肥料施用量在全球范围内逐年增加,然而肥料低效利用以及由于不当施肥引起的土壤板结、土壤质量退化以及微生态破坏等问题却日益严重。大量研究证实,肥料利用率低下的重要原因是普遍施用的化肥的溶解速率过快,肥料养分释放特性不能很好的与植物养分吸收规律相吻合。另外,长期单一地偏施化肥,腐殖质不能得到及时补充,引起土壤有机质下降,导致土壤板结和龟裂,严重制约了现代农业生产与经济可持续发展。本论文以此为背景,依赖于新疆丰富的生物质资源优势,就地取材,开发即可改善土壤质量,又可同步适应植物养分吸收规律的新型多功能生物炭缓释肥料,深入研究缓释肥的缓释特性,保水性能,植物促生,土壤改良性能,并借助释放模型与实际缓释实验,优化肥料释放规律,最大化的提高肥料利用率,同时揭示缓释肥与植物的互作机制。1)对于过量磷排放会导致富营养化和水质恶化,为了满足废水的排放要求,同时缓释磷资源短缺,本研究设计了由改性膨润土和生物质共热解制备膨润土改性的生物炭,从水溶液中回收磷然后用作缓释磷肥。研究发现膨润土改性生物炭具有较高的磷酸盐吸附容量,主要是由于膨润土中钙和镁元素的存在,使生物炭的负电荷减少,而且与磷易形成钙和镁相关的沉淀。后续发现控制膨润土的用量可以调节生物炭的孔隙结构,进而影响生物炭的P释放动力学。进一步通过理论与实验相结合建立了修正的Fick模型,控膨润土用量制备不同配方膨润土改性的生物炭,可以实现P释放动力学的定量关系。2)理想的生物炭基缓释肥应具有以下特性:制备简单,养分负载量高,良好的缓释性能且环境友好。后续研究发现利用生物质、养分和膨润土在微波辐射下共热解可以快速制备营养负载量高,缓释性能好的共热解型生物炭基缓释肥（BSRF）。研究发现,在共热解过程中,膨润土的加入有利于BSRF形成致密的孔隙结构,提高缓释性能,养分释放周期可以达到30天,并且发现BSRF中P和K的缓释主要受扩散机制的影响。在盆栽实验中,BSRF的具有优良的植物促生性能,经济评价表明,合成的BSRF具有生产成本低的优点。3)鉴于目前大部分植物的生长周期约为60～80天,为了使BSRF的缓释周期更长,缓释规律更加符合植物的生长模式以及减少肥料施加频率,本研究结合共热解与包膜技术,研制了一种新型的包膜生物炭缓释肥料（CSRFs）,研究表明,在BSRFs表面包膜可显著提高其缓释性能,30天内,BSRFs中P的累积释放浓度为1.98 g/L,而CSRFs对P的最大累积释放浓度仅为0.82 g/L,CSRFs的P释放速率常数仅为BSRFs的一半左右。此外,与BSRF相比,制备的CSRFs具有更好的降解性,CSRFs在60天内降解率为35.21%,远高于BSRF。盆栽试验结果表明,CSRFs处理过的辣椒幼苗比BSRF施肥的辣椒幼苗生物学性状更好,显著改善其肥料利用率。4)对于干旱半干旱地区,水资源是非常的宝贵,为了同时实现节水增产、提高肥料利用率的目的,创新地将生物炭表面接枝亲水性官能团,制备既具有保水功能、又具有缓释功能的生物炭基肥料。本研究将生物炭嵌入半互穿聚合物网络（Semi-IPN）制备保水型生物炭基缓释肥。研究发现生物炭膨润土修饰的保水缓释肥（Bi Be-SRF）具有较高的保水能力,25 d后保水能力达到73.50%,远远超过不添加生物炭的Semi-IPN SRF,机理研究表明,生物炭的存在有利于改善Bi Be-SRF的内部多孔结构和交联点的生成,使得Bi Be-SRF具有高亲水性,Bi Be-SRF 30 d内N、P、K的释放率为95.5%～100.0%。降解实验发现Bi Be-SRF在90天内的降解率为62.63%,说明生物炭的存在显著提高了Bi Be-SRF的降解性。5)为了使生物炭基肥具有保水佳,缓释性,可生物降解性的性能,首次利用共热解与共聚合工艺开发了高保水的生物炭基肥（PSRFs）。研究发现PSRFs具有较高的保水性,最大膨胀量为94.2 g/g,远远超过其他的SRFs,而且交联剂的含量与PSRFs的保水性呈正相关。此外,PSRFs具有优异的P缓释性能,30天后P缓释率约为51.5%。盆栽试验表明,PSRFs对辣椒幼苗生长的促进作用优于其他SRFs,磷利用率最高达到75.83%。土壤埋藏试验表明,PSRFs具有良好的生物降解性,75天后降解率为33.46%,生物丰度分析表明,土壤中的放线菌主要降解PSRFs中淀粉和海藻酸钠。综上可知,本研究开发了一系列新型生物炭基缓释肥,深入分析了其释放动力学规律,揭示了生物炭基缓释肥与植物互作促生的响应机制,解析了生物炭基缓释肥对辣椒根际的土壤微生物多样性,对生物炭基缓释肥的更加合理应用提供了理论指导与初期的实际应用案例。