余煒敏，石永鋒，王榮萍*，廖新榮，梁嘉偉，王現(xiàn)潔

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 肇慶學(xué)院環(huán)境化學(xué)與工程學(xué)院，廣東 肇慶 526000

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，由于土壤顆粒表面具有吸附與化學(xué)固定作用，土壤溶液中的磷濃度很低，大量磷以難溶性化合物形態(tài)存在，磷肥當(dāng)季植物利用率一般只有10%～20%（Chien et al.，2011），尤其在中國南方紅壤中，磷酸鋁鐵化合物進一步轉(zhuǎn)化為閉蓄態(tài)磷酸鹽，磷的有效性大大降低（劉建玲等，2000）。磷在土壤中的積累不僅造成了磷肥資源的浪費，也必然導(dǎo)致磷的流失，土壤徑流中磷濃度的提高成為水體富營養(yǎng)化的原因之一（Yang et al.，2008）。如何減少磷的流失、改善土壤磷素的穩(wěn)定可持續(xù)供應(yīng)、提高磷肥利用率一直是土壤養(yǎng)分研究的熱點之一。華南地區(qū)紅壤中有效磷（Olsen-P）平均值達(dá)到25.4 mg·kg-1。按一般豐缺指標(biāo)，土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20 mg·kg-1屬于豐富，施磷一般無明顯效應(yīng)。但是華南地區(qū)紅壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)即使高達(dá)55 mg·kg-1，在蔬菜作物上磷肥施用量仍然不能減少。實際上紅壤中總磷含量并不低，但是其生物有效性較低，難以被植物直接吸收利用。

生物炭是指生物有機材料（如木材、草、玉米稈等生物質(zhì)）在低氧條件下通過高溫裂解炭化形成的性質(zhì)穩(wěn)定的固態(tài)產(chǎn)物。生物炭具有豐富的孔隙，比表面積大，吸附能力強，添加到土壤中，可改善土壤陽離子交換量等理化性質(zhì)，增強土壤的保水保肥能力，提高土壤肥力（Haefele et al.，2011；Zwieten et al.，2010）。同時生物炭通過改變土壤環(huán)境從而影響微生物多樣性，間接影響磷素的吸收、釋放及其生物有效性（Atkinson et al.，2010）。例如，竹炭能增加土壤有效磷含量（傅秋華等，2004），以雞糞、牛糞為原料的生物炭也能提高土壤有效磷的含量（Hass et al.，2012；Uzoma et al.，2011）。這對于華南紅壤磷素供應(yīng)、作物生長有著重要的意義。

本研究所用改性生物炭是在生物炭制備過程中將鐵按特定比例（2%）摻雜至其中所得到的具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的改性生物炭材料。由于改性后生物炭表面會負(fù)載鐵的氧化物和羥基氧化物，其對磷的結(jié)合能力很強，能顯著提高生物炭對磷的吸附能力。關(guān)于生物炭對小白菜（Brassica chinensis L.）氮利用方面的影響已有研究，但是，在小白菜種植較大面積的華南地區(qū)未見關(guān)于這方面的研究，尤其缺乏添加生物炭對小白菜磷吸收的研究。前期對改性生物炭對菜地土壤磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化研究（王榮萍等，2016）表明，改性生物炭可以活化土壤難溶性磷。本研究在此基礎(chǔ)上，研究改性生物炭對小白菜生長及吸磷量的影響，以期為改性生物炭在蔬菜保質(zhì)保量生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗地點位于廣東省廣州市白云區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗中心鶴亭基地（113°15'E，23°18'N）。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在 21.5～22.2 ℃之間，年平均日照時數(shù)為1629.5 h，年降雨量大于1800 mm。試驗地塊土壤母質(zhì)為河流沖積物，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土，土壤有機質(zhì)為33.94 g·kg-1，全氮為 0.724 g·kg-1，速效氮為 140.5 mg·kg-1，有效磷為 54.5 mg·kg-1，pH 為 6.42。

1.2 供試材料

供試生物炭為廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所研制的改性生物炭產(chǎn)品。該產(chǎn)品的制備以生物質(zhì)棕櫚絲為原料，在高溫（750 ℃）炭化過程中，通過加入特定比例（2%）的含鐵化合物，將納米零價鐵負(fù)載在炭材料上，形成具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的改性生物炭材料。該改性生物炭理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)40.77%，全氮 0.74%，全磷 0.21%，速效磷 646.8 mg·kg-1，全鉀12.25%，pH 7.30。供試小白菜品種為金冠黑葉白菜，種源由廣東省農(nóng)科院蔬菜研究所提供。

1.3 試驗設(shè)計與實施

試驗共設(shè)5個處理，分別為（1）F0對照，即不施用生物炭；（2）F1：改性生物炭施用量為耕層土壤質(zhì)量的 0.1%，即 2250 kg·hm-2（耕層土壤按2.25×106kg·hm-2算）；（3）F2：改性生物炭施用量為耕層土壤質(zhì)量的 0.2%，即 4500 kg·hm-2；（4）F3：改性生物炭施用量為耕層土壤質(zhì)量的 0.3%，即6750 kg·hm-2；（5）F4：改性生物炭施用量為耕層土壤質(zhì)量的0.5%，即11250 kg·hm-2。氮肥（尿素，含N 46%）施用量為350 kg·hm-2，磷肥（過磷酸鈣，含P2O512%）施用量為300 kg·hm-2，鉀肥（硫酸鉀，含K2O 50%）施用量為144 kg·hm-2。每個處理設(shè)3個重復(fù)，采用隨機區(qū)組排列，共15個小區(qū)，每個小區(qū)面積為20 m2。

2015年3月1 日播種，3月23—24日移栽，移栽前3天施基肥于耕層全層，全部生物炭、磷肥作基肥，30%氮肥和30%鉀肥作基肥，其余氮肥和鉀肥分3次分別在移栽后的第3天、第14天和第21天各追15%、20%和35%，追肥隨水施加。整個試驗過程中采用常規(guī)田間管理。

1.4 采樣與分析測定

小白菜在移栽一個月后，即4月24日進行收獲。將小白菜植株的根和地上部分開，分別清洗干凈后稱重，地上部重量即為小白菜產(chǎn)量。然后將地上部分為兩部分，一部分于烘箱中 105 ℃下殺青30 min，然后在60 ℃下烘至恒重，記錄干質(zhì)量；另一部分保存于 4 ℃冰箱中，用于硝酸鹽含量等品質(zhì)指標(biāo)測定（王學(xué)奎，2006）。同樣，將根殺青后在60 ℃下烘至恒質(zhì)量，記錄干質(zhì)量。小白菜硝酸鹽含量采用紫外分光光度法測定（紫外分光光度計產(chǎn)地：上海元析儀器有限公司；型號：UV-6000；精度：±0.3%T），維生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定（王學(xué)奎，2006）。

小白菜收獲的同時，對各小區(qū)的耕層土壤采用五點采樣法進行采樣，土壤樣品去除較大石礫和作物殘茬，風(fēng)干，過篩后采用K2Cr2O7外熱法測定土壤有機質(zhì)含量（魯如坤，2000）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2003和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性生物炭對土壤有機質(zhì)含量的影響

由圖1可知，當(dāng)小白菜收獲時，生物炭施用量分別為 2250、4500、6750、11250 kg·hm-2處理土壤有機質(zhì)含量都有所提高，提高幅度分別為4.44%、3.28%、3.66%、17.98%，但與對照相比，低、中施用量（2250～6750 kg·hm-2）處理中土壤有機質(zhì)增加不顯著，只有最高施用量（11250 kg·hm-2）處理中土壤有機質(zhì)顯著增加，且與對照及其他3個生物炭處理差異顯著（F=4.28，P=0.028）。

2.2 改性生物炭施用對小白菜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

圖1 不同改性生物炭施用量對土壤有機質(zhì)含量的影響Fig. 1 Effects of biochar application on soil organic matter

由圖2可知，與對照相比，施用生物炭均可提高小白菜產(chǎn)量，提高幅度為 6.92%～32.04%，F(xiàn)2（4500 kg·hm-2)、F3（6750 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）處理的產(chǎn)量與對照相比，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；而 F1（2250 kg·hm-2）處理與對照相比，小白菜的產(chǎn)量有所提高，但差異不顯著（P＞0.05）。F2（4500 kg·hm-2）及 F3（6750 kg·hm-2）處理中，小白菜硝酸鹽含量顯著降低（分別降低 14.86%和9.92%），F(xiàn)1（2250 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）處理與對照相比，硝酸鹽含量分別降低 2.32%和4.47%，但無顯著差異（P＞0.05）。與對照相比，施用生物炭處理小白菜維生素 C含量顯著提高（P＜0.05），提高幅度為18.18%～36.79%。施用生物炭處理與對照相比，可溶性糖呈增加趨勢，但差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 改性生物炭施用對小白菜產(chǎn)量（a）和品質(zhì)（b，c，d）的影響Fig. 2 The effects of modified biochar on the yield (a) and quality (b, c and d) of Brassica chinensis L.

2.3 改性生物炭施用對小白菜吸磷量的影響

由圖3可知，與對照相比，施用生物炭處理的植株吸磷量呈增加趨勢，增加幅度為1.0%～27.0%，其中 F3（6750 kg·hm-2）和 F4（11250 kg·hm-2）處理提高幅度最大，且與對照差異顯著（F=11.71，P=0.001）。

圖3 改性生物炭對小白菜吸磷量的影響Fig. 3 The effects of modified biochar on the amount of phosphorus absorbed by Brassica chinensis L.

3 討論

生物炭自身具有豐富的礦質(zhì)元素，將其添加于土壤中能有效改善土壤的理化性質(zhì)。本研究表明，施用改性生物炭提高了土壤有機質(zhì)含量，這與前人的研究結(jié)果一致（顧美英等，2014；李明等，2015）。在本試驗中，生物炭本身的有機質(zhì)含量高達(dá)40.77%，將其施加于土壤中提高了土壤有機質(zhì)含量，且隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)增加趨勢。

生物炭具有良好的結(jié)構(gòu)，同時自身含有一定的養(yǎng)分，施入土壤中在一定程度上改善土壤的營養(yǎng)環(huán)境，有利于作物產(chǎn)量的提高（郭大勇等，2017；曹雪娜，2017；Xiao et al.，2016；Agbna et al.，2017；Awad et al.，2018）。本研究中，隨改性生物炭施用量的增加，小白菜的產(chǎn)量呈現(xiàn)增加的趨勢，一方面可能與生物炭的性質(zhì)有關(guān)，生物炭有機碳含量高、比表面積大、官能團多、孔隙率大，添加到土壤中能夠增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，有利于作物生長發(fā)育，進而提高作物產(chǎn)量（王寧等，2016；Pandit et al.，2018）；另一方面，生物炭的施用改善了土壤微生態(tài)環(huán)境，進一步提高了蔬菜產(chǎn)量，其具體機制有待于進一步研究。

與對照相比，生物炭的施用可以改善小白菜的品質(zhì)，這與很多研究結(jié)論一致（趙易藝等，2016；林慶毅等，2017）。崔亞男等（2017）的研究發(fā)現(xiàn)，豬糞生物炭的施用顯著提高小白菜的維生素C及可溶性糖含量而顯著降低硝酸鹽含量。又如武春成等（2014）報道，添加生物炭降低了黃瓜中硝酸鹽含量。本研究中采用的改性生物炭是將納米零價鐵負(fù)載在炭材料上，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的生物炭，在前期的研究中已經(jīng)證明了改性生物炭可以提高土壤活性磷的含量（王榮萍等，2016），從而促進小白菜對磷素的吸收，最終提高了蔬菜的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

改性生物炭的施用可以提高土壤有機質(zhì)的含量，改良土壤；提高了小白菜的產(chǎn)量，降低小白菜中硝酸鹽的含量，提高小白菜維生素C和可溶性糖的含量，改善了小白菜的品質(zhì)；促進小白菜對磷的吸收，提高土壤磷的利用率。