生物质炭对农田土壤磷有效性的影响研究进展

       农业生产中需要大量的肥料投入保障人类发展对粮食的需求。2019 年中国农用化肥用量达到 5 404 万 t。肥料的过量施用在保证粮食增长的同时也带来了土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等一系列问题 ，对农业的可持续发展带来潜在威胁。因此，2015 年以来，中国农业农村部接连发布《化肥使用量零增长行动方案》和《〈到2020 年化肥使用量零增长行动方案〉推进落实方案》等文件，以实现化肥的减施增效，促进农业可持续发展。磷是作物生长所必需的营养元素之一，磷肥由于其原料的不可再生性而限制了农业的可
持续发展。磷肥施入土壤中易被黏土矿物或钙、铁、铝等矿物离子吸附并转化成稳定形态在土壤中蓄积，部分磷随地表径流进入环境，导致磷肥当季利用率只有 10% ～ 25%，同时导致水体富营养化的加剧。因此，提高磷肥的利用效率，激发和优化土壤供磷潜能，实现农业生产的高效合理，对推动中国农业的可持续发展具有重要意义。
      近年来，生物质炭在农业废弃物处理、作物增产、农田土壤固碳减排及土壤修复等应用中表现出优势，在土壤养分调节及提高养分利用率上具有重要的作用。目前，生物质炭在农业生产中的研究主要集中在碳循环、氮循环和重金属固定等方面，主要涉及农田土壤温室气体排放、土壤污染修复以及农业生产中氮素的高效利用等。生物质炭对土壤的调控机理研究主要在两个方面。第一，生物质炭自身的性能。生物质炭丰富的官能团和溶解态有机碳，影响土壤结构和生物特性 ; 生物质炭具有较高的孔隙结构和比表面积，能够调控土壤矿物元素的固定和释放; 生物质炭较高的pH 值能够影响土壤微域酸碱性 ; 其较高的磷、钾等养分含量可直接释放到土壤中供作物吸收利用 ; 而且生物质炭具有高度芳香化的结构，能够在土壤中长期稳定存在，对土壤的调控具有长期性。第二，生物质炭调控土壤物理化学和生物学性能。生物质炭施入土壤后能够提高土壤中有机质含量，促进土壤大团聚体的形成，从而形成较好的土壤孔隙结构，提高土壤保水保肥性能，同时为土壤微生物的生存提供了较好的栖息环境，提高微生物量并改善微生物群落结构，土壤微生物和酶活性的提高又进一步影响
土壤碳、氮、磷等养分的循环过程。
      目前，生物质炭对土壤碳和氮的循环过程和机理研究较多，而对土壤磷素的调控及其机理研究相对较少。无论是生物质炭本身还是通过对土壤的调控，都有可能影响土壤中磷的保持和释放过程。KLOSS 等和 DELUCA 等研究表明，生物质炭施到土壤中能够增加土壤有效磷含量; 同时 BIED-EＲMAN 和 HAＲPOLE分析发现生物质炭能够增加作物对土壤磷的吸收量。因此，生物质炭在农田中的应用被认为是保持土壤磷持续供应和实现农业可持续生产的重要措施。生物质炭还田可作为促进土壤磷循环的潜在途径。张登晓
等研究发现，生物质炭施入土壤中有效磷含量平均增加 64%，而目前生物质炭对土壤磷有效性的调节机理还不清楚。ALLEＲ通过统计分析得出，生物质炭中平均磷含量为8.3g·kg^-1，其中有效磷含量为 2.6 g·kg^-1。生物质炭施入后土壤增加的有效磷的量高于生物质炭自身含有的有效磷量，因此生物质炭对土壤有效磷含量的增加不仅来自生物质炭自身的直接释放，可能还包括稳定态磷的活化。生物质炭生产过程中磷可转化为相对稳定的形态 ，能够成为土壤速效磷的持续供应源，因此，生物质炭在农业生产中对磷有效性的调控具有长期持续性。
       目前，应用生物质炭于农田土壤改良和肥力培育的基础机理研究，及其持效性和影响因素的研究已成为前沿科学问题。对土壤磷素而言，生物质炭对土壤磷素的调控作用已得到大量研究证实。然而，生物质炭对土壤磷素有效性的调控受到土壤性质，包括有机质含量、pH、质地等，和生物质炭性质，包括原料、裂解温度等因素的影响。因此，本研究综述了目前生物质炭对土壤磷素调控的研究进展，从生物质炭施入土壤后对磷素的吸附特性，对稳定态磷的活化，以及生物质炭对磷素调控的长期性及其影响因素等方面，阐述生物质炭对
土壤磷素调控的机理，旨在为利用生物质炭为在农业生产中提高磷利用效率和肥料减施提供理论依据。

       生物质炭施入土壤能够增加磷素有效性，并且表现出持续效应。本文综述了生物质炭对土壤磷素有效性的调控过程及相关机理的研究进展。一方面，生物质炭自身包含大量磷素养分，可被释放到土壤中，而其良好的空隙结构和较大的比表面积表现出吸附性，对磷素的释放具有缓释效应，因此能够调控土壤磷素有效性。另一方面，生物质炭能够促进土壤团聚体结构的形成和提高土壤有机质含量等，可能通过改变土壤空隙结构和土壤颗粒表面电荷等影响对磷素的吸附与释放过程，从而调控土壤磷有效性。另外，生物质炭能够影响土壤生物性状并改善作物根系构型，因此可能通过对微生物和根际土壤性状的影响而对磷素的有效性表现出生物调控机制，包括微生物的解磷机制和作物根系的活化机制等，比如磷酸酶活性的变化、相关功能性基因丰度的变化、根系分泌有机酸的种类及数量的变化等。但同时生物质炭对土壤磷素的效应受到土壤性质( 有机质含量、pH、质地等) 和生物质炭性质( 原料、裂解温度等) 等因子的影响。
       生物质炭对土壤磷循环影响的研究，需要结合吸附动力学和微生物学、植物营养学等，多角度系统性的探索其非生物与生物调控机制，阐明生物质炭对磷素的矿化、固定、迁移和吸收过程以及与相关功能微生物群落结构和活性之间的关系，构建生物质炭－土壤－微生物－根系之间协同作用模型。并且综合考虑不同性质的土壤和生物质炭等因素，探明在不同土壤条件下，生物质炭对土壤磷素养分调控的主导因子。另外，针对生物质炭对磷素调控的长期性，研究不同土壤条件下生物质炭的老化过程及其对土壤磷素调控机制的改变。在此基础上，针对不同的土壤条件开发相应的农业管理模式或炭基磷肥等产品，为合理利用生物质炭促进农田土壤养分高效利用和促进农业可持续发展提供理论和应用基础。