生物炭对农业面源污染氮、磷流失的影响研究进展.

生物炭对农业面源污染氮、磷流失的影响研究进展摘要：综述了近年来国内外应用生物炭削减农田氮、磷养分流失的研究进展，从生物炭的作用机制和对土壤环境效应的影响2个方面出发，重点阐述了生物炭对土壤中氮、磷养分的吸附与转化，生物炭的作物效应以及生物炭对土壤淋溶过程的影响。生物炭不仅能够改善土壤环境，提高土壤氮、磷养分的有效性，促进作物的吸收和生长，而且由于其特殊的结构和理化性质，可以吸附土壤中未被作物利用的水分和养分，延缓养分释放，减弱其在土壤中的迁移转化能力，最终实现减少土壤氮、磷养分流失的目的。最后，着眼于当前相关研究的薄弱之处对今后研究重点和方向进行展望，供相关研究者参考。关键词：生物炭；氮流失；磷流失；吸附；环境效应近年来，随着点源污染得到有效控制，农业面源污染已经成为我国各大湖泊水体富营养化的主要污染源。目前，针对农业面源污染治理的主要措施包括污染物源头的控制、污染物流失路径的截断以及污染地的修复J。其中，污染物源头的控制作为最有效的防治措施，不但能够实现污染物的最小量输出，而且可以在一定程度上起到控制污染范围的作用。因此，如何在不改变农村种植结构和耕作方式的前提下从源头控制面源污染物的产生就显得尤为重要。自从HILTON等在1963年观察到生物黑炭对土壤中非草隆等有机农药具有良好吸附效果之后，生物炭就作为一种有效的土壤改良剂而被应用于温室气体减排、污染土壤修复以及生物有效性调控等方面卜mJ。以往国内外在生物炭治理土壤环境污染上的研究多集中于对土壤有机污染物¨卜和重金属的修复，而通过添施生物炭来削减农业面源污染中氮、磷流失的研究则相对较少。鉴于此，笔者在当前农村普遍增施氮、磷肥的情况下，探讨生物炭对农田土壤氮、磷养分流失的作用机理，为我国农业面源污染的治理提供理论借鉴。1生物炭对土壤中氮、磷的吸附作用1．1生物炭对氦、磷的吸附机制生物炭的吸附机制主要包括分配作用机制、表面吸附机制、联合作用机制以及其他微观机制。其中，表面吸附机制被认为是生物炭吸附土壤中NH、NO一和PO卜等非极性离子的主要机制。表面吸附指被吸附物质与吸附表面之间通过分子间引力(物理吸附)或化学键(化学吸附)而形成的吸附过程。生物炭由于其自身的多孔结构、巨大的比表面积卜以及表面富含多种官能团，不仅可以通过分子问引力(即范德华力)对土壤中未被作物吸收的NH、NO和PO等离子产生交换吸附作用卜船，【核心期刊发表】而且还能通过稳定的化学键对其产生不可逆的吸附。有研究表明，改性生物炭对硝酸盐和磷酸盐的吸附不仅符合物理吸附特性，同时还符合二级动力学反应方程，而二级或准二级动力学反应方程都可用来描述化学吸附过程，因此生物炭吸附硝酸盐和磷酸盐的过程又属于化学吸附。傅里叶变换红外光声光谱法(FFIR．PAS)及Zeta电位分析表明，一c00H和一0H等官能团的存在使生物炭表面含有大量负电荷，可作为电子供体与土壤、水体等物质中的电子受体发生作用，通过电子供体一受体间的特殊作用力加强对土壤氮、磷养分的吸附作用。CHUN等研究证实质子或电子间相互作用力是影响炭类物质吸附性能的重要因素之一。1．2生物炭对土壤氮、磷的吸附效率土壤一水体中氮、磷等养分的转化与迁移是造成农业面源污染的实质原因。生物炭能够吸附土壤中未被作物利用的氮、磷等营养元素，延缓养分在土壤中的释放，在一定程度上减少养分流失，起到保肥作用。生物炭对土壤养分的吸附主要是由于其多孔结构和特殊的表面特性。生物炭孔隙按其大小可分为大孑L隙(50nm)、小孔隙(0．9nm)和微孑L隙(2nm)。其中，小孔隙对生物炭吸附养分离子起主导作用卜船J。小孔隙结构能够降低土壤养分的渗漏速度，延缓水溶性营养离子的溶解迁移时间，加强对移动性强、易淋溶流失养分的吸附。也有研究表明，生物炭对养分的吸附主要通过产生交换性复合物，而非靠吸水来保持养分。另外，表面丰富的含氧官能团使生物炭具有较高离子吸附交换能力且有一定的吸附容量，能够吸附土壤中溶解态NH、NO一和PO卜等离子，减少氮、磷等养分的流失。而生物炭对离子的吸收也具有选择性引，这主要与生物炭原料和制备条件有关。研究表明，生物炭对NH和NO一具有较强吸附作用。DING等研究发现由竹子制成的生物炭能够吸附土壤NHN，从而降低土壤中NH一N的淋失；LEHMANN等通过土柱淋溶试验分析表明生物炭能减少土壤NO3--N的淋失。也有研究表明，生物炭在产生负电荷的同时也能产生正电荷，对土壤中磷素也起到吸附作用L45j。LAIRD等刮发现，随着生物炭施用量的增加，滤液中氮、磷养分显著降低，施用20g·kg生物炭，滤液中总氮和可溶性磷含量分别减少11％和69％。另外，生物炭对地表径流的产流时间也起到微弱的延迟作用，能够提高土壤的抗蚀性。2生物炭对土壤中氮、磷转化的影响2．1生物炭对氮素转化的影响土壤中氮素的转化是土壤氮循环的核心内容，其中矿化过程、硝化一反硝化过程以及土壤对NH的吸收固定是土壤中氮素转化的主要途径，直接影响作物对氮的吸收、利用和氮在植物一土壤系统中的损失。施入生物炭的土壤中氮矿化作用和固氮作用的相对优势取决于炭的有效性水平。随着生物炭量的增加，土壤微生物量碳和土壤微生物量氮含量降低，【评职称发表论文】有机质的降解作用和有机氮的矿化作用也随之减弱，可能是由于微生物固氮速率相比于总氮矿化速率有所提高。RONDON等和DEENIK等研究表明，在农田或草地施人生物炭对土壤中有机氮矿化作用影响不明显，甚至降低了氮矿化速率，导致氮对植物的有效性降低。而在森林中发生的临时性火灾生成的木炭却能提高土壤氮的矿化速率和硝化速率。BERGLUND等和DELUCA等利用活性炭代替森林火灾自然生成的木炭的研究表明，活性炭能够促进森林土壤中氮的矿化和硝化作用。目前认为生物炭能够促进土壤硝化作用的原因可能是生物炭表面特性使其能够吸附土壤中可溶的自由态酚类化合物，而酚类化合物能够抑制硝化细菌的增长，因此，降低酚类化合物浓度可以间接促进硝化细菌的增长。研究发现，经生物炭改良过的土壤其所含酚类化合物的浓度均较低。生物炭的多孔结构及其通过水肥吸附为土壤微生物群落提供适合的栖息环境被认为是生物炭促进硝化作用的另一原因。研究发现生物炭可以提高土壤中硝化细菌活性，促进氮素硝化过程引，同时可以增加土壤中固氮微生物数量，减少氮的反硝化作用。对于本身硝化水平相对较高的农田和草地系统而言，生物炭对土壤硝化反应并没有显著影响，但能降低其氨化作用卜。除此之外，生物炭能促进土壤中与氮利用相关的酶活性。2．2生物炭对磷素转化的影响生物炭对土壤中磷转化的影响主要体现在提高磷素的有效性上。生物炭经高温热解后，其自身部分稳定态磷被激活，转变为溶解态磷，供作物吸收利用。GUNDALE等研究发现，树皮热解后所得生物炭中水溶性PO含量较高。生物炭施入土壤后，能够促使有效磷低的土壤中闭蓄态磷转化为有效态磷l1mj，直接增加土壤中有效磷含量。而土壤中Al、FeH和Ca等离子易与磷素发生沉淀反应，如碱性条件下，与Ca反应生成磷灰石；酸性条件下，与Al、FeH等形成铁铝磷酸物。生物炭一方面能够直接吸附Aln、Fen和Ca等离子，降低土壤中磷被同定的风险。另一方面，生物炭表面已吸附的部分有机分子也能与AlH、Fe和Ca等离子形成螯合物，间接提高土壤磷素的有效性。另外，生物炭的多孑L结构也为各种微生物分解含磷有机物或无机物提供合适的场所和微环境条件，加快土壤中磷素的周转速率。3生物炭对土壤氯、磷有效性及淋溶过程的影响3．1生物炭对作物生长和产量的影响3．1．1作物生长根系是作物的主要营养器官，其大小、数量和在土壤中的分布特征与作物吸收土壤矿质营养元素和水分的能力有着密切关系。根系的生长和延伸在受土壤水分和养分限制的同时，土壤紧实度，即土壤容重也会影响作物根系在土壤中的穿插能力和活力。研究表明，随着土壤容重的增大，根系生长速度变缓，长度减小，粗度增加，生物量减少，且分布变浅，但水平分布角度增大，严重影响根系的生长发育。生物炭施人土壤后，土壤的抗张力强度¨。。和容重叭会显著下降，孔隙度随之增大，土壤中水分、空气和养分亦会增多，有利于植物根系的生长与延伸，促进作物养分吸收，减少氮、磷养分的流失。MAJOR等发现，随着施炭量的增加，【医学论文QQ/1138745058】土壤抗张力强度减弱。OGUNTUNDE等研究表明，生物炭可以降低约9％的土壤容重，将土壤总孑L隙率从45．7％提升至50．6％，而土壤环境的改善更有利于土壤微生物群落的繁殖。STEIN。BEISS等和WARNOCK等的研究结果均表明，生物技术通报施人生物炭的土壤中作物根部微生物的繁殖能力增强，微生物群落结构发生变化，对作物生理生化过程均产生重要影响。除了能促进作物根系生长外，生物炭还能影响种子萌发和苗期生长，增大作物的株高和茎粗q，降低叶片光合速率。3．1．2产量增加生物炭的增产作用主要体现在对土壤环境的改善方面’，调控土壤中营养元素的循环黯，提高土壤养分有效性，促进作物对土壤养分的吸收利用，减少化肥施用量'’’。STEINER等研究发现，生物炭不仅能提高土壤中氮、磷含量，还能促进水稻叶片对氮、磷的吸收。LEHMANN等u在热带和亚热带地区土壤中施人生物炭，发现除了能使作物增产外，植株中的镁、钙元素含量也有明显增加。刘世杰等研究表明在一定施用量范围内，生物炭可以增加玉米对氮、磷和钾的吸收，尤其是对钾的吸收。CHAN等研究表明，当施炭量超过20t·hm时，可减少约10％的化肥使用量。生物炭在提高作物对养分吸收利用的同时，还能增加作物产量。JEFFERY等运用元分析(meta—analysis)方法系统分析了生物炭与作物产量之问的相关性，发现生物炭改良后的土壤作物平均增产幅度约为10％，但变异性较大(一28％～39％)。KIMETU等在肯尼亚地区研究发现，连续施用生物炭(7t·hm)能够使玉米产量翻倍。STEINER等报道，施用生物炭(11t·hm)1a后，在连续2a内大米和高粱产量增长约75％。增产使得作物在收获时可以带走土壤中更多的营养元素，减少养分流失。3．2生物炭对土壤淋溶过程的影响水分作为土壤养分的载体，在提高作物对养分吸收利用的同时，也是导致土壤氮、磷淋溶流失的主要因素引。因此，加强田间水分管理对控制土壤氮、磷淋溶流失起到至关重要的作用。生物炭不但能增加土壤持水量和团聚体的稳定性，而且在提高作物对土壤有效水的利用和减少水土流失方面起到重要作用。生物炭对土壤淋溶过程的影响主要表现为3个方面：(1)生物炭施入土壤后，经过微生物对其表面的促进氧化，含氧官能团增加，阳离子交换量(CEC)增大，疏水性降低。同时，巨大的比表面积使生物炭的吸湿能力比土壤有机质高1～2个数量级，增加土壤的持水能力。(2)生物炭能够有效降低土壤抗张力强度，减少土壤收缩时产生的裂隙和下陷，提高土壤含水量。MAJORlo]研究表明，当土壤中施人50t·hm生物炭后，土壤抗张力强度会从64．4降至31kPa；当生物炭施用量增加至100t·hm时，土壤抗张力强度降至18kPa。文曼等E9s]研究表明，0～10和10—100kPa压力范围内，随着生物炭含量的增加，土壤收缩程度减小，土壤田间持水量增加；(3)生物炭通过改变土壤结构来影响水溶液在土壤中的渗透模式、滞留时间和流失路径，缩短土壤中水分滞留时间，延缓养分流失。BAIRD研究表明，草炭的孔隙结构能够显著影响导水性和溶质的迁移特征。GLASER等发现，含有丰富木炭的土壤表面积是周边土壤的3倍，而土壤田问持水量则增加18％。OGUNTUNDE等副研究表明，含有生物炭的土壤饱和导水率从(6．1±2．0)cnl·h增加至(11．4±5．0)cm·h～，提高87％。另外，生物炭对砂土中有效水的吸持效果较壤土和黏土显著。4结论与展望如何控制并有效削减农业面源污染已成为各国共同面临的环境难题。近年来，国内外学者关于生物炭对土壤中氮、磷养分流失的影响进行了多方面的探索研究，生物炭的生态环境效应正受到越来越多的关注。目前，生物炭已被证实能够通过调节土壤理化性质来降低土壤中未被作物吸收利用的氮、磷养分