎn)量產(chǎn)生積極作用，但40 t·hm-2在兩年內(nèi)是肥沃砂土最佳施用量[45]。

總之，生物炭多孔結(jié)構(gòu)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(jìn)土壤磷素轉(zhuǎn)化，增加土壤有效磷含量。固氮細(xì)菌活性增加，有利于土壤化學(xué)性質(zhì)提高，土壤磷酸酶活性和數(shù)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(duì)作物產(chǎn)量的影響，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究生物炭促進(jìn)土壤細(xì)菌、真菌和微生物生物量以及磷酸酶活性機(jī)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(wú)確切結(jié)果表明磷淋溶增強(qiáng)。據(jù)報(bào)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(huán)境淋失[46]。

3.1 生物炭直接吸附土壤磷素

生物炭可通過(guò)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(nèi)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(guò)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(tuán)，有助于產(chǎn)生負(fù)表面電荷，含氧基團(tuán)也表現(xiàn)出對(duì)磷的吸附能力增加[11,48]。此外，高比表面積和孔隙率對(duì)陽(yáng)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(duì)磷具有更高吸附能力，表明存在孔隙填充機(jī)制[49]。生物炭中微孔可加強(qiáng)流動(dòng)磷吸附，否則被淋濾。生物炭中Fe/Al/Ca/Mg離子可通過(guò)沉淀作用吸附磷[50]。隨風(fēng)化增加，生物炭顆粒表面物理、化學(xué)和生物反應(yīng)改變其性質(zhì)，生物炭對(duì)磷吸附減少，這種減少歸因于生物炭在老化過(guò)程中發(fā)生官能團(tuán)變化[51]。當(dāng)加入生物炭衍生有機(jī)質(zhì)（BDOM）時(shí)，氧化生物炭對(duì)磷吸附增加，可能因氧化生物炭中填充BDOM微孔對(duì)磷酸鹽的吸附。與單獨(dú)使用氧化生物炭的試驗(yàn)相比，氧化生物炭和BDOM聯(lián)合使用增加磷吸附[11]，表明BDOM有可能減弱老化生物炭對(duì)磷吸附[52]。隨生物炭對(duì)土壤磷吸附量的增加，土壤中可移動(dòng)磷濃度降低，進(jìn)一步減少土壤中磷淋失。

3.2 生物炭提高土壤對(duì)磷的截留

生物炭可通過(guò)土壤保水能力或促進(jìn)植物吸收磷減少磷淋失。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較大比表面積，可通過(guò)毛細(xì)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(tuán)聚體穩(wěn)定性提高，間接提高土壤保水能力[54]。例如，大團(tuán)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(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中整合結(jié)果，間接促進(jìn)磷在大團(tuán)聚體中滯留，有利于生物炭對(duì)土壤磷的保持。同時(shí)，較大團(tuán)聚體更穩(wěn)定，減少風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)[56]。此外，生物炭可通過(guò)促進(jìn)種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)，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(yǎng)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(yīng)對(duì)生物炭施用量開展具體研究，確保充足養(yǎng)分供應(yīng)，避免淋濾風(fēng)險(xiǎn)。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(huán)境主要傳輸過(guò)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(huán)境，添加生物炭是否減少土壤顆粒磷輸出尚未開展系統(tǒng)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(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

生物炭特有長(zhǎng)效釋緩機(jī)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(shù)量和酶活性，通過(guò)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(guò)土壤與磷絡(luò)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(shù)量和活性增加則歸因于生物炭孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，為微生物提供水分、養(yǎng)分和適宜條件，影響微生物發(fā)育和存活，提高磷有效性和保持力，加強(qiáng)磷吸收和磷循環(huán)。同時(shí)微生物增殖，生物炭對(duì)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(tuán)和微孔有利于吸附磷，減少磷淋失；土壤對(duì)磷截留是促進(jìn)生物炭毛細(xì)作用、增加孔隙度、降低土壤容重和增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高保水能力，降低磷淋溶。因此，生物炭對(duì)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(jī)制復(fù)雜，不同影響因素之間存在協(xié)同效應(yīng)，因素對(duì)土壤磷素轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不明確，尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。所以未來(lái)需結(jié)合多因素綜合考慮，深入探究不同因素對(duì)土壤磷轉(zhuǎn)化作用機(jī)制。

5 展望

生物炭用于提高土壤磷素利用率，需加強(qiáng)以下方面研究：①確定制備過(guò)程中磷形態(tài)，根據(jù)磷形態(tài)施加特定生物炭。研究不同熱解時(shí)間、溫度和原材料對(duì)生物炭理化性質(zhì)的影響，制定制備標(biāo)準(zhǔn)。②微生物改性生物炭孔隙結(jié)構(gòu)可為其提供生存環(huán)境，改善有特殊需要的土壤環(huán)境。未來(lái)可利用微生物分子生物學(xué)技術(shù)研究解磷菌作用機(jī)理和影響因素，解磷肥料生產(chǎn)應(yīng)用也急需推進(jìn)。③加強(qiáng)對(duì)生物炭孔隙結(jié)構(gòu)、土壤密度和保水能力研究。探究生物炭對(duì)土壤保水能力影響機(jī)理和最佳添加量，有利于改善干旱區(qū)土壤缺水狀況，提高土壤作物產(chǎn)量。④深入研究生物炭對(duì)土壤動(dòng)物、植物和微生物微型生態(tài)系統(tǒng)影響，重點(diǎn)研究生物炭對(duì)土壤環(huán)境的不利影響，評(píng)估環(huán)境影響機(jī)制并制定改進(jìn)方案，有助于生物炭在土壤中大規(guī)模應(yīng)用。