生物炭对土壤磷素有效性的影响研究进展

朱晓芸 谢文静 包蔚 余海芬 何锴 吴真善 王络绎 黄明皓

（1 上海市嘉定区农业技术推广服务中心，上海 201800；2上海市金山区农产品质量安全中心，上海 201599）

磷素能为植物细胞分裂提供能量，既是植物生长发育过程中的一种重要元素，又是农业生产的重要保障。磷素缺失会导致植物出现一系列生长发育问题和生产问题，如植物器官发育不良、植物无效分蘖增多、幼苗休眠甚至植株死亡等[1]。作物生长所需的磷素大多来源于土壤和施入的磷肥。其中，土壤中的大部分磷素是以无效形态存在，可供植物利用的游离磷浓度平均为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，作物对磷肥的当季利用率较低，为10%～25%，且过量施入磷肥会加重农田磷素径流和淋溶损失，容易造成农业面源污染。因此，探索应用合理的磷肥管理措施，保障土壤磷素对作物生长的供应，从而提升磷肥利用率、作物产量、避免生态污染，就显得至关重要。

生物炭是生物质在限制供氧条件下，经300～700℃热解炭化加工而成的结构稳定的富碳产物，与之相伴的副产物是热解过程中释放的合成气和生物质液。生物炭具有丰富的微孔结构和大量的表面官能团，对矿物质元素的吸附能力优异，是一种优质的土壤改良剂。近几年的研究发现，生物炭可以不同程度地参与到土壤生态系统的磷素循环当中，并对土壤磷素物质转化及土壤磷素活化有着重要影响，同时能进一步增加土壤有效磷供给。为探明生物炭对土壤磷素有效性的影响，笔者拟对土壤磷素的形态和有效性以及生物炭的磷素特性进行分析，并对生物炭影响土壤磷素有效性的途径进行探讨，以期为施用生物炭活化农田土壤磷素提供相关理论指导，从而解决当下土壤速效磷含量较低的问题。

1 土壤磷素的形态和有效性

土壤中的磷素是作物生长发育所需的一种重要营养元素，同时也是农业生产中较为重要的营养限制因子，其含量受土壤母质、天气、生态环境等一系列要素的影响。土壤磷素可以分为无机磷和有机磷两种形态。无机磷是耕地土壤中数量占比最丰富的一种磷素形态，约占土壤总磷量的60%～80%，主要包括土壤中残存的各种原生含磷矿物质、次生的无机磷盐及磷酸根离子。在土壤磷库中，可以被植物吸收的磷组分被称为土壤有效磷，主要包括全部水溶性磷、部分吸附态磷和有机磷，其中，有机磷主要构成有植素类、核酸类及磷脂类，且主要以、、H2PO4-等形式被植物吸收。有机磷作为土壤磷库中重要的组成部分，在土壤中的含量变幅较大，占土壤总磷量的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，生物炭的理化性质、pH、养分含量、表面官能团数量等都会不同程度地影响土壤磷素循环转化，其中，生物炭原料和热解温度是影响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响生物炭理化性质的先决条件。生物炭原材料的来源相对广泛，除了秸秆、木料等之外，污泥和禽畜粪便等也是生物炭原材料的重要来源，但是，不同原材料制备的生物炭的磷素特性具有较大差异。例如，核桃木、竹子、甘蔗渣3种原材料在350 ℃条件下制备的生物炭，其全磷含量分别为0.02%、0.07%、0.36%[2]。另外，不同于秸秆和木料，将家禽粪便制备成生物炭，虽然会提高全磷含量，但是会降低磷的有效性[3]，究其原因是，畜禽粪便中高含量的Ca2+和Mg2+等离子会将磷转化成不溶性的钙磷酸盐和镁磷酸盐。除了秸秆及农业废弃物之外，近年来由污泥为原料制备的生物炭越来越多地用于土壤改良，但是，污泥生物炭的元素组成差异较大，相比于秸秆类生物炭，污泥生物炭的磷素含量和其他灰分含量相对较高。

2.2 热解温度

在生物炭热解过程中，C、H、O 和N 元素会形成挥发性气体以及有机液体，而磷素和金属元素几乎可以完全被保留下来，且热解过程会促使有机磷化学键断裂，磷素的有效性会提高，故热解温度是影响生物炭中磷素特性的另一个重要因素。通常，随着生物炭热解温度的增加，生物炭的比表面积、pH均会增加，阳离子交换量及可提取态磷含量会降低，提高生物炭的化学稳定性。就磷素来讲，热解温度的增加，会导致生物炭全磷含量增大，提取态磷含量降低，故生物质在较高温度下热解磷会与Al3+、Ca2+、Mg2+等金属阳离子形成难溶性的磷酸盐，这表明采用较低温度制备的生物炭更有利于磷素自身有效性的提高。与秸秆类生物炭不同，污泥生物炭的碱金属元素总量和可提取态金属的含量均会随热解温度的升高而增加。

3 生物炭对土壤磷素有效性的影响

3.1 生物炭调节土壤pH，从而影响土壤磷素有效性

研究表明，土壤pH的变化会导致土壤磷素形态转化，从而影响土壤磷素的沉淀和溶解，故土壤pH是影响土壤磷素有效性的重要因素。在较低土壤pH的环境下，磷素易与Al3+、Fe3+、Fe2+结合沉淀，降低其溶解性；在土壤pH 较高的环境下，磷素易与Ca2+结合生成难溶性钙盐；当土壤pH 接近中性时，磷酸盐的固定作用较弱。因此，土壤pH较大幅度的变化会对土壤磷素有效性造成极大影响，故生物炭通常可以通过调节土壤pH 来影响土壤磷素有效性。袁访等[4]研究发现，生物炭通过提升土壤pH和电导率能间接影响土壤蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性和磷酸酶活性，从而影响土壤有效磷含量。生物炭自身的pH 一般呈碱性，但是，因制备原材料和热解温度的不同，也有制得的生物炭pH呈酸性的报道。例如，以桦木为原材料制备的生物炭，在475 ℃下热解，其pH 为7.5；在300 ℃下热解，其pH 为5.1。高静等[5]研究发现，施用生物炭能显著提高土壤pH，相比不施生物炭的处理，施用生物炭处理的土壤pH平均增幅为8.70%，且以秸秆类生物炭的土壤pH 的提升效果为最佳[5]。但是，就目前研究结果来看，生物炭对土壤pH 的调节效果并不完全统一，究其原因，可能是受生物炭本身和碱性土壤自身性质差异的影响。例如：张琪[6]研究发现，生物炭不会对土壤pH 造成影响，但是能显著增加土壤有效磷含量；张明发等[7]研究发现，添加秸秆生物炭可以提高土壤pH；张瑞[8]指出，施用生物炭能显著增加0～40 cm土壤表面的pH，且当土壤pH 提升至5.19 时，土壤有效磷含量的提升幅度高达46.9%。

3.2 生物炭对土壤磷素的吸附和解吸的影响

研究表明，增加生物炭可有效增加土壤中的有效磷供给，其原因是除了生物炭自身具有较高的磷素外，生物炭还可以吸附和解吸土壤中的磷素和金属中的络合物，从而提高土壤磷素的生物转化。但是，目前针对生物炭是否能吸附磷素的结论并不统一，这可能是因为生物炭的原材料和热解温度不同，导致不同生物炭的吸附能力有差异。研究发现，在较低的热解温度（300～350 ℃）下制备的生物炭，不具备磷素吸附能力，而在高热解温度（600 ℃）下制备的生物炭，具有较强的磷素吸附能力[9]。同时，生物炭对磷素的吸附是一种物理吸附作用，在施磷量高的土壤中，这种吸附作用可以减少磷素的淋溶损失，但是，在土壤缺磷时，磷素会解吸再度释放出来。此外，生物炭施入土壤后，会影响土壤对磷素的吸附和解吸，具体效应因生物炭的类型和土壤类型有所差异。通常来讲，生物炭影响土壤有效磷的途径有两种：（1）生物炭与土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等离子螯合成有机酸、氨基酸及酚类有机小分子，并通过这类螯合物的吸附作用，降低土壤对磷素的吸附。（2）由于生物炭自身的理化特性，如pH、阳离子交换量及灰分含量等，均会对土壤的保水保肥能力造成影响，从而调节土壤对磷素的吸附和解吸。其中，生物炭所富含的Ca2+、Mg2+等离子可能会和土壤中的磷素发生共沉淀反应，进一步增加土壤对磷素的吸附，从而降低土壤磷素的有效性。

3.3 生物炭对土壤微生物及磷酸酶活性的影响

生物炭表面丰富的孔隙结构可为微生物提供适宜的生存环境，使微生物免受土壤淋洗的影响，且生物炭携带的不稳定碳组分和其他营养物质可为微生物提供碳源和充足的养分，故土壤施入生物炭会促进微生物的生长繁殖和活性增加。同时，不少研究证明，生物炭施入土壤后，不仅会提高土壤微生物的生物量，还会促进微生物群落结构的改变[10-11]。此外，解磷微生物一方面可将植物难以吸收利用的磷素转化为土壤可吸收的磷素，另一方面可通过产生有机酸增加对土壤中无机磷的溶解，且可通过分泌磷酸酶，促进有机磷的矿化，从而进一步活化土壤中的磷素。例如：贾凯雪等[12]研究发现，生物炭可有效增加解磷微生物的生物量，土壤施入生物炭后会促进植物对土壤磷的吸收，加速土壤磷素的循环转化。

生物炭会通过影响土壤磷酸酶的活性(提升碱性磷酸酶活性，降低酸性土壤酶活性)，来影响土壤有机磷的矿化分解，最终影响土壤有效磷供给。例如：杨文娜等[13]研究发现，化肥和有机肥配施生物炭，可增加植株根际土壤的碱性磷酸酶活性，这可能是因为生物炭通过影响土壤pH 改变了土壤磷酸酶的活性。此外，曹殿云[14]在对生物炭调控土壤转移的研究中发现，施用生物炭可提高玉米根际土壤中植酸酶、中性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性，但是降低了焦磷酸酶和酸性磷酸酶的活性；在非根际土壤中施用生物炭，则增加了植酸酶和碱性磷酸酶的活性，降低了焦磷酸酶、磷酸二酯酶、酸性磷酸酶的活性。

4 结论与展望

生物炭应用于农田土壤，可以有效提高土壤磷素的有效性，故土壤施用生物炭是解决当下土壤速效磷含量偏低、维持土壤地力的有效途径。生物炭可以通过调节土壤pH、减少土壤对磷素的吸附和解析、促进土壤有机磷的矿化、影响土壤微生物及磷酸酶活性等多种途径，改善土壤磷素的有效性。

值得注意的是，关于生物炭对土壤磷素有效性的影响仍有很多值得深入探究的内容。例如：（1）探索生物炭与磷肥配施的减磷效应。在生物炭与磷肥配施的情况下，较高的生物炭施用量在为土壤带入较多的外源磷的同时，可以显著提高土壤有效磷含量，故探索生物炭和磷肥施用之间的协同增效作用及机制，可为避免过度施用磷肥提供技术支撑。（2）探索生物炭老化对土壤磷素循环转化的长期效应。生物炭作为一种结构稳定的物质，会在土壤中留存较长的时间，而目前关于生物炭的研究多集中于短期效应，对其老化之后的长期效应还有待进一步评估。