包膜氮肥、保水劑和生物炭在控制農(nóng)田土壤氮素?fù)p失方面的應(yīng)用綜述

邱月　張輝

摘要：氮肥中的氮素?fù)p失是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料利用率的最主要因素，損失的氮素威脅著大氣、水、土壤環(huán)境安全和人體健康。選取包膜氮肥、保水劑和生物炭3種用于控制土壤氮素?fù)p失的材料，分析了各自的作用機理、應(yīng)用情況和存在的問題。結(jié)果表明：包膜氮肥利用膜材料阻隔肥料與土壤接觸，從而控制養(yǎng)分釋放，被應(yīng)用到包膜上的材料有無機材料、有機聚合物和易降解的生物質(zhì)材料；保水劑是一種吸水力極強的樹脂，通過吸附土壤水分和養(yǎng)分、改變土壤理化性質(zhì)影響氮的遷移轉(zhuǎn)化，在與肥料結(jié)合制成凝膠、混合聚合物和包膜氮肥后能有效減少氮素?fù)p失；生物炭富含獨特的微孔結(jié)構(gòu)和多種養(yǎng)分，能有效吸附氮素并影響微生物對氮素的轉(zhuǎn)化，其作用機理和效果目前還存在爭議。由于這3種材料在控制氮素?fù)p失方面潛力巨大，文章最后給出了未來發(fā)展需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：肥料；氮素?fù)p失；包膜氮肥；保水劑；生物炭；農(nóng)田；土壤氮素?fù)p失

中圖分類號： S156.2 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0417-06

自然條件下植物能夠吸收和固定的氮素非常有限，氮肥的使用有效提高了作物品質(zhì)和產(chǎn)量。第2次世界大戰(zhàn)以后，隨著全球人口的快速增長，氮肥施用量也迅速增加。至2009年，中國氮肥生產(chǎn)量已達到3 608萬t，占全球的34%，而施用量也達到3 360萬t，占全球的33%[1]。施入土壤中的氮一般只能被植物吸收30%～40%，一半以上的氮素通過多種途徑損失到環(huán)境中。過多的氮素滯留在土壤中造成土壤酸化，或隨地表徑流、淋溶水流失引起地下水硝酸鹽超標(biāo)[2]、地表水體富營養(yǎng)化[3]；氣態(tài)的氨、一氧化氮、氧化亞氮進入大氣，引起氮素沉降[4]、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞[5]。因此，尋求減少土壤氮素?fù)p失的有效方法、提高氮素利用率，對于節(jié)約農(nóng)業(yè)成本、控制氮素引起的環(huán)境污染有著重要的現(xiàn)實意義。

為控制土壤氮素?fù)p失，國內(nèi)外學(xué)者研究了多種材料和方法。其中包膜氮肥由于含氮量高、控釋效果好受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用；保水劑具有良好的保水能力，常添加到干旱土壤中用于保持水分，對土壤性質(zhì)的改變也影響了氮素的遷移轉(zhuǎn)化；生物炭是一種富含微孔和多種養(yǎng)分的生物質(zhì)材料，近年來被用作土壤改良劑以改善土壤狀況，而在控制土壤氮素?fù)p失方面還處于起步階段。通過探討這幾種材料與氮素的作用機理，分析它們各自的研究和應(yīng)用情況，有利于挖掘它們在氮素?fù)p失控制方面的價值，可為減少氮素污染提供有效的方法。

1 包膜氮肥

包膜氮肥利用一種或幾種材料包裹肥料顆粒，在肥料與土壤之間形成屏障，借助物理阻隔或包膜材料的某些特殊化學(xué)性質(zhì)，控制肥料的養(yǎng)分釋放特性，使其與作物的整個生長發(fā)育過程相吻合，從而促進作物對養(yǎng)分的吸收，提高肥料利用率，減少養(yǎng)分損失。

1.1 包膜氮肥的作用機制

包膜肥料相當(dāng)于一個小型的養(yǎng)分儲存庫，由于膜材料的阻隔，肥料不能直接與土壤接觸，削弱了養(yǎng)分在土壤溶液中的溶解以及土壤微生物的作用[6]。借助滲透和擴散作用，包膜肥料養(yǎng)分向土壤中的釋放過程一般可歸結(jié)為2個階段[7-9]：（1）包膜肥料接觸水溶液后，水汽滲透進入膜內(nèi)，開始溶解肥料，隨著膜內(nèi)壓力累積增大，內(nèi)部逐漸膨脹，內(nèi)外壓差引起肥料向外釋放；（2）當(dāng)膜內(nèi)壓力增加到一定程度時，可能引起外膜破裂，核心的肥料養(yǎng)分就會通過膜表面破裂形成的縫隙和孔洞迅速釋放，這一過程稱為“崩潰釋放”；如果膜的強度能夠承受膨脹壓力，則驅(qū)使養(yǎng)分釋放的主要因素是膜內(nèi)外的壓力差和濃度梯度，該過程稱為“擴散釋放”。實際上包膜肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放過程受肥料本身特性及外界條件影響，肥料特性包括粒度、膜材料、膜厚度及孔度等；外界條件主要是溫度和水分，兩者能夠影響飽和水汽壓的高低[10]。在一定范圍內(nèi)，外界環(huán)境溫度越高、水汽壓越大，包膜尿素的養(yǎng)分釋放速率越快[11]。

1.2 包膜氮肥的應(yīng)用

常用的包膜材料可分為無機物和有機高分子聚合物，無機材料多采用硫磺、鈣鎂磷等無機礦物。硫的來源廣泛，成本較低，且可以作為營養(yǎng)元素添加到土壤中，硫包膜尿素是研究、使用時間最久的無機包膜氮肥；但硫膜硬度小，成膜后表面不平整，常出現(xiàn)裂縫，在土壤中容易破裂造成養(yǎng)分提前釋放，降低了緩釋效果[12]。聚合物包膜相對于硫而言具有較高的穩(wěn)定性。分別用2種材料制成的包膜氮肥，經(jīng)多種試驗驗證，與施普通尿素相比都能不同程度地減少NH3、NOx的揮發(fā)量以及硝態(tài)氮的淋溶量，從而有效抑制了氮素?fù)p失[13-15]。實際應(yīng)用中為了彌補硫膜易破損的缺陷，常在硫中添加高分子物質(zhì)對其進行改性，以增加結(jié)構(gòu)強度和表面均勻性[12]，或復(fù)合制成雙膜包裹尿素。大田試驗表明，采用硫磺-樹脂雙層包膜尿素能顯著增加作物體內(nèi)的氮含量，提高氮肥利用率，并能減少硝態(tài)氮在土壤中的積累，防止大量氮素向土壤深層淋溶而損失[10，16]。由于聚合物多來源于不易溶的石油提煉產(chǎn)物，制膜時需要使用其他有機溶劑，較高的加工成本使其在實際生產(chǎn)中得不到廣泛推廣，同時高分子物質(zhì)在土壤中難被生物降解，存在二次污染的問題[7]。因此，尋求低成本、易降解、能有效控制肥料釋放的材料顯得尤為重要。

地殼中存在著許多具有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的無機礦物，尤其是以沸石、高嶺石、蒙脫石、凹凸棒石等為主的鋁硅酸鹽礦物，有著巨大的比表面積和表面能，晶格之間存在不穩(wěn)定的可交換性離子，能夠從環(huán)境中有力地吸附多種污染物[17-18]。牟林等采用土壤淋溶和盆栽試驗2種方法，以復(fù)合肥作基質(zhì)，探討了滑石粉、蒙脫土、高嶺土、硅粉和硅藻土5種無機礦物用作膜材料的效果。結(jié)果表明，包膜肥料養(yǎng)分釋放速率明顯低于普通復(fù)合肥，能有效地保持氮素養(yǎng)分較長時間處于銨態(tài)氮（NH4+-N）形態(tài)，減少因轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮（NO-3-N）而造成的淋溶損失[19]。在土壤中施用凹凸棒石包膜尿素[20]，或把凹凸棒石作為基質(zhì)與肥料混合制成高分子包膜氮肥[21]，都顯著降低了肥料氮素的溶出量。

為了降低膜的成本，同時提高材料的環(huán)保性，一些可降解的生物質(zhì)材料得到了研究關(guān)注。淀粉是一種來源于植物的天然高分子聚合物，可完全被生物降解，但淀粉易吸水，單獨使用作為包膜材料時在短時間內(nèi)即可充滿水分膨脹，導(dǎo)致養(yǎng)分迅速釋放，因此需要添加其他物質(zhì)降低其親水性，如加入可降解的天然橡膠[22]、聚乙酸乙烯酯[23]、聚乳酸[24]、聚乙烯醇[25]等后，包膜尿素在水中的溶出速率明顯降低，完全溶出時間變長。Ferna'ndez-Pe'rez等利用硫酸鹽木質(zhì)素與尿素的混合物作基質(zhì)，用乙基纖維素包膜，與普通尿素相比，溶出90%的氮素時間由0.5 h提高到了48 h以上[26]。還有研究發(fā)現(xiàn)，竹炭包膜[27]和植物油脂[28]包膜，在淋溶試驗中也能降低尿素氮肥的養(yǎng)分溶出率。endprint

1.3 存在的問題

包膜氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣，受到高成本和環(huán)境污染問題的限制。一些新型環(huán)保材料雖然價廉易得、綠色環(huán)保，但緩釋效果缺乏以土壤為介質(zhì)的試驗驗證。包膜氮肥的施用效果極易受到外界條件干擾，一旦水分、溫度、土壤生物活性等發(fā)生改變，將直接影響肥料效率。關(guān)于包膜氮肥的釋放行為不應(yīng)停留在定性上，建立不同作物和土壤條件下的氮素釋放動力學(xué)模型，將有助于更好地控制養(yǎng)分釋放、減少氮素?fù)p失。

2 保水劑

保水劑是一種親水的交聯(lián)聚合物，能夠吸收大量的水分且維持自身結(jié)構(gòu)不被溶解或破壞，在受到一定的壓力時也能保持吸收的水分[29]。通常人們關(guān)注的是保水劑在旱地的保水作用，但實際上這種對土壤水分的保持作用也有助于減少肥料養(yǎng)分的流失[30]。

2.1 保水劑的作用機理

保水劑減少氮素?fù)p失的機理，可分為直接、間接2個方面。直接作用是指保水劑對水分和養(yǎng)分的吸附，保水劑的吸水性能減少土壤水分揮發(fā)和流動性損失，降低灌溉頻率，抑制肥料氮素隨水流失[31-32]。另外，保水劑內(nèi)部呈交聯(lián)的網(wǎng)狀“骨架”結(jié)構(gòu)，布滿了大小不一的孔洞，吸水的同時可讓一些小分子或離子如 CO（NH2）2、NH4+、NO3-擴散進入，暫時被溶脹的保水劑分子包裹起來，也可通過靜電引力、范德華力、離子交換、離子吸附、螯合等機制暫時固定下來，從而延緩養(yǎng)分的釋放[33]。

間接作用通過保水劑對土壤理化性質(zhì)的影響表現(xiàn)出來：（1）保水劑分子表面的靜電作用或黏結(jié)性促進土壤團聚體的形成，增大土壤孔隙度[34-35]，為土壤氮素等養(yǎng)分提供暫時的貯存場所，減少了肥料的深層滲漏；（2）保水劑能降低土壤滲透性，有效阻止水分向深層滲漏[36]，對于不能被土壤膠體所吸附而只能在土壤溶液和孔隙中流動的NO-3-N，改善土壤結(jié)構(gòu)和滲透性能顯著降低其淋溶損失[37]；（3）保水劑吸收大量水分，降低了土壤水壓，即使在干旱條件下水分釋放也很緩慢，從而降低了水分蒸發(fā)頻率，減少了氣態(tài)氮的揮發(fā)損失[38]；（4）保水劑的施用增強了土壤脲酶活性[31]，有利于氮肥中的尿素高效轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，可促進植物對氮素的吸收，提高氮肥利用率；（5）保水劑在植物根部土壤形成了富集水分和養(yǎng)分的水肥耦合區(qū)域，改變了作物根系生長發(fā)育的形態(tài)特征和生理機能，增強了根系對水肥的吸收能力，從而提升了肥料利用效率，減少了養(yǎng)分損失[39]。

2.2 保水劑的應(yīng)用

2.2.1 保水劑的種類 按照保水劑的化學(xué)組成，一般可將其分為3類：（1）高分子聚丙烯酸（鹽）類保水劑，常見的有淀粉-聚丙烯酸接枝共聚物、聚丙烯酸鈉鹽和聚丙烯酰胺類等，以聚合物為主要構(gòu)成成分，成本較高；（2）有機-無機復(fù)合類保水劑，添加無機礦物以提高保水劑的吸水率、耐鹽堿性和對養(yǎng)分離子的吸附[34-35]；（3）多功能類保水劑，如添加麥稈、腐殖酸、纖維素等易降解的生物質(zhì)材料。復(fù)合保水劑成本低、環(huán)保，更利于在實際生產(chǎn)中推廣。

2.2.2 保水劑與氮肥的復(fù)合方式 直接將固體保水劑顆粒與肥料、土壤混合均勻施入，或溶于水配成一定含量的溶液施于土壤[40-41]，不但增加農(nóng)田作業(yè)次數(shù)和成本，而且用量少時肥料不能與保水劑充分接觸，很難發(fā)揮兩者之間的相互作用，從而影響保水劑使用效果。可通過溶解成水凝膠、混合聚合或包膜等方式，實現(xiàn)保水劑與肥料的復(fù)合。

將干燥的保水劑浸入氮肥溶液中，讓其充分吸水膨脹，過濾、干燥即制得以保水劑作為載體的緩釋氮肥。用該方式制備保水劑-尿素水凝膠時，保水劑負(fù)載的尿素量與尿素溶液濃度有關(guān)[42]，濃度越高，越多的尿素分子就會進入保水劑內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，干燥過程中水分揮發(fā)而尿素被固定下來。施入土壤后，保水劑先吸水膨脹成水凝膠，尿素溶解，隨保水劑內(nèi)部水分與土壤溶液之間的動態(tài)交換緩慢釋放。Liang等制備的小麥秸稈-聚丙烯酸保水劑[43]、覃莉莉等制備的玉米秸稈-聚丙烯酰胺復(fù)合保水劑[44]，它們的尿素吸附凝膠都明顯降低了尿素在土壤中的釋放速率。Zheng等認(rèn)為，水凝膠的尺寸和交聯(lián)度會影響尿素釋放速率：凝膠尺寸越小，表面積越大；水與凝膠的接觸界面越廣，尿素釋放更快；交聯(lián)度越高，凝膠內(nèi)部的分子鏈能阻止尿素大量溶出，釋放速率越低[45]。水凝膠制備工藝簡單，受到凝膠的電荷屬性及吸附量制約，養(yǎng)分濃度偏低。

利用聚合反應(yīng)直接把肥料包埋在聚合物基質(zhì)中或與聚合物單體共聚成一體，也能實現(xiàn)肥料與保水劑的復(fù)合。Rahman等通過共價聚合反應(yīng)，在過硫酸鉀作引發(fā)劑合成的聚丙烯酸基質(zhì)中加入尿素，得到了含氮量24.76%的聚合尿素[46]，在種有辣椒的土壤中施用10 d后，土壤含氮量明顯高于普通尿素組，并隨時間緩慢降低，至種植期結(jié)束仍可檢測到部分殘留氮，而普通尿素組的土壤氮含量短時間內(nèi)迅速降低并接近于0。用丙烯酸和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺作聚合基質(zhì)，Guo等添加羧甲基淀粉、尿素[47]，Teodorescu等用液態(tài)氮肥進行自由基共聚反應(yīng)，分別制得的復(fù)合氮肥[48]在土壤中都表現(xiàn)出了氮素緩釋性能。在丙烯酸、丙烯酰胺的基質(zhì)中添加蒙脫石，無機礦物晶層形成的曲折孔洞能進一步改善復(fù)合肥內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，阻止肥料向外擴散[49]。聚合反應(yīng)能使肥料更牢固地與基質(zhì)結(jié)合，但也有可能影響肥料性質(zhì)，比如尿素可能在聚合加熱過程中轉(zhuǎn)化成縮二脲，對作物產(chǎn)生危害[43]。

保水劑作為包膜氮肥的膜材料使用，能保證較高的肥料含量，且有利于保持保水劑完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和保水性能。包膜的方式分為保水劑單層包膜和復(fù)式包膜，對于高吸水性樹脂單層包膜氮肥，主要靠吸水溶脹后對養(yǎng)分的“包裹”和吸附作用起到緩釋效果[50]，復(fù)式包膜中的內(nèi)膜往往黏結(jié)性好，附著在肥料表面阻礙水分向內(nèi)部擴散，防止養(yǎng)分大量溶出[51]。肖強等用水基成膜法制備的丙烯酸酯類包膜氮磷鉀肥，表面光滑、厚實、均一，在土柱淋洗試驗中與施用普通氮磷鉀肥相比，氮素累積溶出率達到50%所需要的時間延長了37 d，在80～160 cm土層剖面的硝態(tài)氮含量明顯低于對照，作物對氮素的利用率提高了20.3%[52]。宋陽等在聚丙烯酸鉀中添加凹凸棒石，其上的羥基在接枝共聚反應(yīng)中起類似交聯(lián)劑的作用，增加了保水劑的交聯(lián)度，提高了材料的吸水倍率并降低了NH4+的滲透速率[53]。為提高保水劑包膜氮肥的環(huán)保性，Wu等研究了多種生物質(zhì)材料作內(nèi)膜，保水劑作外膜的雙包膜氮肥，這些材料包括殼聚糖[54]、海藻酸鈉[51]、乙基纖維素[55]、麥稈[56]等，在土壤中都表現(xiàn)出了良好的氮素緩釋性能。endprint

2.3 存在的問題

保水劑是一種新型緩控釋肥材料，既能保水又能保肥，因此針對不同的作物和農(nóng)業(yè)環(huán)境，需要取得養(yǎng)分含量、釋放性能和保水指標(biāo)之間的平衡，避免顧此失彼。保水劑施入土壤后可反復(fù)吸水，如果用量不當(dāng)，在土壤中過度積累，長期可能產(chǎn)生負(fù)面影響。目前實際應(yīng)用的保水劑種類十分有限，主要是丙烯酸鹽類，加強具有緩釋作用的新型保水材料的開發(fā)十分必要。此外，保水劑的耐鹽堿性有待提高。

3 生物炭

生物炭是在低氧或缺氧條件下，將植物秸稈、禽畜糞便、污泥等有機物質(zhì)經(jīng)高溫裂解形成的富含碳、高度芳香化、穩(wěn)定的有機物質(zhì)。生物炭能為土壤輸入養(yǎng)分，其多孔特性和表面積能改變土壤容重、孔隙度、水分、團聚體、pH值、陽離子交換量等理化性質(zhì)[57]，還可吸附土壤中的重金屬、農(nóng)藥、有機污染物等[58]，因此常用作土壤改良劑添加使用。Lehmann等提出，在土壤中施用生物炭還能減少土壤氮素?fù)p失、提高氮肥利用率[59]。

3.1 生物炭的作用機理

生物炭對土壤氮素的保持主要靠3個方面作用：保持土壤水分以減少淋失、對氮素的吸附和對土壤微生物的影響。

生物炭豐富的微孔結(jié)構(gòu)，可顯著提高土壤的孔隙率和比表面積，促進團聚體形成，改善土壤滲透性、水分的停留時間和滲透路徑[60]。與其他土壤有機質(zhì)相比，生物炭有著更強的吸濕能力，能吸附更多的水分，提高土壤持水能力[61]。研究表明，在旱地土壤和黃壤中施用適量的生物炭，能減少淋出液體積，從而間接減少養(yǎng)分損失[62-63]。

生物炭對NH3、NH4+有著較強的吸附作用，對NO3-吸附能力有限，這是由生物炭多孔結(jié)構(gòu)以外的理化特性決定的。生物炭表面的羧基等酸性有氧官能團與堿性的NH3結(jié)合，形成酰胺類化合物[64]。在裂解過程中生成的豐富官能團能增加土壤陽離子交換量，通過離子交換吸附NH4+[65]；同時，生物炭表面大多呈負(fù)電，更易吸附帶相反電荷的NH4+[66]。不同的原料和裂解方法制得的生物炭性質(zhì)不同，對氮素的吸附特性也有差異。

關(guān)于生物炭對土壤微生物的作用，研究結(jié)論并不統(tǒng)一，主要是受到生物炭和土壤類型的影響。對氮素轉(zhuǎn)化的影響集中在3點：（1）呈堿性的生物炭引起土壤pH值升高，多微孔結(jié)構(gòu)改善了土壤透氣性，從而抑制反硝化作用產(chǎn)生N2O，減少溫室氣體排放[67-68]；（2）影響氮素礦化，Knowles等認(rèn)為，生物炭通過抑制有機氮礦化成NH4+和NO3-，減少了氮素淋失[69]；而Nelissen等研究表明，生物炭加入土壤后有機氮的礦化作用增強[70]；（3）生物炭在土壤中形成的微孔為微生物的棲息和繁殖提供了“庇護”場所，削弱種群之間的競爭，且生物炭吸附的養(yǎng)分可供微生物利用，一定條件下能提高微生物數(shù)量和活性，增加固氮量[71]。

3.2 生物炭的應(yīng)用

生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用有2種模式：作為土壤改良劑添加和制成炭基緩釋肥。作為土壤改良劑施用生物炭時，可以降低氮素淋失。高德才等以玉米秸稈生物炭和尿素為材料進行土柱模擬試驗發(fā)現(xiàn)，適量施用生物炭可顯著降低總氮、NH4+和NO3-的淋失[62]；周志紅等在黑鈣土和紫色土中進行的淋洗試驗表明，生物炭能大幅降低有機氮和硝態(tài)氮的淋失，但較低的施用量會促進氮的淋失[72]。污泥中含有的豐富營養(yǎng)成分常被用來改良土壤，但其養(yǎng)分流失也是農(nóng)業(yè)面源污染和地下水污染的來源之一。Knowles等研究表明，用生物炭、污泥作土壤添加劑比單獨使用污泥改良土壤造成的NO-3-N淋失大幅降低[69]。生物炭還能提高作物對氮素的利用率，降低氮素在土壤中的累積率，提高氮在土壤中的生物有效性，促進作物對氮的吸收[73]。生物炭的施用在一定條件下可減緩N2O的產(chǎn)生，這對控制溫室效應(yīng)有著重要意義。Nelissen等發(fā)現(xiàn)，使用尿素和KNO3作氮肥時，生物炭可降低52%～84%的N2O和47%～67%的NO累積釋放量[67]，可能的原因有生物炭促進NH3揮發(fā)、氮的生物固定，以及對氮的吸附、pH值的影響等。Saarnio等則發(fā)現(xiàn)，生物炭作用下N2O釋放規(guī)律受土壤水分和作物的影響，濕潤條件更有利于N2O的產(chǎn)生，作物對氮的吸收能有效減弱N2O的排放[74]。

國內(nèi)一些學(xué)者研究了生物炭結(jié)合氮肥制備的炭基肥對作物和土壤養(yǎng)分的影響。陳琳等利用小麥秸稈制備的炭基肥與普通復(fù)合肥相比發(fā)現(xiàn)，該基肥提高了作物氮肥利用率，減少了肥料投入，有助于從根本上抑制氮素?fù)p失[75-76]；研究還發(fā)現(xiàn)，施用炭基肥對作物吸收氮素的影響表現(xiàn)為前期抑制、后期促進，這表明炭基肥對氮素具有緩釋效果。劉小虎等施用炭基緩釋花生專用肥，與普通氮磷鉀相比銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別提高了4.8%、13.0%，花生增產(chǎn)明顯[77]，表明炭基肥能促進作物對氮素的吸收。

3.3 存在的問題

生物炭作為土壤改良劑已有很多研究報道，而在抑制土壤氮素?fù)p失方面還是一種新材料，它的作用機理目前還不夠明確，許多室內(nèi)模擬試驗和田間種植試驗結(jié)果相矛盾，不同種類的生物炭作用效果之間差異很大，因此深入了解生物炭特性與抑制氮素之間的關(guān)系應(yīng)成為其實際應(yīng)用的理論支撐和當(dāng)前研究重點。對氮素的作用效果因生物炭類型、施用量、土壤環(huán)境、作物和肥料種類的不同而表現(xiàn)出較大差異，要具體情況具體分析，不能以一概全。另外，生物炭在生產(chǎn)過程中可能會產(chǎn)生一些有毒有害物質(zhì)，如活性污泥，還使家禽糞便中含有重金屬，一些木質(zhì)材料在高溫下易降解產(chǎn)生多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)，它們施入土壤后對土壤污染和人體健康造成的危害不可忽視；即使不含有害物質(zhì)，生物炭在土壤中長期存留的影響也有待研究。

生物炭的使用應(yīng)是廢物利用的一種方式，它的開發(fā)利用應(yīng)始終遵循這一原則。一些學(xué)者在研究中使用云杉、銀杉等稀有樹種作為原料[67]，不僅不利于發(fā)揮生物炭的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，還有可能危害生態(tài)環(huán)境。作物秸稈、果殼、蔗渣等農(nóng)林廢棄物是生產(chǎn)生物炭的良好材料，我國每年僅作物秸稈可達8億t[78]，但利用率較低，生物炭的生產(chǎn)還處于起步階段。endprint

4 展望

新型材料的開發(fā)與利用為減少氮素?fù)p失提供了有效的解決方法，包膜緩釋氮肥從20世紀(jì)末開始就得到了廣泛的關(guān)注和研究，近年來不斷有新的成分被開發(fā)和應(yīng)用到包膜技術(shù)上；保水劑和生物炭用于控制氮素?fù)p失的研究還處于初步階段，今后的發(fā)展應(yīng)注意以下幾點：

（1）尋求材料特性與控制氮素?fù)p失效果之間的關(guān)系作為應(yīng)用推廣的理論支撐。氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜，受到土壤理化環(huán)境、微生物和農(nóng)田作業(yè)方式的影響，材料的種類和制備方法也是千差萬別，但實際生產(chǎn)中不可能面面俱到，這些材料用于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時的作用規(guī)律可能會與研究結(jié)果發(fā)生沖突，因此建立材料特性與其作用效果之間的機制，有利于提高生產(chǎn)效率，并根據(jù)不同的作物和農(nóng)業(yè)環(huán)境選擇合適的材料，在保證作物正常生長條件下有效減少氮素?fù)p失。

（2）關(guān)注材料對土壤環(huán)境的長期影響。目前的研究集中在室內(nèi)試驗和短期的田間試驗，雖然能在一定程度上削弱氮素?fù)p失，但長期對土壤環(huán)境造成的影響未知。包膜氮肥和保水劑中的高分子材料在土壤中的持留時間、添加的環(huán)保生物質(zhì)對土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的改變、高穩(wěn)定性的生物炭長期施用對土壤理化性質(zhì)的影響都需要進一步探討。

（3）促進材料應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化。包膜氮肥的商品化生產(chǎn)，在日本和一些歐美發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)，而關(guān)于保水劑和生物炭對氮素的影響機制研究還不統(tǒng)一，難以建立規(guī)范的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。以特定的作物作為保氮材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的出發(fā)點，有利于整合資源、集中攻克難點，盡快實現(xiàn)從研究向?qū)嵺`的推廣。

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