文献综述
自从Fritz Haber 在1908年发现了工业方法合成氨，氮肥便开始普遍使用[1]。氮肥提高了粮食产量，养活了数十亿人。然而，它也会导致过量的活性氮从土壤释放到环境中(NH3挥发、N2O排放和氮淋溶)，加速全球变暖，降低平流层温度，增加生态系统富营养化，并诱发一些大气污染物颗粒物的形成。农业约占全球人为N2O 排放量的60%(IPCC,2013)，这主要是由于有机和无机氮肥料、豆类作物的广泛使用[2、3]。FAO评估目前世界氮肥用量约为每年100Tg N，其中近五分之二的N输入将释放到空气和水体中。
由此可见，人类活动对氮循环产生了重要影响，特别是集约化农业生产中氮基农业肥料的大量使用，造成了严重的氮污染[4]。在农业集约化程度高、氮肥用量大的地区，面临着严重的污染问题[5]。因此，我们需要发展新的土地管理策略来确保农作物生产和耕地生产功能的持续性，保持土壤良好的理化性质，从而提高耕地的环境效益。近年来，生物炭作为土壤改良剂广泛应用于农业。大量研究表明，生物炭在农业中的使用是积极有效的，因为它不仅可以提高农作物产量，还可以改善土壤的化学性质，例如土壤的酸碱度。除此之外，生物炭的使用可以减少农药和养分的淋失，从而改善土壤的养分状况。生物炭还被证明可以改变土壤生物群落的组成和丰度。将生物炭应用于土壤对土壤物理性质产生了积极影响，如土壤持水能力、容重、孔隙度、土壤结构[6]。
生物炭，是有机物质经过热解之后的产物[7]。它的半衰期估计在数百至数千年之间，有可能在土壤中保留数百至数千年。因此，使用生物炭作为土壤改良剂将赋予土壤相对于普通农业肥料更持久的效果[8]。生物炭是一种很好的吸附材料，它具有多种表面官能团、发达的孔隙结构和高度稳定的分子结构[9]，这种结构可以为有益的土壤微生物，如菌根和细菌提供避难所，并影响重要的营养阳离子和阴离子的结合。这些结合可以提高养分的有效性（例如氮和磷）[10]，改善农业土壤特性[11]。
一些研究表明，生物炭含有碱性物质[12]，当生物炭被掺入酸性土壤中时，有机阴离子可以快速中和土壤酸度，而生物炭中的碳酸盐，尤其是碳酸钙和碳酸镁，与氢离子反应缓慢。因此，生物炭中的碳酸盐对酸性土壤的改良作用可以持续很长时间[13]。
同时，生物炭的傅里叶变换红外光谱揭示了它含有大范围的含氧官能团，这将导致生物炭上会有净负电荷，从而对它们的离子吸附作用产生很大的影响[14]。生物炭上存在的包括色烯、酮和吡喃酮在内的碱官能团以及NO3-N离子和生物炭表面之间的非常规氢键可以将硝态氮吸附[15]。除此之外，生物炭表面富含的官能团，包括芳香基团，可以改变阳离子和阴离子交换能力，从而进一步影响氮的保留[16]。
生物炭的这些异质组成意味着它们的表面可以呈现亲水性、疏水性， 酸性和碱性，所有这些都有助于增加它们与土壤溶液物质反应的能力。有研究表明，生物炭物理和化学性质的可变性取决于用于生产它的材料(原料)， 氧气的可用性和热解温度[17]。
生物炭在农林领域的研究对象目前十分广泛，从热带和温带地区的农业土壤到北方地区关于生物炭。研究者们的研究集中针对在生物炭的土壤改良、环境减排、农作物丰产等方面。大量文献表明作为土壤改良剂的生物炭影响着氮的动态，并可将土壤中NO3-N和NH4-N的损失降至最低[18]，降低有机氮的矿化速率，减少土壤中N2O的释放。生物炭的积极效果主要归因于相对更高的阳离子交换容量、更大的表面积和更高比例的活性官能团。此外，细菌纤维素对土壤物理性质的改善也对微生物活动产生积极影响[19]。雷海迪[20]等通过将不同处理添加物施用于林地土壤，得出添加生物炭与凋落物能显著影响土壤性质与微生物群落结构。生物炭对酸性土壤和碱性土壤中氮素淋溶均有拦截作用。沈[21]等发现，生物质炭的施用效果以在中性土壤（pH＝6.48）为最佳。但有研究发现，在非常酸性的土壤中，生物炭会显著增加土壤中的硝态氮，这可能是由于生物炭的浸灰效应[22]。在酸性或非常酸性的土壤中添加生物炭，与在中性或石灰性土壤中施用的生物炭相比，具有更强的土壤浸灰效果，从而影响土壤中的氮氧化物，进而影响土壤中的养分淋溶[23]。最近有观察表明，吸附在生物炭上的氨可以释放到土壤中，并被农作物利用，这进一步说明了生物炭通过减少氨的损失来提高养分利用率和产量[24]。总之，生物炭通过改善土壤理化性质(例如酸碱度、电导率、有机质、硝酸盐保留)和植物对氮的吸收，从而提高作物产量和肥料氮的利用效率，起到土壤改良剂的作用。
为了评估生物炭的整体潜力和减少氮损失的幅度，荟萃分析是一个有用的工具。 第一篇研究生物炭对土壤N2O排放影响的荟萃分析显示，N2O排放平均减少了54%[25]；随后的其他荟萃分析，尤其是包括实地研究在内的分析表明 N2O减少幅度较低，在12%至32%之间。Nils[26]等通过荟萃分析，发现施加生物炭对土壤NO3-N浓度没有显著影响，但可以减少N2O排放38%，NO3-N淋溶13%。LIU[27]等人2018年出版的荟萃分析是第一个展示生物炭影响的氮库、氮通量和氮循环的研究，但研究结果表明施加生物炭有增加土壤NH3挥发的风险(19%)。
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