生物炭對(duì)土壤磷素有效性的影響研究進(jìn)展

朱曉蕓 謝文靜 包蔚 余海芬 何鍇 吳真善 王絡(luò)繹 黃明皓

（1 上海市嘉定區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，上海 201800；2上海市金山區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，上海 201599）

磷素能為植物細(xì)胞分裂提供能量，既是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的一種重要元素，又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保障。磷素缺失會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)一系列生長(zhǎng)發(fā)育問(wèn)題和生產(chǎn)問(wèn)題，如植物器官發(fā)育不良、植物無(wú)效分蘗增多、幼苗休眠甚至植株死亡等[1]。作物生長(zhǎng)所需的磷素大多來(lái)源于土壤和施入的磷肥。其中，土壤中的大部分磷素是以無(wú)效形態(tài)存在，可供植物利用的游離磷濃度平均為1 μmol/L 或更低，故施用磷肥是提升土壤有效磷含量的重要措施，但是，作物對(duì)磷肥的當(dāng)季利用率較低，為10%～25%，且過(guò)量施入磷肥會(huì)加重農(nóng)田磷素徑流和淋溶損失，容易造成農(nóng)業(yè)面源污染。因此，探索應(yīng)用合理的磷肥管理措施，保障土壤磷素對(duì)作物生長(zhǎng)的供應(yīng)，從而提升磷肥利用率、作物產(chǎn)量、避免生態(tài)污染，就顯得至關(guān)重要。

生物炭是生物質(zhì)在限制供氧條件下，經(jīng)300～700℃熱解炭化加工而成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物，與之相伴的副產(chǎn)物是熱解過(guò)程中釋放的合成氣和生物質(zhì)液。生物炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和大量的表面官能團(tuán)，對(duì)礦物質(zhì)元素的吸附能力優(yōu)異，是一種優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以不同程度地參與到土壤生態(tài)系統(tǒng)的磷素循環(huán)當(dāng)中，并對(duì)土壤磷素物質(zhì)轉(zhuǎn)化及土壤磷素活化有著重要影響，同時(shí)能進(jìn)一步增加土壤有效磷供給。為探明生物炭對(duì)土壤磷素有效性的影響，筆者擬對(duì)土壤磷素的形態(tài)和有效性以及生物炭的磷素特性進(jìn)行分析，并對(duì)生物炭影響土壤磷素有效性的途徑進(jìn)行探討，以期為施用生物炭活化農(nóng)田土壤磷素提供相關(guān)理論指導(dǎo)，從而解決當(dāng)下土壤速效磷含量較低的問(wèn)題。

1 土壤磷素的形態(tài)和有效性

土壤中的磷素是作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的一種重要營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為重要的營(yíng)養(yǎng)限制因子，其含量受土壤母質(zhì)、天氣、生態(tài)環(huán)境等一系列要素的影響。土壤磷素可以分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷兩種形態(tài)。無(wú)機(jī)磷是耕地土壤中數(shù)量占比最豐富的一種磷素形態(tài)，約占土壤總磷量的60%～80%，主要包括土壤中殘存的各種原生含磷礦物質(zhì)、次生的無(wú)機(jī)磷鹽及磷酸根離子。在土壤磷庫(kù)中，可以被植物吸收的磷組分被稱為土壤有效磷，主要包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷和有機(jī)磷，其中，有機(jī)磷主要構(gòu)成有植素類、核酸類及磷脂類，且主要以、、H2PO4-等形式被植物吸收。有機(jī)磷作為土壤磷庫(kù)中重要的組成部分，在土壤中的含量變幅較大，占土壤總磷量的25%～56%。土壤有效磷含量通常能反映土壤的供磷能力。

2 生物炭的磷素特性

研究表明，生物炭的理化性質(zhì)、pH、養(yǎng)分含量、表面官能團(tuán)數(shù)量等都會(huì)不同程度地影響土壤磷素循環(huán)轉(zhuǎn)化，其中，生物炭原料和熱解溫度是影響生物炭磷素特性的主要因素。

2.1 生物炭原材料

生物炭的原材料是影響生物炭理化性質(zhì)的先決條件。生物炭原材料的來(lái)源相對(duì)廣泛，除了秸稈、木料等之外，污泥和禽畜糞便等也是生物炭原材料的重要來(lái)源，但是，不同原材料制備的生物炭的磷素特性具有較大差異。例如，核桃木、竹子、甘蔗渣3種原材料在350 ℃條件下制備的生物炭，其全磷含量分別為0.02%、0.07%、0.36%[2]。另外，不同于秸稈和木料，將家禽糞便制備成生物炭，雖然會(huì)提高全磷含量，但是會(huì)降低磷的有效性[3]，究其原因是，畜禽糞便中高含量的Ca2+和Mg2+等離子會(huì)將磷轉(zhuǎn)化成不溶性的鈣磷酸鹽和鎂磷酸鹽。除了秸稈及農(nóng)業(yè)廢棄物之外，近年來(lái)由污泥為原料制備的生物炭越來(lái)越多地用于土壤改良，但是，污泥生物炭的元素組成差異較大，相比于秸稈類生物炭，污泥生物炭的磷素含量和其他灰分含量相對(duì)較高。

2.2 熱解溫度

在生物炭熱解過(guò)程中，C、H、O 和N 元素會(huì)形成揮發(fā)性氣體以及有機(jī)液體，而磷素和金屬元素幾乎可以完全被保留下來(lái)，且熱解過(guò)程會(huì)促使有機(jī)磷化學(xué)鍵斷裂，磷素的有效性會(huì)提高，故熱解溫度是影響生物炭中磷素特性的另一個(gè)重要因素。通常，隨著生物炭熱解溫度的增加，生物炭的比表面積、pH均會(huì)增加，陽(yáng)離子交換量及可提取態(tài)磷含量會(huì)降低，提高生物炭的化學(xué)穩(wěn)定性。就磷素來(lái)講，熱解溫度的增加，會(huì)導(dǎo)致生物炭全磷含量增大，提取態(tài)磷含量降低，故生物質(zhì)在較高溫度下熱解磷會(huì)與Al3+、Ca2+、Mg2+等金屬陽(yáng)離子形成難溶性的磷酸鹽，這表明采用較低溫度制備的生物炭更有利于磷素自身有效性的提高。與秸稈類生物炭不同，污泥生物炭的堿金屬元素總量和可提取態(tài)金屬的含量均會(huì)隨熱解溫度的升高而增加。

3 生物炭對(duì)土壤磷素有效性的影響

3.1 生物炭調(diào)節(jié)土壤pH，從而影響土壤磷素有效性

研究表明，土壤pH的變化會(huì)導(dǎo)致土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而影響土壤磷素的沉淀和溶解，故土壤pH是影響土壤磷素有效性的重要因素。在較低土壤pH的環(huán)境下，磷素易與Al3+、Fe3+、Fe2+結(jié)合沉淀，降低其溶解性；在土壤pH 較高的環(huán)境下，磷素易與Ca2+結(jié)合生成難溶性鈣鹽；當(dāng)土壤pH 接近中性時(shí)，磷酸鹽的固定作用較弱。因此，土壤pH較大幅度的變化會(huì)對(duì)土壤磷素有效性造成極大影響，故生物炭通?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)土壤pH 來(lái)影響土壤磷素有效性。袁訪等[4]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭通過(guò)提升土壤pH和電導(dǎo)率能間接影響土壤蔗糖酶活性、過(guò)氧化氫酶活性和磷酸酶活性，從而影響土壤有效磷含量。生物炭自身的pH 一般呈堿性，但是，因制備原材料和熱解溫度的不同，也有制得的生物炭pH呈酸性的報(bào)道。例如，以樺木為原材料制備的生物炭，在475 ℃下熱解，其pH 為7.5；在300 ℃下熱解，其pH 為5.1。高靜等[5]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能顯著提高土壤pH，相比不施生物炭的處理，施用生物炭處理的土壤pH平均增幅為8.70%，且以秸稈類生物炭的土壤pH 的提升效果為最佳[5]。但是，就目前研究結(jié)果來(lái)看，生物炭對(duì)土壤pH 的調(diào)節(jié)效果并不完全統(tǒng)一，究其原因，可能是受生物炭本身和堿性土壤自身性質(zhì)差異的影響。例如：張琪[6]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭不會(huì)對(duì)土壤pH 造成影響，但是能顯著增加土壤有效磷含量；張明發(fā)等[7]研究發(fā)現(xiàn)，添加秸稈生物炭可以提高土壤pH；張瑞[8]指出，施用生物炭能顯著增加0～40 cm土壤表面的pH，且當(dāng)土壤pH 提升至5.19 時(shí)，土壤有效磷含量的提升幅度高達(dá)46.9%。

3.2 生物炭對(duì)土壤磷素的吸附和解吸的影響

研究表明，增加生物炭可有效增加土壤中的有效磷供給，其原因是除了生物炭自身具有較高的磷素外，生物炭還可以吸附和解吸土壤中的磷素和金屬中的絡(luò)合物，從而提高土壤磷素的生物轉(zhuǎn)化。但是，目前針對(duì)生物炭是否能吸附磷素的結(jié)論并不統(tǒng)一，這可能是因?yàn)樯锾康脑牧虾蜔峤鉁囟炔煌?，?dǎo)致不同生物炭的吸附能力有差異。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的熱解溫度（300～350 ℃）下制備的生物炭，不具備磷素吸附能力，而在高熱解溫度（600 ℃）下制備的生物炭，具有較強(qiáng)的磷素吸附能力[9]。同時(shí)，生物炭對(duì)磷素的吸附是一種物理吸附作用，在施磷量高的土壤中，這種吸附作用可以減少磷素的淋溶損失，但是，在土壤缺磷時(shí)，磷素會(huì)解吸再度釋放出來(lái)。此外，生物炭施入土壤后，會(huì)影響土壤對(duì)磷素的吸附和解吸，具體效應(yīng)因生物炭的類型和土壤類型有所差異。通常來(lái)講，生物炭影響土壤有效磷的途徑有兩種：（1）生物炭與土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等離子螯合成有機(jī)酸、氨基酸及酚類有機(jī)小分子，并通過(guò)這類螯合物的吸附作用，降低土壤對(duì)磷素的吸附。（2）由于生物炭自身的理化特性，如pH、陽(yáng)離子交換量及灰分含量等，均會(huì)對(duì)土壤的保水保肥能力造成影響，從而調(diào)節(jié)土壤對(duì)磷素的吸附和解吸。其中，生物炭所富含的Ca2+、Mg2+等離子可能會(huì)和土壤中的磷素發(fā)生共沉淀反應(yīng)，進(jìn)一步增加土壤對(duì)磷素的吸附，從而降低土壤磷素的有效性。

3.3 生物炭對(duì)土壤微生物及磷酸酶活性的影響

生物炭表面豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可為微生物提供適宜的生存環(huán)境，使微生物免受土壤淋洗的影響，且生物炭攜帶的不穩(wěn)定碳組分和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可為微生物提供碳源和充足的養(yǎng)分，故土壤施入生物炭會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖和活性增加。同時(shí)，不少研究證明，生物炭施入土壤后，不僅會(huì)提高土壤微生物的生物量，還會(huì)促進(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)的改變[10-11]。此外，解磷微生物一方面可將植物難以吸收利用的磷素轉(zhuǎn)化為土壤可吸收的磷素，另一方面可通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸增加對(duì)土壤中無(wú)機(jī)磷的溶解，且可通過(guò)分泌磷酸酶，促進(jìn)有機(jī)磷的礦化，從而進(jìn)一步活化土壤中的磷素。例如：賈凱雪等[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可有效增加解磷微生物的生物量，土壤施入生物炭后會(huì)促進(jìn)植物對(duì)土壤磷的吸收，加速土壤磷素的循環(huán)轉(zhuǎn)化。

生物炭會(huì)通過(guò)影響土壤磷酸酶的活性(提升堿性磷酸酶活性，降低酸性土壤酶活性)，來(lái)影響土壤有機(jī)磷的礦化分解，最終影響土壤有效磷供給。例如：楊文娜等[13]研究發(fā)現(xiàn)，化肥和有機(jī)肥配施生物炭，可增加植株根際土壤的堿性磷酸酶活性，這可能是因?yàn)樯锾客ㄟ^(guò)影響土壤pH 改變了土壤磷酸酶的活性。此外，曹殿云[14]在對(duì)生物炭調(diào)控土壤轉(zhuǎn)移的研究中發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可提高玉米根際土壤中植酸酶、中性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，但是降低了焦磷酸酶和酸性磷酸酶的活性；在非根際土壤中施用生物炭，則增加了植酸酶和堿性磷酸酶的活性，降低了焦磷酸酶、磷酸二酯酶、酸性磷酸酶的活性。

4 結(jié)論與展望

生物炭應(yīng)用于農(nóng)田土壤，可以有效提高土壤磷素的有效性，故土壤施用生物炭是解決當(dāng)下土壤速效磷含量偏低、維持土壤地力的有效途徑。生物炭可以通過(guò)調(diào)節(jié)土壤pH、減少土壤對(duì)磷素的吸附和解析、促進(jìn)土壤有機(jī)磷的礦化、影響土壤微生物及磷酸酶活性等多種途徑，改善土壤磷素的有效性。

值得注意的是，關(guān)于生物炭對(duì)土壤磷素有效性的影響仍有很多值得深入探究的內(nèi)容。例如：（1）探索生物炭與磷肥配施的減磷效應(yīng)。在生物炭與磷肥配施的情況下，較高的生物炭施用量在為土壤帶入較多的外源磷的同時(shí)，可以顯著提高土壤有效磷含量，故探索生物炭和磷肥施用之間的協(xié)同增效作用及機(jī)制，可為避免過(guò)度施用磷肥提供技術(shù)支撐。（2）探索生物炭老化對(duì)土壤磷素循環(huán)轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)期效應(yīng)。生物炭作為一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物質(zhì)，會(huì)在土壤中留存較長(zhǎng)的時(shí)間，而目前關(guān)于生物炭的研究多集中于短期效應(yīng)，對(duì)其老化之后的長(zhǎng)期效應(yīng)還有待進(jìn)一步評(píng)估。