氮素是植物生长发育过程中的必需元素，对农作物的品质形成具有重要影响^[1]。在我国农业生产过程中，为了提高农作物产量，农民普遍大量施用氮肥，但据数据统计，我国主要粮食作物的氮肥利用程度很低，水稻、小麦和玉米的氮肥利用率仅为28.3%、28.2%和26.1%^[2]。大部分氮素以氨挥发、地表径流、渗漏、氧化亚氮排放等形式损失进入环境，不仅造成了经济损失，还会造成水体富营养化和温室效应等各种环境问题^[3]。朱兆良^[4]对我国农田化肥氮的去向作了初步统计，研究结果表明作物吸收大概在35%左右，淋洗损失约占2%，径流损失占5%。氮肥施入土壤后，通过硝化作用转变为NO₃^-，NO₃^-带负电荷，是较易被淋洗的氮形式，NH₄⁺带正电荷，易被土壤胶体吸附。陈心想等^[5]通过土柱试验模拟氮素淋失，研究表明在整个淋洗过程中，氮素主要以硝态氮形式淋失，累积淋失量占硝铵淋失总量的97.3%。硝态氮淋洗会严重污染地下水，金铭^[6]对中国57座城市进行调查，有46座城市的地下水氮超标。董章杭等^[7]对山东寿光蔬菜种植区的653个地下水水样的检测结果表明，该地区全年平均硝态氮含量高达22.6 mg·L^-1。因此，降低硝态氮淋洗损失对于降低农田氮素损失、提高农田氮肥利用率，实现我国农业绿色、高效、可持续发展具有重要意义。

生物质炭（Biochar）是指生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固态产物^[8]，其比表面积大、孔隙结构发达，具有高度稳定性和较强的吸附性能。近年来，生物质炭作为土壤调理剂被广泛应用于农业生产中，不仅可以改善土壤质量，还能吸附固持土壤中的养分，从而减少农田土壤养分流失^[9-10]。周志红等^[11]以玉米秸秆为原料，通过淋洗试验研究生物质炭对硝态氮淋溶的影响，结果表明，生物质炭施入使紫色土硝态氮的淋失量降低70%。但是Bruun等^[12]研究小麦和稻草生物质炭对砂土氮素淋失的影响的结果表明，生物质炭对土壤累积硝态氮和铵态氮的淋失没有显著影响。

目前关于生物质炭对农田土壤硝态氮淋洗影响方面的文献有很多，包括不同的生物质炭种类和用量，以及在不同土壤类型上的研究等，大多数文献报道生物质炭能够降低土壤硝态氮淋洗损失，但是效果不一^[13-14]。另外，不同生物质炭用量以及不同土壤类型对降低硝态氮淋洗损失的效果也不一^[15-16]。本文拟通过对2010—2016年以来生物质炭输入对土壤硝态氮淋洗影响方面文献的分析，全面总结生物质炭在降低硝态氮淋洗方面的应用发展，进一步从生物质炭用量、土壤类型等方面研究生物质炭对硝态氮淋洗损失的影响因素，并对生物质炭在降低土壤硝态氮淋洗方面的效果进行总体评价。

本文以生物质炭对土壤硝态氮淋洗的影响为研究对象，筛选收集了2010—2016年中国知网和Web of science上发表的相关文献，共计41篇，其中中文文献23篇，外文文献18篇。筛选标准为至少包括两个生物质炭用量处理，涵盖主要土壤类型，土壤pH包含范围为4.07~9.04，主要发表于核心期刊。以这些文献作为分析的数据集，应用Sigmaplot 12.5和Excel 2010，完成生物质炭对硝态氮损失的影响分析。表 1综合了各参考文献的土壤类型、pH值和制作生物质炭的原料等基本信息。

表 1　2010—2016年所涉文献基本情况 Table 1　Basic information of the literature from 2010 to 2016

表选项

为了综合比较生物质炭对土壤硝态氮淋洗损失的影响，将各文献的数据结果，均转化为百分比进行比较。详细的计算转化方法如下：

淋溶液体积减少百分比=（对照处理的淋溶液体积-生物质炭处理淋溶液体积）/对照处理的淋溶液体积×100%

硝态氮淋溶量减少百分比=（对照处理的硝态氮淋溶量-生物质炭处理硝态氮淋溶量）/对照处理的硝态氮淋溶量×100%

试验数据分析和图表制作采用Sigmaplot 12.5和Excel 2010软件。

2010—2016年中国知网和Web of science收录的关于生物质炭对硝态氮淋洗的文献分析结果（表 1）表明，近年来关于生物质炭对土壤硝态氮淋洗的研究较多，涉及到红壤、黑土和灌淤土等多种土壤类型，其中研究最多的是灌淤土和红壤，占到中文文献的19.0%和28.6%。生物质炭的制备原料较丰富，常见的有秸秆类生物质炭、木本类生物质炭，还包括一些工业和生活废弃物。我国是世界农业大国，秸秆和稻壳是主要的农副产物，从表 1可以看出，生物质炭的制备原料以秸秆类居多，占到文献总量的41.5%，其次为树木枝条。所用生物质炭多为碱性，pH5.20~10.45。

从文献中筛选得到的与生物质炭施入对土壤硝态氮淋洗相关的文献共37篇，共总结筛选得到186个相关数据。从图 1可以看出，与对照相比，经生物质炭处理后，土壤硝态氮淋洗减少量平均值为24.6%，最大减少量为90.1%。其中86.0%的生物质炭处理可以降低土壤硝态氮淋洗量，但同时有14.0%的生物质炭处理增加了土壤硝态氮的淋洗量。

图 1 生物质炭施入对硝态氮淋洗的影响 Figure 1　The effect of biochar application on NO-3 leaching

图选项

对于生物质炭对土壤淋洗液体积方面的研究，本文通过文献搜集得到12篇相关文献，共57个数据。由图 2可知，98.2%的数据显示生物质炭的施入可以降低土壤水分淋失，平均降低率达10.0%，最高可达37.2%。由此可见，绝大部分研究中生物质炭的施入显著提高了土壤的持水能力，这可能是因为生物质炭的比表面积较大，孔隙结构发达。

图 2 生物质炭施入对土壤淋溶液体积的影响 Figure 2　The effect of biochar application on leachate volume

图选项

对淋溶液体积减少百分比与硝态氮减少百分比进行相关性分析（图 3），结果表明硝态氮含量的变化与淋溶液体积的变化呈显著正相关（P＜0.01）。降雨和灌溉是土壤养分淋失的主要动力，生物质炭对水分有吸附固持的作用，从而通过切断硝态氮的迁移载体来降低硝态氮淋溶损失。

图 3 淋溶液体积减少百分比与硝态氮减少百分比的相关性 Figure 3　The relationship between leachate volume and nitrate reduction

图选项

从文献中选出23篇包含至少3种以上生物质炭用量处理的相关文献，按照生物质炭用量小于2%、2%~5%和大于5%划分为低水平用量、中水平用量和高水平用量三类，其生物质炭平均用量分别为1.38%、3.61%和7.18%。从表 2可以看出，硝态氮淋洗减少量随着生物质炭用量的增加而增加。在生物质炭用量为1.38%的低用量下，可以降低13.5%的硝态氮淋洗损失。当生物质炭用量分别增加到3.61%和7.18%时，土壤硝态氮的淋洗减少量分别提高到27.1%和34.2%。

表 2　生物质炭用量对土壤硝态氮淋失的影响 Table 2　Effect of biochar consumption on NO₃^- leaching

表选项

综合文献中不同土壤类型，土壤pH分为酸性土壤、中性土壤和碱性土壤，平均土壤pH值分别为4.98、6.48和8.47。从表 3可以看出在不同的土壤pH条件下，生物质炭施入均会减少硝态氮的淋洗损失，但减少效果不一。当土壤呈中性（pH=6.48）时，对降低硝态氮淋洗效果最佳，达到30.7%；其次为碱性土壤（pH=8.47），达23.2%。而在酸性土壤下，施用生物质炭后对土壤硝态氮淋洗损失的降低率仅为17.8%。

表 3　土壤pH对生物质炭调控硝态氮淋溶损失的影响 Table 3　Effect of soil pH on NO₃^- leaching loss regulated by biochar

表选项

综合上述研究结果发现，86%的数据结果表明生物质炭施入土壤中，可以减少硝态氮淋溶损失，减轻地下水污染。首先，生物质炭可以通过吸附铵态氮减少土壤中硝态氮含量。铵态氮是硝化反应的底物，土壤中铵态氮含量的变化直接影响了氮平衡，减少土壤中可淋失硝态氮含量。生物质炭表面含氧官能团较丰富，施入土壤后，可以提高土壤的阳离子交换量，通过离子键和共价键连接为养分提供吸附位点^[8-9]。刘玮晶等^[33]发现生物质炭以1%、3%和5%的比例添加后，土壤铵态氮淋失量分别减少22%、39%和47%，氮素滞留量分别增加了15%、5%和14%，这表明生物质炭的施入可以提高土壤对铵态氮的吸附能力。另外，生物质炭也可以通过直接吸附硝态氮来降低硝态氮的淋洗。生物质炭具有高比表面积，孔隙结构发达，可以吸附土壤中的无机离子，如硝态氮等^[50]。王冰等^[51]将玉米秸秆、稻壳和落叶松木制备的生物质炭施入黑土后发现，与对照相比，施用生物质炭可增加黑土对硝态氮的吸附能力，施用3.6%的生物质炭吸附能力最强，分别达到0.929、0.802、0.587 mg·g^-1。

土壤氮素损失的方式主要是硝态氮淋洗，而水分是硝态氮迁移的主要载体。在本文中，文献分析结果表明添加生物质炭处理的淋溶液体积显著低于对照处理。生物质炭具有发达的孔隙结构，比表面积大，生物质炭的孔隙结构可以保持水分，减少水分的渗漏速度，从而减少养分的淋失^[52]。袁金华等^[53]认为，生物质炭可以改变土壤孔径和分布情况，生物质炭独特的孔隙结构可以减小水分的渗漏速率，从而改变土壤水分的停留时间和渗滤模式。

目前大部分研究发现生物质炭能够降低土壤硝态氮的淋洗损失，但是也有一小部分研究发现生物质炭促进了硝态氮的淋洗损失（图 1），可能是由于受到生物质炭添加量、土壤类型等因素的综合影响。刘玉学等^[54]认为添加不同用量的生物质炭对土壤硝态氮淋溶损失效果不一。本文的文献分析结果表明，与不施生物炭相比，生物质炭施用量为1.38%、3.61%和7.18%时，硝态氮的淋失量分别降低13.5%、27.1%和34.2%。生物质炭的添加显著降低了土壤硝态氮的淋溶，但其添加效果与施用量显著相关，硝态氮淋失量随着生物质炭施用量的增加，呈现“报酬递减”现象，生物质炭的施用水平从低水平增加到中水平时，硝态氮减少量增加了100.7%，但从中水平上升至高水平时，硝态氮减少量仅增加了26.2%。李江舟等^[21]采用土柱淋洗模拟方法研究不同生物质炭添加量对土壤中氮淋溶损失时发现，与对照相比，生物质炭添加量为10%、20%和40%时，硝态氮淋失总量分别降低13%、18%和25%，这是因为生物质炭对氮素具有吸附作用，生物质炭含量升高，吸附固持能力加强。然而，在生物质炭添加比例较低的情况下，硝态氮的淋溶量也可能会增加。周志红等^[11]研究发现，在生物质炭为1%的较低用量处理下，黑钙土和紫色土的硝态氮淋洗损失增加22%和2%。陈心想等^[5]研究表明在整个淋洗过程中，生物质炭施用量为20、40 t·hm^-2和60 t·hm^-2（相当于8.89%、17.78%、26.67%）的硝态氮累积淋溶量均高于对照处理，只有80 t·hm^-2（35.56%）用量处理较对照降低了18.6%。这可能是由生物质炭制备材料不同造成的，试验中选用的生物质炭原材料为废弃的果树枝条，孔隙结构发达但大小不一，对硝态氮的吸附能力弱，而施用生物质炭造成对土壤的扰动作用促进土壤水分的下移从而增加硝态氮淋洗。因此，只有80 t·hm^-2（35.56%）的生物质炭用量水平对硝态氮有较强的吸附保留作用。陈重军等^[34]研究竹子、水稻秸秆和烟草秆制备成的生物质炭对土壤氮磷流失的影响，结果表明，在所有处理中，竹炭的效果最佳。这主要是因为竹炭具有巨大的比表面积，增加对氮磷的吸附，减少养分通过生物质炭进行的迁移。

此外，研究发现不同的土壤类型也会影响生物质炭对硝态氮淋洗损失的效果^{[11, 36, 41]}。这可能是因为土壤质地、矿物组成不同，生物质炭对土壤中氮素转换和吸附等作用受到影响^{[14, 18]}。张千丰等^[28]研究发现，向白浆土和黑土中添加2%和4%的玉米棒芯生物质炭，与对照相比，白浆土的硝态氮淋失量分别降低了12.34%和26.0%，黑土的硝态氮淋失量分别降低了13.5%和16.2%。这可能是因为生物质炭的施入可以降低土壤密度，增大土壤孔隙度，保持更多的水分。Singh等^[43]在两种不同类型土壤中添加稻壳炭，研究其对硝态氮淋失的影响时发现，淋溶土中的硝态氮淋失量显著高于变性土，这可能是因为土壤自身理化性质不同，对铵态氮和硝态氮的吸附固定能力不同，变性土中存在高电荷的蒙脱石，可以吸附固定NH+4，降低硝化速率^[55]。

另有研究发现，不同形态的氮肥施用下生物质炭施入对土壤氮素转化过程也有影响。从表 1可以看出，施用的氮肥种类多为尿素，其次为硝态氮肥。袁瑞娜等^[56]在研究生物质炭与不同形态氮肥配施对黄绵土氮素矿化的影响时发现，旱地施用酰胺态氮肥和生物质炭可以降低土壤无机氮累积量。张千丰等^[28]研究表明，与未添加生物质炭相比，添加生物质炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素的白浆土的硝态氮淋溶量分别减少2%、14%和8%，在黑土中分别减少5%、18%和12%。

本文通过综合分析生物质炭对农田土壤硝态氮淋洗损失方面的研究发现，绝大多数生物质炭施用于土壤中可明显减少硝态氮的淋失，增强土壤的保肥能力。从土壤水分运移的角度来讲，生物质炭可以显著增加土壤持水能力，降低土壤水分的流失，从而降低硝态氮淋洗损失。另外，随着生物质炭用量的增加，土壤硝态氮淋洗损失不断降低。此外，生物质炭对土壤硝态氮淋洗损失的影响在不同土壤之间也存在一定的差异，在中性土壤中，生物质炭施入对减少硝态氮淋洗效果最佳。生物质炭对土壤硝态氮淋溶损失的影响过程较为复杂，受土壤类型、生物质炭制备材料、生物质炭添加量等诸多因素的影响。目前关于生物质炭对土壤硝态氮淋洗损失的影响的报道主要集中在室内模拟土柱研究，生物炭对降低土壤硝态氮淋洗损失的影响仍需在田间条件下进一步验证。