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  中国水土保持科学   2020, Vol. 18 Issue (4): 139-149.  DOI: 10.16843/j.sswc.2020.04.016
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引用本文 

刘国子, 杨凤根, 许斌. 生物炭对土壤氮素淋失影响的研究进展[J]. 中国水土保持科学, 2020, 18(4): 139-149. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.04.016.
LIU Guozi, YANG Fenggen, XU Bin. Advances in research on effects of biochar on soil nitrogen leaching[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(4): 139-149. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.04.016.

项目名称

水利部公益性行业科研专项项目"速生桉树人工林区氮污染同位素示踪研究"（201301044）

第一作者简介

刘国子(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:水文地质。E-mail:lgzhhu2345@163.com

通信作者简介

杨凤根(1963-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:水文地球化学及环境地球化学。E-mail:yangfg@hhu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2019-03-19
修回日期：2019-05-22
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
生物炭对土壤氮素淋失影响的研究进展
刘国子 , 杨凤根 , 许斌     
河海大学地球科学与工程学院, 210000, 南京
收稿日期：2019-03-19; 修回日期：2019-05-22
项目名称：水利部公益性行业科研专项项目"速生桉树人工林区氮污染同位素示踪研究"（201301044）
第一作者简介：刘国子(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:水文地质。E-mail:lgzhhu2345@163.com
通信作者简介：杨凤根(1963-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:水文地球化学及环境地球化学。E-mail:yangfg@hhu.edu.cn
摘要：在农业活动中, 由于片面追求粮食高产, 过度使用氮肥造成土壤养分过剩, 由其引发的环境问题日益严峻。生物炭作为一种高效的土壤改良剂, 施用后会影响土壤氮素养分的持留, 进而影响土壤保氮能力。为明确前人研究成果, 为今后开展土壤氮素淋失的研究工作提供借鉴, 针对生物炭对土壤氮素淋失的影响展开综述, 将外在条件(土壤种类、生物炭类型, 使用量及添加方式, 作物类型等)和内在条件(生物炭理化性质、微生物作用)相结合, 深入探讨并阐明生物炭影响土壤氮素淋失的4种机制:1)生物炭发达的微孔结构及巨大的比表面积赋予其强效的物理吸附性能, 可以大大增加土壤中含氮养分的固留时间, 从而减少淋溶作用所造成的氮素损失; 2)生物炭加入土壤中, 改善土壤持水能力, 避免氮素养分随水迁移造成损失; 3)生物炭提高了土壤CEC值、pH值等, 从而增强土体的化学吸附性能; 4)生物炭与微生物相互作用, 影响土壤中氮素的循环与利用。最后就生物炭应用于土壤氮素控制领域进行了展望。
关键词：生物炭    氮淋失    氮转化    生物炭老化    微生物    
Advances in research on effects of biochar on soil nitrogen leaching
LIU Guozi , YANG Fenggen , XU Bin     
School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, 210000, Nanjing, China
Abstract: [Background] In agricultural activities, due to the unilateral pursuit of high food production, the environmental problems from excessive use of nitrogen fertilizer have become increasingly serious. As a highly effective soil amendment, biochar affects the retention of nitrogen nutrients in the soil and affects the nitrogen fixation capacity of the soil. This review aims to clarify the prior research results, and to provide reference for the future research work on soil nitrogen leaching. [Methods] By focusing on the effects of biochar on soil nitrogen fixation capacity, we combined external conditions (soil environment, biochar type, amount and mode of addition, crop type, etc.) and intrinsic conditions (physical properties of biochar, microbial action), and conducted in-depth discussion and clarification of the four mechanisms of biochar's ability of affecting soil nitrogen fixation, and prospected the future research directions. [Results] 1) There are 4 mechanisms of biochar's ability to affect soil nitrogen fixation. a) The microporous structure of biochar and its large specific surface area give it strong physical adsorption properties, which can greatly increase the nitrogen content in soil. The retention time of nutrients reduces the loss of nitrogen caused by leaching. b) Biochar is added to the soil to improve the water-holding capacity of the soil and to avoid the loss of nitrogen nutrients with water migration. c) The oxygen-containing acidic functional groups formed on the surface of the biochar increase the CEC value, pH value, etc. of the soil, thereby enhancing the chemical adsorption performance of the soil. d) The interaction between biochar and microorganisms indirectly affects the circulation and utilization of nitrogen in the soil. 2) The future research direction of biochar nitrogen fixation technology and suggestions for the scientific use of biochar in agricultural production are in followings. a) We should actively carry out medium and long-term outdoor tests of biochar, and conduct in-depth research on the stability of biochar. b) We should study the interaction between soil nitrogen nutrients and other nutrients, and verify whether the biochar's retention of nitrogen nutrients is affected by other nutrient elements. c) We need to consider the environmental problems caused by the biochar production process, which is related to the sustainable development of biochar, which may have certain practical significance. d) Biochar may have a certain upper limit on the ability of nutrient adsorption, and we need to further explore it. e) In agricultural production activities, we should pay attention to the use of biochar, learn to adapt to local conditions, and rationally apply biochar according to different soil conditions to improve the effectiveness of fertilizer nutrient utilization. f) We should try to establish a biochar-soil-crop joint research system to better serve agricultural production. Explore new ways to produce cheaper biochar, and strive to reduce their production costs and maximize their economic benefits. [Conclusions] The relevant works are summarized and 4 mechanisms and 6 prospects are clarified, which may provide the references for the future research on soil nitrogen leaching.
Keywords: biochar    nitrogen leaching    nitrogen transformation    biochar aging    microbial community    

二战以来, 随着科技的进步、生产力水平的上升, 世界人口急剧膨胀。为了满足庞大人口的粮食供应, 利用氮肥实现粮食的增产增收成了农业活动一项基本手段, 氮肥可以提高作物单产的能力[1]。相关数据表明, 氮肥对于全世界粮食总产量的贡献率约为30%[2]，从1997—2017年, 国内氮肥产量以每年6.7%的速率增长, 然而每年实际消耗的氮肥总量约为产量的一半[3], 由于大量使用氮肥, 除了少部分被作物吸收利用外, 大部分持留在土壤中, 造成土壤养分过剩[2], 氮肥过剩问题日益严峻起来。土壤中过剩的氮素养分可以通过3种途径迁移转化：1)地表土壤在大气降水不断入渗淋洗下, 过剩的含氮养分以硝酸根形式淋出, 经过垂直入渗的方式汇入地下水中, 从而对地下水造成严重的污染；2)碱性土中以铵根离子存在的氮素, 经过挥发作用进入大气；3)在反硝化细菌的催化下, 氮素以氮气、一氧化二氮的形式释放到空气中[4-5]。当水中氮素含量过高, 水体出现富营养化, 大量藻类繁殖生长, 其旺盛的呼吸作用消耗了水中的氧气, 导致鱼类的死亡, 进而造成水质的恶化[6]。硝酸盐含量过高的地下水也会对人体造成一定的损害, 饮用含有硝酸盐的地下水会与胃酸发生作用, 使得人体中携带氧气的血红蛋白发生变性, 由此引发高铁血红蛋白症。另外亚硝酸盐也是食道癌和胃癌重要诱发因素[7]。

生物炭是在部分供氧或完全隔氧的条件下由各种有机生物质体经高温(300~700 ℃)热解而成的一类微观孔隙发育、比表面积巨大、碳含量较高的高度芳香化固体物质[8]。生物炭作为一种土壤改良剂, 因其独特的理化性质会改善土壤的pH值、水分、孔隙度、密度、阳离子交换量等[8], 其多孔结构提升了土壤总孔隙度, 扩充了水分储存空间, 易与土壤颗粒形成微小团聚体, 故有利于土壤水分及养分的保持[9], 它可以影响土壤中氮素持留的时间, 特别是铵根离子, 生物炭表面存留的含氧官能团, 导致其具有高密度负电荷, 在静电引力的作用下, 可以牢牢地将铵根离子吸附在土壤表面[9]。而对于硝酸根的固持作用, 主要通过增强土壤持水性能, 减缓因为土壤水分垂直运移造成硝酸根被淋溶的速度, 进而提升硝酸根在土层中的存留时间, 从而充分被作物吸收利用, 在一定程度上也可以缓解地下水中硝酸盐污染[10]。因此利用生物炭改良土壤环境对于控制养分淋失及水土流失具有重要的指导意义。

生物炭对土壤氮素淋失的影响受各种条件制约, 笔者从内外条件出发, 全面综述生物炭对土壤氮素淋失的多重影响。在此基础上, 系统地阐明生物炭对土壤氮素淋失的作用机制, 并对生物炭应用于土壤氮素控制领域进行展望，以期为生物炭应用于农业领域提供理论依据。

1 生物炭影响土壤氮素淋失的外在条件 1.1 土壤种类和生物炭使用量

在相同/不同的土壤中施加相同/不同配比的生物炭, 对土壤氮素淋失效果不一样。添加相同用量的花生壳生物炭于南方红壤和黄棕壤中, 结果表明, 强酸性红壤pH值提高且有机质及氮含量增加, 而对弱酸性黄棕壤改良效果弱于强酸性红壤[11-12]。王燕等[13]发现, 玉米秸秆生物炭可以提升砂土的持水能力进而减少氮素淋溶损失, 随着生物炭添加量的加大, 水和总氮累积淋失量都随之减小, 这与李帅霖等[14-15]研究结论相反, 1%和4%处理的生物炭均增加粉质黏土中硝氮淋失, 并且4%的添加比例下, 土壤湿润锋运移速度加快, 累积入渗量变大。Kanthle等[16]同样认为, 对比黏土, 生物炭对于控制砂土硝氮的淋失效果更佳, 这很有可能与土壤性质有关。国外少数研究表明, 生物炭可能会引起黏土胶粒分散, 导致其电化学性质改变, 减少其颗粒聚集[17]。上述研究可以证实, 生物炭对铵氮及硝氮淋失均呈现2种效果, 抑制或者促进其淋失, 这可能与土壤种类及生物炭使用量有关, 因此在研究生物炭对土壤氮素淋失的影响时, 要统筹兼顾土壤种类和生物炭使用量这两个外在条件。

1.2 生物炭添加方式

生物炭添加方式的不同也会引起土壤氮素淋失的差异。国内研究表明, 麦秆生物炭表层混合与全层混合相比, 非根际土壤中铵根离子增加的效果更为显著, 而根际土壤中硝酸根离子增加的效果较小[18]。作物根系主要分布在浅表层土中, 全层混合削弱了其对表层土的作用强度, 而表层混合使得土壤表层生物炭较为集中, 促进了表层土的氮固持, 有效减少氮流失, 有利于作物对养分的吸收利用[19]。张千丰等[20]研究表明, 氮肥优先吸附生物炭再与土壤混合相比于氮肥、生物炭、土壤三者同时混合更能有效减少氮素淋失。相关研究发现, 单独施用生物炭会降低土壤氮素等养分的利用效率, 故需将生物炭与肥料配合施用[21-22]。炭基肥以生物炭为基本载体, 很好地结合生物炭与肥料的优点, 即生物炭良好的吸附性能、肥料自身提供的充足养分, 它作为一种长效肥料, 可以发挥养分的缓释作用, 这种缓慢释放的养分可以抵消肥料投入, 减少土壤养分的淋溶作用, 因此被广泛应用于农业生产当中。

1.3 土层深度

氮素在各土层之间的分布呈现明显差异性, 土壤胶粒表面主要积聚负电荷, 由于静电引力作用, 通常对铵根离子的吸附能力较强, 一般由肥料施入土中的铵根离子主要分布在表层土中, 深层分布较少。而硝酸根离子带负电荷, 受土壤胶粒的静电排斥作用, 其在土层中垂直运移主要依靠土壤水作为载体, 在土壤上层水分的不断入渗淋洗下, 硝酸根可以被带至土层深部[23-25]。在相同的环境条件下, 土壤铵氮的淋失效果要弱于硝氮的淋失效果[26-27]。当生物炭施用于土壤中时, 可以影响到各土层中不同形式的氮素分布。王燕等[13]研究发现, 0~20 cm土层中总氮含量与玉米秸秆生物炭添加量呈现正相关关系[28], 而其他土层总氮含量没有显著变化, 在淋溶实验初期阶段, 玉米秸秆生物炭对于NH4+-N固持主要发生在0~10 cm土层中[29], 而对NO3--N固持主要发生在10~20 cm土层中[30]。尚杰等[31]试验也指出, 施用生物炭对土壤NO3--N有显著的吸附固持作用, 添加生物炭处理的土壤在垂直剖面上硝氮的变化趋势是一致的[32], 随着土层深度加深(0~30 cm), 生物炭施用量(20~80 t/hm2)越大, 土壤氮密度增加越大[31]。生物炭会引起氮素在不同土层间的淋失差异, 可能由于其密集的微孔结构增强了土体的持水力, 有效地阻滞土壤水分的垂直输送, 故影响了不同土层之间氮素淋失作用。

1.4 作物类型

不同作物对氮素固持的能力不同, 当生物炭施用于作物土壤中会综合影响土壤保氮能力、作物氮素吸收率及作物产量。有关研究显示, 当麦秆生物炭(450 ℃热解)施用于酸性红壤后, 豆科类作物的氮素吸收率和籽粒产量增加[33-34], 针对这一现象, Güerena等[35]研究指出, 麦秆生物炭可以有效改善土壤酸度, 增加有机氮矿化, 减少氮淋失, 并强化作物菌根定植, 从而改善植物营养, 但还有待考证。Zhou等[36], Daigh等[37]和Hüppi等[38]研究发现, 培植覆盖作物对壤土氮素的循环贡献较大, 覆盖作物和木屑生物炭共同作用可以减少壤土氮淋失并提高玉米产量。Xiao等[39]试验结果表明, 添加玉米秸秆生物炭增加了旱作春玉米作物氮吸收, 籽粒氮浓度和籽粒产量, 减少表层20 cm土壤剖面处NH4+-N的浓度, 10和20 t/hm2生物炭处理分别增加10~20和0~20 cm土层处的NO3--N浓度。生物炭的添加会改变旱作春玉米作物上部和根际生长特征, 影响作物干物质累积。作物生长初期, 较高的生物炭处理可能会抑制其根际生长, 但在其生长后期, 生物炭对作物根际生长总体表现为促进作用, 作物根际效应增强[40-41]。以上所述说明不同类型的作物对生物炭响应效果存在差异, 作物利用氮素效率的提升, 可以有效缓解土壤中过剩养分的积存, 从而避免淋失作用的发生, 因此在农业生产中应合理施用生物炭以达到保肥增产的目的。

1.5 施肥情况

施肥情况主要与施肥与否, 肥料类型有关, 这些都会影响土壤氮素淋失, 生物炭对不同氮素的持留能力也间接受到这些因素制约。未人工施入氮肥时, 含有生物质炭的土壤中矿质氮淋出总量为对照组的24%, 但在施入氮肥后, 含有生物质炭的土壤淋出总量较为提高[42]。Lehmann等[43]认为, 这可能是由于肥料养分的增加削弱了生物炭对氮素的固持效果。Nelissen等[44]研究发现, 添加生物炭使得3种肥料(尿素、氯化铵、硝酸钾)处理下的土壤硝酸盐浓度降低6%~16%, 并且与仅施用尿素和硝酸盐相比较, 添加生物炭处理减少了N2O(52%~84%)和NO(47%~67%)的排放, 其中当施用氯化铵时仅发生NO排放。张千丰等[20]研究也指出, 白浆土中的生物炭分别减少3种氮肥处理下氮素损失8%、15%和12%, 黑土中的生物炭分别减少3种氮肥处理下氮素损失5%、18%和12%, 玉米棒芯生物炭对硝酸钾的固持效果要好于硫酸铵。通过分析上述观点, 笔者认为, 生物炭对土壤中各种含氮养分持留效果不甚统一, 这可能和生物炭及养分的类型有关。

1.6 时间累积效应(动态观测)

土壤中氮素淋失作用是一个动态变化的过程, 淋失强度呈现出明显的时空差异性, 而生物炭的加入无疑会对这一过程产生影响。Borchard等[45]研究发现, 在浸出实验初期(＜30 d), 添加生物炭处理的土壤其NO3--N浸出率减少13%, 随着实验的持续进行(＞30 d), NO3--N浸出率减少超过20%, 并且他认为时间效应是影响NO3--N浸出的一个关键因素。而Ventura等[46]指出短期内生物炭对20 cm土层处硝氮淋溶毫无影响, 1年后其效果显著。Wang等[47]和肖建南等[48]研究观点相似, 稻田土壤中施入生物炭在追肥之后1~7 d内, 20~60 cm处NO3--N和NH4+-N淋溶量虽有显著增加, 但7 d之后二者淋失风险有所降低, 并在整个水稻生长期内均呈现出下降趋势，生物炭的加入延缓了铵态氮向硝态氮的转化作用, 从而可以减少硝氮的淋失[49-51]。生物炭对氮素淋失的影响存在一定的滞后性, 随着时间的推移而变化并且高度依赖于土壤的性质, 因此当我们研究生物炭对土壤保氮能力的影响时, 时间效应也是不可或缺的外在条件之一, 需要充分考虑在内, 这将有助于我们用发展的眼光来探索生物炭的作用机制。

2 生物炭影响土壤氮素淋失的内在条件 2.1 生物炭的理化性质

生物炭成为土壤改良剂和污染物吸附剂的潜力取决于它们的理化性质, 孔隙特性是生物炭基本的物理特性, 这一特性影响生物炭与土壤之间相互作用的过程, 控制着生物炭对土壤养分的吸附作用[52]。生物炭的孔隙结构从纳米级到微米级的宽孔径分布, 这取决于生物炭原料类型和热解条件(温度和时间)[53], 生物炭的表面积和微孔体积随着热解温度的升高而增加[53], 生物炭的物理吸附主要发生在生物炭的孔内和内表面上, 生物炭的内表面积与生物炭的吸附能力也具有正相关关系[54-57], 如表 1[57]所示。

表 1 不同原料和热解条件下生物炭基本物理性质[57] Tab. 1 Physical properties of biochar derived from different feedstock and pyrolysis condition[57]

生物炭的微米级孔隙对于水储存和土壤微生物的生态位有重要意义, 这些孔隙既是微生物的栖息地, 也是植物可用水的储存池。相比之下, 生物炭的纳米级孔隙主要决定化学吸附属性, 纳米级孔的表面积可以为各种各样的养分及污染物提供吸附位点[52]。

生物炭掺入土壤, 对于土壤孔隙, 团聚结构, 水文功能产生影响, 它可以通过以下机制影响土壤的理化性质：1)直接孔隙贡献；2)创造生物炭和周围土壤之间的容纳孔隙；3)增加土壤团聚体的稳定性；4)改善土壤孔隙的持久性[8]。许多研究表明这一点, 随着生物炭的增加, 土壤密度降低, 而孔隙度和保水能力上升, 土壤体积密度和总孔隙率的变化程度取决于生物炭的类型和粒度以及施用率[53]。也有相关研究表明, 应用生物炭没有改善砂质土壤的水文功能, 未添加生物炭处理和添加生物炭处理相比, 生物炭应用于砂壤土对土壤水分利用率并没有显著影响[53]。因此生物炭对土壤堆积密度, 孔隙度和水力特性的改变不一致, 并且随土壤类型和生物炭性质而变化。

生物炭除影响土壤物理和水力性质外, 应用生物炭有可能改变土壤pH值, 生物炭应用在酸性土壤中略微增加pH值, 但在碱性土壤中降低pH值[53]。生物炭自身pH值的增加主要是由于—COOH和—OH等有机官能团随着热解温度的升高而减少, 并且生成碳酸盐(如CaCO3和MgCO3)和无机碱, 即生物炭灰分随着热解温度的上升而增加[54], 如表 2所示。土柱试验表明, 添加4%的秸秆生物炭(在730 ℃下缓慢热解)至土壤中, 土壤pH值由6.8增加到9.2, 而添加相同比例的木材生物炭(450~480 ℃下缓慢热解)至土壤中, 土壤pH值不发生变化[53, 55]。

表 2 不同原料及热解条件下生物炭pH值及CEC[57] Tab. 2 pH and CEC of biochar derived from different feedstock and pyrolysis condition[57]

阳离子交换量(CEC)是表征生物炭吸附阳离子能力强弱的参数例如吸附K+和NH4+, 其与生物炭表面负电荷密度有关, 土壤中含有CEC较高的生物炭往往会阻止养分浸出[54]。生物炭CEC值的变化依赖于热解温度[56-57], 如表 2[57]及图 1[55]所示。

BL, BS, BP, SL, SS, CS, MS and EB refers to that the raw material of biochar is banana leaf, banana stem, banana pseudo stem, sugarcane leaf, sugarcane stem, cassava stem, mulberry stem, and eucalyptus branch, respectively 图 1 不同原料和热解条件下生物炭最大NH4+-N和NO3--N吸附量[55] Fig. 1 Maximum adsorbing capacity of NO3- (qeNO3--N) and NH4+ (qeNH4+-N) of biochar derived from different feedstock and pyrolysis condition[55]

老化对生物炭性质, 成分和碳固存的影响仍然存在争议, 一般来说, 随着老化的进展, 生物炭的尺寸会减小, 并且在生物炭表面上形成羧基、羰基或羟基等官能团。功能老化的生物炭可能会增加生物炭、土壤有机质、土壤矿物质、营养素和污染物之间的相互作用[58-59]。Dong等[60]研究表明在生物炭老化5年后, 生物炭的比表面积相对于新鲜生物炭增加98%~114%, 其含有比新鲜生物炭更多的—COOH官能团, 吸附潜力进一步提升。然而Rosa等[58]观点相反, 在田间条件下, 由于降解作用的存在, 所有类型生物炭的物理碎片值随时间显著增加, 其结构出现破坏, 功能发生退化, 因此生物炭对于养分吸附不会随着老化而增加[44]。由于生物炭表面存在大量的羟基、羧基等酸性含氧官能团, 它们带有负电荷, 使得生物炭可以通过静电引力的方式吸附NH4+-N, 部分生物炭的吸附能力随着热解温度的升高而降低[54, 56], 在高温(600 ℃)下, 酸性官能团(主要是羧基)由于含氧官能团的损失而转化为中性或碱性稠合芳族基团, 导致CEC降低[56], 因此, 与新鲜和高温生物炭相比, 在较低温度下生产的老化生物炭预期能吸附更多NH4+-N[61]。如图 1[55]所示, 生物炭对于NO3--N的吸附作用比较弱, 因其表面存在的负电荷要远远多于正电荷[61]。然而也有人认为生物炭表面存在的碱性官能团如酮基等也可以吸附NO3--N[62]。还有研究表明NO3--N可以通过与生物炭表面建立的非常规氢键进行吸附作用。生物炭在老化的过程中, 由于老化的生物炭亲水性上升, 通过氢键对于NO3--N的化学吸附作用可能会增强[63], 老化生物炭通过氢键吸附NO3--N的机制尚不明朗, 需要进一步研究[64]。由此可见, 关于生物炭老化影响氮素固持机制的研究尚不成熟, 未来生物炭的研究重点应放在其老化问题上。

2.2 生物炭与土壤微生物相互作用

在土壤物质循环和能量流动过程中, 微生物是一个不可忽略的重要因素。它们的活动影响土壤中生物炭的稳定性, 并影响土壤生化循环[65], 反过来, 添加的生物炭可以通过为微生物提供合适的栖息地直接影响微生物的行为, 间接地改善土壤持水能力和通气水平, 进而改变土壤化学性质[8]。根据生物炭类型和施用率, 生物炭应用在土壤中可以增加或减少微生物生物量[65]。然而, 在土壤微生物生物量改变之后, 所有微生物功能群不太可能发生同等变化。相反, 间接改变的土壤环境促进了某些微生物群的发育, 并最终改变了微生物群落结构[66]。

土壤中的氮转化过程(氮固定, 氮矿化, 硝化和反硝化)通常受微生物影响, 土壤微生物群落结构和活动的变化可以显著影响土壤中氮素状况。硝化细菌和反硝化细菌是化能营养型生物, 这意味着它们对于由生物炭引起的土壤条件的变化很敏感。这些条件一般包括土壤的通气条件, 有机质含量, 养分有效性和pH值等。许多研究表明, 生物炭会影响硝化细菌的活动和活性, 并刺激潜在的硝化速率, 从而增加土壤中氮的有效性[66-67]。Dai等[68]研究证实了生物炭对于土壤中NO3--N的增加效果贡献很大, 随着3种酸性土壤中培养时间的增加, 生物炭显著促进了NO3--N浓度的增加, 这可能是由于土壤pH值和硝化细菌活性增加所引起的。Abujabhah等[69]研究结果也表明, 当黑色黏壤土中生物炭的添加水平为2.5%和10%时, 硝化杆菌的相对丰度分别增加50%和53%, 当棕色砂壤土中生物炭添加水平为2.5%和10%时, 硝化螺菌的相对丰度也分别增加337%和92%, 硝化螺菌是最丰富且受生物炭影响最大的硝化细菌群, 特别是在棕色砂壤土中, 曾显示出较高的硝化潜力。然而生物炭也会对硝化细菌产生负面影响, 某些生物炭表面存在的有毒多酚物质可能抑制土壤硝化菌群的生长, 生物炭为竞争微生物(反硝化细菌)提供保护地, 也可能发生同样的情况[70]。对于生物炭是否会促进反硝化作用也有一定的争议, 生物炭改善了土壤通透性及持水能力, 同时也促进了NO3--N的固持, 减少反硝化作用所需的底物浓度, 故反硝化作用随之减弱[71]。而Anderson等[65]和Chen等[72]研究结论与之相反, 在生物炭添加下可能促进反硝化作用, 反硝化细菌丰度增加, 使硝酸盐完全还原为氮气, 生物炭在促进电子转移到土壤反硝化微生物中的作用, 也被称为“电子穿梭”, 它可以促进NO3-还原为N2[73-74]。

3 总结与展望

作为当前研究的热点, 生物炭在很多领域应用前景十分广泛, 未来发展潜力较大。综上所述, 本文归纳了生物炭影响土壤氮素淋失的条件, 主要取决于以下几点：1)生物炭发达的微孔结构及巨大的比表面积赋予了其强效的物理吸附性能, 利用其吸附作用大大增加土壤中含氮养分的固留时间, 从而减少了由于淋溶作用造成的氮素损失；2)生物炭加入土壤中, 也改变土壤结构, 比如密度、级配、孔隙结构、孔径分布等, 进而改善土壤的通透性及持水性, 土壤持水能力的上升避免氮素养分随水迁移造成损失；3)生物炭提高了土壤CEC值及pH值, 从而增强了土体化学吸附性能；4)生物炭通过与微生物相互作用, 直接影响微生物生长的环境, 间接影响土壤中氮素的循环与利用。

从前人所做的研究可以发现, 生物炭对土壤氮素淋失的影响十分复杂, 受到各种条件的制约, 笔者总结前人的研究成果, 就生物炭应用于土壤氮素控制领域进行如下展望：1)目前针对生物炭所做的研究工作大部分停留在短期室内试验, 关于中长期室外试验报道不多, 相关研究表明, 在自然环境下生物炭可以稳定存留在土壤中达数百年之久, 但是在一个相当长的时间尺度下, 当人为因素导致土壤环境发生变化时, 生物炭的稳定性是否会受到影响, 进而影响土壤保氮的能力, 这有待进一步研究；2)土壤中其他养分元素如磷、钠、钾、镁是否会干扰生物炭对氮素的吸附, 生物炭是否会选择性吸附其他阳离子, 而对铵根离子的吸附作用有所减弱；3)生物炭能否作为一种新型的保水剂，用来改善土壤的水肥保持能力，这需要进一步探讨；4)生物炭对于土壤氮素养分的吸附是否会达到饱和, 接近临界值时是否会发生解吸, 从而促使土壤氮素的二次淋失, 导致土壤保氮能力下降；5)在农业生产活动中, 应该重视生物炭的使用, 学会因地制宜, 根据不同的土壤条件合理配施生物炭, 以达到农业生产可持续发展的目的。积极开展生物炭-土壤-作物联合体的研究工作, 有计划地将不同类型生物炭的理化性质参数加以系统性地研究, 从而建立生物炭统一数据库, 并将其有机地纳入农业生态体系中, 以期更好地服务于农业。此外, 由于生物炭制备工艺复杂, 生产成本较高, 在农业领域大范围推广应用时仍需考虑其经济问题。

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