鄭 琴，王秀斌，宋大利，盧 越，楊蘭芳*

（1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

磷（Phosphorus）是作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著積極作用；同時(shí)磷素又是一種不可再生資源，已成為我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制性營養(yǎng)元素。近年來，由于我國巨大的糧食需求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的磷肥大大超出作物生長所需，導(dǎo)致耕層土壤處于富磷狀態(tài)［1-2］。已有數(shù)據(jù)顯示，全國各地區(qū)磷素含量呈現(xiàn)增長的趨勢［3～4］，然而作物對施入土壤中的磷肥當(dāng)季利用率低，僅為10%～20%［5］，缺少作物可利用的有效磷。如何提高土壤中磷素有效性成為諸多學(xué)者長期關(guān)注的熱點(diǎn)，宋丹等［6］通過添加植酸酶，促進(jìn)土壤無機(jī)磷的釋放，提升作物產(chǎn)量；還有研究表明［7］，在秸稈還田時(shí)添加腐熟劑，同樣能夠增加土壤磷有效性。不同的磷素活化劑有不同的作用機(jī)制，在促進(jìn)作物產(chǎn)量的同時(shí)，不可避免地會對環(huán)境造成損害，并且由于其高額的處理成本，注定它無法在市場進(jìn)行大面積推廣使用。與此同時(shí)，作為生物質(zhì)資源的再次利用，生物炭近年來被廣大科研工作者所青睞。

生物炭（Biochar）是生物質(zhì)在缺氧和相對溫度“較低”（＜700℃）條件下熱解而形成的產(chǎn)物，具有含碳量高、芳香度高、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)［8-9］。生物炭作為一種新型的土壤改良劑，本身含有較豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分元素，如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，施入土壤后不僅能夠提高土壤中養(yǎng)分含量［10］，還能夠直接或間接參與土壤環(huán)境中磷素循環(huán)，對土壤磷素物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響［11］。已有大量研究表明，添加生物炭能夠增加土壤有效磷含量［12-13］，尤其是在酸性土壤效果更明顯［14］。添加生物炭對作物產(chǎn)量的影響報(bào)道各異，研究結(jié)果中既有增產(chǎn)增效作用［15-16］，也有抑制作用或無影響［17］，生物炭的最佳增產(chǎn)作用仍需充分考慮到生物炭性質(zhì)、土壤類型以及施肥狀況等因素。此外，Jeffery等［18］系統(tǒng)分析了施用生物炭與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性，不同生物炭原材料或添加量下作物產(chǎn)量變化有較大差異（-28%～39%）。上述研究多數(shù)集中在風(fēng)化土及典型熱帶貧瘠土壤上，而有關(guān)華北平原典型潮土區(qū)生物炭對土壤磷素有效性的影響及其作用機(jī)理報(bào)道較少。因此，本文擬以石灰性潮土為供試土壤，玉米秸稈生物炭為供試材料，通過盆栽試驗(yàn)，研究不同生物炭用量添加下對潮土土壤磷素有效性、小麥產(chǎn)量及磷素吸收的變化特征，旨在探明潮土磷素有效性對生物炭施用的響應(yīng)，該研究結(jié)果對高效利用秸稈資源，維持磷素循環(huán)平衡具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地（N34°47′、E113°40′），是典型的石灰性潮土。采集0～20 cm耕層土壤樣品進(jìn)行基礎(chǔ)養(yǎng)分測定，其中pH為8.17，電導(dǎo)率（EC）為46.64 mS/m，土壤有機(jī)碳（SOC）含量為9.27 g/kg，全磷（TP）和全氮（TN）含量分別為0.69和0.71 g/kg，有效磷（AP）含量為24.98 mg/kg。供試小麥品種為鄭麥7698。

試驗(yàn)所用生物炭以玉米秸稈為原料，在450℃缺氧條件下于馬弗爐（上海榮豐SX2箱式電爐）中熱裂解1 h獲得。生物炭比表面積為4.00 m2/g，孔體積為0.01 mL/g，pH 10.52，EC 537 mS/m，碳、氮含量分別為53.81%、1.22%，TP含量為1.35 g/kg，AP含量62.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年9月30日至2015年6月2日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院網(wǎng)室進(jìn)行。用上口直徑21.5 cm，底直徑18 cm，高23 cm塑料盆裝土。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)生物炭處理：對照不施用生物炭（CK）、施用0.2%玉米秸稈生物炭（MB0.2）、施用1.0%玉米秸稈生物炭（MB1.0）、施用5.0%玉米秸稈生物炭（MB5.0）。每個(gè)處理9盆，共36盆，各處理施肥量按照等N、P、K量施入，氮磷鉀肥用量N-P2O5-K2O=0.1-0.05-0.04 g/kg（相當(dāng)于210-120-90 kg/hm2）。氮磷鉀肥分別為硫酸銨、磷酸二氫鈣和氯化鉀。將5.0 kg風(fēng)干土與過0.15 mm篩的生物炭混勻后裝入塑料盆，塑料盆隨機(jī)排列埋入土中。2014年10月9日每盆播種20粒，出苗后每盆定植15株。硫酸銨和氯化鉀基施50%，返青期追施50%，磷酸二氫鈣則全部做底肥一次性施入。所有化肥都溶于水后，以溶液的形式施入，使土壤水分含量為20%。生育期間定量澆水，使土壤水分維持在最大持水量60%左右。分別于小麥返青期（2015年3月23日）、抽穗期（2015年4月23日）和成熟期（2015年6月2日）進(jìn)行破壞性取樣，一部分用于測定土壤磷酸酶活性，另取一部分風(fēng)干后分別過1.00 和0.25 mm篩，用于測定土壤速效養(yǎng)分和全量養(yǎng)分。植株樣品全部于105℃殺青30 min后，65℃烘干至恒重，粉碎后過0.25 mm篩，備用。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》［19］方法測定。土壤pH和EC分別按水土比2.5 ∶1與5 ∶1進(jìn)行測定；SOC用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定；土壤全氮用凱氏蒸餾法測定；土壤全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷用0.5 mol NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤磷酸酶采用熒光微孔板酶檢測法，具體參照Wang等［20］方法。生物炭pH按水土比10 ∶1測定；其元素組成采用Vario EL Ⅲ型元素分析儀測定；比表面積和孔結(jié)構(gòu)表征利用全自動(dòng)物理化學(xué)吸附儀（ASAP2020，Mieromeritics，USA），采用容量法，通過Bet吸附方程進(jìn)行計(jì)算。植株經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，用釩鉬黃比色法測定全磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用軟件SPSS 20.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD最小極差法，相關(guān)性分析運(yùn)用Pearson雙側(cè)檢驗(yàn)。采用軟件Excel 2016進(jìn)行圖表制作和數(shù)據(jù)計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭用量對潮土有效磷含量的影響

隨著時(shí)間推移，同一處理的土壤AP含量逐漸減少，但總體變化幅度不大（圖1）。在冬小麥3個(gè)生育期（返青期、抽穗期、成熟期），土壤AP含量隨著生物炭用量增加而增加，添加中、高量生物炭（MB1.0、MB5.0）后土壤AP含量較CK處理顯著增加，增幅分別為21.8%～67.8%、151.5%～210.7%。在返青期和抽穗期，MB0.2的土壤AP含量與對照無顯著差異，而在成熟期增加了11.3%。在返青期MB5.0處理AP含量較MB0.2和MB1.0處理差異顯著，而添加低、中量生物炭（MB0.2、MB1.0）后其含量差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）；在抽穗期和成熟期3個(gè)生物炭用量間其含量差異顯著（P＜0.05）。

圖1 不同生長時(shí)期土壤有效磷含量

2.2 不同生物炭用量對土壤有效磷轉(zhuǎn)化的影響

由表1可知，在冬小麥3個(gè)生育期，土壤pH值均隨生物炭用量的增加而增加，且以MB5.0處理的土壤pH值最大，較CK分別提高了0.52、0.39和0.31個(gè)單位。在整個(gè)生育期，添加高量生物炭（MB5.0）的土壤pH值隨時(shí)間推移呈現(xiàn)降低的趨勢，而其他3個(gè)處理間pH值均呈現(xiàn)升高的趨勢。在3個(gè)生育期SOC含量均隨生物炭用量的增加而增加（P＜0.05），其中MB5.0處理其含量較CK分別增加了9.3、11.1和14.0倍。同一處理在不同生育時(shí)期SOC含量的變化各異，MB1.0、MB5.0處理在抽穗期、成熟期SOC含量較返青期均顯著增加，增幅范圍達(dá)27.6%～56.2%，而CK、MB0.2處理其含量在3個(gè)生育期間差異均不顯著。在同一生育期MB5.0處理土壤EC較CK、MB0.2和MB1.0處理均顯著增加，而CK、MB0.2和MB1.0處理間土壤EC差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）；同一處理在不同生育時(shí)期土壤EC值差異變化不大。

表1 生物炭對土壤有效磷轉(zhuǎn)化的影響

在冬小麥返青期，不同生物炭用量對土壤磷酸酶活性影響不顯著（P＞0.05）。在抽穗期，土壤磷酸酶活性呈現(xiàn)出 MB1.0＞CK＞MB0.2＞MB5.0處理，其中MB1.0處理較其它處理增幅分別為9.1%（CK）、13.8%（MB0.2）和20.8%（MB5.0），MB1.0處理其活性顯著高于MB0.2和MB5.0處理。在成熟期，土壤磷酸酶活性MB0.2處理較其他處理均顯著增加，其活性分別增加了11.9%（CK）、13.2%（MB1.0）、20.3%（MB5.0）。總的來看，不同生育期添加高量生物炭（MB5.0）對土壤磷酸酶活性有抑制作用，添加中量生物炭（MB1.0）的土壤磷酸酶活性在抽穗期較活躍，而低量生物炭（MB0.2）其活性在成熟期較活躍。

2.3 土壤各因子間相關(guān)性分析

運(yùn)用Pearson雙側(cè)檢驗(yàn)對冬小麥各參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），冬小麥土壤AP與pH、EC、SOC呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。土壤pH與EC、SOC均為極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與磷酸酶活性相關(guān)性不顯著。土壤EC與SOC呈極顯著的正相關(guān)性，與磷酸酶活性呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性。土壤有機(jī)碳與磷酸酶活性呈顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0.05）。

表2 土壤有效磷與pH、電導(dǎo)率、有機(jī)碳和磷酸酶活性間的相關(guān)性分析

2.4 不同生物炭用量對小麥磷素吸收及產(chǎn)量的影響

由表3可知，在冬小麥返青期和抽穗期，不同生物炭用量對植株干物質(zhì)重的影響差異不顯著（P＞0.05）；在成熟期MB1.0處理的植株干物質(zhì)重均顯著高于其他3個(gè)處理，分別增加了21.7%（CK）、21.3%（MB0.2） 和17.1%（MB5.0）， 而CK、MB0.2、MB5.0處理間干物質(zhì)重差異不顯著（P＞0.05）。MB1.0和MB5.0處理的小麥產(chǎn)量較CK均顯著增加，其中MB1.0處理產(chǎn)量增幅最大，達(dá)33.7%。

表3 生物炭對小麥植株生物量、磷素吸收及產(chǎn)量的影響

在返青期和成熟期，冬小麥植株磷含量和吸收量無顯著差異（P＞0.05）。在植株抽穗期，MB5.0處理磷含量和吸收量均顯著高于其它處理，增幅范圍分別為79.2%～103.1%、70.3%～110.1%，而CK、MB0.2和MB1.0處理間植株磷含量和吸收量差異不顯著（P＞0.05）。在成熟期籽粒的磷含量和吸收量隨生物炭用量的增加而增加，其中MB5.0處理磷含量和吸收量均顯著高于其它處理，增幅范圍分別為21.4%～30.8%、23.0%～68.9%。

3 討論

已有研究表明，生物炭含有大量的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，施入土壤后能夠明顯改善土壤養(yǎng)分狀況［21］。本研究結(jié)果表明，冬小麥3個(gè)關(guān)鍵生育期土壤有效磷含量均隨生物炭用量的增加而增加，這與Zhang等［22］的研究結(jié)果一致，其可能原因是生物炭中的木質(zhì)組織在高溫碳化過程中釋放磷酸鹽，為土壤帶來直接磷源［23］，從而提高了土壤磷素有效性。土壤pH、SOC、EC能直接影響土壤有效磷含量［24］，本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加顯著提高了土壤pH、SOC、EC值，且有效磷含量與土壤pH、EC和SOC具有極顯著的正相關(guān)性，這與Amin［25］和張國秀等［26］的研究結(jié)果相似。土壤pH的變化能夠影響Ca2+、Al3+、Fe3+等金屬離子和磷酸根的結(jié)合［27］，減少土壤對磷的固定，增加土壤可溶性磷的含量［28-29］。施入生物炭后，酸性土壤pH值升高或堿性土壤pH減少的結(jié)果比較常見［30-31］，但才吉卓瑪［32］研究發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈生物炭對潮土pH值無顯著影響，而本試驗(yàn)中石灰性潮土pH值則顯著提高，其差異性結(jié)果可能是由各試驗(yàn)中不同生物炭類型、生物炭用量和土壤類型等引起的。張國秀等［26］證實(shí)SOC能夠通過腐殖質(zhì)和磷酸根離子形成絡(luò)合物或螯合物，避免難溶性磷產(chǎn)生，減少土壤對磷的吸附，同時(shí)微生物將生物炭中的有機(jī)碳作為能源，把土壤中難溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)化成可溶性有效磷［33］，從而提高土壤磷素有效性。前人［20］研究表明，由于生物炭釋放的水溶性陽離子（K+、Ca2+、Mg2+等）含量較高，土壤EC會隨生物炭添加量增加而增加，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

土壤酶是評價(jià)土壤質(zhì)量變化的生物學(xué)指標(biāo)，其活性的變化受土壤養(yǎng)分狀況的影響［34］。王玲等［35］研究發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶活性隨生物炭用量的增加而增加；陳心想等［36］則認(rèn)為不同的生物炭用量對土壤磷酸酶活性無顯著影響。本研究顯示，冬小麥不同生育期土壤磷酸酶活性對生物炭添加的響應(yīng)各異，其中成熟期低量生物炭添加（0.2%）對土壤磷酸酶活性有促進(jìn)作用，而中、高量生物炭（1.0%和5.0%）對其有抑制作用。這與尚杰等［37］研究結(jié)果相一致，其研究認(rèn)為低量（45 t/hm2）生物炭的添加能夠增加土壤堿性磷酸酶活性，而高量（60 t/hm2）生物炭對土壤堿性磷酸酶活性有抑制作用?？梢姡瑝A性磷酸酶活性在土壤中受生物炭用量的影響較大，這是由于生物炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)奶砑拥酵寥乐心軌蛱岣咄寥澜饬孜⑸锏臄?shù)量，對磷酸酶的活性具有促進(jìn)作用［38］；而生物炭添加量過高易造成土壤鹽分含量增加，從而抑制土壤微生物活性，同時(shí)由于生物炭對酶分子的吸附作用，在生物炭過量條件下導(dǎo)致土壤磷酸酶結(jié)合位點(diǎn)減少，其活性有所降低［36］。生物炭的添加對土壤堿性磷酸酶活性和有效磷含量的影響是土壤微生物與土壤理化性質(zhì)相互作用的綜合體現(xiàn)［39］。土壤磷酸酶作為植物根系與微生物的分泌產(chǎn)物，能催化磷酸脂或磷酸酐的水解，其活性直接影響著土壤有機(jī)磷的分解與轉(zhuǎn)化以及磷素有效性［40］。Jin等［41］研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量隨土壤磷酸酶活性的增加而增加，而本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量與土壤磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，其原因可能是植株根際及微生物是在土壤缺磷狀態(tài)下分泌出磷酸酶，而土壤有效磷含量的增加則會負(fù)反饋給土壤磷酸酶，從而抑制了其活性。

生物炭具有良好養(yǎng)分調(diào)控作用，施入土壤可以顯著促進(jìn)種子萌發(fā)和生長，從而促進(jìn)作物生產(chǎn)力的提高［42］。已有研究表明，生物炭通過改善土壤理化特性來提高作物產(chǎn)量，生物炭對作物產(chǎn)量的影響主要與生物炭的理化特性、施用量和土壤條件有關(guān)［18］。本研究表明，籽粒的磷含量和吸收量隨生物炭用量的增加而增加，且中、高量生物炭處理籽粒產(chǎn)量顯著高于對照，其中以MB1.0（相當(dāng)于22.5 t/hm2）的施用量提升效果最佳。生物炭保水、保肥的能力增加了作物根際范圍內(nèi)的水分和有效養(yǎng)分，促進(jìn)了礦質(zhì)元素的釋放和遷移，從而能夠被作物更好的吸收［43］。Niu等［44］田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加3、6和12 t/hm2的玉米秸稈生物炭后，小麥產(chǎn)量顯著增加了16.6%～25.9%，這與本研究結(jié)果基本一致。李帥霖等［45］采用盆栽試驗(yàn)研究了生物炭不同添加量（0、1%、2%、4%和6%）對小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與不施生物炭處理相比，1%和2%生物炭用量平均增產(chǎn)6.62%和11.01%，4%和6% 生物炭用量平均減產(chǎn)6.88%和10.1%。本研究也發(fā)現(xiàn)，高量生物炭的添加（5.0%）較中量處理（1.0%）冬小麥產(chǎn)量略有降低，但不顯著。其原因可能是生物炭大量施入土壤后，造成土壤pH進(jìn)一步提高，反而減少了土壤營養(yǎng)元素的有效性，同時(shí)大量生物炭的添加促使微生物對氮素產(chǎn)生強(qiáng)烈的固定，降低根系的可利用性進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。因此，在石灰性潮土中適量生物炭的添加對促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收和作物增產(chǎn)具有積極的作用，但盆栽試驗(yàn)可能與大田試驗(yàn)存在一定的差異性，因此需要在該地區(qū)進(jìn)行長期的田間驗(yàn)證。

4 結(jié)論

盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭能夠顯著增加潮土有效磷含量，且隨生物炭用量的增加而增加；土壤有效磷含量與土壤pH、電導(dǎo)率及有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤磷酸酶活性則呈顯著負(fù)相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，小麥?zhǔn)斋@后，籽粒磷含量、吸磷量隨生物炭用量的增加而增加，小麥產(chǎn)量則在中量生物炭（1.0%）時(shí)達(dá)最大值，較CK增加了33.7%?？梢姡┤胫?、高量（MB1.0、MB5.0）的生物炭有利于提高潮土磷素有效性，籽粒磷素吸收及小麥產(chǎn)量，但本結(jié)論是短期試驗(yàn)的結(jié)果，可能與大田試驗(yàn)存在一定的差異性，仍需要繼續(xù)開展長期田間試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。