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    生物炭對(duì)土壤磷素循環(huán)影響機(jī)制研究進(jìn)展

    2017-11-18 16:25于姣妲殷丹陽(yáng)李瑩周垂帆
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年18期
    關(guān)鍵詞:生物炭酸堿度微生物

    于姣妲+殷丹陽(yáng)+李瑩+周垂帆

    摘要:土壤全磷含量較高而有效磷含量不足,是限制全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。生物炭作為一種新型的土壤改良劑,成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn),是由于生物炭具備特殊的性質(zhì),施入土壤后會(huì)對(duì)土壤中磷的化學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。鑒于此,結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的研究成果和最新的進(jìn)展,從不同條件下制備生物炭的磷素特征及其對(duì)土壤磷素吸附解吸、土壤酸堿度、磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化、土壤磷酸酶及微生物等的影響機(jī)制幾個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)生物炭影響土壤磷素有效性的研究現(xiàn)狀,提出了目前在生物炭對(duì)土壤磷素影響的研究中存在的一些問(wèn)題以及今后研究的熱點(diǎn),以期為增加土壤磷素的有效性、提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力、減少土壤中磷素流失對(duì)環(huán)境的污染,以及為生物炭在土壤環(huán)境中的管理應(yīng)用提供理論資料,對(duì)解決世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所引起的資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題具有一定意義。

    關(guān)鍵詞:生物炭;吸附解吸;酸堿度;磷酸酶;微生物;磷素有效性

    中圖分類號(hào): S156.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)18-0017-04

    收稿日期:2017-02-22

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):31400465);中國(guó)博士后科學(xué)基金(編號(hào):2015M570550);福建省自然科學(xué)基金(編號(hào):2015J05050)。

    作者簡(jiǎn)介:于姣妲(1993—),女,湖南永州人,碩士研究生,主要從事磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及流失控制研究。E-mail:1036983589@qq.com。

    通信作者:周垂帆,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事人工林土壤改良研究。E-mail:zhouchuifan@163.com。 磷(P)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素,由于土壤對(duì)磷的強(qiáng)烈化學(xué)固定作用,致使土壤磷素多以鐵磷酸鹽(Fe-P)、鋁磷酸鹽(Al-P)和閉蓄態(tài)磷(O-P)等難溶態(tài)存在,即使土壤全磷含量高,而植物可吸收利用的有效磷含量低,因此,土壤有效磷不足一直是限制全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的重要因素。為提高地力、增加作物生產(chǎn)量,農(nóng)業(yè)上常通過(guò)施用大量磷肥以滿足作物對(duì)磷素的需求,而由此導(dǎo)致的積累態(tài)磷會(huì)通過(guò)地表徑流、土體淋失進(jìn)入水環(huán)境,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,近年來(lái)日益引起研究者的重視。同時(shí),由于自然界中磷是不可再生資源,充分合理地利用現(xiàn)有磷素資源對(duì)保持磷素循環(huán)平衡具有重要意義。因此,如何減緩地力衰退,特別是解決磷素有效性低下,維持作物長(zhǎng)期生產(chǎn)力問(wèn)題,減少磷素流失,成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)科學(xué)最為關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái),眾多的研究表明,生物炭(biochar)的出現(xiàn)為這些問(wèn)題的解決提供了新的思路和策略。

    生物炭是黑炭(black carbon)的一種類型,是由生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)300~700 ℃熱解,使木質(zhì)素、纖維素和半纖維素中的短鏈含碳物質(zhì)逐漸發(fā)生脫氨、脫氧作用而產(chǎn)生的一類高度芳香化富碳物質(zhì)[1],其原料主要來(lái)源于城市、農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物。生物炭比表面積大、孔隙多、穩(wěn)定性強(qiáng),施入土壤后可提高對(duì)養(yǎng)分的吸附,增加土壤碳匯,延長(zhǎng)肥效和固持營(yíng)養(yǎng)元素[2-3]。由于生物炭在土壤改良、肥效增加及污染修復(fù)等方面前景良好而在農(nóng)業(yè)上引起廣泛關(guān)注[4-5]。特別是近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多研究證實(shí),向土壤中施加生物炭可減少對(duì)土壤中磷素的固定,促進(jìn)土壤中難溶態(tài)磷的活化作用,影響土壤中磷素的形態(tài)分級(jí)。這些都使得生物炭在土壤磷素改善方面具有得天獨(dú)厚的潛力。鑒于此,本研究對(duì)生物炭自身的磷素特征、對(duì)土壤磷素有效性的影響機(jī)制等方面的研究成果進(jìn)行綜述,旨在為有效提高植物對(duì)土壤磷素的利用效率、提高植物生產(chǎn)量提供理論依據(jù),同時(shí)也能為減少大量施用磷肥造成的環(huán)境問(wèn)題提供借鑒,這對(duì)解決世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所引起的資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題具有一定意義。

    1 不同條件制備的生物炭磷素特征

    通常來(lái)說(shuō),制備生物炭的原材料(木屑、秸稈、禽畜糞便和其他廢料)以及溫度不同,對(duì)生物炭中磷素特征的影響很大。高溫?zé)峤鈺?huì)破壞生物炭中的長(zhǎng)鏈有機(jī)物,使其向形成短鏈有機(jī)物的方向發(fā)展,同時(shí)該過(guò)程必然會(huì)改變存在于長(zhǎng)鏈有機(jī)物中的磷素形態(tài)[6]。Uchimiya等對(duì)不同熱解溫度(350、500、650、800 ℃)下棉花籽殼和禽糞生物炭進(jìn)行研究表明,棉花籽殼、禽糞中的肌醇六磷酸鹽在350 ℃時(shí)開始向形成正磷酸鹽、焦磷酸鹽的方向轉(zhuǎn)變;當(dāng)熱解溫度≥500 ℃時(shí),禽糞生物炭中焦磷酸鹽逐漸消失,正磷酸鹽成為唯一的磷素形態(tài);而棉花籽殼生物炭中的正磷酸鹽、焦磷酸鹽在整個(gè)熱解過(guò)程中始終存在[7]。金熠等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱解溫度為25~300 ℃時(shí),豬糞生物炭中磷酸單酯區(qū)域的磷化合物迅速減少,肌醇六磷酸鹽向焦磷酸鹽方向轉(zhuǎn)變;當(dāng)熱解溫度為300~600 ℃時(shí),只存在正磷酸鹽、焦磷酸鹽;當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí),只剩下正磷酸鹽,可能以Ca-P的形式成為唯一的磷素形態(tài)[1]。武玉研究發(fā)現(xiàn),隨著熱解溫度的升高,生物炭中水洗磷(H2O-Pi)含量先增加后減少,活性無(wú)機(jī)磷(NaHCO3-Pi)含量在300 ℃或400 ℃時(shí)最高,中等活性無(wú)機(jī)磷 (NaOH-Pi)、活性有機(jī)磷(NaHCO3-Po)、中等活性有機(jī)磷(NaOH-Po)含量減少、磷灰石型磷(HCl- Pi)含量增加,正磷酸鹽先增加后減少,焦磷酸鹽減少,有機(jī)磷的含量急劇下降,說(shuō)明隨著炭化溫度的升高,生物炭中易被植物吸收利用的磷素向難以被利用的磷素轉(zhuǎn)化,低溫裂解的生物炭有利于增加磷素的有效性[8]。小麥中有機(jī)磷成分因熱解而逐漸消失,正磷酸鹽和焦磷酸鹽含量卻增加,說(shuō)明在熱裂解過(guò)程中生物質(zhì)中有機(jī)磷主要向正磷酸鹽和焦磷酸鹽方向轉(zhuǎn)化;隨著熱解溫度的升高,花生、玉米生物炭中正磷酸鹽含量下降,有機(jī)磷單酯、焦磷酸鹽含量上升,可能是由于低溫使得含磷的復(fù)雜有機(jī)物分解出有機(jī)磷,而正磷酸鹽脫水使得焦磷酸鹽含量增加[8]。從上述研究結(jié)果可以看出,制備生物炭的原材料以及溫度的不同,對(duì)生物炭中磷素特征的影響很大。

    2 生物炭對(duì)土壤磷素吸附解吸的影響機(jī)制

    生物炭影響磷素的循環(huán)和有效性可以通過(guò)改變土壤中磷素的吸附和解吸來(lái)實(shí)現(xiàn),但是研究結(jié)果存在差異性。Hale等研究發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)磷素沒(méi)有吸附能力[9],而Chintala等的研究結(jié)果[10]卻相反。施于土壤的生物炭由于比表面積大、孔隙多,對(duì)土壤的理化性質(zhì)影響較大,可顯著影響土壤的空間結(jié)構(gòu)、通透性、孔隙度、呼吸作用、保持水肥的能力、微生物及養(yǎng)分含量等。生物炭通過(guò)比表面積、陽(yáng)離子交換量和吸附作用向植物提供養(yǎng)分,以滿足其生長(zhǎng)發(fā)育。研究證明,生物炭對(duì)土壤磷素的吸附能力因生物質(zhì)原材料、炭化溫度和時(shí)間、粒徑與pH值等條件的不同而不同。在一定溫度范圍內(nèi),隨著炭化溫度的升高以及土壤中生物炭施加量的增加,土壤對(duì)磷素的吸附能力提高[11]。馬鋒鋒等研究發(fā)現(xiàn),在中性偏酸性環(huán)境中,隨著pH值升高,牛糞生物炭對(duì)土壤磷素的吸附量增加,當(dāng)pH值為7~10時(shí)相反,pH值>10時(shí)對(duì)磷素的吸附量又緩慢增加[12]。代銀分等研究發(fā)現(xiàn),在堿性環(huán)境中生物炭對(duì)磷素的吸附率與pH值具有相同的變化趨勢(shì)[13]。郎印海等研究發(fā)現(xiàn),施加柚皮生物炭能有效抑制土壤對(duì)磷的吸附,可能是因?yàn)槭┘予制ど锾磕艽龠M(jìn)土壤中磷的活化,降低有效磷的淋失,此外生物炭還能通過(guò)影響土壤中陽(yáng)離子活性或者改變微生物的活性間接影響磷素的有效性和吸附[11]。endprint

    向土壤中施加生物炭后,吸附在水鐵礦上的磷解吸能力增強(qiáng),從而使得氧化鐵上磷的吸附減少[14]。由于生物炭對(duì)磷素進(jìn)行的是物理吸附,被吸附的磷容易被淋溶損失,所以其吸附的磷在連續(xù)4次浸提解吸后,解吸磷濃度趨于0[13]。葛順?lè)宓妊芯堪l(fā)現(xiàn),施加玉米秸稈生物炭能明顯降低土壤磷素的淋溶損失[15]。李江舟等認(rèn)為,添加生物炭有效抑制了植煙土壤磷素的淋溶損失,可能是由于向植煙土壤添加生物炭后其pH值升高,促進(jìn)了土壤磷素的固定,說(shuō)明生物炭對(duì)土壤中磷酸鹽及可溶性有機(jī)磷具有強(qiáng)烈的吸附、固定作用[16]。施入改性生物炭后,潮褐土有效磷的淋失量顯著降低[17];與此相反,Doydora等研究發(fā)現(xiàn),酸化的松木屑和花生殼生物炭對(duì)土壤中磷素的淋溶損失無(wú)影響[18]。土壤中施用生物炭后,紅壤、水稻土對(duì)磷素的吸附無(wú)明顯影響,可能是由于固持在土壤中的磷素被釋放,而施加的生物炭所含的磷素被土壤吸附;潮褐土、潮土在不同比例的生物炭處理?xiàng)l件下對(duì)磷素的吸附作用具有不同的影響,可能是因?yàn)樯锾康拇嬖谀艽龠M(jìn)弱堿性土壤對(duì)磷素的吸附,同時(shí)生物炭的灰分能降低弱堿性土壤對(duì)磷素的吸附能力[19]。綜上所述,不同類型的生物炭對(duì)不同類型土壤中磷素的吸附解吸影響具有較大差異。

    3 生物炭對(duì)土壤酸堿度的影響機(jī)制

    一般而言,土壤磷的有效性受pH值影響,土壤pH值低是有效磷含量不足的重要原因之一,酸性土壤pH值升高或者堿性土壤pH值降低都會(huì)提高土壤磷素的有效性[16]。土壤和生物炭本身的理化性質(zhì)影響了施加生物炭的土壤的pH值,使其pH值升高或降低均有可能[20],進(jìn)而影響土壤中磷素的有效性。大量研究表明,生物炭可以提高酸性土壤的pH值,相反,關(guān)于生物炭降低堿性土壤的pH值則很少有研究證明[21]。武玉研究發(fā)現(xiàn),施加生物炭對(duì)酸性土壤、堿性土壤pH值變化的影響均不明顯[8]。朱盼等認(rèn)為,可能是因?yàn)樯锾砍蕢A性,施入酸性紅壤后有利于提高其pH值而降低酸度[22]。Masulili等推測(cè),由于生物炭灰分中所含的元素如鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)等多呈可溶態(tài),使得酸性土壤的鹽基飽和度提高,從而使得土壤中H+和交換性Al3+的水平降低,土壤pH值升高[23]。高溫裂解產(chǎn)生的生物炭的灰分高,能有效抑制生物炭中的酸性物質(zhì)揮發(fā),使得其pH值更高,施入土壤能提高土壤的pH值[24]。才吉卓瑪研究發(fā)現(xiàn),在生物炭處理?xiàng)l件下,紅壤的pH值增加 0.11~0.74,水稻土的pH值增加 0.43~1.20,但是潮褐土、潮土的pH值變化相對(duì)較小[19]。雷海迪等研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭使得土壤pH值提高了9.4%~127%[25],劉玉學(xué)等同樣發(fā)現(xiàn),向土壤中添加生物炭能使土壤pH值顯著提高,這些研究均表明生物炭可以提高酸性土壤的pH值[26-27]。由于熱裂解溫度越高,產(chǎn)生的生物炭pH值越大,施入酸性土壤對(duì)其改良效果越好[28-29],而酸性土壤中pH值增加,使得吸附在鐵鋁氧化物上的磷素溶解,從而減少了磷素在土壤中的固定[19],所以在改良酸性土壤、提高土壤磷素有效性中,高溫生產(chǎn)的生物炭比低溫生產(chǎn)的生物炭效果更佳。由上述研究結(jié)果可以看出,生物炭能有效解決土壤酸化、鹽基離子損失等問(wèn)題,進(jìn)而在一定程度上提高土壤磷素的有效性。

    4 生物炭對(duì)土壤磷素轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制

    土壤中的磷素主要有無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷2種,水溶態(tài)的無(wú)機(jī)磷可以直接被植物吸收利用,而有機(jī)磷則需要礦化后才能被吸收利用。土壤有機(jī)態(tài)磷主要包括植素類、核酸類、磷酯類和其他有機(jī)磷化合物,如磷酸肌醇、磷脂、核酸、少量的磷蛋白和磷酸糖及微生物態(tài)磷等;土壤無(wú)機(jī)磷主要包括原生含磷礦物、次生無(wú)機(jī)磷酸鹽和磷酸根離子,有礦物態(tài)(磷酸鈣鹽:Ca-P,磷酸鐵鹽:Fe-P,磷酸鋁鹽:Al-P和閉蓄態(tài)磷:O-P)、水溶態(tài)和吸附態(tài)(以H2PO4-和HPO42-為主,PO43-很少)3種形態(tài)[30]。而Hedley等直接將土壤中的磷素分為植物可以利用的磷(H2O或NaHCO3提取態(tài))、鈣結(jié)合態(tài)無(wú)機(jī)磷(HCl提取態(tài))、鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)無(wú)機(jī)磷 (NaOH 提取態(tài))以及不穩(wěn)定和穩(wěn)定的有機(jī)磷[31]。

    研究發(fā)現(xiàn),土壤中磷素主要通過(guò)沉淀和溶解、吸附和解吸、礦化和固定來(lái)轉(zhuǎn)化[21]。土壤磷素的有效性及形態(tài)轉(zhuǎn)化受生物炭的類型、添加量以及土壤類型等的影響,總體來(lái)說(shuō),向土壤中施加生物炭會(huì)不同程度地提高土壤磷素的有效性。由于向土壤中施加生物炭影響土壤中磷素的有效性及形態(tài)轉(zhuǎn)化,而生物炭對(duì)土壤磷素轉(zhuǎn)化影響的原因主要有以下幾點(diǎn):(1)生物炭灰分中的Mg、Ca、P、硫(S)、K在土壤中以鹽基離子的形態(tài)存在,能影響土壤中有效態(tài)磷素的轉(zhuǎn)化;(2)生物炭能提高酸性土壤的pH值,而pH值對(duì)土壤溶液中離子強(qiáng)度、種類有影響,因此決定了土壤固相中的磷素形態(tài);(3)生物炭能夠結(jié)合有效磷含量低的土壤中的Al3+、Fe3+,使土壤中閉蓄態(tài)磷向有效態(tài)磷方向轉(zhuǎn)化[19,32]。才吉卓瑪?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),施用生物炭能促進(jìn)土壤中有效態(tài)磷的轉(zhuǎn)化,使得土壤中閉蓄態(tài)磷(Olsen-P)含量顯著增加,可能是生物炭制備過(guò)程中灰分中含有磷素造成的[19,33]。倪杰強(qiáng)發(fā)現(xiàn),棉花秸稈、玉米穗軸和雞糞生物炭均可提高土壤全磷、有效磷和水溶性磷含量,其中對(duì)水溶性磷含量提高最明顯[21]。金熠向水稻土中施加豬糞生物炭,發(fā)現(xiàn)增施1.5%豬糞生物炭的2種水稻土中,正磷酸鹽、焦磷酸鹽的含量均增加,而磷酸單酯的含量卻降低[1]。

    大量的研究發(fā)現(xiàn),向土壤中施加生物炭對(duì)土壤不同磷素形態(tài)含量的影響與生物炭和土壤種類有很大關(guān)系。Deluca等發(fā)現(xiàn),生物炭加劇了土壤難溶性鈣磷酸鹽(Ca-P)的形成,使得酸性土壤磷素有效性提高,但對(duì)中性或堿性土壤磷素的有效性基本無(wú)影響[32]。在堿性土壤中施加綠肥生物炭使得其有效磷含量顯著增加[34]。Hass等發(fā)現(xiàn),雞糞生物炭施入土壤能夠增加酸性土壤中溶解性PO43-含量[35]。武玉向酸性土壤中施加生物炭表明,培養(yǎng)初期能增加除NaHCO3-Pi外各形態(tài)磷的含量,培養(yǎng)后期生物炭加強(qiáng)了對(duì)H2O-Pi、NaOH-Pi的正激發(fā)效應(yīng),減弱了NaHCO3-Pi的負(fù)激發(fā)效應(yīng),對(duì)NaHCO3-Po的激發(fā)效應(yīng)由正轉(zhuǎn)為負(fù),說(shuō)明施加生物炭促進(jìn)酸性土壤中 H2O-Pi、NaOH-Pi、NaHCO3-Pi的生成,促使NaHCO3-Po轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷;向堿性土壤中施加生物炭,培養(yǎng)初期對(duì)除NaHCO3-Pi、HCl-Pi之外的各形態(tài)磷大致有個(gè)負(fù)激發(fā)作用,培養(yǎng)后期生物炭對(duì)H2O-Pi、NaOH-Po的負(fù)激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正激發(fā)效應(yīng),對(duì)NaHCO3-Po的負(fù)激發(fā)效應(yīng)減弱,對(duì)NaOH-Pi的負(fù)激發(fā)作用增強(qiáng),對(duì)HCl-Pi的正激發(fā)效應(yīng)減弱,說(shuō)明施加生物炭有利于土壤中H2O-Pi、NaOH-Po、NaHCO3-Po的生成,促進(jìn)堿性土壤中的NaOH-Pi、HCl-Pi向其他形態(tài)磷轉(zhuǎn)化[8]。Mukherjee等推測(cè),生物炭可能通過(guò)其中的陽(yáng)離子橋鍵作用來(lái)影響土壤磷素的有效性[36]。此外,生物炭還可通過(guò)吸附一些螯合劑(酚酸、氨基酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物等)間接影響土壤磷素的有效性。除此之外,生物炭既可以作為外源添加物提高土壤有效態(tài)磷素含量,也能夠促進(jìn)酸性土壤中外源磷的有效性[19]。endprint

    5 生物炭對(duì)土壤磷酸酶及微生物的影響機(jī)制

    土壤中許多微生物包括細(xì)菌、真菌和放線菌等,這些具有解磷能力的微生物能夠通過(guò)產(chǎn)生質(zhì)子和有機(jī)酸溶解土壤不溶態(tài)無(wú)機(jī)磷,或通過(guò)分泌磷酸酶水解有機(jī)磷,將土壤中的難溶態(tài)磷轉(zhuǎn)化為有效態(tài)磷,向土壤中施加生物炭可以通過(guò)影響微生物多樣性和活性從而改變質(zhì)子和有機(jī)酸的分泌,擾動(dòng)土壤磷酸酶活性等,從而影響土壤磷素的轉(zhuǎn)化。土壤磷酸酶是一種適應(yīng)性酶,是土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo),主要作用是催化土壤中有機(jī)磷的礦化,其活性因土壤理化性質(zhì)的不同而不同,而生物炭在很大程度上能改善土壤理化性質(zhì)。目前普遍認(rèn)為,植物根際區(qū)微生物及土壤原生動(dòng)物主要分泌酸性磷酸單酯酶;而土壤細(xì)菌、真菌及其他區(qū)系微生物只分泌堿性磷酸單酯酶[37]。才吉卓瑪研究發(fā)現(xiàn),生物炭能抑制紅壤、水稻土、潮褐土和潮土的土壤磷酸酶活性,特別是對(duì)南方酸性土壤中磷酸酶活性的抑制作用較明顯,可能與其施用過(guò)程中帶入土壤中的灰分有關(guān),當(dāng)與外源磷配施時(shí)抑制作用降低[19]。金熠等研究表明,增施豬糞生物炭對(duì)水稻土壤的酸性磷酸單酯酶活性有抑制作用,同時(shí)也能改變堿性磷酸單酯酶活性[1]。Zhang等發(fā)現(xiàn),增施生物炭可提高土壤酸性磷酸酶活性[38]。由于pH值對(duì)土壤磷酸酶活性有很大影響[39],而將生物炭施入土壤后導(dǎo)致土壤pH值升高,從而改變土壤磷酸酶活性[40]。

    生物炭能有效促進(jìn)土壤微生物對(duì)土壤磷素的溶解、礦化以及固持作用,從而提高土壤有效態(tài)磷的含量[41]。向土壤中施加生物炭對(duì)微生物生存環(huán)境有影響,生物炭中的孔隙為土壤微生物提供充足的棲息場(chǎng)所,進(jìn)而使得微生物數(shù)量及活性增加[42]。生物炭的吸附特性能將細(xì)菌吸附到其表面,使細(xì)菌避免受到土壤淋洗的影響[43]。除此之外,生物炭還能為微生物提供其所需要的養(yǎng)分[44]。因此,向土壤中施加生物炭能增加土壤微生物活性,使土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物的磷脂脂肪酸(PLFA)含量增加[45],改變微生物種群結(jié)構(gòu)。金熠研究發(fā)現(xiàn),向水稻田土壤中增施1.5%豬糞生物炭顯著改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu),增加了土壤微生物群落的復(fù)雜程度,水稻田中細(xì)菌、真菌的磷脂脂肪酸含量以及革蘭氏陰性菌、好氧細(xì)菌的含量均增加,可能與增施生物炭會(huì)增加土壤孔隙度從而提高土壤富氧能力有關(guān)[1]。有研究表明,生物炭對(duì)不同微生物群的影響不同,玉米稈生物炭使得土壤中的微生物群落減少[46]。雷海迪等研究發(fā)現(xiàn),添加杉木凋落物生物炭使得土壤中革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加,而革蘭氏陰性細(xì)菌數(shù)量減少[25]。

    綜上所述,生物炭通過(guò)影響土壤磷酸酶活性以及微生物的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響土壤中磷素的有效性,對(duì)磷素循環(huán)具有重要作用,因此,生物炭在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)方面具有良好的應(yīng)用前景。

    6 展望

    近年來(lái),生物炭成為農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。向土壤中施加的生物炭能通過(guò)對(duì)自身有機(jī)磷的礦化作用來(lái)提高土壤磷素的有效性,促進(jìn)土壤中的難溶態(tài)磷轉(zhuǎn)化成植物可利用的可溶態(tài)磷,提高植物對(duì)土壤磷素的吸收利用效率。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞生物炭本身的特性、改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)土壤磷素的有效性、提高作物產(chǎn)量、減少環(huán)境污染、減輕溫室效應(yīng)等方面開展了研究工作,并取得了一些進(jìn)展,豐富了在該領(lǐng)域的研究。但是,今后在很多方面還需要進(jìn)行更加廣泛和深入研究,例如,關(guān)于生物炭對(duì)土壤磷素有效性和流失風(fēng)險(xiǎn)的影響和作用機(jī)制缺乏全面系統(tǒng)的理論體系,生物炭對(duì)外源磷在不同類型土壤中磷素有效性和流失風(fēng)險(xiǎn)的影響研究不夠深入。同時(shí),雖然大多數(shù)研究證明生物炭在土壤改良、增加土壤磷素有效性、提高植物對(duì)土壤磷素的利用率方面有積極作用,但是由于生物炭在土壤中的殘留時(shí)間較長(zhǎng),關(guān)于生物炭對(duì)生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期影響研究不足,理論體系不夠完善,今后應(yīng)更多地研究施加生物炭對(duì)土壤中磷素循環(huán)的長(zhǎng)期影響,同時(shí)需要對(duì)以上多個(gè)方面進(jìn)行深入研究和詳盡的探討。

    由于生物炭自身的特性、土壤理化性質(zhì)以及各種環(huán)境因素和人為因素的不同,向土壤中施加生物炭,使得生物炭對(duì)土壤中磷素產(chǎn)生影響過(guò)程十分復(fù)雜。目前主要是在酸性土壤上進(jìn)行生物炭對(duì)土壤磷素有效性方面的研究,而對(duì)堿性土壤的研究報(bào)道很少,研究結(jié)果也不一致,缺少大規(guī)模試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)支撐,亟待加強(qiáng)生物炭對(duì)不同類型土壤中磷素有效性及形態(tài)轉(zhuǎn)化作用機(jī)制方面的理論和技術(shù)研究。

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