1.1.1 生物炭对土壤容重的影响

生物炭的容重远低于矿质土壤, 因此, 生物炭添加到土壤中可以降低土壤的容重^{[ 8]}。在农学上, 不同土壤容重会产生不同的农业效益。一般来说, 拥有较高有机质含量的低容重土壤更利于土壤营养的释放, 养分的保留（化肥的存储）和降低土壤板结程度, 有利于种子的萌发和节约种植成本^{[ 8]}。因此, 土壤施用生物炭可以降低土壤容重, 提高土壤生产力。如Laird^{[ 10]} 研究表明, 同空白土壤相比, 施用生物炭显著降低土壤的容重。Eastman^{[ 11]} 在粉砂壤土上施用25g/kg的生物炭, 土壤容重从1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。

土壤的容重与土壤的紧实度密切相关, Soane^{[ 12]}总结了有机质有可能通过以下几种机制来影响土壤的紧实度：①团聚体内部和颗粒间的结合力, 土壤有机质中存在许多长链的分子对矿物颗粒具有很好的约束力, 通过这种作用可以改变土壤紧实度；②弹性（elasticity）, 土壤有机质在压缩情况下会表现出比矿物质土壤更高的弹性；③稀释作用, 有机质容重明显低于矿物质土壤容重, 加入有机质可以减小紧实度；④菌丝, 根, 真菌菌丝和其他生物结合土壤基质改变土壤紧实度以及；⑤摩擦力, 土壤颗粒和有机质之间有一种涂层能增加颗粒间的摩擦, 可以改变土壤紧实度。然而生物炭对土壤容重的影响还缺乏研究, 但从上面提到的几种机制来看, 生物炭对土壤容重的影响主要可能与稀释作用和摩擦力有关。生物炭弹性较低, 土壤压实后不会随着生物炭的添加而得到有效的恢复, 但是它可能通过一些直接或间接影响（土壤有机质和水文学的交互作用）来提高土壤紧实度。一些研究表明在土壤中加入生物炭后会使真菌的增长变快和植物生产力的提高, 而根系和菌丝的发展也将会对土壤的容重造成影响^{[ 13]}。但是如果施加的生物炭碎裂成细小的颗粒进入土壤孔隙, 会造成干土壤容重的增加。因此, 生物炭对土壤密度的影响还需要对这些机制进行更深入的研究。

1.1.2 生物炭对土壤孔隙度的影响

生物炭的孔隙分布, 连接性, 颗粒大小和颗粒的机械强度以及在土壤中移动等因素均可以影响土壤孔隙结构。具有多孔结构的生物炭应用到土壤中, 能增加土壤的孔隙度, 生物炭应用到土壤中对土壤微生物群落和土壤整体吸附能力都有益, 它不仅可以促进微生物的活动, 也可以增加土壤孔隙度^{[ 8]}。但是另一方面, 生物炭的细粒子可能会堵塞土壤孔隙从而使水的渗透率降低^{[ 8]}。然而, 这种机制的仍缺乏实验证据, 因此, 生物炭的孔径分布对土壤性质和功能所造成的影响仍然是不确定的。

1.1.3 生物炭对土壤水分的影响

土壤的保水性(soil water retention)取决于土壤空隙的分布和连通性, 而它在很大程度上受土壤粒径（纹理）, 结构特征（聚集）和土壤有机质含量的限制。生物炭高表面积也可以导致土壤持水力上升。当生物炭加入土壤时, 土壤表面积的增加, 对土壤微生物群落和土壤整体吸附能力都有益, 随后会提高土壤的保水性^{[ 14]}。Tryon^{[ 15]} 研究了生物炭对不同质地土壤中水分的影响：在沙土中加入生物炭增加了18%的土壤有效水, 然而在肥沃的土壤中没有观察到这种现象, 并且在黏土中土壤中有效水含量随着生物炭加入而减少。有研究发现活性炭95%的毛孔其直径小于2 nm, 尽管生物炭具有多孔性, 但是植物可用有效水分取决于生物炭原料和加入的土壤的质地^{[ 8]}。在沙土中, 存在于生物炭微孔结构中的水和可溶的营养物质可能随着土壤变干和土壤基质增加而出现, 这说明在干旱期加入生物炭会增加土壤水的有效性。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 生物炭理化特性与常见土壤障碍性引子对比Fig.2 Comparisons of soil barrier properties and potential improvements withbiochar application into soil

另一方面, 生物炭会增加土壤的斥水性。土壤斥水性(soil water repellency)是指某些土壤无法被水湿润的现象。水洒在斥水土壤的表面时, 水珠滞留在地表, 长时间不能入渗, 它们抵抗湿润的时间从数小时到数周不等。如Briggs^{[ 16]}等测量了在松林野火后的木炭颗粒的斥水性, 发现在矿质土壤表面中的木炭和枯枝落叶斥水力有很大差别。水滴的渗透时间即1滴水滴渗透所花费的时间在前者中大于2 h在后者中却小于10 s。生物炭是如何直接或间接影响土壤斥水性能的, 是一个仍然需要大量研究工作的课题。

1.1.4 生物炭对土壤颜色和温度的影响

从土壤剖面图片可以很明显地看出, 高浓度的生物炭会加深土壤颜色。Briggs等^{[ 16]}测量了土壤添加生物炭后的土壤颜色变化情况, 并发现其孟塞尔色度值随着生物炭用量而产生变化, 当生物炭用量为10 g/kg, 其孟塞尔色度值从5.5降到4.8, 当生物炭用量为50 g/kg, 其孟塞尔色度值从5.5降到了3.6。Oguntunde等^{[ 17]}发现施加生物炭的土壤的孟塞尔色度值为2.5（空白土壤为3.1）。土壤颜色深浅程度主要受到以下因素影响：①添加生物炭之前土壤的颜色（孟塞尔色度值1～9）；②添加生物炭的颜色（大概孟塞尔色度值在0～2）；③土壤中生物炭量；④生物炭与土壤的混合程度（与生物炭和土壤颗粒的大小相关）；⑤土壤表面粗糙度；⑥含有生物炭的土壤表面保水力的变化（潮湿土壤颜色偏深）。Post等^{[ 18]}研究了26种颜色和质地不同的土壤对发射率的影响, 他们发现, 孟塞尔色度值与土壤反射率呈线性相关。

到达土壤表面的太阳辐射量（受太阳高度角、坡度和植被影响）和土壤的比热很大地控制了春季土壤升温的速率, 从而影响出苗。土壤颜色和水分含量是决定土壤比热的主要因素。纯净水的比热大概是4.18J/(g·K)；干土壤大约是0.8J/(g·K)。因此, 尽管含有高浓度生物炭的土壤颜色很深, 如果生物炭同样增大了土壤的保水性, 那么土壤升温的速率会因为高的含水量而大大减小^{[ 16]}。这也暗示着低含水量的生物炭会引起土壤温度最大程度的上升。

1.1.5 生物炭对土壤团聚体结构的影响

研究表明土壤中的动物群、微生物、植物根系、无机物（如氧化钙等）和一些环境属性如冻融交替、干湿循环、火灾等会促使土壤形成团聚体并且保持它的稳定性^{[ 9]}。团聚体在土壤中可以减少由地表径流和风蚀引起的水土流失。因此对土壤团聚体的研究越来越多。生物炭加入土壤可以促进团聚体的稳定性, 其机制和因素可能如下：①生物炭可以提高根的生长速度, 因此来刺激形成团聚体（当更多的水分和营养被植物吸收时, 根系可以涨到生物炭的空隙中）；②生物炭可以加强生物活性尤其是细菌和真菌, 它们与通过菌丝形成的根系系统有直接联系。因此生物炭的应用将会有利于土壤团聚体的形成而增加土壤稳定性。生物炭通过这个机制来稳定团聚体知之甚少, 并且物理学家还没有尝试去证实这些物理化学和生物因素能够促进团聚体的形成, 并保持其稳定性^{[ 9]}。

1.2.1 生物炭对土壤pH的影响

土壤中加入生物炭后, 土壤pH值将会发生变化, 这与添加生物炭的种类与含量有关^{[ 19]}。Novak等^{[ 20]}指出把核桃壳生物炭（pH值为7.3）加入到酸性土壤时, 土壤的pH会从4.8增到6.3。同样地, Hossain等^{[ 21]}发现在土壤中加入来自污水污泥热解产生的生物炭（pH为8.2）也会使土壤的pH从4.3增到4.6。

Chintala^{[ 19]} 研究在酸性土壤和碱性土壤中分别加入玉米秸秆, 柳枝稷, 松木热解产生的生物炭, 结果显示, 三种生物炭加入酸性土壤之后都会不同程度地增加土壤的pH, 并且随着用量的增加pH呈上升趋势, 而加入到碱性土壤中, 并没有产生多大的影响。与生物炭对酸性土壤的pH研究相比, 生物炭对碱性土壤pH影响的研究相对较少。通过以上研究可以看出生物炭可以很好的调节酸性土壤的pH。因此, 生物炭被认为是一种很好的酸性土壤的改良剂。这由于生物炭改善酸性土壤的有效性不仅取决于生物炭本身的碱度还与生物炭形成过程中形成的碳酸盐（MgCO3, CaCO3）和有机酸根(-COO-)有关。碳酸盐含量随着产生生物炭热解温度的升高而增多, 而有机酸含量却在低温热解时较多^{[ 22]}。因此, 中间温度热解产生的生物炭可能是酸性土壤的较好的改良剂^{[ 21]}。

1.2.2 生物炭对土壤阳离子交换量的影响

阳离子交换量（CEC）是用于估算土壤吸收, 保留和交换阳离子的能力。阳离子交换的来源是粘土矿物, 有机物质和非晶矿物质。在热带地区, 土壤的CEC通常很低。

Gaskin等^{[ 23]}研究了不同生物质（如松树皮, 花生壳, 锯末, 松心片丸和硬木）在不同温度下制备的生物炭的CEC。如图3所示, 除了松树皮外, 所有生物质在400℃附近CEC值最高, 对所有生物质来说, 最低CEC值在温度超过420 ℃时, 这是因为随着温度变化植物养分也在变化, 但是很少有关于温度与CEC之间关系的相关信息。土壤有机质的阳离子交换量大约在150～300cmol/kg, 与土壤有机质相比, 来自热解的新鲜的生物炭的CEC值很低。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 温度对不同原料的生物炭CEC的影响PB.松树皮；PN.花生壳; PD.锯末; PC.松心片丸; HW.硬木Fig.3 Effect of production temperature on CECPB.pinebark；PN.peanut hull pellets；SD.pinesawdust; PC.pine chip pellets；HW. Hardwood

Chintala^{[ 19]}实验发现, 生物炭无论加入酸性土壤还是碱性土壤, 都能够提高土壤的阳离子交换能力, 这可能由于生物炭表面有很多阴离子。Hossain等^{[ 21]}在1995年的研究中发现在土壤中加入生物炭可以增加40%的CEC。添加少量的生物炭会显著提高土壤中碱性阳离子的含量, 这将会提高土壤养分。Liang等^{[ 24]}报道随着土壤中有机质表面氧化程度的增加或者土壤表面阳离子交换位点的增加, 土壤的CEC值也会增加。Glaser^{[ 25]}表示, 芳香族碳的氧化和羧基官能团的形成也可能是提高CEC值的原因。因此生物炭表面酸性物质随着生物炭老化将导致较高的阳离子交换量。

1.2.3生物炭对电导率的影响

关于生物炭导电性和土壤施加生物炭的影响的文献是有限的, 正如表1所示, 用作土壤改良剂的生物炭的导电率在0.4到3.2之间, 与其他的改良剂相比, 生物炭的导电率低于家禽粪便和咖啡豆壳的, 这说明这些物质的盐浓度高于烧焦的生物炭的盐浓度。植物生物炭在生物炭中有最低的导电率和pH值, 绿色垃圾为原料的生物炭的导电率较高, 可能是由于它的钾含量比较高。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同土壤改良剂的EC和pH Table 1 EC and pH values of different soil amendments 土壤改良剂 EC(ds/m) pH 参考文献 绿色垃圾生物炭 玫瑰桉生物炭 污水污泥生物炭 家禽粪便 咖啡豆壳 锯末 3.2 0.4 1.9 5.02 5.99 9.4 7.64 8.2 9.64 4.81 3.48 [24] [26] [27] [26] [26] [26] 0.43

表1 不同土壤改良剂的EC和pH Table 1 EC and pH values of different soil amendments

1.2.4 生物炭对碳循环的影响

尽管植树造林通过光合作用来减少大气中碳的含量是一种可行的途径, 但是植物碳又可能回到大气中, 因此总碳的含量是不变的。但是, 在土壤中添加生物炭能够使碳封存转换成碳负性^{[ 13, 14]}。Lal等^{[ 28]}认为土壤中碳的封存是将大气中的二氧化碳直接或者间接固定在土壤中的过程。碳在土壤中的固定即碳的封存能够改善土壤的结构, 养分的利用率, 减少温室气体的排放。因此在农业土壤中碳封存可以恢复降解的有机土壤。

由生物质热解形成的生物炭中的碳主要以惰性的芳香环状结构存在^{[ 29]}。因此生物炭的分解十分缓慢, 据报告生物炭赋存时间可以达到上千年, 因此它是一种有效的, 可行的和可持续封存碳的方式^{[ 30]}。生物炭还能够在土壤中长期储存碳, 因此可以用作碳减排的材料^{[ 2]}。

生物炭本身碳含量非常高, 在土壤中加入生物炭可以提高土壤有机碳的含量, 其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。Kimetu等^{[ 31]}报道, 生物炭的碳损失远低于绿肥, 生物炭的稳定性及稳定化作用大于绿肥类易解有机物。据报道, 加入生物质炭的土壤的有机碳矿化量减少, 且已存在的有机碳的稳定性上升。Lehmann^{[ 32]}提出生物炭作为土壤改良剂是一种可再生资源, 可以代替化石原料的改良剂, 还能够减少温室气体的排放。由此看来生物炭可以用作土壤改良剂, 来改善土壤的性质。

1.2.5 生物炭对土壤中营养成分的影响

研究表明：生物炭可以减少养分的淋失（特别是硝酸盐的淋失）和污染物在根际区的运移。养分淋失的减少可以提高养分的利用效率, 并使得水分和养分保留在根际^{[ 8]}。生物炭能够增加土壤内部的表面活性区域, 降低了水分向根际下方的流失, 从而增加了植物对水的使用效率, 最终增加植物对养分的利用率来增强作物的增长^{[ 8]}。生物炭长时间在土壤中停留能使有机物和农药更好的分解及降解。尽管如此, 由于一些传送胶体污染物的生物炭在土壤中可以长期稳定存在, 因此上述物质也许可以增加营养物质或者污染物的浸出^{[ 8]}。

在Laird的一篇论文中, 生物炭处理的土样总N和有机C, 显著增加, 同时可提取态的P, K, Mg和Ca也增加了^{[ 10]}。这些营养物质浓度的增加就提高了植物根部对它们吸收的可能性, 从而也就降低了这些营养物质淋失到地表水和地下水库的风险^{[ 10]}。这些过程的纯影响应该就是增加营养物质的利用率, 减少了对肥料和石灰改良剂的需求。

1.2.6 生物炭对氮（N）的影响

有机物由包含氨基酸、胺和氨基糖等结构的多种氮组成。当有机质热解时, 这些结构凝聚形成杂环氮结构, 这些惰性N不能直接用于植物生长。尽管某些生物炭（如粪肥）总N含量很高, 达6.4g/kg, 但是其矿化态氮（氨氮和硝氮）含量甚微, 同土壤中矿质N相比可以忽略不计。因此从供N角度来讲, 生物炭能主要提高土壤有机N含量, 并不能直接提供植物生长的矿质N。生物炭施入土壤改变了N素的循环提高了N素的有效性, 主要是通过改变了N素的持留和N素的转化来实现的：一方面利用其多孔特性和巨大的比表面积吸附持留N素物质, 另一方面改变了土壤理化性质直接或间接地影响N素周转过程中微生物多样性、丰度及活性, 继而影响土壤N素物质循环^{[ 33]}。

研究表明生物炭对N素 (NH₃和NH₄⁺)具有较强的吸附作用。生物炭对氨气具有明显吸附作用, 其吸附能力受原材料和制备温度影响显著。Asada等^{[ 34]}研究发现高温制备的生物炭不利于其对NH₃吸附作用, 原因是随着热解温度的升高, 生物炭表面酸性官能团数量减少, 对NH₃ 的反应能力减弱。Sarah等^{[ 35]}研究发现, 酸性生物质炭与畜禽堆肥混合施入土壤, 可降低土壤NH₃ 损失50%以上。最近 Taghizadeh-Toosi等^{[ 36]}对生物炭吸附的N进行同位素标记实验, 结果表明标记N在空气中是稳定不易挥发的, 施入土壤又可以被植物所利用, 植物叶片和根对吸附氨气利用率为20-40％, 这说明生物炭通过吸附氨气在降低了N素的损失同时, 还提高N素的利用率。Chen^{[ 37]} 的通过砂陪实验证实了生物炭对NH₃/NH₄⁺具有较强的吸附作用, 可以降低土壤气态氨氮损失。但是生物炭的吸附作用只有在接近中性（pH=7或8）才发挥出来。在pH=5, 由于生物炭添加降低了体系的酸度引起了氨氮的大量挥发, 而在pH=9, 土壤的氨氮已经挥发了, 生物炭作用微乎其微。因此生物炭对土壤铵态氮作用受pH的影响显著。Spokas^{[ 33]} 总结了生物炭对氨气的吸附机理：（1）多孔结构对氨气吸附；（2）生物炭中羰基同氨形成酰胺化合物。同样的, 生物炭的吸附实验也表明生物炭能明显吸附土壤溶液中NH₄⁺, 降低土壤氮素的流失和对附近水体污染风险^{[ 38, 39]}。Sarkhot等^{[ 40]}认为生物炭通过阳离子交换作用吸附NH₄⁺, 300℃硬木生物炭对NH₄⁺吸附量为5.4mg/g, 吸附的NH₄⁺24h解吸量只有9-22％。因此生物炭可以作为养殖场废水NH₄⁺有效吸附剂。

关于生物炭能否吸附NO₃^-目前的研究结论并不统一。值得注意的是, 生物炭本身对NO₃^-的吸附能力有限, 但是经过改性或者活化的生物炭却能显著增加其对NO₃^-的吸附作用^{[ 41]}。如Chintala^{[ 42]}研究表明, 经过浓HCl活化后的生物炭其比表面积和表面电荷有显著的提高, 因此其吸附NO₃^-的能力也明显增强。最近有证据倾向于生物炭为带负电荷的基团, 其阳离子交换量要高于阴离子交换量, 因此生物炭主要吸附阳离子而不能吸附阴离子^{[ 43]}。

除生物炭的吸附实验外, 近年来通过淋溶实验表明, 生物炭添加后土壤氮素的淋滤损失具有一定的控制作用^{[ 44]}。Zhang等^{[ 44]}通过70天的观察实验, 发现当在表层土添加0.5%的竹制生物炭后, 可以减缓NH₄⁺向深层土壤的纵向迁移。在土柱淋溶实验当中, 可以通过添加生物炭, 来减少由于淋滤而累积损失的NH₄⁺, 比如添加生物炭的处理在20 cm深处的NH₄⁺损失降低了15.2%。Kameyama^{[ 45]}的研究表明高温（800℃）生物炭更有利于NO₃^-的吸附, 可以降低小麦根系NO₃^-的流失率, 同时提高小麦对氮肥的利用率。Dempster^{[ 46]}田间实验表明, 表层（1-10cm）添加25 t/ha的生物炭可以降低砂质土壤氨氮(14%)和硝氮(28%)的淋出。Sika^{[ 47]}的研究显示, 同对照相比, 生物炭（0.5, 2.5, 10％, w/w）显著降低氨氮累积淋出量（12, 50和86％）和硝氮累积淋出量（26, 42和96％）。但是令人吃惊的是土壤交换性氨氮和硝氮却分别降低13-49%和21-79%。研究结果表明尽管生物炭降低土壤氨氮和硝氮的淋出, 但是同时也降低土壤中可交换氮的含量, 因此生物炭添加后土壤N素平衡或去向亟需进一步研究。

生物炭除了直接吸附NH₄⁺/ NH₃, 降低N的损失提高利用率。生物炭加入土壤中还能够促进土壤中NH₄⁺向NO₃^--N的转化, 促进土壤N的转化提高了N的生物有效性^{[ 48]}。这种现象可能有一下几种原因：①生物炭加入土壤能够吸附酚类化合物（能够抑制硝化作用）, 从而间接的促进硝化作用^{[ 49]}；②生物炭通过提高土壤氨氧化细菌的丰度间接促进NH₄⁺向NO₃^-催化氧化^{[ 50]}；③生物炭提高土壤中硝化细菌的活性, 促进了硝化反应的进程^{[44. 45]}。

值得注意的是, 生物炭并不总能促进土壤N素的循环, 有时没有作用, 甚至有负作用。如Deenik^{[ 27]}研究认为生物炭含有的挥发性物质可以刺激微生物活动, 从而导致土壤有效N降低, 同时降低植物N素吸收, 抑制作物生长, 甚至施肥也会如此。Nelson^{[ 51]}研究认为, 以20g/kg 的比例向土壤中添加生物炭, 则会使N的可利用性降低 5-10mg/kg。Streubelde^{[ 52]}的研究表明在没有外源N添加时, 随生物炭量增加作物产量迅速降低。在高浓度的生物炭时, 即使添加外源N同样降低作物产量。只有在低生物炭量和外源N同时施入, 生物炭才增加了作物的产量。究其原因可能是生物炭含有的高挥发性物质（酚类）刺激了微生物活动, 出现了N固定, 同作物竞争N造成了作物的减产。综上所述, 尽管生物炭显示出通过吸附作用降低土壤NH₄⁺/ NH₃的损失, 有利于提高土壤N素的有效性, 但是不同的土壤类型, 生物炭性质均影响生物炭对土壤N素的作用, 由于生物炭具有较高的C/N比, 因此存在微生物固N作用的发生, 进而降低植物对N的利用率。

1.2.7 生物炭对磷（P）的影响

P是植物生长所必需的大量养分元素, 也是导致水体富营养化关键元素。研究表明施加生物炭能够提高土壤中有效P的含量同时提高作物产量^{[ 23, 49]}。与N不同, 生物质中的P在热解过程基本被保留下来, 并且大多以可溶性形式存在^{[ 53]}。研究表明, 生物炭本身含有大量的P并且有效性较高, 输入土壤后可以显著增加有效P的含量^{[ 54]}。假设生物炭含P量为0.3％, 有效P含量为50％^{[ 55]}, 生物炭使用量为20t/ha, 经计算有效P施入量30kg/ha。由此可见生物炭直接施P效应不容小觑。

除直接释放P外, 生物炭还通过改变P的吸附和解吸来改变P的循环和有效性。生物炭能否直接吸附P, 目前的研究结论并不统一。如Yao^{[ 38]}研究表明生物炭对P无吸附能力, Hale^{[ 39]}也得出了类似的研究结论, 尽管生物炭淋滤后呈现对P的吸附。作者认为淋滤使得生物炭的比表面积和孔隙体积显著增加, 同时空出些吸附点位增加了对P的吸附。Chintala^{[ 19]}研究却得出生物炭对P 对有吸附作用, 其吸附能力的原料顺序依次是：玉米, 柳枝, 松木, 而解吸能力与之相反。值得注意的是在废水处理的研究中, 生物炭可以显著吸附P。但是这些生物炭一般经过了特殊处理, 如负载铁或镁^{[ 56]}, 或者经过改性处理^{[ 57]}。生物炭输入土壤后也可以影响土壤对磷的吸附和解吸。如Chintala^{[ 19]}研究发现生物炭加入酸性土壤中降低了P的吸附增强了磷的有效性；而在碱性土壤中, P的吸附能力增强, 从而使有效P减少, 这可能由于碱性土壤含有大量的Ca和Mg等阳离子有关。Morales^{[ 58]}做了生物炭加入热带退化土壤中时对P的吸附还有解吸, 发现生物炭的运用降低了土壤吸附P的能力, 可能是由于生物炭含有较高浓度的可溶性P有关。Parvage^{[ 59]}研究表明随生物炭施入土壤有效磷含量降低了, 可能是因为生物炭增加了土壤0.3-0.7个单位pH值, pH值的变化会影响P的吸附和解吸。Makoto^{[ 60]}等认为森林火灾残留的生物炭可能通过丰富的孔隙吸附土壤林素, 抑制土壤磷素流失和延长有效磷的保留时间。Deluca^{[ 61]}则认为生物炭可以影响土壤阴离子交换量和改变土壤阳离子含量, 从而影响土壤磷素的有效性。Mukherjee^{[ 43]}猜测生物炭通过表层阳离子桥键作用吸附土壤磷素, 进而影响磷素的有效性。

生物炭可以为微生物尤其是细菌提供一个良好的环境, 使它们矿化和溶解有机和无机P, 从而使这些P被植物利用和吸收^{[ 61]}。许多研究已经报道, 生物炭加入土壤后可改变微生物的活性, 而背后的机制还不清楚。Warnock等^{[ 62]}报道：生物炭通过多种机制可能影响土壤微生物对含P化合物的吸附。生物炭的多孔结构能够为生物提供栖息地, 还有效的促进了营养物质的转换效率^{[ 63]}。但目前还没有对生物炭与磷酸盐淋溶细菌交互作用的研究。

综上所述生物炭输入土壤后, 提高了土壤中有效P的含量, 但其影响机理并没有完全清楚。目前认为生物炭可能通过以下几个方面发挥作用：①生物炭灰分中P的含量比较高, 加入土壤后会增加土壤中有效P的含量；②生物炭改变了土壤pH、有机质含量、表面电荷以及Fe Al和Ca Mg含量和形态, 同时生物炭丰富孔隙体积和比表面积均可能影响P的化学行为和有效性；③通过影响微生物的活动将难以利用的P转化为无机矿物质P, 被植物吸收利用。

1.2.8 生物炭对C/N的影响

土壤微生物需要有机质的C/N比值约为25：1。如果C/N比值小于25：1, 土壤有机质分解会加快；如果C/N比值大于25：1, 由于碳多氮少, 微生物缺乏氮素营养活动力就会减弱, 而造成有机质分解降低, 甚至会出现同作物争夺氮素造成作物的减产。生物炭是一种含碳量高而含氮少的物质, 具有较高的C/N比值（一般大于25：1）。当土壤中加入一定量的生物炭时, 就有可能导致氮的矿化后再固定反应, 进而降低植物对N的利用率。但是由于生物炭主要由抗生物降解的有机碳构成, 这种碳很难被矿化, 因此即使生物炭C/N比值较高, N的矿化可能也难以进行^{[ 32]}。考察生物炭对土壤微生物活动影响, 除了要研究C/N比值外, 还需要综合考虑生物炭中碳的组成和活性。这方面的研究对生物炭功能的发挥至关重要, 但是目前对此却知之甚少^{[ 27]}。亚马逊黑土中C/N比远高于附近的土壤, 但是可利用的N素却比附近土壤高^{[ 6]}。相反的Dempster^{[ 46]}研究表明生物炭添加降低土壤微生物炭。同时CO₂释放降低以及N矿化量降低说明有机质降解降低。这些都说明了生物炭添加不利于微生物活动, 同时也降低作物的产量。一般来说, 生物炭与氮肥配施时会取得更好的增产效果^{[ 64]}。