曹殿云，蘭 宇*，楊 旭，赫天一，劉遵奇，陳溫福，蔡丹丹，溫秋香

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽110866；2.遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽110866；3.中化化肥有限公司遼寧分公司，沈陽110866；4.桓仁縣農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧 桓仁117200）

我國(guó)鹽堿地的面積約占全國(guó)土地面積的四分之一，大約有9913 萬hm2，其中500 萬hm2的鹽堿地為濱海鹽堿地，種植水稻可以有效地改良鹽堿土[1]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。為促進(jìn)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，維持作物高產(chǎn)水平，滿足糧食生產(chǎn)安全需要，全球每年大約有1500 萬t 磷肥投入到農(nóng)業(yè)土壤中[2]，而磷肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用率僅為5%～20%[3]。施入土壤中的磷素大部分以無效態(tài)形式儲(chǔ)存在土壤中，會(huì)通過地表徑流、侵蝕和淋溶等途徑進(jìn)入水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[4-5]。而水稻土壤中磷的高流失風(fēng)險(xiǎn)制約了水稻經(jīng)濟(jì)可持續(xù)生產(chǎn)的發(fā)展[2]。

將農(nóng)林廢棄物制成生物炭并將其作為土壤改良劑投入土壤是提高土壤肥力和加強(qiáng)環(huán)境可持續(xù)管理的有效途徑[6]。生物炭的輸入不但能通過自身有機(jī)磷礦化來改善土壤磷素形態(tài)，生物炭還可以通過巨大的比表面積，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的表面官能團(tuán)等特性影響土壤對(duì)磷的吸附、解吸等特性來調(diào)節(jié)土壤磷素形態(tài)；并且還可以促進(jìn)一些生物化學(xué)過程來活化土壤中難溶態(tài)磷，使其轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)磷[7]。生物炭作為一種磷源施入土壤，其磷含量是農(nóng)作物秸稈平均磷含量的2～3倍[8]，因此，施用生物炭可以直接提高土壤中磷素含量。但是，目前關(guān)于生物炭對(duì)土壤磷有效性和持留率影響的研究結(jié)果并不一致。大量研究結(jié)果表明，施用生物炭能夠提高土壤磷的有效性，也有報(bào)道指出生物炭能夠吸附土壤中的磷酸鹽，但生物炭作為一種持磷肥料在土壤中有釋放磷的潛力。生物炭可以與土壤競(jìng)爭(zhēng)吸附Fe2+、Al3+和Ca2+來活化被土壤固定的磷[9]，進(jìn)而促進(jìn)土壤沉淀反應(yīng)的磷的含量，提高土壤中磷的植物有效性[10]。作物對(duì)磷的吸收和積累也可以增加吸附態(tài)磷的釋放，進(jìn)而影響土壤磷素的循環(huán)[9]。也有研究表明，生物炭可以通過吸附磷來降低土壤溶液中的磷濃度，大量的磷在生物炭中富集，使生物炭變成一個(gè)磷儲(chǔ)存庫(kù)[2]。由于生物炭對(duì)磷的固定作用，其施入土壤后會(huì)降低中性土壤或堿性土壤的磷的有效性[11]。

綜上，生物炭對(duì)磷的有效性和遷移轉(zhuǎn)化過程有顯著影響，但長(zhǎng)期或大量施用生物炭是否會(huì)帶來土壤磷素釋放風(fēng)險(xiǎn)亟待深入研究。本研究以濱海鹽化水稻土為研究對(duì)象，分析生物炭對(duì)土壤磷素形態(tài)及釋放風(fēng)險(xiǎn)的影響，以期為生物炭在提高水稻磷肥利用率和減少磷素流失方面的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及試驗(yàn)材料概況

試驗(yàn)于2016 年9 月至2018 年9 月在遼寧盤錦市盤山縣（122°03′51″E，40°56′09″N）試驗(yàn)田進(jìn)行，供試土壤為典型濱海鹽化水稻土，水稻品種為鹽豐47。生物炭為玉米秸稈炭，購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司。生物炭及土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)材料及測(cè)定方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)3 個(gè)施炭量處理分別為：0 t·hm-2（CK）、20 t·hm-2（B1）、40 t·hm-2（B2），各處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。生物炭?jī)H于2016 年水稻收獲后，人工均勻撒施在地表，然后用旋耕機(jī)均勻混入耕層土壤。氮、磷和鉀肥在2017年和2018年播種前施用，各處理均等量施用，施肥量為：氮肥（N）總施用量為200 kg·hm-2，磷肥（P2O5）總施用量為70 kg·hm-2，鉀肥（K2O）總施用量為90 kg·hm-2，磷、鉀肥作底肥一次性施用，氮肥50%作基肥，30%作分蘗肥，20%作穗肥，均統(tǒng)一田間管理。2018 年水稻收獲后，在各試驗(yàn)小區(qū)以五點(diǎn)取樣方法用土鉆采集0～20 cm 耕層土壤樣品，經(jīng)風(fēng)干、去雜、磨細(xì)、過篩、混勻處理后備用。

用H2SO4-HClO4消煮，鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量[12]，土壤有效磷含量測(cè)定采用Olsen 法[13]。土壤無機(jī)磷形態(tài)測(cè)定采用顧益初等[14]分級(jí)方法。1 g 土壤樣品依次用0.25 mol·L-1NaHCO3[NaHCO3浸提態(tài)磷（Ca2-P）]，0.5 mol·L-1NH4OAC[NH4OAC 浸 提 態(tài) 磷（Ca8-P）]，0.5 mol·L-1NH4F[NH4F 浸提態(tài)磷（Al-P）]，0.1 mol·L-1NaOH-0.1 mol·L-1Na2CO3[NaOH-Na2CO3浸提態(tài)磷（Fe-P）]，0.3 mol·L-1Na3C6H5O7[閉蓄態(tài)磷（O-P）]，0.5 mol·L-11 ∕2 H2SO4[Na3C6H5O7浸 提 態(tài) 磷（Ca10-P）]提取。土壤有機(jī)磷的分組采用Bowman-Cole 的土壤有機(jī)磷分組方法[15]。取5 g 土壤樣品用0.5 mol·L-1NaHCO3提取活性有機(jī)磷（LOP），取2 g 土壤樣品用1 mol·L-1H2SO4提取中等活性有機(jī)磷（MLOP），然后用1 mol·L-1NaOH 提取土壤MROP 和HROP。土壤pH 測(cè)定方法為水土比2.5∶1，用pH 計(jì)（Hanna HI2221，Italy）測(cè)定。

表1 生物炭和土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic properities of the soil and biochar

土壤磷吸持指數(shù)（PSI）采用周惠平等[16]的測(cè)定方法，測(cè)定土壤吸持溶液平衡時(shí)P 的濃度C（μmol·L-1）和土壤吸P量X（mg·100g-1），PSI計(jì)算公式如下：

土壤磷吸持飽和度（DPSS）采用Andersson 等[17]的測(cè)定方法，用鉬銻抗顯色法測(cè)定土壤中有效磷P（ox）的濃度（mmol·L-1），用原子吸收分光光度計(jì)（AA-7000）測(cè)定Al（ox）和Fe（ox）的濃度。

DPSS計(jì)算公式如下：

磷素釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Phosphorus release risk index，ERI）計(jì)算公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，不同處理差異顯著性分析用單因素方差分析（Oneway ANOVA，最小顯著差法LSD），使用Origin 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤pH、全磷、有效磷、總有機(jī)磷和總無機(jī)磷含量的影響

由表2 可知，施用生物炭能顯著提高土壤pH 值，但施炭處理間差異不顯著。施用生物炭能顯著提高土壤全磷含量，與CK 處理相比，B1 與B2 處理土壤全磷含量分別增加11.40%和35.70%。B1 與B2 處理土壤有效磷含量分別比CK 處理高28.96%和46.63%，且均達(dá)到差異顯著水平。施用生物炭提高了土壤總有機(jī)磷含量，且當(dāng)施炭量為40 t·hm-2（B2 處理）時(shí)差異達(dá)到顯著水平。

2.2 生物炭對(duì)土壤有機(jī)磷組分的影響

由圖1a 可知，施用生物炭顯著提高了土壤LOP含量，且B1 處理的土壤LOP 含量達(dá)到最大值，較CK處理高189.19%，但各施炭處理間差異不顯著。施用生物炭提高了土壤的MLOP 含量（圖1b），B2 處理達(dá)到最大值，較CK 處理提高36.74%，且達(dá)到差異顯著水平。施用生物炭顯著降低了土壤MROP 含量（圖1c），B1 和B2 處理的土壤MROP 含量較CK 處理分別降低了71.25%和84.38%。各處理間土壤HROP 含量表現(xiàn)為B1＞CK＞B2（圖1d），B1 處理較CK 處理含量提高45.02%，B2 處理較CK 處理降低57.24%，且均達(dá)到顯著性差異水平。

2.3 生物炭對(duì)土壤無機(jī)磷組分的影響

由圖2 可知，施用生物炭能夠顯著提高土壤Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 含量，B1 和B2 處理的Ca2-P 含量分別較CK 處理高30.33%和128.24%。B1 和B2 處理的Ca8-P 含量分別較CK 處理高85.32%和527.87%，且均達(dá)到差異顯著水平。B1 和B2 處理Al-P 含量分別較CK 處理高57.73%和232.91%，且均達(dá)到差異顯著水平。B1 處理Fe-P 含量較CK 處理高30.52%；而B2處理較CK 處理低11.55%，且均達(dá)到差異顯著水平。施用生物炭增加了土壤O-P 含量，且B1 處理的土壤O-P 含量比CK 處理高56.04%，達(dá)到差異顯著水平。Ca10-P含量在各處理間差異不顯著。

表2 生物炭對(duì)土壤pH、全磷、有效磷、總有機(jī)磷和總無機(jī)磷含量的影響Table 2 Effect of biochar on soil pH，total P，Olsen-P，total organic P and total inorganic P

2.4 生物炭對(duì)土壤磷釋放風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)的影響

由表3可以看出，施用生物炭降低了土壤活性Al含量，B1 和B2 處理的活性Al 含量較CK 處理分別降低了7.22%和15.07%，且均達(dá)到差異顯著水平。施用生物炭提高了土壤活性Fe含量，B1和B2處理的活性Fe 含量分別較CK 處理提高21.57%和37.75%，且均達(dá)到差異顯著水平。施用生物炭提高了土壤P 吸持指數(shù)，B1 和B2 處理的P 吸持指數(shù)分別較CK 處理高19.10%和38.55%，且均達(dá)到差異顯著水平。P 吸持飽和度隨著施炭量的增加而增加，B2 處理時(shí)達(dá)到最大，且B2 較CK 處理提高了22.47%，達(dá)到差異顯著水平。各處理間P釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)差異不顯著。

2.5 生物炭對(duì)土壤P釋放風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)與土壤P組分相關(guān)系數(shù)的影響

圖1 生物炭對(duì)土壤有機(jī)磷組分的影響Figure 1 Effect of biocar on soil organic P fractions

表3 生物炭對(duì)土壤活性Al、活性Fe、P吸持指數(shù)、P吸持飽和度、P釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的影響Table 3 Effect of biochar on soil Al（ox），F(xiàn)e（ox），P sorption index（PSI），degree of P sorption saturation（DPSS），Environmental risk index（ERI）

由表4 可見，Al（ox）與MROP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而Al（ox）與MLOP、Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Fe（ox）與MLOP、Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)e（ox）與Al（ox）和MROP呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。PSI 與MLOP、Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe（ox）呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，PSI與MROP呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。DPSS 與Ca2-P、Fe（ox）和PSI 呈 顯 著 的 正 相 關(guān) 關(guān) 系。ERI 與MROP 和Al（ox）呈 顯 著 的 正 相 關(guān) 關(guān) 系，ERI 與MLOP、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe（ox）和PSI 呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 生物炭對(duì)土壤無機(jī)磷組分的影響Figure 2 Effect of biochar on soil inorganic P fractions

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤全磷和有效磷含量的影響

與本研究供試土壤相比，生物炭的全磷和有效磷含量較高，因此施用生物炭能夠直接提高土壤的有效磷和全磷含量。許多研究指出施用生物炭可以提高紅壤有效磷含量3～46 mg·kg-1，潮土有效磷含量13～137 mg·kg-1[18]。也有研究指出施用生物炭（生物炭施用量分別為0、2.5、5、10、20、30 t·hm-2and 40 t·hm-2）5年后對(duì)土壤的有效磷含量沒有顯著影響[19]。Xu 等[11]研究表明在鹽堿土壤中施用生物炭會(huì)降低土壤有效磷含量。磷的有效性主要依賴于土壤的pH 值，而大量研究證明生物炭可以提高土壤的pH 值。土壤pH值的增加可以增大磷酸鹽的沉淀，使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶形態(tài)[20]。在堿性土壤中，生物炭表面的大量自由態(tài)的Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe3+的氧化物可以吸附磷并且可以和磷發(fā)生共沉淀反應(yīng)[2]。但生物炭表面也含有大量陰離子，會(huì)影響土壤中能與磷發(fā)生反應(yīng)的陽離子的有效性或活性，進(jìn)而影響土壤中磷的有效性[21]。

表4 生物炭對(duì)土壤P 釋放風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)與土壤P組分相關(guān)系數(shù)的影響Table 4 Effects of biochar on the pearson′s correlation coefficients between release risk indicators of soil P and soil P fractions

3.2 生物炭對(duì)土壤無機(jī)磷組分的影響

鐵鋁磷酸鹽通常被認(rèn)為是中等植物有效磷，并且已被證明是潛在的有效磷源，尤其是在高度風(fēng)化的土壤和沙土中[22-23]。部分鈣磷酸鹽不是植物可直接利用的磷，但是可以作為潛在的有效磷源。相關(guān)研究指出，生物炭中含有大量P-金屬?gòu)?fù)合體，例如FePO4、AlPO4和CaPO4[18]，因此，當(dāng)生物炭施入土壤會(huì)直接提高土壤Ca-P、Al-P 和Fe-P 含量。也有研究表明施用稻草生物炭可以提高水稻土中易被作物吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 的含量，降低O-P 和Ca10-P 含量[24]。而在本試驗(yàn)中，施用生物炭顯著提高了土壤的Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 含量；但施炭量為40 t·hm-2時(shí)，生物炭對(duì)土壤O-P 和Ca10-P 含量無顯著影響。這可能是由于生物炭自身的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，為微生物提供了棲息和繁殖的適宜場(chǎng)所，減少了微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)，生物炭的添加提高了微生物活性，有利于土壤中較容易被吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P和Al-P的釋放，而不容易被吸收利用的O-P或Ca10-P的含量不變或者降低。

3.3 生物炭對(duì)土壤有機(jī)磷組分的影響

有機(jī)磷是土壤全磷含量的重要組成成分，將土壤有機(jī)磷分成LOP、MLOP、MROP和HROP，對(duì)理解有機(jī)磷組分的動(dòng)力學(xué)改變具有重要意義[25]。施用生物炭可以提高土壤的有機(jī)磷組分?；钚杂袡C(jī)磷主要包括磷脂和核酸，植物可以直接吸收活性有機(jī)磷來滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要[26]。中等活性有機(jī)磷是由硫酸溶液提取的有機(jī)磷，與磷酸單酯和磷酸二酯密切相關(guān)，這些有機(jī)磷都容易被礦化供植物吸收利用[25]。在本研究中施用生物炭顯著提高了土壤活性有機(jī)磷和中等活性有機(jī)磷含量，這與許多研究結(jié)果一致[25]。也有研究指出中等穩(wěn)定性有機(jī)磷和高等穩(wěn)定性有機(jī)磷是活性有機(jī)磷和中等活性有機(jī)磷的源或庫(kù)[25]。在本研究中施用生物炭顯著降低了土壤的中等穩(wěn)定性有機(jī)磷含量，且當(dāng)施炭量為40 t·hm-2時(shí)，高穩(wěn)定性有機(jī)磷含量也被顯著降低。這可能是由于生物炭施入土壤后會(huì)影響土壤微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而活化有機(jī)磷組分使其轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚杂袡C(jī)磷，也會(huì)改變植物根系分泌物進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)磷向植物可利用的形態(tài)轉(zhuǎn)移[27]。

3.4 生物炭對(duì)土壤磷釋放風(fēng)險(xiǎn)的影響

生物炭具有巨大的比表面積和豐富的官能團(tuán)，施入土壤后可提高土壤對(duì)磷的吸附能力[8，28]。生物炭可以吸附土壤溶液中的磷主要是由于生物炭可以改變土壤電化學(xué)性能。Zhang 等[2]研究表明生物炭具有較高的P 持留能力，這先受快速化學(xué)吸附階段的控制，然后受表面擴(kuò)散階段控制。由于生物炭具有較高的磷吸持能力，土壤總磷也會(huì)隨著徑流的減少而增加。

Al（ox）和Fe（ox）是水稻土中含量較高的氧化物，也是土壤結(jié)構(gòu)體的重要膠結(jié)物質(zhì)，影響磷素在土壤中的含量、形態(tài)和植物有效性。土壤中的鐵鋁氧化物（尤其是游離態(tài)鐵鋁氧化物）含量會(huì)對(duì)DPSS 產(chǎn)生直接影響[7]。一般認(rèn)為，土壤中P 的吸附解析能力大小與土壤Al（ox）、Fe（ox）等含量有關(guān)。DPSS通常被作為一個(gè)評(píng)價(jià)磷釋放風(fēng)險(xiǎn)的指數(shù)，DPSS越大，說明土壤中磷素越接近飽和狀態(tài)，吸持P 的能力就越低，釋放P 的數(shù)量就越多[2]。在本研究中，施用生物炭提高了土壤的DPSS，這說明生物炭可能會(huì)提高土壤的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，有研究指出當(dāng)DPSS 超過15%時(shí)具有淋失風(fēng)險(xiǎn)[29]。習(xí)斌等[30]研究發(fā)現(xiàn)，潮土、紅壤和水稻土磷素流失DPSS臨界值分別是18.8%、12.9%和13.3%。但在本研究中土壤的DPSS 僅為6.81%～8.34%，因此，基本不存在土壤磷素釋放風(fēng)險(xiǎn)。PSI表示土壤固磷能力的大小，在本研究中生物炭顯著提高了土壤的PSI，說生物炭提高了土壤的固磷能力。根據(jù)目前ERI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，ERI一般分成4個(gè)等級(jí)，即高風(fēng)險(xiǎn)（ERI＞25）、較高風(fēng)險(xiǎn)（20＜ERI≤25）、中度風(fēng)險(xiǎn)（10＜ERI≤20）和低風(fēng)險(xiǎn)（ERI≤10）[29]。在本試驗(yàn)中土壤ERI為54.55%～61.67%，因此，本試驗(yàn)土壤誘發(fā)磷富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)處于高度風(fēng)險(xiǎn)范圍。

4 結(jié)論

（1）生物炭能夠顯著提高土壤全磷、有效磷含量，同時(shí)也能夠提高土壤總有機(jī)磷和總無機(jī)磷含量，且當(dāng)施炭量為40 t·hm-2時(shí)，達(dá)到差異顯著水平。

（2）生物炭提高了土壤Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 含量，隨著施炭量的增大而增大，且各處理間差異顯著；當(dāng)施炭量為20 t·hm-2時(shí)，土壤Fe-P 和O-P 含量顯著高于其他處理；施用生物炭對(duì)Ca10-P無顯著影響。生物炭顯著提高了土壤LOP 和MLOP 含量，但顯著降低了土壤MROP 含量，當(dāng)施炭量為40 t·hm-2時(shí)，土壤HROP含量最小，且顯著低于其他處理。

（3）本試驗(yàn)中土壤的Al（ox）和Fe（ox）均處于較高水平；施用生物炭顯著提高了土壤PSI，增加了土壤固磷能力；本試驗(yàn)土壤的DPSS 僅為6.81%～8.34%，因此，土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)較??；施用生物炭對(duì)土壤ERI 無顯著影響。

綜上所述，施用生物炭可以改善鹽化水稻土土壤磷素狀況，提高土壤固磷能力，而且不會(huì)增大土壤磷素釋放的風(fēng)險(xiǎn)。