2023, Vol. 60
氮是植物细胞蛋白质的主要成分，也是作物生长所需要的营养元素之一。据统计，中国的化肥年消费量占世界化肥用量的30%以上，居世界首位[1]。2020年，我国农用氮肥和复合肥施用折存量分别为18.33×106 t和22.21×106 t[2]。而在农业生产中氮肥有效利用率相对较低，仅有30%~35%[3]，通过铵态氮挥发、淋溶和地表径流等途径损失数量巨大，已经引起一系列环境问题。因此，探究土壤调控氮素蓄供作用机理、探索“化肥减施增效”对中国农业可持续发展具有重要意义，也是当前迫切需要解决的问题。
生物质炭（Biochar）是指在氧气限制条件下通过生物质热解获得的富碳多孔固体材料[4]，孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定，且含有大量羧基、羰基、内脂基，羟基、酮基等含氧或碱性官能团以及芳香基团[5]，表面吸附能力超强[6]。较多研究已经表明其多孔特性和巨大的比表面积以及高的负电荷和电荷密度可吸附持留铵态氮、降低铵态氮淋滤[7-9]及地表径流中的铵态氮流失[10]，也能减少氨的挥发[11]。
在温度、降水、微生物活动、光照等各种环境因素作用下，生物质炭田间应用后会发生老化，即与土壤有机质、矿物质和溶质相互作用[12]，发生碎裂、溶解或氧化，引起理化性质的改变，从而增强或损害生物质炭的田间应用性能[12]。但生物质炭高度稳定，其自然老化过程非常缓慢（生物质炭半衰期超过1 000年）[12]，监测应用生物质炭的长期影响研究耗时。因此，较多研究通过物理、化学氧化、
生物等实验室人工方法加速其老化，研究其表面结构变化[13-14]，但用于指导实践具有一定的局限性。田间尺度上，生物质炭经历自然界冻融、干湿交替，四季气温、降水等气候变化的系列自然老化过程，其表面性质变化及对土壤肥力的影响更具代表性和实践性。现有少数研究表明，与新鲜生物质炭相比，在田间自然老化时间不等的生物质炭元素组成中，碳元素含量或增加[15-16]或减少[17]，氧或减少[16]或增加[17]，羧基等含氧官能团增加，但烷氧基减少[15-16]，pH和灰分含量下降[15-16]，比表面积或增加[17]或减少[16]，阳离子交换量或提高[15]或下降[16]。受限于生物质炭田间自然老化试验的时间周期长及缺乏老化生物质炭与土壤分离的方法，迄今，田间自然老化后的生物质炭表面性质及与土壤矿物质、养分的相互作用研究信息仍有限。
因此，本研究采用田间原位埋置尼龙袋法，运用傅里叶变换红外光谱、扫描电镜等分析技术，研究生物质炭田间自然老化3年过程中表面性质的动态变化，利用批量平衡吸附试验探讨生物质炭老化对铵态氮持留性能的影响机制，为深入理解生物质炭的土壤环境化学过程、更好的发挥生物质炭的农学和环境效应提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究地概况试验地点位于吉林省长春市吉林农业大学教学科研基地（43°48′40″N，125°23′38″E），气候属温带半湿润大陆性季风气候，年降水量500 ~ 650 mm，年均温度0 ~ 6.7 ℃。土壤类型为黑土，壤质黏土。土壤有机碳10.56 g·kg–1、全氮1.08 g·kg–1、碱解氮63.07 mg·kg–1、全磷0.53 g·kg–1、全钾24.32 g·kg–1、有效磷12.21 mg·kg–1、速效钾130.20 mg·kg–1、pH为6.28。
1.2 试验设计生物质炭老化试验始于2018年5月。称取10 g（干基计）稻壳生物质炭（20 ~ 150目）装入180目尼龙袋（13 cm × 16 cm）中，埋置于两株玉米苗中间位置15 cm土层深度。生物质炭田间原位埋置老化试验设置3个处理：田间原位埋置1年（A1）、田间原位埋置2年（A2）和田间原位埋置3年（A3），均以新鲜生物质炭（A0）为对照，每个处理4次重复，随机区组设计。生物质炭田间原位埋置老化试验小区单一种植作物为玉米，株距0.33 m，行距0.60 m，播种密度为5万株·hm–2。常规施肥量为N 225 kg·hm–2、P2O5 90 kg·hm–2和K2O 90 kg·hm–2，常规方法进行田间管理。回收后的老化生物质炭经室内风干、研磨过筛（100目）后待分析用。
1.3 批量平衡吸附试验 1.3.1 吸附动力学生物质炭吸附铵态氮采用批量平衡振荡法[18]。分别称取20 mg（100目）不同处理的生物质炭，装入100 mL塑料瓶内，加入50 mL 200 mg·L–1的（NH4）2SO4溶液，25 ℃下振荡，振荡时间分别为3、5、10、20、40、60、90、120、180、480、720和1 440 min，振荡完成后过0.45 μm滤膜。采用全自动流动分析仪（AA3，Bran+Luebbe Corp，德国）测定滤液中
单位质量生物质炭对溶液中
| $ {Q}_{t}=\frac{（{C}_{0}－{C}_{\text{t}}）V}{m} $ | (1) |
式中，Qt为t时刻单位质量生物质炭吸附的
吸附动力学数据采用准一级（式（2））、准二级（式（3））拟合，依次如下：
准一级动力学方程：
| $ {Q_t} = {Q_e}(1 - {{\text{e}}^{ - {k_1}t}}) $ | (2) |
准二级动力学方程：
| $ {Q_t} = \frac{{{k_2}{Q_e}^2t}}{{1 + {k_2}{Q_e}t}} $ | (3) |
式中，Qt和Qe分别为t时刻与吸附平衡时的吸附量（mg·g–1）；k1（min–1）与k2分别为准一级动力学模型和准二级动力学模型的吸附速率常数（g·mg–1·min–1）。
1.3.2 吸附等温线分别称取20 mg（100目）不同处理的生物质炭，装入100 mL塑料瓶内，分别加入50 mL浓度为20、40、60、80、100、150、200、250和300 mg·L–1的（NH4）2SO4溶液，25 ℃下振荡至平衡时间。测定
吸附等温线数据采用Freundlich和Langmuir方程进行拟合，依次如下。
Freundlich方程：
| $ {Q_e} = {K_F}{C_e}^{1/n} $ | (4) |
Langmuir方程：
| $ {Q_e} = \frac{{{Q_m}{K_L}{C_e}}}{{1 + {K_L}{C_e}}} $ | (5) |
式中，Qe为平衡态生物炭吸附
供试生物质炭由沈阳农业大学提供。制备生物质炭的生物质为稻壳，在限氧条件下，于马弗炉中450 ~ 550 ℃热解3 h制备而成。供试生物质炭pH10.06、有机碳436.4 g·kg–1、氢28.55 g·kg–1、氧530.5 g·kg–1、全氮4.56 g·kg–1、全磷1.92 g·kg–1、全钾3.23 g·kg–1、碱解氮131. 4 mg·kg–1、有效磷263.7 mg·kg–1、速效钾701.3 mg·kg–1。
生物质炭的C、N、H含量由CHN元素分析仪（VARIO EL III，Elementar Analysensysteme GmbH Inc.，Frankfurt，德国）测定，差减法计算氧（O）与灰分的总含量；傅里叶变换红外光谱（FTIR）由红外光谱仪（NICOLET AVATAR 360，ThermoFisher Scientific，Waltham，MA，美国）检测，吸收峰相对强度由Omnic Version 8计算；表面形貌特征应用场发射扫描电镜（SEM，Quanta FEG 250 Supra 55（ZEISS），美国）检测：分辨率4 nm/0.1 kV，放大倍率为1 000倍、3 000倍、10 000倍；比表面积与全孔分析由全自动BET比表面和孔隙度分析仪（ASAP2020，Micromeritics instrument Inc.，Norcross，美国）检测；差热（DTA）与热重（TGA）分析应用耐驰同步热分析仪（NETZSCH STA 2500 Regulus，德国）测定，利用热失重计算样品的灰分含量；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法（GB7863-87）测定；采用pHS-3C型pH计测定pH（炭︰水= 1︰10）。
1.5 数据处理数据分析采用Microsoft Excel 2010、SPSS 23软件，采用单因素方差分析LSD方法进行5%水平的差异显著性分析。图表制作采用Origin 2018软件。
2 结果 2.1 生物质炭的形貌与孔隙特征生物质炭老化前后扫描电镜如图 1所示，随着老化时间的增加，其微观形貌发生了显著变化。原始生物质炭A0表面粗糙、凸凹不平、孔隙发达，规则分布着大小不等、致密、似蜂窝状的管状和孔状、横截面为圆形的孔隙结构，其表面和内壁零星分布一些碎屑状或簇状物质等灰分元素或硅化物结晶。
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注：A0为新鲜生物质炭；A1、A2、A3分别代表自然老化1年、2年和3年的生物质炭，下同。 Note: A0 represents fresh biochar; A1, A2 and A3 represent naturally aged biochar for one year, two years and three years, respectively. The same below. 图 1 扫描电子显微镜（SEM）下生物质炭的表面形态 Fig. 1 Surface morphology of biochar under SEM |
与A0相比，A1处理生物质炭孔隙结构偶有塌陷，但仍存在规则的孔隙结构。老化至2年，A2处理生物质炭表面孔隙结构塌陷较为明显，表面变得粗糙，形成较多细小孔隙，但大量孔隙仍清晰可见。老化3年，相较于A2，A3处理生物质炭表面孔隙结构塌陷面积扩大，孔隙破坏，呈模糊状，表面堆积破碎生物质炭，孔隙内部充满块状、颗粒状、球状或簇状物质，发光处疑是被吸附的
一般生物质炭内部孔隙主要分为大孔（> 200 nm）、介孔（中孔）（2 ~ 50 nm）和微孔（< 2 nm）。生物质炭孔隙结构特征随老化时间的变化如表 1所示，生物质炭田间老化3年，BET比表面积与外表面积随着老化时间的增加而逐渐上升，3年分别提高18.93%与134.42%，微孔表面积逐渐减少了26.17%，总孔容与介孔孔容分别提高42.31%与58.33%，平均孔径增加20.71%，而微孔孔容下降16.67%。
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表 1 生物质炭的孔隙结构特征 Table 1 Changes in pore structure characteristics of biochar |
根据表 2，生物质炭随田间老化时间的增加，其元素组成变化显著。生物质炭田间老化期间，C和N元素含量随着老化时间增加而增加，3年分别显著增加7.92%与95.61%（P < 0.05），H含量经历波动后，A3较A0处理显著减少13.31%（P < 0.05），而O +灰分含量随老化时间增加不断下降，3年显著减少6.62%（P < 0.05）。同时H/C（0.63±0.01）与O/C（0.79±0.04）摩尔比分别较A0处理（0.79±0.01与0.91±0.02）显著下降了20.25%与13.19%，表明生物质炭在化学组成上缩合度增加、氧化度下降。
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表 2 生物质炭的元素组成及基本理化性质 Table 2 Elemental composition of biochar and basic physical and chemical properties |
如表 2所示，不同处理生物质炭呈碱性，pH随着老化时间增加逐渐降低，A3较A0显著降低18.59%（P < 0.05）。与A0相比，生物质炭不同老化时间的阳离子交换量（CEC）均显著下降，老化3年，CEC显著减少10.35%（P < 0.05）。对于灰分含量而言，受雨水淋溶等自然老化作用影响，生物质炭内部的可溶性矿物（K、Ca、Mg、Si等）被溶出，逐渐减少，A3较A0显著下降了12.92%（P < 0.05）。与A0相比，生物质炭不同老化时间的
图 2为不同老化时间生物质炭的红外光谱（FTIR），其主要在3 400、1 600、1 095和800 cm–1处有较为明显的吸收峰：3 400 cm–1处归属为水、醇、酚的−OH振动和−NH振动；1 600 cm–1处为芳香C =C伸缩振动；1 095 cm–1处为碳水化合物的C−O伸缩振动、硅酸盐的Si−O、醇C−O、醚C−O−C振动；800 cm–1处为取代苯的C−H面外振动。此外，有几处强度较弱的吸收峰：2 920 cm–1处为不对称脂族C−H伸缩振动，2 850 cm–1处为对称脂族C−H伸缩振动，1 700 cm–1处为羧基的C=O伸缩振动，1 382 cm–1处为脂族C−H变形振动和酚−OH的一些C−O伸缩或−COO反对称伸缩振动[19]。
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图 2 生物质炭红外光谱图 Fig. 2 The FTIR spectra of biochar |
生物质炭吸收峰的相对强度随老化时间的变化如表 3所示，其中，1 095 cm–1处碳水化合物的C−O伸缩振动与硅酸盐的Si−O键振动最强（图 2），峰强为68.64% ~ 79.52%，此处吸收峰强度如此之高，除了与碳水化合物的C−O、醇C−O、醚C−O−C伸缩振动有关以外，应归因于稻壳生物质炭富含硅元素[20]。1 095 cm–1处吸收峰强随着老化时间增加而显著下降，与A0相比，老化3年下降13.68%（P < 0.05）。3 400 cm–1处水、醇、酚的−OH振动和−NH振动吸收峰强度为8.97% ~ 19.43%，随着老化时间增加，峰强显著增加17.39% ~ 116.61%。而1 700 cm–1处的羧基C=O吸收峰虽然较弱（0.14% ~ 0.35%），但A3较A0峰强显著提高150%（P < 0.05），结合3 400 cm-1处羟基−OH基团峰强的增加幅度，表明随着老化时间增加，生物质炭的羧基基团增加。
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表 3 生物质炭FTIR吸收峰的相对强度 Table 3 The relative intensity of the FTIR absorption peak of biochar |
芳香性是生物质炭的重要属性，1 600 cm–1处芳香C = C吸收峰强为5.73% ~ 7.31%，与A0相比，A2显著提高生物质炭的芳香基团21.43%（P < 0.05），老化3年，A3较A2有所减少，但二者间差异不显著。而在800 cm–1处取代苯的C−H面外振动峰强为3.96% ~ 5.12%，A3较A0显著减少16.60%（P < 0.05）。其他归属于生物质炭脂族基团的弱吸收峰如2 920 cm–1和2 850 cm–1脂族C−H以及1 382 cm–1脂族C−H变形和酚−OH的一些C−O基团均随着老化时间的增加而增加。而（2 920+ 2 850）/1 600的脂族C/芳香C特征比值随着老化时间增加而增加，生物质炭的脂族性有所发展。
2.4 差热与热重分析差热分析（DTA）与热重分析（TGA）是重要的热分析方法，DTA可用于测定有机物质热反应时在特征温度下吸收或释放的热量，260 ~ 350 ℃温度区间的特征峰为中温放热峰，350 ℃以上为高温放热峰；TGA是测定物质受热时质量下降的热分析技术，180 ~ 320 ℃温度区间的特征峰为TGA的中温失重峰，320 ~ 460 ℃为高温失重峰。DTA与TGA的中温放热峰与失重峰均为有机物质分子的脂肪族侧键与羧基的裂解区域，高温放热峰与失重峰为芳香核裂解区域[21]。
图 3为老化生物质炭的DTA与TGA曲线，在285 ~ 307 ℃中温和441 ~ 469 ℃高温范围内存在放热峰，但中温放热与失重峰极弱，表明生物质炭分子以芳香基团为主。随着自然老化至3年，A3的中温放热与中温失重量提高，分别较A0显著提高27.45%和18.05%（P < 0.05，表 4），这说明自然老化使生物质炭的脂族化合物增加。但A3的高温放热与高温失重量无显著变化。放热和失重的高/中比值随老化时间增加有所下降，表明随着老化时间的增加，生物质炭脂族性有所提高，热稳定性降低，与FTIR分析一致。
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图 3 生物质炭的差热分析（DTA）（a）与热重分析（TGA）（b）曲线 Fig. 3 DTA and TGA curve of biochar |
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表 4 生物质炭的DTA放热量和TGA失重量 Table 4 Heat release in DTA and mass loss in TGA for biochar |
图 4为不同老化时间生物质炭对铵态氮的吸附动力学曲线，其吸附类型基本一致。吸附量随着振荡时间的延长而增加。在0 ~ 240 min期间，吸附量剧烈增加，处于快速吸附阶段，而在240 ~ 1 440 min期间，吸附减慢趋于平衡。就不同处理而言，随着老化时间增加，生物质炭对铵态氮的吸附量逐渐减少，吸附量大小为A0 > A1 > A2 > A3。由表 5可知，准一级与准二级动力学方程均可较好地拟合生物质炭对铵态氮吸附的过程，相比较而言，准二级动力学方程对数据拟合度最高，其相关系数为0.962 < r < 0.973，高于准一级动力学方程。准一级动力学模型假定吸附受物理扩散控制，而准二级动力学模型假定吸附速率由多孔介质表面未被占有的吸附空位数目的平方决定，化学吸附过程占优势[22]，故生物质炭对铵态氮的吸附过程主要以化学吸附为主，也在一定程度上受物理吸附控制。
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图 4 自然老化生物质炭吸附铵态氮的准一级动力学（a）和准二级动力学（b）曲线 Fig. 4 Curves of Pseudo-first-order kinetics(a)and Pseudo-second-order kinetics(b)for adsorbing |
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表 5 自然老化生物质炭吸附铵态氮的动力学方程拟合参数
Table 5 Fitting parameters of kinetic equation for adsorbing |
生物质炭对铵态氮的吸附等温线如图 5所示。随着铵态氮初始浓度的增加，生物质炭对其吸附量不断增加，当铵态氮浓度大于100 mg·L–1时，吸附量增幅有所减缓。不同处理之间相比，随着老化时间增加，生物质炭对不同浓度
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图 5 自然老化生物质炭对铵态氮的Langmuir（a）与Freundlich（b）吸附等温线 Fig. 5 Adsorption isotherm of Langmuir(a)and Freundlich(b)for adsorbing |
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表 6 自然老化生物质炭对铵态氮的吸附等温方程拟合参数
Table 6 Fitting parameters of adsorption isothermal equation for adsorbing |
生物质炭田间埋置3年，表面孔隙结构塌陷明显，比表面积、总孔容和平均孔径均有一定幅度增加，而微孔表面积明显减少。自然因素如干湿循环、冻融交替可致生物质炭结构机械崩解破碎，归因于结冰水分子的膨胀和融化水分子的收缩的交替进行[12]。生物质炭破碎或无机矿物质溶解沉淀、元素与可溶性有机质吸附造成的孔隙堵塞会影响表面积、总孔容和孔径[12]，孔隙堵塞可致微孔表面积下降[23-24]。此外，生物质炭与有机物质聚合或化学氧化而形成新孔隙也会增加其比表面积[24]，这种比表面积和总孔容增加现象应有利于土壤有机碳和氮素等养分的固持[25]。
3.2 田间自然老化对生物质炭化学结构特征的影响元素分析表明，随着田间埋置时间增加，生物质炭的碳、氮元素逐渐增加，3年显著提高7.93%和93.48%（表 2），表明生物质炭对土壤有机碳和氮素具有富集效应。在同一科研小组研究中，白嘉骏等[26]发现，田间埋置2年，生物质炭袋炭际微域土壤有机碳显著提高17.33%。先前的研究也发现，自然火灾或生物质炭改良的土壤，可吸附水溶性有机碳与胡敏酸[27]，且生物质炭数量越多，对溶解性有机碳吸附量越大，富炭土壤的有机碳矿化率降低[28]，对于土壤碳封存意义重大。关于生物质炭对氮素的富集效应，较多研究已经表明其多孔特性和巨大的比表面积以及高的负电荷和电荷密度可吸附氮素、减少氮损失[8-11]，对于提高农业生产力和生态环境效应具有重要意义。
元素分析中H/C和O/C摩尔比是分别反映生物质炭的缩合度与氧化度的指标，比值越大，其缩合度和芳香性越低，氧化度和亲水性越高[26]。本研究中，随着埋置时间增加，生物质炭的H/C和O/C摩尔比逐渐下降，缩合度提高，氧化度降低，但Fan等[29]通过实验室化学氧化法老化生物质炭的研究结果表明其O/C比增加，这可能是由于本研究中生物质炭吸附有机碳与氮素，C、N含量提高，而O含量是通过差减法获得，导致O/C比减少。事实上，在红外光谱分析中（表 3），生物质炭的羧基C=O与水、醇、酚的−OH基团随埋置时间的增加而大幅提高，含氧官能团是增加的，与Dong等[30]研究结果一致，可能归因于田间生物质炭经历风化所受到的氧化作用[17]。
生物质炭的化学结构特征决定其稳定程度。生物质炭丰富的芳香碳结构使其具有化学稳定性与热稳定性，可在自然界中存留长达数百年之久[12]。C−H/C=C比值可用于反映有机物质的芳构化程度[29]。本研究的红外光谱与热性质分析表明，随埋置时间的增加，生物质炭的脂族C/芳香C的特征比值有所增加，高温放热/中温放热与高温失重/中温失重的比值下降（表 4），表明老化生物质炭的芳构化程度有所降低，结构稳定性及热稳定性有所下降。王昊等[17]研究表明生物质炭应用于土壤后热稳定性逐渐降低，与本研究结果相符。
3.3 田间自然老化对生物质炭吸附铵态氮效应的影响在室内批量平衡吸附研究中，吸附动力学通常用于评价吸附速率，这对表征吸附剂的吸附性能至关重要，而拟合Langmuir和Freundlich吸附等温线旨在进一步探究生物炭的吸附行为与机理[31]。本研究中，随着生物质炭在田间自然老化时间的增加，其对铵态氮的吸附性能依然强烈，但吸附量明显减少（图 4，图 5）。通过吸附动力学与吸附等温方程机理的拟合研究发现，准二级吸附动力学与Langmuir模型更适合拟合生物质炭对铵态氮的吸附过程，揭示了生物质炭对铵态氮的吸附机制主要为单分子层化学吸附，其次为单分子层或多分子层物理吸附，因为Langmuir模型是基于吸附发生在均匀表面上的完整单分子层的假设，是化学吸附，不可逆，而Freundlich等温线用于描述非均相体系和可逆吸附，是物理吸附[31]。这与董彩琴[32]研究结果一致。生物质炭吸附铵态氮主要受比表面积、含氧官能团、pH、灰分含量和阳离子交换量等因素的影响[12]。一般而言，生物质炭比表面积提高可增加与铵态氮的接触面积，而羧基、羟基或酚羟基等含氧官能团的增加也可增加吸附位点[22]，pH提高有利于含氧官能团的去质子化增加负电荷密度，通过静电引力提高对铵态氮的吸附[22]。此外，CEC提高，增加生物质炭的阳离子交换能力，有利于对铵态氮的吸附[33]。本研究生物质炭自然老化3年，SEM图像显示孔隙结构虽有塌陷不规则，但比表面积与外表面积分别提高18.93%与134.41%，含氧官能团增加，致生物质炭仍存在较多的吸附位点，生物质炭依然保持较强烈的吸附性。但随埋置时间增加，pH和CEC下降，这不利于生物质炭对铵态氮的吸附。此外，土壤体系中矿物质元素或有机质与生物质炭的相互作用会导致孔隙阻塞，占据吸附位点，影响生物质炭的吸附性[12]。因此，生物质炭田间自然老化3年，对铵态氮的吸附性有所降低，可能是上述因素共同作用的结果。
生物质炭对铵态氮的吸附机制研究对于农田应用生物质炭改良土壤、化肥减施增效实践无疑是具有参考价值的，但本研究存在局限之处。为了创造生物质炭自然老化的土壤环境，也有利于老化生物质炭的收集，便于开展理论研究，本研究采用尼龙袋埋置法，尼龙袋目数为180目，允许土壤细颗粒、胶体和微生物进入尼龙袋内，生物质炭可与部分无机黏粒矿物、有机质和溶质等发生相互作用，是生物质炭自然老化的一方面。但事实上，生物质炭应用于农田，是以离散的形式与土壤共存，与土壤有机质、黏土矿物和溶质相互作用可能更加强烈[12]。有研究发现，土壤施用生物质炭几个月后土壤矿物颗粒可与生物质炭表面结合[34]，可能归因于生物质炭固有的芳香族化合物与矿物表面之间所发生的π-π作用[35]。也有研究表明胡敏酸的存在极大抑制了蒙脱土-生物质炭复合材料对诺氟沙星的吸附能力，归因于胡敏酸与诺氟沙星的“竞争性吸附”及其吸附引起的“孔隙堵塞”[36]。可以预测，生物质炭与土壤混合条件下，老化程度可能更深，对铵态氮的吸附效应影响更大。本研究通过尼龙袋埋置法将回收的老化生物质炭应用于室内批量平衡吸附试验，结果可一定程度反映土壤介质条件下老化生物质炭对铵态氮的吸附效应。因此，为科学评估生物质炭在农田土壤生态系统中对养分的固持效应，有必要对本研究背景下土壤理化性质进行研究，并在土壤有机质和蒙脱土或高岭土矿物存在条件下研究生物质炭对铵态氮的吸附效应，以模拟土壤介质中生物质炭随应用时间增加对氮素等养分固持能力的变化。
4 结论生物质炭田间埋置3年，对形貌和孔隙性质产生影响，表面孔隙结构塌陷明显，BET比表面积和总孔容明显提高，微孔表面积下降。元素组成与化学结构发生一定的变化，生物质炭的碳、氮元素以及羟基、羧基含氧基团增加，脂族C/芳香C特征比值有所提高，生物质炭的芳构化程度有所降低，热稳定性下降。随着田间埋置时间的增加，生物质炭对铵态氮的吸附量减少，准二级吸附动力学与Langmuir模型更适合拟合生物质炭对铵态氮的吸附过程，其吸附机制主要为单分子层化学吸附，其次为物理吸附。生物质炭对碳、氮的富集效应及对铵态氮的吸附机制研究对于生物质炭在农田土壤生态系统中发挥固碳和氮素增效上具有积极意义，且在农业土壤污染改良及生态修复等领域具有较大的研究空间和应用前景，但随生物质炭老化，其长期的农学与环境效应仍需加强研究。
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