通过改良的生物炭改良剂来提升土壤健康和磷的利用效率

《Science of The Total Environment》：Enhancing soil health and phosphorus use efficiency with modified biochar amendment

磷肥利用率提升与土壤健康促进研究：通过铁、镁改性生物炭改善高梁产量及磷循环机制

　　磷元素对植物的生长发育至关重要，然而在土壤中，磷的低溶解性限制了其生物可利用性，导致需要过量施用磷肥以确保作物的正常生长。为了提高土壤中磷的保留能力，生物炭常被用作土壤改良剂。近年来，金属涂层（即改性）生物炭因其进一步提升土壤肥力和减少磷损失的潜力而受到越来越多的关注。然而，目前尚缺乏关于原始生物炭与改性生物炭在植物磷吸收和利用效率方面的系统研究。本研究以高粱（*Sorghum bicolor* (L.) Moench）为测试作物，评估了三种不同类型的生物炭（铁改性生物炭（Fe-B）、镁改性生物炭（Mg-B）以及未改性的原始生物炭（Pr-B））和无生物炭对照组（CK）对土壤健康、作物生物量、籽粒产量、磷吸收及磷利用效率（PUE）的影响。研究发现，生物炭的添加显著提高了高粱的产量和生物量，其中铁改性生物炭对籽粒产量的提升效果最为明显。具体而言，与原始生物炭和对照组相比，铁改性生物炭和镁改性生物炭均降低了植物叶片、根部和茎部的磷浓度，从而显著提升了磷利用效率，分别平均提高了61%和34%。此外，铁改性生物炭显著增加了种子中的磷吸收量，而镁改性生物炭则通过提高植物光合作用效率促进了作物生产。同时，铁改性生物炭和镁改性生物炭在土壤浸出液中表现出更高的磷、硫和铜的保留能力，并提升了钙、镁、锰、钠和锌等阳离子的可利用性。这些结果表明，改性生物炭在提高作物产量和磷利用效率的同时，能够有效减少磷通过淋溶和地表径流造成的环境污染，从而增强农业生产的生态和经济效益。

磷是植物生长发育过程中不可或缺的大量营养元素，其在植物干物质中的含量约为0.2%。磷在植物体内以多种形式存在，参与细胞膜结构中的核酸和磷脂的构建，并在光合作用中发挥关键作用。然而，土壤中的磷通常以有机和无机形式存在，但由于其溶解性较差，仅有少量磷能够被植物有效吸收和利用。因此，农业生产中往往需要施用大量磷肥，以满足作物对磷的需求。然而，这种高磷肥施用量不仅增加了生产成本，还可能导致磷的过度积累，进而引发土壤侵蚀和自然水体富营养化等环境问题。据估计，全球每年约有1400万吨磷通过农业土壤的径流流失，造成严重的生态影响。因此，如何在不牺牲作物产量的前提下，提高磷的利用效率并减少磷的流失，成为农业可持续发展的重要课题。

为了解决这一问题，科学家们提出了多种策略，包括开发缓释磷肥、使用涂层或有机材料减少磷在土壤中的溶解速率、应用“阻隔剂”如聚合物或腐殖质物质，以及采用磷酸盐或磷酸等替代磷源。此外，通过调控土壤性质，如pH值、碳储量和微生物生物量，也可以提升磷的可利用性。然而，由于农业生产条件的不确定性，农民通常会采取过量施肥的方式以确保作物的稳定生长。近年来，磷肥价格的波动，特别是自2020年以来上涨了约50%，进一步加剧了农民对磷肥成本的担忧，同时也凸显了寻找磷肥替代品的必要性。因此，探索能够有效提升磷利用效率并减少磷损失的土壤改良技术，对于农业经济和生态环境的可持续性具有重要意义。

生物炭因其对土壤健康的多重益处而受到广泛关注。生物炭是由有机资源（如树皮、粪肥、作物秸秆或猪粪）在缺氧条件下高温热解而成的富含碳的材料。它不仅可以提升土壤有机质含量，还能通过改变土壤中生物可利用磷与黏土矿物之间的相互作用，增强磷的固定能力。此外，生物炭还能够促进氮的矿化和储存，提高土壤pH值和持水能力，改变土壤微生物的多样性和群落结构，并影响土壤中的磷循环过程。然而，生物炭对土壤和生态系统的影响受到多种内在因素的制约，包括其生产过程、热解温度、原始材料的组成以及施用量等。尽管生物炭在改善土壤性质方面表现出色，但其对作物产量和磷利用效率的实际影响仍需进一步研究。因此，有必要深入探讨生物炭的改性过程及其对作物磷吸收和利用效率的影响机制。

生物炭可以通过涂层金属元素（如镁、铝、钙和铁）进行改性，以增强其对营养元素的吸附能力并减少其流失。例如，磁性生物炭由纳米级的Fe_xO_y/MgO颗粒组成，能够表现出对水溶液中磷的优异吸附性能。而铁改性生物炭不仅能够提升磷的可利用性，还可能改善氮、钾和铁的土壤供应能力。镁改性生物炭则因其高磷吸附能力（约300 mg/g）而备受关注。相比之下，铝改性生物炭的磷和氮吸附能力较低，分别仅为90 mg/g和58 mg/g。铁改性生物炭在提升植物对重金属（如铅、镉和锌）的抗性方面也表现出显著效果。然而，目前关于改性生物炭中营养元素的释放过程、其在作物体内的吸收与利用，以及作物产量的响应机制，尚缺乏系统的研究。因此，有必要通过实验手段，全面评估不同类型的生物炭对作物磷吸收和利用效率的影响。

本研究旨在探讨生物炭改性对土壤磷吸附能力的增强是否能够促进植物磷的吸收，并提高作物产量和磷利用效率。研究假设包括：1）无论是否进行改性，生物炭的添加都能够改善土壤健康，促进作物生长，提高磷的吸收和利用效率；2）铁和镁改性生物炭相较于原始生物炭和对照组，能够进一步提升土壤中磷的保留能力，从而增强植物对磷的吸收和利用。为了验证这些假设，研究团队在温室盆栽实验中，分别施用了原始生物炭和两种改性生物炭（铁改性和镁改性），并分析了植物组织、土壤和浸出液中的磷含量。同时，还评估了土壤健康状况、作物生长情况以及磷利用效率的变化。

研究结果显示，无论是原始生物炭还是改性生物炭，其添加均显著提高了高粱的生物量和籽粒产量，表明生物炭具有提升植物生产力的潜力。其中，铁改性生物炭对籽粒产量的提升效果最为显著。这可能与铁改性生物炭在调控土壤pH值和营养元素供应方面的作用有关。此外，铁改性生物炭和镁改性生物炭均降低了植物体内磷的浓度，从而提高了磷利用效率。相比之下，原始生物炭和对照组的磷利用效率较低。值得注意的是，铁改性生物炭显著提升了种子中的磷吸收量，而镁改性生物炭则通过增强植物的光合作用能力促进了作物的生长。这些结果表明，不同的改性方式对植物磷吸收和利用效率的影响机制存在差异。

在土壤浸出液分析中，铁改性生物炭和镁改性生物炭表现出更强的磷、硫和铜的保留能力，同时提高了钙、镁、锰、钠和锌等阳离子的可利用性。这可能与改性生物炭的表面化学性质和吸附能力有关。例如，铁改性生物炭可能通过调节土壤pH值，提升某些营养元素的可溶性，从而促进其在土壤中的释放和植物的吸收。而镁改性生物炭则可能通过增强土壤的阳离子交换能力，提高磷的固定和释放效率。这些发现为理解改性生物炭在土壤中的作用机制提供了新的视角。

研究还发现，铁改性生物炭和镁改性生物炭在提升作物产量和磷利用效率的同时，能够有效减少磷的流失。这表明，改性生物炭不仅能够改善土壤肥力，还可能成为一种环保型的土壤改良剂。然而，需要注意的是，不同类型的生物炭对土壤和作物的影响存在差异，因此在实际应用中，应根据土壤类型、作物需求以及环境条件，选择合适的生物炭类型和改性方式。此外，生物炭的施用量和改性程度也可能影响其效果，因此需要进一步优化生物炭的制备和应用方法。

综上所述，本研究的结果表明，生物炭的改性能够显著提升土壤的磷吸附能力，进而改善作物的磷吸收和利用效率。铁改性生物炭在提升作物产量和磷利用效率方面表现出更优的效果，而镁改性生物炭则通过增强植物的光合作用能力促进了作物的生长。这些发现为农业实践中利用生物炭进行土壤改良提供了科学依据，同时也为减少磷的环境污染和提高农业生产的可持续性提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同改性生物炭对其他营养元素的影响，以及其在不同土壤类型和气候条件下的适用性。此外，还需要关注生物炭的长期效果及其对土壤微生物群落的影响，以全面评估其在农业生态系统中的作用。