生物炭对土壤磷、钾养分影响研究进展

王宁，焦晓燕，武爱莲，王劲松，董二伟，郭珺，丁玉川，王立革

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

生物炭对土壤磷、钾养分影响研究进展

王宁1，焦晓燕2，武爱莲2，王劲松2，董二伟2，郭珺2，丁玉川2，王立革2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

从施用生物炭对土壤磷、钾有效含量，形态转化及淋溶损失的影响等方面，分析总结了施用生物炭后对土壤磷、钾养分的影响。结果表明，生物炭施入土壤后会不同程度地提高土壤中有效磷、速效钾的含量，这和生物炭本身携带一定量的磷、钾养分有关；生物炭也会通过改善土壤理化性质和微生物生境等对土壤磷素有效态转化和固定态钾的释放产生一定的积极影响；此外，生物炭具有较大的比表面积和较强的吸附性，也能有效减少土壤中磷、钾的淋溶损失；生物炭类型、施用量、土壤类型和肥力状况等因素在一定程度上影响了生物炭对磷、钾的作用。建议今后综合考虑上述因素开展多点联网定位试验，以进一步明确生物炭对土壤磷、钾养分的影响和作用。

生物炭；磷；钾；转化；淋溶

磷、钾是植物生长所必需的大量营养元素[1]。近年来，随着我国农业的不断发展，缺磷缺钾已经成为限制农业发展的重要因素[2-4]。大量的磷、钾肥料被施入土壤中，但其当季利用率却很低。例如磷的当季利用率只有10%～25%，施入的磷绝大多数以无效态形式在土壤中积累[2]。而钾肥施入土壤后也极易被固定失活[5]。并且磷、钾还会随径流损失，尤其是磷随径流进入水体后还会引起水体的富营养化，造成环境污染[6]。磷、钾肥的大量施用造成了资源浪费，过量施磷也增加了环境污染风险。所以，寻找一种既能减少磷钾肥料投入又能提高土壤磷钾有效性的经济有效措施迫在眉睫。

生物炭（Biochar）是生物质（如作物秸秆、动物粪肥等）在无氧或缺氧条件下，经高温裂解产生的一类化学性质稳定、富含碳素的物质[7]。作为一种外源输入的新型功能材料，其在增加土壤碳库，改善土壤质量，持留土壤水分养分和提高作物产量质量方面发挥作用[8-10]。有研究指出，生物炭施入土壤后能提高土壤中有效磷、速效钾的含量，还能减少土壤磷、钾的淋溶损失[11-13]。土壤中磷和钾的迁移转化受到诸如水分、温度、pH值、CEC和施肥等诸多因素的影响[14-16]。生物炭可能影响其中一种或几种因素进而影响到土壤磷、钾的转化。目前，国内外在生物炭对土壤氮素的循环转化上研究较多，而对磷、钾的转化研究较少[17-19]。因此，笔者重点综述了生物炭对土壤磷、钾的有效性转化以及淋溶损失的影响，以期为生物炭在土壤磷、钾养分管理方面的应用提供理论依据。

1 生物炭对土壤有效磷、速效钾含量的影响

有效磷、速效钾是植物能直接吸收利用的土壤磷、钾养分，其含量的多少是评价土壤供磷、供钾能力的一个最重要的指标。惠锦卓等[20]通过土柱模拟试验表明，灌淤土有效磷、速效钾含量随稻壳生物炭添加量的增加而增加。才吉卓玛[21]将玉米秸秆炭添加到红壤、水稻土、潮褐土、潮土后发现，土壤中Olsen-P含量显著增加，并随着生物炭施用比例的增加而增加。顾美英等[22]将小麦秸秆炭施入新疆灰漠土和风沙土后发现，生物炭对灰漠土养分影响无明显规律性，但风沙土中有效磷、速效钾含量随着生物炭施用量的增加而增加。这可能是因为灰漠土基础养分较高而风沙土基础养分较低的缘故。然而曾爱等[23]在塿土中添加生物炭后发现，当添加量为1 000 kg/hm2时，小麦在生长期土壤中有效磷含量最高，当添加量为5 000，10 000，20 000 kg/hm2时，土壤有效磷含量反而呈递减趋势；但土壤速效钾含量随生物炭添加量的增加而增加。由此可见，生物炭类型、生物炭添加量的不同以及土壤类型等都会影响到土壤中有效磷、速效钾的含量。但总体来说，生物炭输入土壤中会不同程度地提高土壤中有效磷、速效钾的含量。

2 生物炭对土壤中磷、钾转化的影响

生物炭输入土壤后，会携带一部分磷、钾养分，其在改善土壤结构，增强土壤持水性，提高土壤pH值和CEC等方面发挥作用，从而影响土壤中磷、钾的转化。此外，生物炭还会直接或间接地影响土壤微生物的生存环境，对其产生一定影响，进而影响其对土壤磷、钾的活化或钝化作用。

2.1 生物炭对土壤磷转化的影响

生物炭由于自身特有的理化性质，施入土壤后会对土壤中磷的迁移转化过程产生一定的影响。武玉[24]通过室内模拟试验研究了生物炭对酸性土壤（pH值为4.7）和碱性土壤（pH值为7.0）磷素形态及有效性的影响，并采用Hedley分级方法进行了分级研究。结果表明，与对照处理相比，生物炭提高了土壤中有效磷的含量。生物炭加入酸性土壤后，在培养初期对除NaHCO3-Pi外各形态的磷有一个正激发效应，能够增加各形态磷的含量，但是随着培养时间的延长，生物炭对H2O-Pi，NaOH-Pi正激发效应加强，对NaHCO3-Pi的负激发效应减弱；生物炭加入碱性土壤后，在培养初期对各形态的磷大致有一个负激发作用，但是随着培养时间的延长，生物炭对H2O-Pi由负激发效应转化为正激发效应，对NaHCO3-Po的负激发效应减弱，并且促进土壤中难以被植物吸收利用的HCl-Pi向其他形态转化。总体来说，添加生物炭可以提高酸碱土壤中H2O或NaHCO3提取态P的含量。Hedley等[25]将H2O或NaHCO3提取态磷划为植物可以利用的磷，其有效性类似于Olsen-P。因此，添加生物炭有助于提高土壤中磷的有效性。苏倩等[26]在新疆灰漠土上的试验亦证明了这一点。

生物炭自身含有一定的磷。在制备过程中，原材料中的磷几乎全部保留在生物炭中，这部分磷随着生物炭添加到土壤中成为水溶性磷和可交换性磷的直接来源。才吉卓玛[21]通过培养试验，研究了添加2%，4%，8%比例生物炭对红壤、水稻土、潮褐土和潮土中磷有效性的影响，结果表明，添加生物炭后Olsen-P含量显著提高，且与生物炭施用量达到了显著性正相关。并通过对比试验表明，去除灰分后，对提高土壤Olsen-P含量显著低于未去除灰分处理，因此，生物炭灰分是提高土壤有效磷含量的重要组分。Jin等[27]以粪源生物炭替代磷肥施入2种土壤（沙壤土和黏壤土）中，经过98 d的模拟培养试验后发现，添加1.5%生物炭的土壤总磷分别增加了82.1%和81.1%，而且认为主要是生物炭中富含的正磷酸盐和焦磷酸盐增加了土壤中无机磷的含量。

土壤pH值也是影响土壤磷素有效态转化的重要因素，石灰性土壤pH值的降低会显著增加土壤磷素的有效性，而酸性土壤上作物的吸磷量也会随着石灰的施用量增加而增加[28-29]。生物炭的碱性会提高土壤的pH值，进而对土壤磷素转化产生间接影响。靖彦等[30]研究了生物炭与无机肥料配施对旱地红壤有效磷和pH（初始值为4.54）的影响，结果表明，经生物炭处理后土壤的有效磷与pH值呈显著相关性，有效磷含量随着生物黑炭用量的增多而增加。添加40 t/hm2生物炭的土壤pH值和有效磷含量在油菜各生育期均得到不同程度的提高，在抽薹期、开花期、成熟期分别较种植前平均提高了16%，26%；23%，38%；100%，317%。土壤pH值还会影响土壤磷素的沉淀溶解。尤其是在酸性土壤上，pH值的轻微变化都会影响到磷与Fe3+和Al3+沉淀的变化[31]。在碱性土壤上，磷的溶解性主要取决于其与Ca2+的相互作用。生物炭能够通过改变土壤的pH值，进而改变磷酸根与Fe3+，Al3+和Ca2+等金属离子相互作用的强度[32]。

土壤中许多微生物具有将植物难以利用的磷转化为可以利用的磷的能力[33]。生物炭可以通过改变微生物生存环境、土壤磷酸酶活性等来影响土壤磷素转化。才吉卓玛[21]将生物炭施入红壤、水稻土、潮褐土和潮土后发现，生物炭对土壤磷酸酶产生了一定的抑制作用，而在生物炭与外源磷配施条件下，其对磷酸酶的抑制作用减弱。Jin等[27]研究发现，生物炭虽然抑制了酸性磷酸酶的活性，但增强了碱性磷酸酶的活性。生物炭施入土壤后，土壤水分、肥力、pH值、CEC和EC等条件发生变化，进而影响了微生物生存环境[34]。此外，生物炭对微生物的生长也有着直接的作用：（1）生物炭的多孔性和巨大表面积能为微生物提供良好的栖息地，有效吸附微生物，为其提供附着载体；（2）生物炭为微生物提供P，C，Na，Mo等多种营养元素和微量元素，也为微生物生长提供了有利条件[35-36]。生物炭促进了微生物对无机固定态磷的溶解，对有机态磷的矿化和对磷的固持作用，进而提高土壤有效态磷的含量[16]。

2.2 生物炭对土壤钾转化的影响

与磷相同，生物炭也会携带大量钾进入土壤。王耀锋等[37]将竹炭和水洗竹炭（水洗是处理生物炭较简单的方式，其对生物炭本身结构性质影响较少）等量施入水稻土后发现，生物炭可以显著提高土壤中速效钾的含量，且竹炭土壤中速效钾含量显著高于水洗竹炭土壤。这是由于竹炭经水洗后，减少了其灰分含量，尤其是钾元素。也有研究指出，生物炭配合钾肥施入土壤中也会提高钾肥的利用效率。与单施钾肥对照相比，配施1%生物炭的钾肥利用率比单施钾肥提高了9.4%，这在减少肥料投入上具有一定的指导意义[38]。

除直接为土壤供钾外，生物炭也可能会对土壤钾的固定及释放作用产生一定的影响。但目前关于添加生物炭对土壤钾素固定及释放特性影响的研究报道较少。土中钾素的固定与释放受到粘土矿物类型，温度，pH值，CEC，土壤水分含量，钾离子饱和度等因素的影响[5，14]。由于生物炭添加到土壤后会提高土壤温度，提高土壤pH值和CEC，以及可以吸附和保持水分，可能会对土壤钾素有效性产生积极影响。

3 生物炭对土壤磷、钾淋溶损失的影响

土壤养分淋溶损失可导致土壤肥力下降，土壤酸化，有机质含量减少，同时也会影响到地表水或地下水的质量[39]。尤其在我国南方地区，由于水热充沛、土壤矿物风化程度高、土壤偏酸和有机质含量低以及过量施肥等原因，土壤养分淋失问题尤为突出，严重制约了农业的可持续发展[40]。生物炭由于具有较大的比表面积及多孔结构，以及其表面附着的大量盐基离子及负电荷基团，所以，对土壤水分、养分有较强的吸持作用。李江舟等[40]研究了玉米炭对南方植烟土壤养分淋失的影响，结果表明，生物炭与肥料配合施入土壤后能显著降低土壤磷的淋溶损失，且降低幅度随生物炭施用量的增加而升高。此外，降幅随时间呈先升高后降低的趋势。而其对土壤钾素淋失反而有促进作用。40%添加量下土壤钾素淋失比对照高47%。这可能与生物炭自身携带大量钾素有关。郎印海等[41]研究了柚皮生物炭对河口滩涂土壤磷吸附能力的影响，通过Freundilich模型进行描述，结果发现，生物炭抑制了土壤对磷的吸附，且高温生物炭（600℃）的抑制作用大于低温生物炭（300℃）。张成红[42]通过土柱模拟试验研究2种生物炭（玉米、小麦）对3种土壤（普通棕壤、普通褐土、酸性棕壤）磷、钾养分淋失的影响，结果表明，生物炭对磷、钾的淋失都有很强的促进作用，且小麦秸秆炭的促进作用大于玉米秸秆炭。而李际会等[43]通过负载Fe盐来为生物炭改性，通过对比试验表明，未负载铁盐生物炭处理有效磷淋失量显著高于对照，而负载铁盐生物炭处理有效磷淋失量则显著低于对照。由此可见，生物炭的性质、添加量以及施用土壤类型不同，其对土壤磷、钾的淋溶损失的影响也不相同。

4 展望

通过对目前生物炭对土壤的改良作用及对磷、钾养分影响的研究成果的综述，发现有几个方向的研究还存在不足，今后的研究应集中在以下方面。

（1）生物炭施入土壤后会长期留存于土壤中并参与土壤各项生物地球化学循环。但目前生物炭的研究主要以土柱模拟和室内盆栽为主，缺乏长期定位试验，所以，有必要建立生物炭应用于不同类型土壤的长期定位试验。

（2）我国土壤类型众多，生物质多种多样，不同生物质制成的生物炭性质也有很大差异，所以，不同种类生物炭应用在不同土壤上的表现肯定不同，有必要开展全国多点联网定位研究。

（3）虽然生物炭的施用对土壤磷、钾养分有积极作用，提高了土壤有效磷、速效钾的含量，但对磷、钾养分组分变化的影响研究较少，还需要进一步研究。

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Research Advances on Effects of Biochar Application on Soil Phosphorus and Potassium

WANGNing1，JIAOXiaoyan2，WUAilian2，WANGJinsong2，DONGErwei2，GUOJun2，DINGYuchuan2，WANGLige2

（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

In this paper,the current studying progresses about the effects of biochar application on soil phosphours and potassium nutrients with respect to effevtive component,morphological transformation and the leaching loss were reviewed.The result showed that biochar application could improve the content of effective phosphorus and rapidly-available potassium,and it was related to the biochar itself.Biochar also had some positive effects on the transformation of soil phosphorus availability and release of soil potassium fixation by improving soil physical and chemical properties and soil microbial habitat.In addition,the biochar had larger specific surface area and strong adsorption abaility,could effectively reduce the leaching losses of soil phosphorus and soil potassium.The factors such as biochar types,application rates,soil types and fertilitymight influence the effects ofbiochar on soil phosphorus and potassium.Consider the above factors,a research on the positioning of multi-point network should be proposed to make the effects of biochar application on soil phosphorus and potassiummore clear.

biochar;phosphorus;potassium;transformation;leaching

S158

A

1002-2481（2016）09-1402-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.42

2016-04-19

山西省国际合作项目（2014081040）

王宁（1992-），男，山西怀仁人，在读硕士，研究方向：农业水土资源管理与荒漠化防治。焦晓燕为通信作者。