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土壤酸化是世界上热带/亚热带地区的主要问题。首先，土壤酸化是一个自然过程，但许多人为活动使土壤酸化速度大大加快。高度酸化的土壤主要由于铝和锰的毒害作用以及磷(P)、钾、钙和镁的缺乏而抑制了植物生长发育。其中，磷的有效性是酸性土壤中的主要问题，并影响作物产量。此外，重金属在酸性土壤中的毒害是降低植物生长和作物生产力的另一个关键因素。因此，有必要对这些土壤进行管理，以防止土地进一步退化，减少其对粮食安全的威胁。酸性土壤传统的改良方法是施用石灰等碱材料中和土壤酸度，但由于其可利用率低、成本高和降低微量营养素有效性等缺点，在大规模使用上存在诸多局限性。因此，需要通过广泛而深入的研究，探索和评价低成本且环境友好的其他改良方法，以缓解土壤酸度、缺磷和金属毒害对农业生产的影响。本论文研究了畜禽粪、泥炭和农作物秸秆制备的生物炭对酸性土壤理化特性、酶活性、Olsen-P形态、P组分的影响以及酸性土壤中As-P相互作用对As胁迫条件下植物生长、抗氧化酶、活性氧、渗透保护剂和光合作用的影响。主要研究结果如下:
在400℃条件下，以鸡粪(CMB)、猪粪(PMB)和泥炭藓(PB)为原料分别制备了3种生物炭。在三种酸性土壤(黄棕壤、红壤和砖红壤)中添加生物质炭并并进行了6周的培养试验，生物质炭施用量为1或2％(wt/wt)。添加三种生物炭后三种酸性土壤的Olsen-P含量增加顺序依次:CMB＞PMB＞PB。与对照相比，施用2％CMB的红壤、砖红壤和黄棕壤中Olsen-P含量分别增加了2.41倍、7.4倍和1.78倍，CMB比PMB和PB更有效。生物质炭增加了土壤pH、电导率(EC)、阳离子交换容量(CEC)和碱性磷酸酶活性，但降低了交换性酸、酸性磷酸酶活性和重金属的有效性。对于黄棕壤、红壤和砖红壤，添加CMB使土壤pH分别提高0.90、0.90和0.92，相应地，PMB为0.80、0.84和0.87，PM为0.15、0.28和0.25。三种土壤EC、CEC和交换性度的变化也有类似顺序:CMB＞PMB＞PB。结果表明，土壤性质和Olsen-P含量的变化取决于生物炭的类型和施用量。与其他改良剂相比，施用CMB增加了营养元素的可利用率，同时降低了重金属的有效性。由于CMB的pH、EC和CEC较高，碳、氮和交换性钙、钾的含量也较高，因此，施用CMB是改良土壤酸度、提高土壤肥力和提高世界热带和亚热带地区红壤和砖红壤Olsen-P含量的一种经济有效的方法。
动物粪便和泥炭中磷(P)的形态与磷肥不同，当它们作为磷改良剂使用时，磷的形态会影响土壤的磷组分。采用温室盆栽试验研究了鸡粪和泥炭制备的生物质炭单独施用或与磷肥(KH2PO4 (PI))和磷矿粉(RP)联合施用对酸性红壤中玉米生长和土壤P组分的影响。所有处理的总P含量相同，维持在120mg/kg。56天后分别测定土壤pH、磷酸酶活性、P组分、玉米对P吸收以及玉米生长情况。施用CMB或单独施用磷肥可显着提高土壤pH值、碱性磷酸酶活性、水溶态和活性磷、玉米干物质产量、玉米叶片叶绿素含量，同时降低酸性磷酸酶活性和P与土壤Fe和Al的结合。此外，单独施用CMB和PB比单独施用P肥对植物生长和P组分的影响更大。然而，单独施用P肥不会显著影响植物生长和土壤P组分。在强风化酸性土壤中，与单施无机P相比，CMB与P肥配施或单独施用CMB更有利于改善植物的生长和提高磷的植物利用率。
制备花生秸秆生物炭(PC)、稻草生物炭(RC)、酸洗PC(APC)、酸洗RC(ARC)，将生物质炭与土壤混合继续培养试验，研究了生物炭对砖红壤和红壤l中P有效性(Olsen-P)的影响，以添加Ca(OH)2的处理为对照。在添加50mgP/kg条件下培养56天后，分析了改良土壤中的Olsen-P、pH、电导率(EC)、交换性酸。结果表明，与对照和其他处理相比，PC能显著提高土壤的pH、EC、CEC、交换性酸和Olsen-P，其次是RC。然而，APC、ARC和Ca(OH)2的应用并没有大大提高P的利用率。结果表明，PC和RC中大量的官能团和高碱度是导致两种土壤中Olsen-P含量增加的原因。因此，含有较多官能团和碱物质的生物炭抑制了P在土壤表面的吸附并增加了其在可变电荷土壤中的利用率。土壤pH值的提高增加了生物炭上酸性官能团的解离，从而提高了这些阴离子官能团与磷酸盐竞争土壤吸附位点和降低土壤磷酸盐吸附的能力，这是生物炭引起土壤中Olsen-P含量增加的主要机制。
在400℃下制备花生秸秆炭、稻草炭、油秸秆生物炭和大豆秸秆炭。添加5％的4种生物质炭，研究了它们对纯铁矿物中磷吸附的影响。中的研究了秸秆生物质炭对P吸附动力学的影响及不同pH和离子强度下生物质炭对P吸附的影响。结果表明，所有生物质炭均显著抑制了Fe矿物对P的吸附。花生秸秆炭比其他生物质炭更有效，依次为稻草炭、油菜秸秆炭和大豆秸秆炭。Langumir和Freundlich方程可以拟合P的吸附等温线，结果表明由于生物质炭上官能团的竞争导致吸附位点的减少而降低铁矿物对磷的吸附。用伪一阶和二阶方程与Elovich方程拟合动力学结果，进一步说明添加生物炭可以通过竞争矿物-生物炭复合物中P的吸附位点来降低P吸附，提高P的有效性。
砷污染抑制酸性土壤中植物的生长发育，降低了作物的产量。在砷污染土壤中添加磷可以缓解其毒害作用。为了研究不同来源磷对酸性土壤As胁迫下植物生理和抗氧化系统的影响，进行了42天温室盆栽试验。结果表明，与磷矿相比，PO43-对植物生长的促进作用更大。在砷胁迫下，与未施P肥处理相比，PO43-处理能显著提高植株高度(51％)、生物量(49％)和地上部干重(40％)、叶绿素含量(88％)、可溶性总糖(58％)和植物功能叶(51％)。然而，在As胁迫下，施用PO43-使植物中脯氨酸和MDA含量分别降低了49％和71％。与磷矿相比，施用PO43-能显著提高大豆对砷和磷的吸收。因此，高度可溶性磷的添加对于减少酸性土壤中砷对植物生长的危害和提高植物对砷的吸收具有很大的潜力。
在400℃条件下，以鸡粪(CMB)、猪粪(PMB)和泥炭藓(PB)为原料分别制备了3种生物炭。在三种酸性土壤(黄棕壤、红壤和砖红壤)中添加生物质炭并并进行了6周的培养试验，生物质炭施用量为1或2％(wt/wt)。添加三种生物炭后三种酸性土壤的Olsen-P含量增加顺序依次:CMB＞PMB＞PB。与对照相比，施用2％CMB的红壤、砖红壤和黄棕壤中Olsen-P含量分别增加了2.41倍、7.4倍和1.78倍，CMB比PMB和PB更有效。生物质炭增加了土壤pH、电导率(EC)、阳离子交换容量(CEC)和碱性磷酸酶活性，但降低了交换性酸、酸性磷酸酶活性和重金属的有效性。对于黄棕壤、红壤和砖红壤，添加CMB使土壤pH分别提高0.90、0.90和0.92，相应地，PMB为0.80、0.84和0.87，PM为0.15、0.28和0.25。三种土壤EC、CEC和交换性度的变化也有类似顺序:CMB＞PMB＞PB。结果表明，土壤性质和Olsen-P含量的变化取决于生物炭的类型和施用量。与其他改良剂相比，施用CMB增加了营养元素的可利用率，同时降低了重金属的有效性。由于CMB的pH、EC和CEC较高，碳、氮和交换性钙、钾的含量也较高，因此，施用CMB是改良土壤酸度、提高土壤肥力和提高世界热带和亚热带地区红壤和砖红壤Olsen-P含量的一种经济有效的方法。
动物粪便和泥炭中磷(P)的形态与磷肥不同，当它们作为磷改良剂使用时，磷的形态会影响土壤的磷组分。采用温室盆栽试验研究了鸡粪和泥炭制备的生物质炭单独施用或与磷肥(KH2PO4 (PI))和磷矿粉(RP)联合施用对酸性红壤中玉米生长和土壤P组分的影响。所有处理的总P含量相同，维持在120mg/kg。56天后分别测定土壤pH、磷酸酶活性、P组分、玉米对P吸收以及玉米生长情况。施用CMB或单独施用磷肥可显着提高土壤pH值、碱性磷酸酶活性、水溶态和活性磷、玉米干物质产量、玉米叶片叶绿素含量，同时降低酸性磷酸酶活性和P与土壤Fe和Al的结合。此外，单独施用CMB和PB比单独施用P肥对植物生长和P组分的影响更大。然而，单独施用P肥不会显著影响植物生长和土壤P组分。在强风化酸性土壤中，与单施无机P相比，CMB与P肥配施或单独施用CMB更有利于改善植物的生长和提高磷的植物利用率。
制备花生秸秆生物炭(PC)、稻草生物炭(RC)、酸洗PC(APC)、酸洗RC(ARC)，将生物质炭与土壤混合继续培养试验，研究了生物炭对砖红壤和红壤l中P有效性(Olsen-P)的影响，以添加Ca(OH)2的处理为对照。在添加50mgP/kg条件下培养56天后，分析了改良土壤中的Olsen-P、pH、电导率(EC)、交换性酸。结果表明，与对照和其他处理相比，PC能显著提高土壤的pH、EC、CEC、交换性酸和Olsen-P，其次是RC。然而，APC、ARC和Ca(OH)2的应用并没有大大提高P的利用率。结果表明，PC和RC中大量的官能团和高碱度是导致两种土壤中Olsen-P含量增加的原因。因此，含有较多官能团和碱物质的生物炭抑制了P在土壤表面的吸附并增加了其在可变电荷土壤中的利用率。土壤pH值的提高增加了生物炭上酸性官能团的解离，从而提高了这些阴离子官能团与磷酸盐竞争土壤吸附位点和降低土壤磷酸盐吸附的能力，这是生物炭引起土壤中Olsen-P含量增加的主要机制。
在400℃下制备花生秸秆炭、稻草炭、油秸秆生物炭和大豆秸秆炭。添加5％的4种生物质炭，研究了它们对纯铁矿物中磷吸附的影响。中的研究了秸秆生物质炭对P吸附动力学的影响及不同pH和离子强度下生物质炭对P吸附的影响。结果表明，所有生物质炭均显著抑制了Fe矿物对P的吸附。花生秸秆炭比其他生物质炭更有效，依次为稻草炭、油菜秸秆炭和大豆秸秆炭。Langumir和Freundlich方程可以拟合P的吸附等温线，结果表明由于生物质炭上官能团的竞争导致吸附位点的减少而降低铁矿物对磷的吸附。用伪一阶和二阶方程与Elovich方程拟合动力学结果，进一步说明添加生物炭可以通过竞争矿物-生物炭复合物中P的吸附位点来降低P吸附，提高P的有效性。
砷污染抑制酸性土壤中植物的生长发育，降低了作物的产量。在砷污染土壤中添加磷可以缓解其毒害作用。为了研究不同来源磷对酸性土壤As胁迫下植物生理和抗氧化系统的影响，进行了42天温室盆栽试验。结果表明，与磷矿相比，PO43-对植物生长的促进作用更大。在砷胁迫下，与未施P肥处理相比，PO43-处理能显著提高植株高度(51％)、生物量(49％)和地上部干重(40％)、叶绿素含量(88％)、可溶性总糖(58％)和植物功能叶(51％)。然而，在As胁迫下，施用PO43-使植物中脯氨酸和MDA含量分别降低了49％和71％。与磷矿相比，施用PO43-能显著提高大豆对砷和磷的吸收。因此，高度可溶性磷的添加对于减少酸性土壤中砷对植物生长的危害和提高植物对砷的吸收具有很大的潜力。