全 文 ：生物质炭对土壤养分淋溶的影响及
潜在机理研究进展∗
刘玉学１，２　 吕豪豪１，２　 石　 岩１，３　 王耀锋１　 钟哲科２，４　 杨生茂１，２∗∗
（ １浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所， 杭州 ３１００２１； ２浙江省生物炭工程技术研究中心， 杭州 ３１００２１； ３南京农业
大学农业资源与生态环境研究所， 南京 ２１００９５； ４国家林业局竹子研究开发中心， 杭州 ３１００１２）
摘　 要　 农田生态系统中土壤养分淋溶控制一直是农业环境领域的研究热点．生物质炭因其
特殊的理化性质，具有增加土壤碳库储量、改善土壤质量和提高作物产量等作用．作为一种外
源输入的新型功能材料，生物质炭将直接或间接参与农田生态系统土壤养分循环，并对土壤
养分淋溶产生重要影响．本文重点针对生物质炭影响土壤养分淋溶的内在因素（如：生物质炭
的物理和化学性质及其与土壤生物的相互作用等）进行分析，并结合生物质炭添加量、土壤类
型、土层深度、施肥情况、时间动态变化等外在因素，对生物质炭影响土壤氮磷等养分淋溶情
况进行了综述．在此基础上，阐明了生物质炭对土壤养分淋溶的 ４ 种潜在影响机制：即通过微
孔结构或表面电荷直接吸附养分、通过影响土壤持水能力影响养分淋溶、通过与土壤微生物
的相互作用影响养分循环、被吸附的养分优先通过细微生物质炭颗粒发生迁移．最后对生物
质炭与土壤养分流失控制领域的研究方向进行了展望．
关键词　 生物质炭； 农田生态系统； 土壤； 淋溶； 养分循环； 面源污染
∗国家公益性行业 （农业）科研专项 （ ２０１３０３０９５，２０１２０３０８９）、浙江省自然科学基金项目 （ ＬＹ１４Ｄ０１０００５）、浙江省国际科技合作项目
（２０１３Ｃ２４０２３）和宁波市科技计划项目（２０１３Ｃ９１０００５）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙａｎｇｓｈｅｎｇｍａｏ＠ ２６３．ｎｅｔ
２０１４⁃０８⁃２５收稿，２０１４⁃１１⁃２９接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０１－０３０４－０７　 中图分类号　 Ｓ１５８．５　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ： Ａ ｒｅｖｉｅｗ． ＬＩＵ Ｙｕ⁃
ｘｕｅ１，２， ＬＹＵ Ｈａｏ⁃ｈａｏ１，２， ＳＨＩ Ｙａｎ１，３， ＷＡＮＧ Ｙａｏ⁃ｆｅｎｇ１， ＺＨＯＮＧ Ｚｈｅ⁃ｋｅ２，４， ＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ⁃ｍａｏ１，２
（ １ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｒｅｓｏｕｒｃｅ， Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，
Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２１， Ｃｈｉｎａ； ２ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｂｉｏｃｈａｒ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｈａｎｇ⁃
ｚｈｏｕ ３１００２１， Ｃｈｉｎａ； ３Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ， Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｎａｎｊｉｎｇ
Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９５， Ｃｈｉｎａ； ４Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｍｂｏｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｈａｎｇ⁃
ｚｈｏｕ ３１００１２， Ｃｈｉｎａ） ．⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１）： ３０４－３１０．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｉｎ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｈｏｔｓｐｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅ⁃
ｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｂｉｏｃｈａｒ ｈａｓ ｉｔｓ ｕｎｉｑｕｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，
ｐｌａｙｉｎｇ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ， ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｏｉｌ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄ． Ａｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｂｉｏｃｈａｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ
ｃｙｃｌｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｒ ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ， ａｎｄ ｈａｓ ｐｒｏｆｏｕｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａ⁃
ｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｈｏｗ ｂｉｏｃｈａｒ ａｆｆｅｃｔｓ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ
ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ． Ｔｈｅｎ
ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｉｏｃｈａｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ， ｓｏｉｌ ｔｙｐｅｓ，
ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ， ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｗｈｉｃｈ ｂｉｏｃｈａｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ
ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ （ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ） ｌｅａｃｈｉｎｇ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｏｎ ｔｈａｔ ｂａｓｉｓ， ｆｏｕｒ ｒｅ⁃
ｌａｔｅｄ ａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｗｅｒｅ ｃｌａｒｉｆｉｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｂｙ ｂｉｏｃｈａｒ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ
ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒｇｅ， ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ⁃
ｈｏｌｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｙｃｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｅｓ， ａｎｄ ｐｒｅｆｅｒ⁃
ｅｎｔｉａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｂｙ ｆｉｎｅ ｂｉｏｃｈａｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ． Ａｔ ｌａｓｔ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 １月　 第 ２６卷　 第 １期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊａｎ． ２０１５， ２６（１）： ３０４－３１０
ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｐｒｏ⁃
ｐｏｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｃｈａｒ； ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ； ｓｏｉｌ； ｌｅａｃｈｉｎｇ； ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｙｃｌｅ； ｎｏｎ⁃ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕ⁃
ｔｉｏｎ．
　 　 土壤养分淋溶是指土壤中的营养元素随下渗水
流由表层向底层移动的过程．淋溶通常是农业土壤
养分循环的重要环节［１］ ．养分淋溶流失不但会通过
降低肥料利用率和消耗土壤养分库造成经济损失，
而且将对农田生态环境产生严重影响［２］ ．农田氮
（Ｎ）、磷（Ｐ）向水体的迁移是导致地表水体富营养
化、地下水质恶化和农业面源污染的主要原因之
一［３］ ．然而长期以来，农业生产管理中过量施用氮
肥、磷肥的现象十分普遍，造成生产成本增大，肥料
利用率很低，其中氮肥为 ２０％ ～ ５０％，磷肥仅为
１５％～２５％［２］ ．因此，如何科学合理地施用氮磷肥料、
减少养分淋溶损失、降低环境污染风险并提高作物
养分利用率，是我国农田生态系统管理和农业经济
可持续发展中亟需解决的重大问题．
生物质炭是由生物质在限氧条件下经炭化产生
的一类高度芳香化难熔性固态富碳物质［４］ ．生物质
炭孔隙结构发达、比表面积巨大，具有高度生物化学
稳定性和较强的吸附性能，在增加土壤碳库储量、改
善土壤质量、提高作物产量等方面发挥重要作
用［５－６］ ．土壤中的氮磷等养分转化受到大量生物和非
生物因素的影响．作为一种外源输入的新型功能材
料，生物质炭将直接或间接参与农田生态系统土壤
养分循环，并通过自身物理化学特性或与土壤相互
作用对土壤养分淋溶产生重要影响［７］ ．因此，本文重
点针对生物质炭影响土壤养分淋溶的内在因素（如
生物质炭物理、化学性质及其与土壤生物的相互作
用等）进行分析，并结合生物质炭添加量、土壤类
型、土层深度、施肥情况、时间动态变化等外在因素，
对生物质炭影响土壤氮磷等养分淋溶情况进行综
述．在此基础上，阐明生物质炭对土壤养分淋溶的潜
在影响机制，并对生物质炭与土壤养分流失控制领
域的研究方向进行了展望，以期为生物质炭在农田
土壤养分淋溶流失控制方面的应用提供理论依据．
１　 生物质炭影响土壤养分淋溶的内在因素
１􀆰 １　 生物质炭物理性质
养分淋溶主要发生在溶液中，因而生物质炭可
通过对土壤水分的作用来间接影响土壤养分淋溶．
生物质炭可以通过其发达的孔隙结构吸附和保持水
分，在土壤中添加生物质炭可起到一定的保水效
果［８］，减少土壤水分的渗漏流失，从而减少土壤养
分的淋溶损失，降低地下水的潜在污染风险［９］ ．土壤
的田间持水量随生物质炭添加量的提高而增加［８］ ．
亚马逊河流域某些地区，施入生物质炭可使土壤的
保水能力提高 １８％［１０］ ．生物质炭使土壤孔径和分布
发生变化，从而改变土壤水分的渗滤模式、停留时间
和流动路径［１１］ ．生物质炭能增加砂性土壤的含水
率，但对黏性土壤的作用却相反［１２］ ． Ｌｅｈｍａｎｎ 等［７］
利用添加生物质炭的亚马逊黏土开展土柱试验，结
果表明，土壤水分的渗透和作物生长有关，混合生物
质炭的土壤渗透的水分比未施入生物质炭的土壤
少，这与添加生物质炭可促进作物生长的结论一致．
这表明在黏性土壤中生物质炭可以通过增加植物生
物量和蒸发表面来间接减少水分运动，而对砂性土
壤可通过生物质炭直接持留水分来解释．
添加生物质炭可以降低土壤容重，并通过对土
壤孔隙度和团聚体的改变来影响土壤养分的淋
溶［１３］ ．生物质炭对土壤团聚体的影响与其表面电荷
特性有关，这种特性由风化逐渐产生并受土壤 ｐＨ
的影响［１４］ ．提高土壤团聚体可以促进水分渗透，因
此在土壤中移动而非流失的水分将会增加，这可能
会导致溶解态和可移动离子 （如硝酸根）淋溶的
增加．
不同孔径大小的生物质炭对土壤养分的淋溶也
会产生不同的影响．活化的生物质炭含有很大比例
（超过 ９５％）的微孔（直径＜２ ｎｍ，国际纯粹与应用化
学联合会 ＩＵＰＡＣ），而生物质炭的多孔性可能通过
将毛细管力固持住的包含养分的水分滞留在土壤微
孔（直径＜３０ μｍ，美国土壤科学学会 ＳＳＳＡ）中来促
进养分吸附［１２］ ．如果生物质炭 ９５％的孔径小于
２ ｎｍ，则其施入土壤后土壤水分通过基质的移动性
将会降低．在砂壤中，水的体积随着基质势的增加
（如土壤的变干）而大幅度减少，生物质炭颗粒可能
扮演着类似黏土的角色，即使在基质势高的情况下
仍吸持大量的束缚水．因此，如果水分不能移动或移
动缓慢，溶解在这些束缚水中的养分可被持留在土
壤表面，在进行蒸腾作用及土壤基质势提高时，作物
能够吸收部分这种持留在土壤溶液中的养分．
５０３１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘玉学等： 生物质炭对土壤养分淋溶的影响及潜在机理研究进展　 　 　 　 　
除了对土壤溶液的运动和与溶解其中的养分直
接作用产生影响外，生物质炭颗粒大小还可能影响
淋溶潜力．吸附到较大生物质炭颗粒的有机和无机
养分的淋溶会产生两种相反的结果：它们本身经过
土壤剖面时或者会降低淋溶，或者通过其与小颗粒
的胶体运输作用而促进淋溶［１２］ ．施入土壤的生物质
炭粒径在某种程度上是可以控制的，在生物质材料
热解后或在生物质炭运输和应用过程中往往形成更
细小的生物质炭颗粒；生物质炭施入土壤后，降雨、
化学风化和生物的物理扰动作用也会形成细微的生
物质炭颗粒，这些颗粒可以穿过土壤剖面运动并成
为促进养分运输的中介［１２］ ．
１􀆰 ２　 生物质炭化学性质
新鲜生物质炭和老化生物质炭在性质方面存在
差异，因而两者对土壤氮磷等养分淋溶的影响程度
不同．新鲜生物质炭微弱的表面过程或水分在小孔
隙中受到束缚可能是生物质炭养分持留的原因，因
此新鲜生物质炭对养分淋溶的影响往往是短期的．
新鲜生物质炭表面氧化程度很低，呈疏水性并吸附
疏水分子，如有机污染物等［１５］，有机疏水形式的养
分（如 Ｎ、Ｐ 和 Ｓ）也能被吸附在生物质炭颗粒上．事
实上，也许可以通过位阻在分子水平上减小它们的
表面积，从而直接阻止有机和无机养分被直接吸附
到生物质炭颗粒上，这种影响取决于大分子的大小
和成分及温度［１６］ ．由于各种大小和化学性质的分子
都能被吸附到生物质炭颗粒上，因而这种吸附作用
可能通过无机分子直接吸附到生物质炭表面、固着
在生物质炭上的矿物或有机物上，或者以像磷酸钙
的形式沉淀在生物质炭表面．新鲜的生物质炭也可
能会吸附阴离子，其阴、阳离子交换量随着土壤整体
ｐＨ值、生物质炭的年龄及老化环境而改变［１７］ ．
与新鲜生物质炭相比，老化生物质炭的阳离子
交换量（ＣＥＣ）更高，这表现在其高浓度的表面负电
荷［１７］及表面对带电荷有机质的吸附，因而具有更强
的养分持留能力，从而抑制土壤养分淋溶［１８］ ． Ｌｅｈ⁃
ｍａｎｎ等［７］研究表明，与含有少量生物质炭的氧化土
相比，含有大量老化生物质炭的亚马逊黑土 Ｃａ 的
淋溶降低约 ２０％，其可交换位点上 Ｃａ 的吸收率多
出两倍．由此可见，亚马逊黑土中的老化生物质炭导
致了更高的养分吸收率，同时表现为淋溶损失的显
著降低．
１􀆰 ３　 生物质炭与土壤生物的相互作用
施入到土壤中的生物质炭颗粒为微生物提供了
生长栖息的理想场所［１９］ ．而这些微生物可通过矿化
作用将有机氮转化为植株可利用或易蒸腾的形态，
或通过大量的真菌菌丝系统来促进植物对 Ｐ 和 Ｍｇ
等养分的吸收．研究发现，生物质炭在土壤中的应用
通常伴随着根际菌根群落的增加以及相关植物养分
吸收的促进，从而可能降低淋溶［２０］ ．尽管有研究表
明，添加生物质炭后土壤气态氮（Ｎ２Ｏ）的排放有所
降低［２１－２２］，然而在特定情况下导致氮的淋溶和气态
损失也是有可能的，例如在超出植物氮素需求的情
况下细菌矿化的发生，以及由于持水量的变化而造
成微生物周围厌氧条件的普遍形成等．由于生物质
炭具有固碳特性（即碳素稳定性），因此土壤中氮的
固定也不会因为生物质炭的应用而直接增加；但如
果存在不稳定易矿化的生物质炭区域，还是可以在
短期内引起氮的固定［２３］，进而影响其淋溶过程．
２　 生物质炭影响土壤养分淋溶的外在因素
２􀆰 １　 生物质炭添加量和土壤类型
生物质炭添加量以及土壤类型的不同会引起土
壤养分淋溶的差异．国内研究者以 １％的质量比将生
物质炭添加至黄壤开展土柱淋溶模拟试验，结果表
明，铵态氮和硝态氮的淋溶量分别降低 １５． ８％和
１９􀆰 ２％［２４］ ．另一项关于生物质炭对黄棕壤铵态氮素
滞留效应影响的研究发现，添加 １％、３％和 ５％生物
质炭后土壤 ＣＥＣ 分别增加 ９．４％、１４．７％和 １９．７％，
铵态氮淋失量分别减少 ２２％、３９％和 ４７％，氮素滞留
量分别增加 １５％、５％和 １４％［２５］，这表明生物质炭能
够提高土壤对铵态氮的吸附能力，显著降低土壤氮
素的淋失．高德才等［２６］研究发现，添加玉米秸秆生
物质炭能延缓旱地土壤硝态氮和总氮的淋溶速度，
当生物质炭添加量达 ４％ ～ ８％时，可显著降低铵态
氮、硝态氮和总氮的淋溶，降幅分别达 １２． ５％ ～
４２􀆰 ９％、３􀆰 ２％～１１．９％和 ４．６％ ～ １０．６％．土壤硝态氮
和总氮淋失的减少量与生物质炭的添加比例呈正相
关，添加 １０％玉米秸秆生物质炭可使土壤中铵态
氮、硝态氮和总氮淋失量分别降低 ５２．４％、５０．０％和
３３．８％［２７］ ．另一项研究表明，当玉米秸秆生物质炭以
５０和 １００ ｔ·ｈｍ－２施用于黑钙土时，总氮淋失量分别
降低了 ２９％和 ７４％，施用于紫色土时总氮淋失量分
别降低了 ４１％和 ７８％，对于两种土壤氮素淋失均以
硝态氮和有机氮形式为主；但生物质炭施用量为 １０
ｔ·ｈｍ－２时，使黑钙土和紫色土总氮淋失量分别增加
２２％和 ２％，其中硝态氮淋失量分别增加 １５％和
６０％，而有机氮淋失则分别增加 ３０％ 和降低
４４％［２８］ ．Ｙａｏ 等［２９］试验结果表明，当花生壳炭和阔
６０３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
叶树炭的添加量为 ２％时，砂质土壤中铵态氮的淋
失量分别降低 ３４．４％和 ３４．０％，硝态氮淋失量分别
降低 １４．４％和 ３４．７％．Ｋａｍｅｙａｍａ 等［３０］研究发现，由
甘蔗渣在 ８００ ℃条件下制备的生物质炭以 １０％添加
至石灰性暗红壤后，硝态氮淋失量降低了 ５％，并认
为这主要是由于生物质炭微孔结构对硝态氮和水分
的物理吸附作用． Ｂｏｒｃｈａｒｄ 等［３１］ 发现，添加高于
１􀆰 ５％比例的山毛榉木生物质炭可以增加两种温带
土壤中的可利用养分并降低无机磷的淋溶流失，提
升粉砂土中硝态氮的持留．李际会等［３２］在土壤中添
加经 ＦｅＣｌ３改性的秸秆生物质炭，发现与对照相比，
添加量为 ２．５％、５％和 １０％生物质炭的土壤硝态氮
的淋失量分别显著降低 ２０％、４３％和 ５９％，有效磷的
淋失量分别显著降低 ４５％、５９％和 ７５％，表明改性生
物质炭能够有效降低土壤硝态氮和有效磷的淋失风
险．Ｃｈｉｎｔａｌａ等［３３］开展了生物质炭及其与土壤混合
物对磷的吸附研究，结果表明，玉米秸秆炭对溶液中
磷的吸附量最高（初始溶液磷浓度的 ７９％），其次是
柳枝稷炭（７６％）和杰克松木屑炭（３１％）；在酸性土
壤中添加 ４０ ｇ·ｋｇ－１ ３种生物质炭均显著降低了对
磷的吸附并增加了吸附磷的有效性，而在石灰性土
壤中添加玉米秸秆炭和柳枝稷炭均显著增加了磷的
吸附并降低了吸附磷的有效性．因此，利用生物质炭
控制土壤养分淋失需要综合考虑土壤类型和生物质
炭添加量．
２􀆰 ２　 土层深度
添加生物质炭还能导致土壤养分淋溶在不同土
层深度的差异．研究表明，生物质炭影响氮素在不同
土层深度中的分布，添加生物质炭土壤的氮素集中
在土柱上部 ５ ～ ７ ｃｍ 处，而不添加生物质炭土壤的
氮素集中在中部偏下 ９ ～ １１ ｃｍ 处［２５］ ． Ｄｅｍｐｓｔｅｒ
等［３４］将桉木生物质炭以 ２５ ｔ·ｈｍ－２添加至砂质土
１０ ｃｍ层，发现土壤铵态氮和硝态氮的淋失量分别
降低了 １４％和 ２８％．在大田施加生物质炭和堆肥后，
０～１０ ｃｍ层土壤、作物籽粒和秸秆残茬中的肥料氮
素回收率均有所增加；然而在添加生物质炭的土地
上，氮素更多的持留在土壤中，尤其是在第二季种植
后［３５］ ．
２􀆰 ３　 施肥情况
施肥与否以及肥料类型的不同也会引起土壤养
分淋溶的变化．由于肥料中养分的大量存在，施肥往
往会导致生物质炭养分持留效率的降低［７］ ．在未施
化肥的情况下，生物质炭含量丰富的土壤中矿质 Ｎ、
Ｋ、Ｃａ 和 Ｍｇ 的总淋失量分别为对照土壤的 ２４％、
４５％、７９％和 ７％；但在施入化肥后，含生物质炭土壤
的淋失量比对照土壤有所提高［３６］，这可能与特定的
环境因素和土壤类型有关．Ｌａｉｒｄ等［３７］将由橡木和山
核桃木制备的生物质炭分别以 ０．５％、１．０％和 ２．０％
添加至施入猪粪（５ ｇ·ｋｇ－１）的肥沃土壤中，通过土
柱试验观测养分淋溶情况，发现与对照处理相比，添
加 ２．０％生物质炭的土壤总氮（硝态氮＋凯氏氮）和
总溶解性磷的淋溶量分别降低 １１％和 ６９％． Ｓｉｋａ
等［３８］通过土柱试验研究模拟降雨条件下生物质炭
对砂质土壤中硝酸铵肥料淋溶的影响，发现与对照
相比，添加 ０．５％、２．５％和 １０．０％松木生物质炭的土
柱铵态氮累积淋失量分别显著降低了 １２％、５０％和
８６％，硝态氮累积淋失量分别显著降低了 ２６％、４２％
和 ９６％．添加生物质炭后，施加铵态氮和硝态氮肥料
的土壤硝态氮的淋失量显著减少，只施加硝态氮肥
料的土壤铵态氮的淋失量也显著减少，而只施加铵
态氮肥料的土壤氮素淋溶却没有受到影响［３９］ ．
２􀆰 ４　 时间动态变化
生物质炭对土壤养分淋溶的影响是一个动态的
过程，其程度随时间变化而存在差异．Ｄｉｎｇ 等［４０］通
过室内土柱试验研究了添加量为 ０．５％的竹材生物
质炭对土壤氮素淋溶的影响，结果表明，生物质炭在
试验开始后 ７ ｄ内显著降低了土柱 １０ ｃｍ 层淋溶液
中的铵态氮浓度，经 ７０ ｄ 后可有效降低土壤 ２０ ｃｍ
层铵态氮的累积淋失量． Ｌｅｈｍａｎｎ 等［７］在温室内使
用测渗计对生物质炭与土壤混合物中的养分进行直
接淋洗，发现在水稻移栽 ４０ ｄ 后，混合生物质炭处
理铵态氮的淋溶比不混合生物质炭处理降低 ６０％
以上．生物质炭施用于干旱区盐碱土能明显减少硝
态氮和总氮淋失并延长其在土壤中的停留时间，增
强土壤的持续供氮能力［２７］ ．国内学者以新疆绿洲盐
碱土为对象，通过室内土柱淋滤试验研究玉米秸秆
生物质炭对氮素淋溶的影响，结果表明，不添加、添
加 １％和添加 ５％生物质炭处理土柱的硝态氮和总
氮淋失集中在试验 １０ ｄ 内（降雨量 １４０ ｍｍ），而添
加 １０％生物质炭处理则几乎持续到 ２５ ｄ（降雨量
２９０ ｍｍ）才基本淋失完；铵态氮占总氮的淋失量较
小（ ＜２％），对土壤氮素淋失贡献较小［２７］ ．而 Ｓｉｎｇｈ
等［４１］将桉木生物质炭和畜禽粪便生物质炭添加至
淋溶土和变性土中，发现经过 ４个月后，土壤中气态
氮排放和铵态氮淋溶损失显著降低．
３　 总结与展望
综上所述，生物质炭添加至土壤中可以通过以
７０３１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘玉学等： 生物质炭对土壤养分淋溶的影响及潜在机理研究进展　 　 　 　 　
下 ４种途径影响氮磷等养分的淋溶：１）通过微孔结
构或表面电荷直接吸附养分．生物质炭具有发达的
孔隙结构、巨大的比表面积以及酸 ／碱性官能团，能
够通过物理和化学吸附等作用直接吸附土壤中氮磷
等养分；２）通过影响土壤持水能力影响养分淋溶．土
壤养分需要溶解在溶液中才能被利用，因而水分是
至关重要的，特别是根际水分尤为重要．生物质炭能
够提高土壤含水量，从而提高养分利用率，降低养分
淋失；３）通过与土壤微生物的相互作用影响养分循
环．土壤微生物是影响土壤养分的重要因素，因此能
影响微生物的因素都可能影响养分淋溶．生物质炭
的表面特性和内部多孔结构特征有利于土壤微生物
的生长繁殖并提高其活性，如增加土壤微生物生物
量，进而对养分循环过程产生影响；４）被吸附的养
分优先通过细微生物质炭颗粒发生迁移．附着在生
物质炭表面的养分可以通过细微生物质炭颗粒在渗
透水中的运输来发生迁移，从而促进养分淋溶的
过程．
生物质炭对土壤养分淋溶流失的影响过程十分
复杂，受到生物质炭类型及自身特性、土壤理化性质
以及诸多环境因子和人为因素的影响，因此揭示生
物质炭的养分持留机制还需要进一步深入研究．下
面结合我国农田生态系统养分管理现状、存在问题
及生物质炭技术发展趋势，提出该领域今后的研究
方向和展望，以期能为该领域研究起到方向性的引
导作用，进而推动生物质炭在土壤养分流失控制方
面的应用．
１）因地制宜开展生物质炭对土壤养分流失的
影响研究．目前对于生物质炭与土壤氮磷流失控制
的研究已有较多报道．但由于各自研究的试验条件
不同、材料方法各异，例如：有的在实验室内模拟生
物质炭对土壤氮磷养分的淋溶及吸附状况，有的在
特定的大田环境下研究生物质炭对土壤氮素径流及
侧渗损失的影响，因而尚未形成统一的科学结论．此
外，试验结果还与生物质炭的类型、制备工艺、添加
量以及土壤类型有关．因此，在以控制土壤养分流失
为目标的前提下，需要因地制宜开展生物质炭对土
壤氮磷等养分流失的影响研究，同时将生物质炭和
养分不同添加方式的影响考虑在内．
２）充分考虑生物质炭自身养分对土壤养分淋
溶的影响．生物质炭自身含有的大量元素和微量元
素会对土壤养分循环功能微生物的群落结构及功能
多样性产生影响，进而参与土壤的养分转化过程，并
影响养分的淋溶损失．不同类型的生物质炭对土壤
不同养分的淋溶产生的影响存在差异．在制备生物
质炭过程中，生物质材料中的大量元素（如 Ｎ）含量
会明显降低，而 Ｐ、Ｋ 含量的变化并不是很大．例如
骨炭中的 Ｐ 含量很高，而水稻秸秆炭中 Ｋ 含量较
高，这些都是由于制备生物质炭原材料本身 Ｐ、Ｋ 含
量的差异所致．从养分平衡的角度考虑，在土壤中添
加水稻秸秆炭时可以相应降低钾肥的施用量，另一
方面由于生物质炭中 Ｋ 的移动性相对较强，也可间
接起到以钾增氮的效果．新鲜和老化生物质炭的养
分含量及其在土壤中的氧化过程不同，因此两种不
同材料对土壤养分淋溶的影响也必然存在差异，还
需深入开展相关研究工作．
３）深入探索生物质炭与土壤相互作用对养分
淋溶的影响机制．生物质炭添加至土壤后，可以通过
微孔结构或表面电荷直接吸附土壤养分，而土壤中
的黏粒本身对土壤养分就具有一定的吸附能力．生
物质炭和土壤黏粒对养分是否存在竞争吸附或哪个
占主导地位，是阐明生物质炭对土壤养分淋溶的影
响机制很重要的一个方面；此外，与黏土吸附性能情
况类似，生物质炭的高 ＣＥＣ可能会促进土壤团聚体
的形成，而土壤有机质和矿物质与生物质炭可能会
在团聚体中相互结合．因此，探明生物质炭与土壤的
相互作用对于深入理解生物质炭对土壤养分淋溶的
影响机制也具有重要意义．
４）加强土壤⁃生物质炭⁃植物系统的田间试验研
究．现有研究主要集中在单独生物质炭系统以及无
机养分方面，而有关生物质炭在农田生态系统中对
养分淋溶的影响研究必须在土壤⁃生物质炭和土壤⁃
生物质炭⁃植物系统中进行．该研究不仅要在实验室
中开展，还应在田间并最终采用生态系统的方法在
流域范围内开展．显然，与纯粹的生物质炭相比，生
物质炭与其他土壤组分之间的相互作用以及生物质
炭与土壤的混合物将表现出极大的差异，尤其从长
远角度来看．此外，植物产量的增加也需成为评价养
分淋溶的一部分，因为产量的增加可以体现在通过
增加养分吸收来减少养分淋溶．
５）针对不同作物及地区研发生物质炭基专用
缓释肥料．氮磷肥料的过量施用造成严重的养分流
失，致使大量的氮磷进入水体，进而引起农业面源污
染问题．由于生物质炭的高度稳定性和强吸附性能，
可利用生物质炭作为常规氮磷肥料的包膜材料生产
富氮炭基缓释肥料，从而实现低碳农业及氮磷协同
减排，降低肥料施用量．然而不同作物对营养元素的
需求量和需求周期有所不同，因此有必要针对不同
８０３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
作物及不同的土壤类型研发不同养分释放特性的生
物质炭基专用肥料，以满足不同地区作物生产和农
业环境保护的双重要求．
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ｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ： Ａ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｓｏｉｌ Ｕｓｅ ＆
Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ２０１２， ２８： １７７－１８４
［３２］　 Ｌｉ Ｊ⁃Ｈ （李际会）， Ｌｙｕ Ｇ⁃Ｈ （吕国华）， Ｂａｉ Ｗ⁃Ｂ （白
文波）， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ ｓｏｉｌ ｎｉｔｒａｔｅ
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［３３］　 Ｃｈｉｎｔａｌａ Ｒ， Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ ＴＥ， ＭｃＤｏｎａｌｄ ＬＭ， ｅｔ ａｌ．
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［３４］　 Ｄｅｍｐｓｔｅｒ ＤＮ， Ｊｏｎｅｓ ＤＬ， Ｍｕｒｐｈｙ ＤＶ． Ｃｌａｙ ａｎｄ ｂｉｏｃｈａｒ
ａｍｅｎｄｍｅｎｔｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｂｕｔ ｎｏｔ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｒ⁃
ｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｏｉｌ． Ｓｏｉｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２０１２， ５０：
２１６－２２１
［３５］　 Ｓｔｅｉｎｅｒ Ｃ， Ｇｌａｓｅｒ Ｂ， Ｔｅｉｘｅｉｒａ ＷＧ， ｅｔ ａｌ． Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅ⁃
ｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｎｔ ｕｐｔａｋｅ ｏｎ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｃｅｎｔｒａｌ
Ａｍａｚｏｎｉａｎ Ｆｅｒｒａｌｓｏｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｓｔ ａｎｄ ｃｈａｒ⁃
ｃｏａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００８，
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［３６］　 Ｚｈａｎｇ Ｗ⁃Ｌ （张文玲）， Ｌｉ Ｇ⁃Ｈ （李桂花）， Ｇａｏ Ｗ⁃Ｄ
（高卫东）． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｈａｒｃｏａｌ ｏｎ ｓｏｉｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒ
ａｎｄ ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ （中
国农学通报）， ２００９， ２５（１７）： １５３－１５７ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３７］ 　 Ｌａｉｒｄ ＤＡ， Ｆｌｅｍｉｎｇ Ｐ， Ｗａｎｇ Ｂ， ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｃｈａｒ ｉｍｐａｃｔ
ｏｎ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｆｒｏｍ ａ Ｍｉｄｗｅｓｔｅｒｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌ．
Ｇｅｏｄｅｒｍａ， ２０１０， １８５： ４３６－４４２
［３８］　 Ｓｉｋａ ＭＰ， Ｈａｒｄｉｅ ＡＧ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｉｎｅ ｗｏｏｄ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ
ａｍｍｏｎｉｕｍ ｎｉｔｒａｔｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａ Ｓｏｕｔｈ
Ａｆｒｉｃａｎ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ． Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，
２０１４， ６５： １１３－１１９
［３９］　 Ｚｈｅｎｇ Ｈ， Ｗａｎｇ Ｚ， Ｄｅｎｇ Ｘ， ｅｔ ａｌ． Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ
ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｉｏａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｇｒｉ⁃
ｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌ． Ｇｅｏｄｅｒｍａ， ２０１３， ２０６： ３２－３９
［４０］　 Ｄｉｎｇ Ｙ， Ｌｉｕ ＹＸ， Ｗｕ ＷＸ， ｅｔ ａｌ． Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ
ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉ⁃ｌａｙ⁃
ｅｒｅｄ ｓｏｉｌ ｃｏｌｕｍｎｓ． Ｗａｔｅｒ， Ａｉｒ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ２０１０，
２１３： ４７－５５
［４１］　 Ｓｉｎｇｈ ＢＰ， Ｈａｔｔｏｎ ＢＪ， Ｓｉｎｇｈ Ｂ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂｉｏ⁃
ｃｈａｒｓ ｏｎ ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘｉｄｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｌｅａｃｈｉｎｇ
ｆｒｏｍ ｔｗｏ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｓｏｉｌｓ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
Ｑｕａｌｉｔｙ， ２０１０， ３９： １２２４－１２３５
作者简介　 刘玉学，男，１９８３年生，博士，助理研究员．主要从
事生物质炭土壤环境行为与环境效应、农业固碳减排研究．
Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｕｙｕｘｕｅ５０５＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
０１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷