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来源:BIOCHAR
翻译:南琼(浙江大学)
摘要:生物炭是生物质经通过若干个化学热解过程产生的炭材料,是一种环境友好型的土壤改良剂。生物炭本身具有一系列独特的理化特性,比如更大的比表面积和孔隙率,丰富的表面电荷等,对土壤中养分的持留转化具有重要影响。本文综述了生物炭的肥效价值、对土壤理化性质的影响以及对作物养分利用效率的影响。生物炭可作为植物养分的重要来源,在低温(≤400°C)下由粪肥和废弃物产生的生物炭中含有大量的氮素,是生物炭提供的养分之一。磷、钾以及其他养分含量在粪便/废物制得的生物炭中远高于由农作物和木质材料制得的生物炭。除了氮元素,生物炭的养分含量和pH值与热解温度呈正相关关系。巨大的比表面积、较高的孔隙度以及丰富的表面电荷,使生物炭具有土壤保肥能力。生物炭不仅通过减少氨挥发排放,减少氮素淋失持留氮素,也通过减少养分流失增加土壤中磷素含量。然而,生物炭对土壤中钾以及其他元素的影响还没有统一认知。向土壤中添加生物炭后,土壤的孔隙率、聚集体稳定性和土壤中所含水量增加,土壤容重降低。通常,生物炭输入会增加土壤的pH值,从而影响植物养分有效利用效率。此外,生物炭还通过增加微生物类群丰度、酶活性、土壤呼吸和微生物量来改变土壤生物学特性。随着生物炭输入土壤生态系统,植物能够吸收更多的养分,土壤养分的利用率也随之增加。因此,生物炭可以作为植物的潜在养分储库,也是改良土壤特性的良好材料。
近几十年来,生物炭在土壤中的应用引起了科学界广泛关注。目前研究主要集中在生物炭碳固存和污染土壤修复等技术以达到降低成本与修复环境的目的。生物炭可以通过以下几种方式影响土壤中的养分:(1)作为植物和土壤微生物养分的来源; (2)作为养分的吸收者,从而影响养分的流动性和生物可利用性; (3)作为土壤改良剂改变土壤性质,影响土壤中养分循环和化学反应。生物炭作为养分来源,可以提供氮(N)、磷(P)、钾(K)等以及其他生产生物炭原材料中固有的微量元素。虽然原材料中的一些N和硫(S)在热解过程中会通过气体排放而损失掉,但大多数养分在土壤生物炭风化过程中会释放出来,可供植物利用。原材料的性质和热解条件是生物炭的营养成分种类及其含量的决定因素。比如,由粪便和生物固体制得的生物炭中N和P含量通常比木材和秸秆制得的生物炭含量高。尽管N的含量随着通过气体排放的热解温度的升高而降低,但由于灰分含量的增加,P和K的含量呈增加趋势。生物炭吸附持留养分,减少淋溶过程中N、P和K的损失,以及氧化亚氮排放引起的N的损失。其养分持留能力取决于其孔隙率和表面电荷(阳离子和阴离子交换能力)。而生物炭的pH是影响氨挥发排放过程中N损失的关键因素。pH呈弱酸性或接近中性的生物炭可有效削减土壤中氨挥发排放。
生物炭的输入改变了土壤各种理化性质,包括pH、土壤容重、阳离子交换能力、持水性以及生物活性等。土壤理化性质变化影响土壤颗粒养分的化学反应及其微生物转化。生物炭输入土壤中后,通过增加土壤养分含量和有效性提高土壤肥力,增加作物产量。同时,生物炭的输入也增强微生物活性,改善土壤透气性和持水性,缓冲土壤生化反应,降低土壤容重,并保持土壤团聚体结构。此外,生物炭通过改变土壤的pH和增强离子交换能力减少由于水力引起的养分的淋失和由于气体挥发造成的养分损失。生物炭可以改变土壤微生物群落组成,由此影响土壤养分循环和植物吸收。生物炭输入还可通过削弱土壤中的硝化作用减少硝酸盐的淋失。图1描述了生物炭对土壤和植物各种影响的概念框架。
目前已发表的综述主要集中在生物炭输入对土壤健康,作物产量,土壤问题,土壤碳固存,N、P、K等营养元素的有效性,以及改善植物干旱和盐分胁迫等研究。然而,针对生物炭通过减少气体挥发排放和淋失行为降低养分损失,并因此促进植物生长途径鲜有研究。因此本文着重总结:生物炭对土壤理化性质的影响,生物炭作为养分来源以及生物炭对土壤养分生化反应和植物吸收养分的影响。
Fig.1 Conceptual framework for impact of biochar on soils and plants
“炭”是指有机和无机材料分解后的产物。生物炭和木炭现已被当作同义词使用,但木炭通常被用作能源,而生物炭通常用于固碳和环境生态系统,借此以区分两者。因为由生物质热解产生,生物炭也被称为“焦炭”。根据国际生物炭协会(IBI)的说法,生物炭的经典定义是“一种在限氧环境中通过生物质的热化学转化获得的固体材料。每每谈及生物炭的生产和土壤应用,就会提及具有高生产力的亚马逊地区的“ terra-preta”(黑土)土壤。通过对terra-preta土壤进行表征,科学界认识到生物炭具有与terra-preta土壤相似的特性。此后,完成了许多有关生物炭表征及其在土壤中的应用的相关研究。通常,生物炭由一系列生物质(例如肥料,木材,农作物和工业残余物)在低于900°C的温度下和在氧气受限的热解条件下产生。近期研究表明,生物炭还可以通过其他热化学过程来生产,例如水热碳化,气化和微波辅助热解等。
原材料和热解条件是生物炭特性的主要决定因素。生物炭的理化特性还受加热速率、窑炉压力、气氛的组成(窑炉中的氮气或CO2气氛)以及生物炭的预处理或后处理类型等因素影响。生物炭的主要特性如图2所示。根据灰分的组成及其特性,生物炭可分为以下三类:
i)低灰分(<3-5%)生物质产生的生物炭,例如木材,坚果壳,竹子等。坚硬的生物炭具有较大的孔隙率,表面积(SA),并且具有更多的水分。
ii)灰分含量在5%到13%之间的生物质生产的生物炭,其中包括大多数农业废弃物,树皮和高质量的绿色废弃物。
iii)高灰分(> 13%)的生物质产生的生物炭,例如粪便,污泥,废纸,城市垃圾和稻壳。
Fig.2 Properties of biochar
不同原材料因其独特的物理化学性质和热解条件对生物炭的比表面积、孔径、体积分布等物理特性有很大的影响。例如,在高温热解条件(> 550°C)下,生物炭的主要特征是比表面积大,芳香性强(Ralebitso-Senior and Orr 2016)。但是低温(200–400°C)热解时,生物炭的主要特征是具有更多的含氧官能团,例如–COOH,–OH,C = O,酚基–OH和–CHO基团,可进行营养交换,从而改善土壤肥力。了解生物炭的特性对其应用非常重要。
由于生物炭输入而导致的土壤理化性质的变化可能会影响养分化学反应和养分的微生物转化。图3总结了生物炭对土壤理化性质的影响。
Fig.3 Influence of biochar on soil properties
物理性质
生物炭的高表面积和丰富的孔隙结构特性改变了土壤物理性质。在一项为期4年的田间研究中,花生壳生物炭增加了水稳性团聚体(WSA)。稻草生物炭将土壤团聚体的稳定性从1%提高到17%。此外,生物炭输入量与WSA呈正相关。Oladele曾报道,施用3、6和12 t ha-1的生物炭时,WSA在0-10 cm深度分别增加了10%、18%和23%,在10–20 cm深度分别增加了16%,20%和26%。此外,稻壳生物炭(10 t ha-1)通过降低容重和增加砂质壤土中的自由水来增加土壤孔隙度。生物炭降低土壤容重并不受土壤类型、应用环境、生物炭施用量以及生物炭生产条件的影响。
化学性质
生物炭输入将影响土壤pH,电导率(EC)和阳离子交换容量(CEC)等化学性质。这些化学性质影响土壤中养分相互作用。生物炭的pH范围通常为6.52–12.64,并且pH值与热解温度呈正相关。生物炭输入土壤中改变土壤pH,进而改变土壤中营养元素的生物利用有效性。生物炭的pH取决于碳化速率,热解温度和原材料类型。由于在热解过程中生物质存在不可挥发性的碱性物质和碱金属成分,使生物炭具有碱性。碱性生物炭往往用于增加酸性和中性土壤的pH值。生物炭的碱度取决于三个重要因素:有机官能团;(b)碳酸盐含量;(c)无机碱含量。生物炭中碱性阳离子的浓度与生物炭碱度密切相关,但并不是生物炭可溶性灰分的简单函数。不同的原材料和热解条件制备的生物炭pH并不相同。生物炭对土壤pH的响应也不尽相同,因土壤类型而异。有研究表明,1%和2%的不同类型农作物秸秆生物炭添加时土壤pH为7.69和10.26,降低了酸性土壤Ultisol的pH(pH 4.31)。Li等人研究表明生物炭(10、20、40和60 t ha-1)的施用对半干旱地区的土壤pH值没有影响。这与Werner等人报道的结果一致,他的研究表明生物炭添加并不会影响沙壤土的pH。因此,生物炭输入对土壤pH的响应与生物炭制备材料、原始土壤特性(例如pH,质地)以及生物炭的pH值和碱度相关。
Fig.4 Nitrogen conversion pathways from feedstock-N to biochar-N through the pyrolytic process
生物炭含有大量的可溶性盐,因此生物炭的电导度(EC)通常高于大多数农业土壤。土壤中盐分过量或高EC降低渗透压,对植物产生危害。因此,必须将土壤的EC保持在较低水平,保证养分的供给和植物生长。然而,随着生物炭施用量的增加,土壤的EC值也随之增加。Prapagdee和Tawinteung发现,以10%(w/w)的比例施用木薯茎生物炭时,土壤EC升高。在沙土中(EC=0.07 dS m-1),添加稻草、银草残渣和伞形树残渣生物炭(30 t ha-1)之后,EC分别增加385%,100%和71%。然而,稻壳生物炭(EC=2.56 dS m-1)对增加土壤中的EC没有影响。
通常生物炭的阳离子交换量(CEC)高于农业土壤。生物炭的CEC来源于生物质热解过程中产生的羧基和羟基等官能团。其表面氧化程度,以及生物炭表面吸附的高价有机氧化物含量是影响生物炭CEC的重要因素。生物炭的施用量不同,土壤的CEC变化也不同。El-Naggar等人研究表明,施用稻草秸秆生物炭,银草残渣生物炭和伞形树残渣生物炭(30 t ha-1)于沙质土壤(CEC=0.5 cmol kg-1)后,土壤的CEC分别增加了3.00、1.00和0.75 cmol kg-1。生物炭对不同类型土壤的CEC影响也不同。水稻秸秆生物炭(以30 t ha-1)施用于砂壤土(初始CEC=10 cmol kg-1),仅使CEC增加了1.0 cmol kg-1。不同原材料产生的生物炭会在不同程度上改变土壤的CEC,土壤的CEC将直接影响土壤的养分利用率和持水能力。此外,生物炭可通过抑制土壤有机质的长期周转来增加土壤中的有机碳含量,实现碳固存。
生物学特性
由于生物炭具有多孔性,为土壤微生物(细菌,菌根真菌和放线菌等)生长提供了有利的环境。据报道,花生壳生物炭(1%)输入土壤增加了微生物类群,微生物量和放线菌丰度。越来越多的研究表明,生物炭输入可增加稳定土壤团聚体,增加微生物量氮,增加特定细菌丰度提高微生物活性,增加微生物多样性。然而,也有研究报道低剂量的生物炭可能对土壤微生物群落产生积极影响,高剂量的生物炭可能显示出负面影响,这种现象是由于高剂量生物炭输入对土壤微生物产生毒性(化学胁迫)。
生物炭对土壤酶活性也具有正面效应。据报道,在Inceptisol土壤中添加生物炭(5和10 t ha-1)分别提高19%和44%的脱氢酶和脲酶活性。温室研究表明,6%的生物炭输入促进了土壤酶的活性。生物炭还增加了伯克霍尔德氏菌–巴拉伯克霍尔德氏菌、扁平菌、鞘氨醇单胞菌和单孢单胞菌等增溶磷的细菌类群丰度,这对改善森林土壤(山地酸性红壤土)中磷的利用率是非常有利的。然而,许多研究表明,41.3 t ha-1稻秸秆生物炭对蚯蚓生长具有负面效应。同样,Weyers和Spokas观察到家禽垃圾生物炭输入快速的改变了土壤pH,创造了高氨环境。而蚯蚓对土壤pH和氨浓度高度敏感。虽然短期来看,生物炭输入对蚯蚓活动产生负面影响,但对蚯蚓长期活动并没有影响。
生物炭可作为农作物的养分来源。生物炭的养分种类和含量主要取决于原材料的性质和热解条件(热解温度,停留时间,气体环境)。养分含量高的原材料会形成富含养分的生物炭。例如,粪便和污水污泥产生富营养的生物炭。
主要必需营养元素
氮素
由于作物对N的需求量很高,并且容易淋失,经氨挥发排放作用而损失的可能性也很高,因此N是土壤中制约植物生长和生产力养分之一。对于许多农业土壤来说,需要保证连续施用氮肥来保证作物产量。除了有机氮素(可水解N,水溶性N和不可水解N)之外,生物炭还包含无机氮素,例如NH4+-N,NO3--N和N2O-N,是植物可吸收利用的潜在氮源。尽管大多数生物质中的N含量都很低,但是由于减少了生物质的质量(主要是水分),所以在热解后N含量会增加。在原材料热解生产生物炭过程中,某些氮素以气体形式排出,造成氮素损失,因此并不是所有的N形态都在生物炭中存在。例如,某些氨基酸(例如含精氨酸的酰胺基)在生物质热解过程中大多转化为氨或其他气态形式的N,导致N损失。热解过程中N从原材料中到生物炭的转化途径如图4所示。生物炭的N含量范围很广(0.24%至6.8%)。尽管大多数生物炭的N含量较低(低于1.5%),但一些生物炭中的N含量较高,例如来自污水污泥的生物炭(6.8%),家禽垃圾(5.85%),草木废弃物(4.9%)。微藻生物炭中N含量较高,可达14.12%。生物炭中的N含量随着热解温度的升高而降低,这是因为随着热解温度的升高,部分氨基酸转化为吡啶-N和吡咯-N。随后,NH3在热解过程中挥发而损失大量的NH4+-N。由于热解过程中N的挥发损失,经酸化预处理的生物炭将降低总氮含量。有研究报道,在低温(250°C)下热解时,盐浸鸡粪(鸡粪中添加CaCl2和FeCl3·6H2O)生物炭增加了少量的总氮含量和NH4+-N含量。但是在350和550°C时,NH4+-N含量又再次下降。肖等人(2018)在分别用CaCl2,MgCl2.6H2O和FeCl3.6H2O矿物盐对生物质进行预热解后,在鸡粪生物炭中检测到NH4+-N含量分别为0.48、0.30和0.17 g kg-1。Chang等人研究表明,生物炭热解停留时间越长,小球藻生物炭中的N含量越高。但是,热解温度对藻类生物炭中N含量的变化更为复杂。藻类生物炭的N成分含量要比其他常见生物炭(如粪便和生物固体/污水污泥衍生的生物炭)高得多。因此,生产富氮生物炭需要着重考虑热解温度和原材料类型。
Fig. 5 Impact of feedstock and pyrolytic temperature on chemical properties of biochar
磷
与生物炭中氮含量类似,不同生物炭中磷含量差异很大(0.005-5.9%)。N含量随热解温度升高而降低,而P含量与热解温度呈正相关(图5)。由于“浓缩效应”,生物炭中P含量随着热解温度升高而增加。Xiao等人研究表明,在250、350和550°C热解获得的生物炭相应的P含量分别为1.91、2.15和2.96%。生物炭制备材料也是决定其P含量的关键因素。来源于猪固体、鸡粪、家禽垫料、稻壳、苹果分支生物炭P含量分别为5.9%、2.96%、2.57%、0.15%、0.18%。生物炭中灰分与P含量呈正相关关系。
钾盐
生物炭中的钾含量随原材料类型和热解温度不同而变化。例如,家禽垃圾,鸡粪,稻草和竹生物炭中的钾含量要比稻壳、玉米秸秆和苹果树枝制成的生物炭含量高。与P一样,生物炭中的K含量也具有“浓度效应”。肖等人研究表明,当热解温度从250°C升高到550°C时,鸡粪生物炭中的K含量从4.16%增加到5.93%。在400°C和600°C的热解温度下,家禽垃圾生物炭分别含有3.88%和5.88%的K。沃恩等人研究表明,在300、400、500、700和900°C下制备的生物固体生物炭,K含量分别为3.89、3.98、4.06、4.02、8.12和9.83%。Karim等人评估了在不同气体(Ar和O2)气氛下经等离子处理3、5、7和9分钟制备的香蕉花梗生物炭的K富集效果,结果表明,在Ar和O2环境中,等离子处理长达7分钟生物炭中的K富集效果最好,生物炭有效K的含量从8.6%增至28.6%,水溶性K含量从3.5%增至11.2%,交换态K从5.1%增至14.7%。据报道,玉米芯生物炭中的可溶性K含量为6.05 g kg-1。
其他必需营养元素
如表4所示,肖等人报道,动物粪便生物炭中有高含量的S、Ca和Mg等营养素。动物粪便、工业和城市废物、农作物和木质生物炭中钙含量范围分别为为0.40%~6.15%,0.37%~6.57%,0.20%~1.57%和0.05–2.42%。苹果枝生物炭Ca含量(2.42%)高于小麦、木屑等材料制备的生物炭。在250–750°C下,各种类型的生物质(动物粪便,木质生物质,农作物残渣等)产生的生物炭Mg含量范围大约为0.001%~3.78%。通常,在木质生物质生产的生物炭中,S含量最低(0.001–0.32%),其次是废物生物炭(0.005-0.63%)和农作物生物炭(0.07–0.32%)。动物粪便生物炭比果园修剪生物质衍生的生物炭(0.005%)含有更多的S(0.02–1.36%)(表4)。由于高温可通过将S掺入复杂结构中来增加S含量或由于挥发损失而降低S含量,热解温度对生物炭中S含量的影响并没有定论。
必需微量营养元素
生物炭还含有大量的微量元素营养素(微量营养素),例如铁(Fe)、铜(Cu)、硼(B)、锌(Zn)、锰(Mn)和钼(Mo)。大多数已发表的文献仅报道了生物炭中Fe、Zn和Cu的含量,但很少有人提到Mn含量,也极少数的研究提到了的Mo和B含量。动物粪便中生物炭中的铁含量(311-7480 mg kg-1),高于来自农作物残余物和木质材料制备的生物炭。由废料制备的生物炭中铁含量在0.009-380 mg kg-1之间。像铁元素一样,动物粪便生物炭中锌(131–4981 mg kg-1)和铜(99–2446 mg kg-1)的含量比废物和农作物生物炭中的含量高。微量营养元素的含量取决于原材料类型和生物炭生产温度。但是,由于原材料中微量营养素含量低,这些因素对生物炭产品中微量营养素含量的影响不一致。例如,在650–750°C的温度下产生的桉树绿色废物生物炭具有7000 mg kg-1 Fe,而在550°C时产生的柳木废料生物炭仅含0.05 mg kg-1 Fe。
作为生物汇,生物炭具有保肥效果,减少因淋滤和气体排放而损失的营养。生物炭输入改变土壤理化性质,包括pH值,容重,CEC,保水性和生物活性,进而影响土壤的养分保留。
土壤保肥
生物炭具有大的表面积,风度的孔隙结构且具有两性特点,这使得生物炭具有良好的保肥能力。生物炭的极性表面位点构成了土壤的CEC主要来源。高CEC的生物炭能够减少养分流失达到保肥的效果。生物炭输入土壤还通过增加土壤的pH值和土壤有机质来实现土壤保肥。Liu等人提出了生物炭在土壤中持留氮素的三个重要机制:(1)生物炭具有高CEC吸附NH4+-N;(2)同时提升了土壤的持水能力,减少NO3--N的淋失;(3)通过增加土壤中不稳定C促进微生物固定N。Schofield等也曾报道,生物炭具有高阳离子和阴离子交换能力,生物炭孔径的这种特性,进一步增强了生物炭养分持留能力。也有研究表明,生物炭由于C的快速分解(例如,入土后16个月内降低51%),降低对养分的持留作用。
Fig.6 pH-dependent association and dissociation of nutrients from biochar
生物炭具有缓释氮素的作用这主要是由于(1)生物炭的多孔结构及其对NH4+-N、NO3--N良好的吸附能力,减缓氮素释放;(2)生物炭具有疏水性,会阻碍水的运输,从而限制氮的扩散。因此,近年来,许多研究表明生物炭可用作缓释肥料。Shi等盆栽研究表明,发现生物炭-尿素复合物氮素释放速度比常规尿素肥料慢,具有更好的NH4+-N持留效果。Sashidhar等研究表明,基于生物炭的缓释肥料(BSRF)在30天内缓慢释放69.8%的氮。
生物炭输入土壤通过生物(固着、矿化、固定化、反硝化、植物吸收)和非生物(吸收、挥发、浸出)作用促进N的有效利用,这将增加土壤中N的有效性,促进植物生长。此外,也存在生物炭输入降低土壤中可利用N含量的研究。Werner等人研究报道,将稻壳生物炭输入Arenosol土壤有助于N固定,降低了21%可利用N。Liu等研究表明生物炭输入降低了土壤中6%的NH4+-N和12%NO3--N含量。由此可见,生物炭对土壤中N的可利用性影响不一,这主要取决于生物炭的输入量和土壤类型。
生物炭也可以作为土壤中P的储库。Noyce等人通过施用糖枫和赤松生物炭,发现沙中的有效P比沙质壤土和粉质沙土高出三倍。许多研究表明,生物炭输入土壤可提高生物可利用磷含量,并且促进植物生长。生物炭输入对P的影响与N一致,主要受土壤类型和生物炭原材料影响。大多数研究表明,土壤中P含量与生物炭添加量成正比。但是也有研究表明生物炭输入后土壤中有效态P降低。近年来,有研究将生物炭改性或强化以增加对土壤中P的持留能力。吴等人将MgO修饰的生物炭施用于盐碱土壤,通过静电吸引、沉淀和可交换阴离子,增加了土壤中1.46倍P含量。因此,改性生物炭增加了土壤中P的利用效率。
生物炭也可以增加土壤中K元素。许多研究报道,在酸性土壤中施用碱性生物炭会增加土壤中的K含量。Lehmann曾在报告中讲到,添加生物炭可增加K的生物可利用性。尽管也有研究报道生物炭降低土壤中有效K的负面作用,但大多数研究都通过添加生物炭来增加土壤中K的有效性。
生物炭对土壤养分作用主要表现为正面效应。生物炭添加可增加土壤中有效态Ca、Mg、Na含量。即使输入低量生物炭,依然能够增加土壤中有效态Ca含量。但是生物炭输入对有效态S的影响却鲜有研究。生物炭也会影响土壤中微量元素。研究表明,木质生物炭输入土壤改善了植物对微量元素(B和Mo)的利用率;硬木生物炭不会影响Cu和Zn的含量,但可增加Fe和Mn的利用率。在沙质土壤中添加生物炭会降低Fe和Al的含量,但生物炭对淤泥或粘土土壤没有影响。原材料和土壤类型是确定生物炭对微量营养素的可利用性的重要因素。
养分损失
氮肥
土壤中硝酸盐易浸出流失,引起地下水污染,这也是氮素流失的主要原因。生物炭表面上的静电力和毛细作用力可降低土壤中氮素损失。生物炭可通过阴离子交换位点吸附持留无机氮离子,减少土壤中氮的淋失和径流损失,也可以通过增加持水能力来减少养分的淋失。图7表明,生物炭削减了26%的NO3-浸出量。曹等人研究表明,苹果枝生物炭减少了9.9-68.7%NO3–-N淋失,并且降低了6.3-19.2%氮氧化物气体排放。也有研究表明,随着温度升高生物炭中的CEC降低,这虽然可降低土壤中NO3--N淋溶,但会增加NH4+-N淋失。
Fig.7 Conceptual framework of the biochar-mediated N cycle
磷肥
磷肥的过量施用导致了农田生态系统中P的大量损失。向土壤中施用生物炭可通过吸附作用增加土壤中P的利用效率。Doydora等人研究表明,花生壳生物炭输入土壤中后,土壤溶液中的磷酸盐含量增加了39%。生物炭可能通过改变土壤pH,表面负载的阳离子与P相互作用,阴离子交换以及磷沉淀等方式持留P。在自然环境中,土壤中的Fe(III)-(羟基)氧化物表面可强烈的吸附P。据报道,生物炭减少了30-40%铁酸盐上磷的吸附量,这一行为对提高磷素的可利用性大有裨益。磁化后的生物炭可增强对磷酸盐的吸附,达到减少磷素流失的目的。生物炭的巨大比表面积也是吸附磷素减少其流失的一重要特征。总而言之,生物炭可减少富磷土壤中P的损失,并且提高P的利用效率。
其他营养元素
土壤类型,热解温度和生物炭的理化特性是决定营养元素淋失量的主要因素。在300°C下产生的生物炭降低了典型TypinPudthudult土壤中钾元素淋失量,而在500°C和700°C下制备的生物炭更大幅度的降低了土壤中钾元素淋失。然而有研究表明,生物炭输入短期增加农田土壤中钾元素淋失量,导致地下水污染。由于生物炭本身含有大量的钾元素,将其输入土壤后,增加了65%的钾元素的淋失量,使其比土壤中的Al元素含量还要低。随着生物炭热解温度升高,生物炭输入土壤中Ca的损失也逐渐减少。尽管如此,还需要长期的田间研究来研究生物炭对养分淋失的影响。
气体排放
氨挥发和氧化亚氮排放导致土壤中氮素损失。通过气体排放,土壤中高达85%的氮素以NH4+-N形式损失。为了植物生长和发育,减少土壤中氮的损失是至关重要的。生物炭的理化性质对氨挥发排放具有重要影响。在高碱土壤中添加生物炭会降低土壤pH值,从而减少NH3的挥发。随后,植物可吸收利用生物炭吸附的氨离子。生物炭输入土壤还可削减N2O排放。生物炭可将NH4+,NO3-吸附至生物炭表面,减少反硝化作用基质,因此削减土壤中N2O排放。在强厌氧环境下,生物炭不稳定碳、土壤pH升高和微生物活性增强是促使N2O向N2排放的主要原因。Lehmann也曾建议,通过微生物固定土壤中矿物质氮是减少N2O排放的可行途径。
养分的吸收
氮
生物炭将如何影响植物对土壤中N的吸收,目前并没有定论。许多研究表明,生物炭输入土壤可抑制植物吸收N。Amin和Eissa报道了生物炭输入石灰性土壤后南瓜对N和P利用效率的影响。研究结果表明,低生物炭输入量条件下,南瓜果实的N含量比对照组增加,随着生物炭输入量增加,果实中的N含量反而减少。这可能是由于产量增加引起的“稀释”效应。Werner等研究也表明,单独施用生物炭和生物炭与氮磷钾肥料联合使用分别降低了20%和15%植物中N浓度。这可能是由于生物炭的输入固定了土壤的N。然而, Mandal等研究报道,生物炭输入增加了76.11%的氮吸收。也有研究表明,不超过30 t ha-1的稻壳生物碳输入对氮的吸收并没有影响。
磷
一价或二价阴离子(H2PO4-或HPO42-)磷元素可被植物吸收。但是如果这些离子以物理和化学方式结合在土壤中,则其有效性可能低于植物生长所需的水平。生物炭添加可促进植物对P的吸收。许多研究表明,生物炭添加增加了莴苣叶片的P浓度。掺入不同类型(污水污泥和鸡粪等,5–40 t ha-1)的生物炭,可使植物对P吸收量增加23–2096%。生物炭和化学肥料联合使用可更为显著的促进植物对P和K的吸收。尽管多数研究证实了生物炭促进植物吸收P的积极效应,仍有少数研究报道木质生物炭可能存在毒性,抑制植物对P的吸收,从而降低作物产量。
钾
钾肥对植物的生长至关重要。生物炭和氮肥联合施用的情况下,生物炭的输入剂量与葵花植物中的K含量呈正相关关系。Fazal和Bano曾报道,生物炭,生物炭+假单胞菌属,生物炭+化学肥料处理组分别增加了46%,47%和3%的玉米中K含量。这也表现了生物炭在具有良好的经济效应。生物炭施用后,植物中的K含量增加了112.27%。尽管大多数研究表明,生物炭添加促进K的吸收,但是仍有研究表明,生物炭也具有抑制植物对K吸收的作用。
其他营养元素
家禽粪便生物炭可降低生菜中的Ca和Mg浓度。1%的生物炭添加量增加了菊苣中的Ca和Mg含量。添加50 t ha-1生物炭后,Ca,Mg和S的浓度均会增加。向土壤中输入木质生物炭促进了植物对土壤中微量营养素(Fe,Cu,Z n和Mn)的吸收。
养分利用效率
养分利用效率被定义为是指植物吸收单位养分所能产生的总生物量或经济产量。土壤类型、植物种类和环境是影响养分利用效率的重要因素。生物炭可以直接通过促进植物对养分的吸收来提高植物的养分利用效率,也可以通过减少淋失和气体排放来减少养分损失,从而间接提高植物的养分利用效率。生物炭的施用可促进植物对N、P的吸收,从而提高了N、P的利用效率(NUE、PUE)。张等人为期6年的野外试验结果表明,施用生物炭增加了20–53%的NUE和38–230%的PUE。生物炭也可通过减少养分的淋失、气体排放以及增加土壤有机碳来增加NUE。
生物炭输入土壤即成为植物养分的重要来源,可为植物提供常量元素,微量元素以及其他营养元素。生物炭具有独特的理化特性,可通过改变土壤特性(包括pH和CEC)来影响土壤中的养分相互作用。生物炭的原材料类型、热解条件、土壤的类型以及生物炭添加量是影响土壤中营养元素可利用性的主要因素。由动物粪便、生物固体废物制备的生物炭中的N,P和K含量高于农作物残留物和木质生物炭。除N和S外,大多数营养物的有效性与热解温度呈正相关。生物炭输入后,植物对Ca,Mg和微量元素(Cu,Zn,Fe,Mn)吸收因情况而异。生物炭可以通过减少P,K和其他养分的淋失损失实现土壤保肥,提高植物的养分利用效率。
本研究的展望如下:
1)长期定位野外大田实验,研究生物炭入土后的特性变化。
2)总结归纳生物炭对养分利用效率的影响,根据养分利用效率实现对生物炭材料和施用剂量的选择。
3)增加生物炭中N检测方法。
4)探究不同热解温度下制备的生物炭有效态P的含量。
5)研究生物炭和微生物之间的相互作用以及它们如何影响养分转化。