添加生物炭对土壤磷素有效性影响研究进展

马 珍，黄凯文，张珍明，苫君月，姜 鑫，黄先飞*

(1.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001；2.贵州省生物研究所，贵阳 550008)

磷是维持生命体生长和代谢的重要营养元素，其含量及供给能力直接影响植株生产水平。土壤全磷含量一般为100~3 000 mg·kg-1，是土壤养分主要限制因子[1]。有效磷是影响磷生物可利用性的主要因素[2]，其含量通常较低，当季利用率仅10%~25%。土壤磷素主要源于磷肥施用，大量施磷造成土壤磷素过度累积，累积的磷素称为土壤遗留磷（Legacy phosphorus）[3-4]。我国磷矿资源储量相对匮乏，仅占全球5%。与此同时，土壤磷素形态复杂，一般通过无机磷解吸和溶解、有机磷酶解及微生物生物量磷矿化等一系列生物化学过程转化为溶液磷才可被植物吸收利用。土壤磷素利用率低且累积严重，造成磷资源浪费，威胁粮食生产和环境安全。因此，提高土壤磷素生物有效性，是解决我国磷资源危机、实现绿色生态和资源可持续利用关键。

生物炭是生物有机质在无氧或缺氧条件下通过热解反应形成的富碳产物，具有多孔、比表面积高、溶解难、稳定性强、芳香化程度高、生产成本低廉和易存储等特点。生物炭是一种可再生资源，广泛用于改良土壤和提高土壤养分，在土壤中施加生物炭改良剂有助于植株生长、增加作物产量、提高磷肥利用率及改良土壤质量。生物炭绝大多数研究和应用基于以下原材料：稻草、小麦秸秆、甘蔗渣、玉米秸秆、核桃壳、开心果壳、草、废弃木材、城市污水污泥、藻类废弃物和粪便等。生物炭施用可增加土壤有效磷含量和磷素利用率。周慧华等研究生物炭输入到4种不同土地利用类型中（林地、草地、耕地和荒地），土壤有效磷含量分别增加40.0%、50.2%、34.0%和43.6%[5]。王秋君等研究发现，连续施用生物炭显著增加NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、Fe/Al-Pi和Ca-Pi含量[6]。

生物炭不仅含有大量磷，且是一种已被证实的长效缓释磷资源，可持续向土壤中补充磷。从短期看，生物炭释放的磷主要是水溶性磷，以无机正磷酸盐（HPO42-）和焦磷酸盐（HP2O73-、P2O74-）形式存在[7]，保留在生物炭中的NaHCO3-P、NaOH-P和HCl可提取磷是中长期磷源。不同原料和生物炭中磷释放速度不同，如粪便释放的磷为快速解吸，而粪便生物炭释放的磷缓慢且稳定。一般来说，其他材料中释放磷的速度比生物炭中释放磷的速度快。例如，有机肥+化肥处理与生物炭+有机肥+化肥处理研究发现，在浸提时间超过4 h后磷含量差异显著，20 h后有机肥+化肥处理达到80 mg·kg-1，而生物炭+有机肥+化肥处理仅30 mg·kg-1，并以相对缓慢且恒定速率释放[6]。利用生物炭自身物理特性和长效释缓机制，提高土壤磷有效性，不仅高效、环保，且与土壤环境亲和，是解决土壤磷素利用效率低的有效途径之一。文章从施加生物炭提高土壤磷素利用率展开综述，探讨生物炭对土壤磷素化学与生物影响机理，为解决生物炭改良剂对磷在农业上引起经济、环境、资源可持续发展问题提供理论参考。

1 生物炭提高土壤磷有效性的影响因素

生物炭作为改良剂可提高土壤磷含量、利用率和磷酸盐可用性。决定生物炭中土壤磷有效性因素包括原材料类型、热解温度和添加量等。

1.1 生物炭原材料

刘玉学等研究发现，水稻秸秆经炭化形成生物炭添加至土壤后，磷含量显著升高，为原水稻秸秆10倍[8]。原因可能是生物质炭化过程中，可溶性磷酸盐释放残留在生物炭中，成为土壤磷源。生物炭原材料不同，其改良效果不同，玉米芯生物炭比稻壳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极酸性土吸磷能力分别降低33.7%和36.8%，稻壳生物炭则降低29.4%和34.8%，用玉米芯生物炭改良土壤后，土壤对磷吸附相对较低，是因为玉米芯生物炭中铝和铁含量较低，而磷含量较高[9]。与其他类型生物炭相比，动物粪便和污水污泥生物炭具有更高水溶性磷含量，且在施用到土壤后释放更多磷。农作物秸秆和家禽粪便中磷主要以有机磷（如磷脂和植酸）为主，植物难以利用。

1.2 热解温度和施加量

生物炭热解温度和施加量影响原材料中碳挥发和磷保存。在低温（<200℃）热解过程中，植物和粪便中部分有机磷转化为无机磷，在500℃时有机磷完全转化为无机磷，这是温度升高时原材料中碳挥发和O-P键断裂的结果[10]。制备温度更高，生物炭倾向于产生更多HCl可提取磷，生成的磷较为稳定，不因水土流失而释放到土壤中[11-12]。此外，周丽丽等研究不同秸秆生物炭施加量2%、4%和6%，发现有效磷含量随生物炭施入量增加而依次增加，土壤中有效磷含量均值分别较对照增加10.9%、15.66%和19.62%。有效磷含量增加可能是因生物炭增强土壤团聚体稳定性，减少有机质释放，从而提高土壤磷素固持能力，减少磷素淋溶及损失[13]。

研究表明，随生物炭热解温度和施加量增加，土壤对磷吸附量降低，总磷含量增加。郎印海等用柚子皮制备生物炭，生物炭施加量和热解温度增加，土壤对磷吸附降低，吸附平衡时添加1%、2%和5%生物炭（BC300），土壤对磷吸附量与CK相比分别减少2.06%、3.12%和4.53%；而BC600处理下土壤对磷吸附量与CK相比分别减少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离子对磷的吸附；②施加生物炭有机质和有机酸含量增加，促进磷活化；③柚子皮与土壤磷相互作用，改变磷有效性和微生物活性。张朴等研究水稻秸秆生物炭热解温度和添加量对土壤磷吸附的影响，也得出类似结果，达到吸附平衡时添加2%、4%和8%生物质炭，土壤对磷吸附量与CK相比分别减少1.45%、2.17%和2.54%。生物炭添加量增加，土壤对磷的吸附减少，可能是水稻秸秆含有无机磷，磷吸附减少，有效性增加[15]。吸附量随热解温度呈相反结果，热解温度为600℃生物质炭土壤磷吸附量比添加450℃生物质炭显著增加4.43%，温度可提高碳化程度，增大比表面积。

1.3 其他因素

除上述因素外，其他因素对生物炭中磷的释放也有显著影响。例如，水与生物炭比例越大，生物炭释放磷越多。当生物炭与水比率从1/50降低到1/500时，磷释放量增加2.8倍[16]。同时，土壤中磷浓度越高，生物炭释放的磷越少，因为在这种条件下，生物炭吸附土壤磷而不是释放磷。此外，共存阴离子（Cl-、NO3-和SO42-）引入溶液时，溶液离子强度显著增加（从0.003 mol·L-1增至0.1/0.3 mol·L-1），共存阴离子占据生物炭表面阳离子桥和活性点位，降低磷酸盐再吸附，促进磷释放[17]。可见，利用生物炭提高土壤磷素有效性，易获得且具有广阔应用前景，未来应多关注生物炭改良剂对土壤磷可得性、降解途径及改良机理。

2 生物炭对土壤磷素有效性的影响

生物炭降低土壤对磷的吸附，使有机质含量增加，促进植物根系分泌有机酸，提升磷活化效果，同时提高碳化程度，增加比表面积，改变微生物磷酸酶活性[18-19]，增强土壤团聚体稳定性[13,20]和磷素固持能力，减少有机质释放和减少磷淋溶等作用。添加生物炭后，土壤pH、微生物活性和磷淋失将发生相应改变。

2.1 生物炭通过改变土壤pH影响土壤磷有效性

生物炭含有丰富阳离子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、氯化物和碳酸盐，多呈碱性，可改善土壤酸碱度。土壤pH可调节土壤中固磷矿物吸附特性和溶解度。木质素生物炭增加土壤缓冲能力，稳定pH[21]。添加生物炭后pH升高，土壤中磷矿物和金属离子络合作用发生改变，改变磷溶解性和有效性。在富含铁/铝氧化物的酸性土壤中，pH增加可导致磷与土壤矿物相互作用减少，形成矿物-有机质复合体，磷吸附能力降低[9]。因此，在施用生物炭后短期内，土壤中溶解态磷含量可能随土壤pH增加而增加。Ghodszad等研究发现，在添加生物炭后，酸性土壤（pH 4.6和6.0）中pH增加，土壤对磷吸附减少，解吸增加[22]。相比之下，在极碱性土壤中施用生物炭对pH无显著变化或影响极少[23]。Glaser等研究表明，施用生物炭显著提高酸性土壤（pH<6.5）和中性土壤（pH 6.5~7.5）中磷有效性，分别提高5.1和2.4倍，在碱性土壤（pH>7.5）中未检测到显著反应[24]。

决定生物炭pH主要因素为原材料和热解温度。例如，利用草本和木本植物制备生物炭，在高温热解过程中酸性官能团（羧基、酚羟基）分解和有机酸挥发，保留无机矿物和碱性成分（硝酸盐、碳酸盐、氢氧化物）[25]。此外，热解温度从400~600℃，不同表面官能团如酚类、表面羧基、内酯和总酸性官能团浓度降低，导致总酸性官能团减少，而热解产生较多挥发性物质和含碳气体，灰分含量和芳香结构增加，pH增加[26]。可见，生物炭对酸性土壤pH有明显改良作用。

2.2 生物炭通过微生物因素影响土壤磷素有效性

目前，关于生物炭对土壤微生物影响综述较少。土壤微生物作为土壤中的活生物体，对环境变化十分敏感，可较早指示生态系统功能变化，为土壤性质研究提供可靠依据[25]。生物炭对土壤理化性质改变直接或间接影响土壤微生物活性[27]。生物炭高度芳香烃结构和表面性质易成为土壤微生物（如藻类、细菌、真菌和土壤动物）栖息地，为土壤微生物生长提供场所和养分[28-29]。

2.2.1 生物炭影响土壤磷代谢

生物炭通过增加溶磷微生物（PSMs）生物量促进土壤磷有效性。PSMs可促进土壤中广泛存在的不溶性磷和有机磷释放有效磷[30]，对土壤磷代谢产生积极影响，极大促进植物对磷的利用。添加生物炭可增加PSMs数量，提高磷有效性或保持力[11]。盆栽试验表明，秸秆生物炭4周显著提高无机PSMs数量和存活率，导致根际土壤有效磷含量增加10倍以上，是微生物存活良好载体[29]。微生物数量增加可归因于生物炭多孔结构，为微生物生存提供适宜条件。此外，生物炭高比表面积可有效储存水分，有利于微生物发育和存活。生物炭还可为PSMs提供充足养分，增加其生物量并加强磷循环[29]。生物炭增加微生物数量和活性，增强植物从生物炭或土壤中吸收磷的能力，影响土壤磷代谢。在添加生物炭和堆肥后果园土壤中发现，Epolea类线虫分别增加14%和25%，原天牛和弹尾目节肢动物分别比对照提高421%和346%，而千叶虫在堆肥处理中最为丰富，约占堆肥改良土壤中后生动物总数10%。细菌、真菌和真核生物数量增加，可产生更多碱性磷酸酶，促进根系生长和磷吸收[31]。也有研究发现，松木屑生物炭增加丛枝菌根真菌（AMF）数量和菌丝功能，增加磷的可得性和植物对磷的吸收[32]。

生物炭可提高土壤磷酸酶（ALP）含量和活性。土壤酶主要来源于动物、植物根系和土壤微生物细胞分泌物[33]。研究表明，生物炭对磷酸酶活性具有积极影响。粪便生物炭在400℃热解过程中，黏土和粉土碱性磷酸单酯酶含量分别增加28.5%和95.1%[34]。添加原始残留物和生物炭，磷酸酶活性提高3.1至4.4倍，可能原因是生物炭颗粒对土壤磷酸酶有较强吸附作用[35]。Pandey等研究也得出类似结果，添加生物炭后土壤脱氢酶活性比对照组增加27%，脲酶活性从7.4%增至39%[36]。生物炭对土壤磷酸酶活性的积极影响是微生物增殖、生物炭对磷酸酶的表面吸附、土壤磷形态变化和土壤pH升高的结果。但对土壤磷酸酶活性时有负面影响或无显著影响。Zhai等盆栽试验表明，添加生物炭显著降低红壤和潮土中磷酸单酯酶活性，随生物炭施用量从0增至2%、4%和8%，红壤酸性磷酸单酯酶活性分别降低4%、33%和69%，潮土碱性磷酸单酯酶活性分别降低8%、27%和26%[37]。这种异常结果可能因生物炭释放无机磷和生物炭引起土壤电导率和盐度增强所致，造成酶变性并产生不利影响[18]。同时研究表明，添加生物炭抑制酶反应，导致不同土壤中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变化不一致[19]。

2.2.2 生物炭可提供土壤微生物碳氮营养和生存环境

生物炭表面含有易分解的碳源和氮源，可为微生物提供能源物质，使微生物更加高效调节碳氮磷物质转化，提高土壤磷利用率。土壤中磷酸酶有助于通过磷酸单酯二酯水解将磷从有机形式转化为无机形式。生物炭还可通过土壤中矿化溶解作用提高磷可用性，改变磷酸酶活性。Yadav等研究发现，添加生物炭后微生物含量增加，氮矿化率提高；老化和新鲜土壤生物炭在BC1.5（1.5 t·hm-2）处理下，微生物生物量碳分别增加89%和78%；老化生物炭有效磷浓度、微生物和酶活性（脱氢酶、酸性和碱性磷酸酶和脲酶）高于新鲜生物炭[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，而磷酸酶活性提高归因于有机磷矿化作用和矿物结合磷风化作用。

生物炭为微生物提供良好生存环境，改变微生物活性，影响土壤磷素转化，增加菌根活性提高植物对磷的吸收利用[8,39]。生物炭孔隙率和表面特性为土壤微生物生长繁殖提供良好环境，减少微生物之间竞争，保护土壤微生物，特别是根系真菌繁殖和活性。María等试验表明，生物炭添加使丛枝菌根真菌（AMF）根系定殖率提高211%、孢子数提高168%和侵染力提高223%[40]。AMF活性普遍提高，磷酸单酯酶活性增强，促进土壤-植物-微生物系统中磷有效性。也有研究指出，随生物炭添加量增加，真菌响应不明显。例如，Dai等发现在添加生物炭土壤中，细菌群落响应高于真菌群落，可能是真菌比细菌更能抵抗环境干扰，易适应环境变化[41]。Yan等研究表明，牛粪生物炭与对照组之间微生物生物量和真菌群落组成无显著差异，与细菌群落有显著差异[42]。生物炭改良剂可增加植物养分和水分供应，满足菌根营养需求，提高土壤微生物生物量，改变细菌和真菌群落。

生物炭加入可显著改变微生物生物量和土壤微生物结构组成，而磷酸酶活性变化可能是生物炭孔隙和养分中碳和化学变化结果。一方面，生物炭表面含有部分可溶碳源和有利于微生物活动氮源。另一方面，生物炭孔隙具有显著变异性，其孔隙结构和比表面积可储存水分和营养物质，成为微生物生存的微环境，向土壤中添加生物炭影响生物群落变化和土壤有机质循环[25,43]。添加生物炭可显著降低土壤中氮含量，同时增加土壤有机质，促进微生物生长[44]，间接影响土壤磷素转化。土壤微生物对环境变化较敏感，且对生物炭应用反应迅速。不同施用量对土壤微生物影响不同，高施用量可能损害微生物群落数量和组成。例如，高比例（60 t·hm-2）污泥生物炭无法继续对土壤性质或作物产量产生积极作用，但40 t·hm-2在两年内是肥沃砂土最佳施用量[45]。

总之，生物炭多孔结构为土壤生物和微生物提供生存空间，提高土壤生物活性和多样性，促进土壤磷素转化，增加土壤有效磷含量。固氮细菌活性增加，有利于土壤化学性质提高，土壤磷酸酶活性和数量也随生物炭添加而增加。然而，目前研究大多集中在生物炭对作物产量的影响，未来应重点研究生物炭促进土壤细菌、真菌和微生物生物量以及磷酸酶活性机理。

3 生物炭影响土壤磷淋溶

生物炭可直接将可溶性磷释放到土壤中，增加土壤磷有效性，但并无确切结果表明磷淋溶增强。据报道，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，减轻土壤磷向水体环境淋失[46]。

3.1 生物炭直接吸附土壤磷素

生物炭可通过吸附作用减少土壤磷淋失，生物炭已被证明是有效的磷酸盐吸附剂[9]。生物炭高表面电荷密度、高比表面积、高内部孔隙率和极性与非极性表面位置存在有助于其吸附磷[47]。生物炭可通过表面正电荷位置的静电吸附磷，生物炭含有大量含氧官能团，有助于产生负表面电荷，含氧基团也表现出对磷的吸附能力增加[11,48]。此外，高比表面积和孔隙率对阳离子和阴离子交换能力也很重要，具有更高比表面积的生物炭往往对磷具有更高吸附能力，表明存在孔隙填充机制[49]。生物炭中微孔可加强流动磷吸附，否则被淋滤。生物炭中Fe/Al/Ca/Mg离子可通过沉淀作用吸附磷[50]。随风化增加，生物炭颗粒表面物理、化学和生物反应改变其性质，生物炭对磷吸附减少，这种减少归因于生物炭在老化过程中发生官能团变化[51]。当加入生物炭衍生有机质（BDOM）时，氧化生物炭对磷吸附增加，可能因氧化生物炭中填充BDOM微孔对磷酸盐的吸附。与单独使用氧化生物炭的试验相比，氧化生物炭和BDOM联合使用增加磷吸附[11]，表明BDOM有可能减弱老化生物炭对磷吸附[52]。随生物炭对土壤磷吸附量的增加，土壤中可移动磷浓度降低，进一步减少土壤中磷淋失。

3.2 生物炭提高土壤对磷的截留

生物炭可通过土壤保水能力或促进植物吸收磷减少磷淋失。生物炭具有多孔结构和较大比表面积，可通过毛细作用保持水分[53]。施用生物炭改良后，土壤孔隙度增加、土壤容重降低和团聚体稳定性提高，间接提高土壤保水能力[54]。例如，大团聚体中总磷含量增加，径流中颗粒磷浓度降低，可能是生物炭在微团聚体结构中整合结果，间接促进磷在大团聚体中滞留，有利于生物炭对土壤磷的保持。同时，较大团聚体更稳定，减少风蚀和水蚀造成土壤磷流失[55]。添加生物炭后，土壤中水入渗率、入渗量和保水能力可能受影响，降低磷淋溶风险[56]。此外，生物炭可通过促进种子萌发和根系生长，降低根系直径和根组织密度，增加生物炭与根相互作用，有利于水和养分获取，增加磷可用性和减少土壤中磷流失[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。应对生物炭施用量开展具体研究，确保充足养分供应，避免淋滤风险。目前研究集中在生物炭改良土壤溶解磷的淋溶[46,57]，然而，磷从陆地到水生环境主要传输过程之一是颗粒磷[11,58]。因此，土壤中颗粒磷淋失可能危害水体环境，添加生物炭是否减少土壤颗粒磷输出尚未开展系统研究，颗粒磷和生物炭在土壤中迁移及其相互作用还有待进一步研究。

4 结论

生物炭特有长效释缓机制，是解决土壤磷素利用率有效途径。施用生物炭影响土壤pH、磷含量、微生物数量和酶活性，通过吸附和截留磷直接或间接影响土壤磷素有效性。其中，pH主要通过土壤与磷络合、吸附和溶解作用，提高磷有效性，改良土壤酸碱度；磷含量增加主要是因生物炭含有一定程度磷；微生物数量和活性增加则归因于生物炭孔隙结构和高比表面积，为微生物提供水分、养分和适宜条件，影响微生物发育和存活，提高磷有效性和保持力，加强磷吸收和磷循环。同时微生物增殖，生物炭对磷酸酶吸附增加，酶活性增加；生物炭表面电荷、比表面积、孔隙率、含氧官能团和微孔有利于吸附磷，减少磷淋失；土壤对磷截留是促进生物炭毛细作用、增加孔隙度、降低土壤容重和增强团聚体稳定性，提高保水能力，降低磷淋溶。因此，生物炭对提高土壤磷有效性和减少磷淋溶具有重要作用。但土壤磷有效性影响机制复杂，不同影响因素之间存在协同效应，因素对土壤磷素转化机制尚不明确，尚无统一结论。所以未来需结合多因素综合考虑，深入探究不同因素对土壤磷转化作用机制。

5 展望

生物炭用于提高土壤磷素利用率，需加强以下方面研究：①确定制备过程中磷形态，根据磷形态施加特定生物炭。研究不同热解时间、温度和原材料对生物炭理化性质的影响，制定制备标准。②微生物改性生物炭孔隙结构可为其提供生存环境，改善有特殊需要的土壤环境。未来可利用微生物分子生物学技术研究解磷菌作用机理和影响因素，解磷肥料生产应用也急需推进。③加强对生物炭孔隙结构、土壤密度和保水能力研究。探究生物炭对土壤保水能力影响机理和最佳添加量，有利于改善干旱区土壤缺水状况，提高土壤作物产量。④深入研究生物炭对土壤动物、植物和微生物微型生态系统影响，重点研究生物炭对土壤环境的不利影响，评估环境影响机制并制定改进方案，有助于生物炭在土壤中大规模应用。