生物炭对土壤氮磷转化和流失的影响

2020-02-11吕慧捷孙红艳周鸿淼付国胜

江西农业 2020年17期

吕慧捷孙红艳周鸿淼付国胜

（1. 新疆巴音郭楞职业技术学院，新疆库尔勒 841000；2. 浙江大学宁波理工学院，浙江宁波 315100； 3. 新疆恒辉君扬生物科技有限公司，新疆库尔勒 841000）

生物炭具有特殊的理化性质与材料结构，对土壤中的氮磷含量具有一定影响。生物炭不仅可以增强农作物对土壤当中氮磷养分的吸收，促进作物产量提高，而且还能改善土壤的理化性质，降低土壤中氮磷养分的损失，从而使肥料效益得到有效改善。因此，生物炭对氮磷形态转化、氮磷流失减少都有着重要影响，对土壤环境的污染治理及其持续性发展有着重要影响。

1 生物炭对土壤氮、磷的吸附作用

1.1 生物炭的吸附机制生物炭具备的特殊物理与化学性质使其成为高效且优质的吸附材料。生物炭其疏松多孔的结构有着显著的吸附力，尤其是吸附阳离子，比如铅、铜、镉等。生物炭通常含有多种的化学官能团，可以和阴阳离子产生配位作用。土壤中，生物炭的吸附过程通常包含多种机理，如分配作用、联合作用、表面吸附等[1]。表面吸附通常是指被吸附表面和吸附物质间以分子之间的引力或者化学键形成的一种吸附过程，其属于生物炭对土壤中硝氮、氨氮、磷进行吸附的主要机理。土壤的理化性质、吸附环境条件、有机物的含量都会对生物炭的吸附作用产生影响。另外，除了表面吸附与分配作用外，生物炭在吸附中还存在相应的微吸附机理，对吸附的全过程也可造成影响，例如孔隙作用。

1.2 生物炭增强土壤氮、磷吸附效率农业中非点源污染主要原因是土壤中的氮、磷等养分出现无效迁移与转化。生物炭中的小孔结构与特殊表面特征促使其对吸附的养分离子具有主导作用，孔径分布与孔隙度会促使养分的渗滤模式发生改变，使土壤中的养分含量与停留时间增加。另外，生物炭表面有丰富含氧基团，其具有较高的吸附交换能力，且吸附的容量相对较大，可以对土壤中的硝态氮、可溶性磷、可溶性氮、铵态氮等进行吸附，从而使氮、磷的养分流失有效减少。由此可知，土壤中添加适量的生物炭，能够有效促进氮磷的吸附与吸收[2]。同时，土壤中添加生物炭也可对过量的氮、磷等养分进行吸附，使过量的养分在土壤中缓慢释放，从而使养分流失程度有效减少。

2 生物炭对土壤中氮、磷转化的影响

2.1 生物炭对土壤中氮转化的影响生物炭能够有效改变土壤理化性质。生物炭的高孔隙度特征会使土壤中微生物新陈代谢作用受到影响，氮素在土壤中循环周转涉及的反硝化细菌、固氮菌、硝化细菌等的活性、多样性、丰度也会受到影响。微生物种群的变化通常与氮素矿化过程、固氮作用、硝化与反硝化、氨挥发等和土壤氮循环相关微生物的活动有直接关系。土壤氮素矿化过程、土壤对NH4+的吸收与固定、硝化与反硝化的过程都属于土壤氮素转化的主要途径，这些过程与作物对氮素的利用与吸收及氮在土壤中的损失密切相关[3]。将生物炭施加到草地或者农田中，对土壤中的有机氮矿化会产生负作用，从而影响土壤氮素对植物的有效性。在土壤中增添不同量的秸秆生物炭后，以氯仿熏蒸的方法测定土壤及生物炭中的微生物量，同时对土壤氨的挥发全过程进行监测发现，生物炭施加到稻田中，微生物产生的作用占42% 左右，非微生物的作用占59% 左右。同时，生物炭可提高潜在的硝化速率。

2.2 生物炭对土壤中磷转化的影响磷在土壤中的转化通常包含吸收吸附和沉淀溶解两种。其中，有机磷矿化与无机磷固定等均属于相对特殊的一种化学过程。该过程中，受非生物与生物相关因素的作用，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，对土壤磷的转化产生重要影响[4]。生物炭属于木质组织，其在炭化过程中通常会释放较多磷酸盐，因此生物炭添加到土壤中后，生物炭中含有的磷酸盐便会成为土壤中磷的重要来源。同时，受到生物炭制备条件以及原料类型不同的影响，各种生物质材料所制成的生物炭实际含磷量存有较大差异，因此不同生物炭对土壤磷含量的影响不同。

3 生物炭对土壤中氮、磷流失的影响

水分是土壤养分的重要载体。强化田间的水分管理，通常对土壤氮、磷流失控制有着重要作用。在农田中，通过生物炭增加团聚体稳定性、土壤持水量、作物对土壤有效水分利用等，都对土壤当中氮、磷的流失产生了重要影响。

3.1 减少田面水氮磷的流失水稻季完成施肥之后，部分营养物质会根据水动力流到田面水当中，田面水当中的氮、磷浓度提高，易导致非点源污染物输出负荷增加。根据该污染问题，最好的解决方法就是更改农业生产中的施肥类型与配施方法[5]。通过适量添加生物炭，能够削减田面水中的氮、磷流失。利用生物炭进行田间施肥不仅可以使田面水当中的养分流失降低，而且还能对农田生态质量进行保护，通常也会产生良好的经济效益。

3.2 减少养分流失

3.2.1 减少土壤中氮流失氮淋溶不仅是氮损失的一种主要途径，而且还是地下水出现硝态氮污染的重要原因。不同理化性质的生物炭对土壤中氮流失的作用也不同，温度达到550℃的生物炭，其降低氮流失的效果明显比550℃以下所制成生物炭的效果好，特别是对总氮、有机氮、硝态氮流失的减少作用更加明显。土壤中添加生物炭会使土壤颗粒孔隙度增大，通过对土壤中氮的固定，减少土壤氮的流失。

3.2.2 减少土壤中磷流失农田施加生物炭通常对土壤的磷流失具有相应的影响。通常认为，温度较高的生物炭能够使土壤磷的流失有效减少。通过对生物炭和土壤中磷流失的关系进行探究发现，生物炭能够使磷流失有效降低，主要是因为生物炭能够促进阴离子的交换能力，并对磷和阳离子之间的互相作用造成影响，从而使土壤中磷活性增加，实现磷流失降低。