李宗壕　達布希拉圖

摘要：為了明確生物炭和木醋液對土壤磷素流失的影響，提高土壤質(zhì)量并為農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)，以種植蔬菜的高原紅壤為研究對象，進行室外白菜盆栽種植試驗，設(shè)置單施水溶肥（W）、水溶肥配施木醋液（WP）、水溶肥配施生物炭（WB）、水溶肥配施生物炭和木醋液（WPB）4個處理。結(jié)果顯示，炭醋材料能提高肥料利用率，減少磷素養(yǎng)分的流失;施用炭醋材料后，表層土壤速效磷含量提高，酸性磷酸酶活性增強，難溶性Fe-P、Al-P含量降低。與W處理相比，WP、WB、WPB處理滲漏液中的總磷量分別降低了22.78%、45.82%、49.45%;顆粒態(tài)磷量分別降低了21.87%、47.28%、55.56%;WB、WPB處理溶解態(tài)磷含量較W處理分別顯著下降29.39%、28.13%。

關(guān)鍵詞：炭醋材料;滲漏液;磷素;白菜;盆栽試驗;表層土壤

中圖分類號： S153.6+1;S141.9文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2021）19-0226-06

磷是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，土壤中磷素的含量和利用率是決定土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。高原紅壤的土壤pH值一般較低，偏酸性，鐵和鋁會大量富集在土壤中，而磷與鐵、鋁結(jié)合形成 Fe-P、Al-P，使紅壤中磷的有效性降低[2-3]。磷素雖然在土壤中累積，但植物難以吸收利用，植物的生長被限制，但通過淋洗和徑流等方式磷素會進入水體，造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染問題，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅[4-5]。

炭醋材料是生物炭和木醋液以一定比例混合的混合物，通過施用炭醋材料能降低土壤養(yǎng)分的流失。國外相關(guān)研究將生物炭稱為biochar，通常指由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等生物質(zhì)或其他生物質(zhì)廢棄物在缺氧和溫度低于700 ℃條件下熱解形成的產(chǎn)物[6]。生物炭主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，一般含有60%以上的元素，其他元素主要有H、O、N、S等[7]。生物炭內(nèi)部碳結(jié)構(gòu)的組成形式可能與生物質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)中碳的特征、炭化條件及炭化過程有關(guān)[8]。生物炭在炭化以后，大多保留了原有生物質(zhì)的良好孔隙結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙度和比表面積[9]。這些基本性質(zhì)使生物炭具備了吸附力、抗氧化能力強等特性。高度的芳香化結(jié)構(gòu)和疏水性的脂族碳使生物炭施入土壤以后，可以長時間保持穩(wěn)定而不易在短時間內(nèi)分解[10-11]。

木醋液是農(nóng)林廢棄物（秸稈、樹枝、木屑等）或養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢棄物（畜禽糞便等）作為生物質(zhì)在一定溫度下熱解炭化產(chǎn)生的氣體混合物，經(jīng)冷凝回收分離得到的有機液體物質(zhì)，是生物質(zhì)炭化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物[12]。木醋液成分復(fù)雜，以酸類及酚類為主，還含有醛類、酮類、酯類、醇類、羧基類及呋喃類等500種成分[13]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上木醋液的應(yīng)用十分廣泛，可對土壤性狀進行改良，提高土壤中土壤中的有效養(yǎng)分含量[14];可促進植物的生長，促進植物果實的發(fā)育，提高果實的產(chǎn)量與品質(zhì)[15]。

針對農(nóng)田白菜種植高肥投入、養(yǎng)分流失嚴(yán)重等問題，為從源頭減輕水體污染因素，達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保的目的。本研究施用炭醋材料進行室外盆栽試驗，以明確生物炭和木醋液對土壤磷素流失的影響。

1材料與方法

1.1試驗地點與材料

試驗地點在云南省昆明市晉寧區(qū)昆陽鎮(zhèn)，屬低緯高原亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔1 800 m，年平均氣溫14.8 ℃，雨季集中在6—10月。冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，水資源較為豐富。

土壤樣品取自云南省玉溪市通海縣興蒙鄉(xiāng)，土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值為6.9，有機質(zhì)含量為4379 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為96.00、96.23、94.63 mg/kg，陽離子交換量（CEC）為10.6 cmol/kg。作物為結(jié)球白菜，品種為亞春高山娃娃菜，肥料為水溶肥1號[N ∶P₂O₅∶K₂O（質(zhì)量比）=12 ∶15 ∶9]、水溶肥2號[N ∶P₂O₅ ∶K₂O（質(zhì)量比）=18 ∶5 ∶13]、水溶肥3號[N ∶P₂O₅∶K₂O（質(zhì)量比）=7 ∶4 ∶25];生物炭原料為稻殼，熱解溫度為500 ℃，pH值為8.1;木醋液為熱解水稻時產(chǎn)生的蒸汽冷凝后靜置6個月去掉上層焦油的褐色液體，pH值為3.4。木醋液主要成分相對含量為乙酸34.62%、丙酸169%、醛類10.16%、酚類21.95%、酮類790%。木醋液、水溶肥、稻殼生物炭均由云南威鑫農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供。

1.2試驗設(shè)計

盆栽試驗共設(shè)4個處理：單施水溶肥（W）、水溶肥配施木醋液（WP）、水溶肥配施生物炭（WB）、水溶肥配施炭醋材料（WPB），每個處理4次重復(fù)。施肥方式為水肥一體化滴灌施肥，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民慣用施肥量，施氮肥 5 g/盆（364.3 kg/hm²）、P₂O₅2.4 g/盆（174.8 kg/hm²）、K₂O 9.2 g/盆（670.3 kg/hm²），定苗后施肥6次，每6 d追肥1次，追氮比例依次為10%、10%、20%、20%、20%、20%。第1次施1號肥，第 2～4次施2號肥，第5～6次施3號肥。生物炭含量為120 g/盆（8 914.3 kg/hm²），播種前施于表層土壤（0～10 cm）;木醋液含量為 1.2 mL/盆（89.1 mL/hm²），配施于第3、第5、第6次追肥時，稀釋500倍施用。16盆盆栽，每盆定苗3棵，共計48棵白菜。于2019年6月26日播種，8月23日收獲。

1.3滲漏液收集

試驗用盆的直徑為52 cm，高34 cm，每個盆底鑿穿直徑為1 cm的9個大小一致的洞口，底部重疊放置1個收集滲漏液的集水盆，集水盆底鑿穿1個洞口，插上導(dǎo)管，導(dǎo)管將滲漏液引入收集桶。每個盆栽分別用獨立的容器收集滲漏液。

1.4指標(biāo)測定及方法

1.4.1土壤樣品測定在種植前，將混合土樣風(fēng)干，然后測定速效磷、難溶性的Fe-P、Al-P，用 1 mol/L 的氯化銨浸提土壤后棄去上清液，再用 0.5 mol/L 的氟化銨浸提、離心，收集上清液，用鉬銻抗法測定Al-P含量;浸提過Al-P的土樣，用飽和氯化鈉離心2次后，加入氫氧化鈉溶液振蕩，靜置過夜后再振蕩，離心，取上清液;加入濃硫酸 1.5 mL，搖勻放置過夜后過濾，用鉬銻抗法測定 Fe-P 含量。

白菜收獲時先用鏟子沿著盆壁撬動土壤，使土壤與盆體分離，再將土壤與植株從盆中取出，置于牛皮紙之上，將植株與土壤進行分離，盡量避免植株根系折斷。整株植株從土壤中取出后，輕輕抖掉附著在根系上的松散土壤（土體土），而將緊黏附在根系上的土壤（根際土）及整個根系裝入事先裝有100 mL 0.2 mmol/L CaCl2 溶液的塑料杯中浸提 1 min，在浸提過程中將根系輕輕地浸入溶液并搖動，使盡可能多的根際土溶入浸提液中。

根際酸性磷酸酶活性的測定方法：根際土壤提取液解凍后，在裝有0.5 mL 懸濁液的2 mL離心管中，加入 0.4 mL 醋酸鈉緩沖液以及 0.1 mL 底物對硝基苯磷酸二鈉（pNPP），在 25～30 ℃條件下暗培養(yǎng)0.5 h 后，加入0.5 mL 的0.5 mol/L NaOH 終止反應(yīng);同時設(shè)置空白處理消除土壤腐殖質(zhì)的影響，空白處理加入0.4 mL 醋酸鈉緩沖液，同樣培養(yǎng) 0.5 h，加入 0.5 mL NaOH終止反應(yīng)，最后加入 0.1 mL pNPP溶液，其他后續(xù)處理過程與樣品相同。將土壤懸濁液在6 000 g條件下離心1 min，按一定比例稀釋后，在405 nm 波長下測定吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定土壤水解釋放的對硝基酚含量。酸性磷酸酶活性表述為每小時每克根際土水解產(chǎn)生的對硝基酚的微克數(shù)，其中根際土質(zhì)量以烘干土計。根際土酸性磷酸酶活性當(dāng)天完成測定。

1.4.2植株樣品測定烘干至恒質(zhì)量后，測定全磷含量，計算每棵白菜的全磷吸收量。

1.4.3水樣測定降雨、施肥后收集滲漏液并記錄滲漏量。搖勻水樣后每個盆栽取250 mL混合樣，用于測定總磷、水溶性總磷、顆粒態(tài)磷濃度。用 0.45 μm 濾膜過濾后，用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定水溶性磷含量，顆粒態(tài)磷含量為總磷含量與水溶性磷含量之差。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用SAS、SPSS軟件進行單因素方差分析及相關(guān)性分析，用Excel 2010作圖。

2結(jié)果與分析

2.1炭醋材料對白菜全磷含量和吸收量的影響

如圖1所示，空心柱為盆栽白菜全磷含量，其中WB處理最高，但是與WP、WPB處理無顯著差異。W處理最低，與其他3個處理差異顯著，WP、WB、WPB處理比W處理分別提高11.43%、1714%、1429%。黑色實心柱子為1棵白菜的全磷吸收量，不同處理對其影響效應(yīng)表現(xiàn)為WPB>WB>WP>W，W處理顯著低于其他3個處理，WP、WB、WPB處理間無顯著差異，但是WB、WPB均高于WP。與W處理相比，WP、WB、WPB處理的磷吸收量分別提高50.00%、66.67%、8333%。由此可知，無論是單獨配施木醋液還是生物炭都能提高白菜對磷的吸收量，單獨配施生物炭的施用效果有優(yōu)于單獨配施木醋液的趨勢，兩者混施的促進效果最佳。

2.2炭醋材料對白菜土壤不同形態(tài)磷含量的影響

2.2.1炭醋材料對表層土壤不同形態(tài)磷含量的影

響0～10 cm 深度土壤為白菜主要供給養(yǎng)分的土層，這一土層的速效磷能被白菜直接吸收利用，F(xiàn)e-P、Al-P為難溶性養(yǎng)分，難以被作物直接吸收利用。從圖2可以看出，不同處理0～10 cm土層速效磷含量從大到小依次為WPB>WB>WP>W，WP與W處理無顯著差異，WB與WP處理差異顯著。WPB處理分別較W、WP處理增加38.77%、2527%，WB處理分別較W、WP處理增加2812%、15.65%。由此說明，單獨配施木醋液可增加表層土壤的速效磷的含量，生物炭和炭醋混施處理有增加表土土壤速效磷含量的作用，可以提高磷素供應(yīng)能力。對于難溶性的Fe-P、Al-P，W處理最高，WP、WB次之，WPB最低。WPB、WP、WB處理較W處理的Fe-P含量分別降低了38.77%、2198%、1759%。WB的 Fe-P 含量低于WP處理，但是無顯著差異。WPB、WB處理的Al-P含量低于W處理，分別降低了27.01%、21.27%，WP處理A1-P含量低于W但差異不顯著。整體來看，施用生物炭、木醋液能提高表層土壤磷對白菜的供應(yīng)能力，減少磷的固定，兩者混施的作用最明顯。

2.2.2炭醋材料對不同土層土壤速效磷含量比值的影響從圖3可以看出，施用生物炭、木醋液后能顯著降低20～30 cm與0～10 cm土層速效磷含量比值，WP、WB、WPB處理較W處理的比值分別降低了517%、24.92%、21.21%。施用了生物炭的2個處理降低效果大于單施木醋液的處理。說明施用生物炭、木醋液能降低深層土壤與表層土壤速效磷含量的比值，施用生物炭的作用大于施用木醋液。

2.2.3炭醋材料對白菜根際土壤磷酸酶活性的影響從圖4可以看出，施用生物炭、木醋液后能明顯提高白菜根際土磷酸酶活性，WPB、WP、WB處理較W處理分別提高了72.12%、33.41%、3119%。單獨配施生物炭、木醋液無顯著差異，炭醋混施顯著高于其他處理。

2.3炭醋材料對白菜不同形態(tài)磷流失的影響

2.3.1炭醋材料對滲漏液不同形態(tài)磷素濃度的影響盆栽白菜生長周期通過自然降雨共計產(chǎn)生6次滲漏液，將6次滲漏液中測得的不同形態(tài)磷素的濃度值繪制成高低圖（圖5）。可以看出，整體上施用生物炭、木醋液能降低滲漏液不同形態(tài)磷素的濃度。對于溶解態(tài)磷含量，WB的平均值最低，WPB低于WP，WP水溶性磷的含量值更集中。對于顆粒態(tài)磷濃度，WP、WB、WPB處理均低于W處理，各處理平均值從大到小依次為W>WP>WB>WPB。炭醋混施的降低效果更明顯。對于總磷含量，均值和顆粒態(tài)磷含量的變化規(guī)律一致，各處理平均值和最低值從大到小依次為W>WP>WB>WPB。說明施用生物炭、木醋液能降低盆栽滲漏液中不同形態(tài)磷素的濃度，施用生物炭的作用效果優(yōu)于木醋液，兩者混施的效果最佳。

2.3.2炭醋材料對滲漏液不同形態(tài)磷總量的影響將6次滲漏液的不同形態(tài)磷總量匯總（表1），發(fā)現(xiàn)不同處理對總磷和顆粒態(tài)磷含量表現(xiàn)出類似的影響規(guī)律，均呈W>WP>WB>WPB;WP、WB、WPB處理的總磷含量較W處理分別降低了1855%、3732%、40.28%;WP、WB、WPB處理較W處理的顆粒態(tài)磷含量分別降低了21.87%、4728%、5556%，施用生物炭的2個處理（WB、WPB）顯著低于單施木醋液的處理（WP），2個施生物炭的處理間無顯著差異，但是WPB全磷和顆粒態(tài)磷含量均低于WB。對于溶解態(tài)磷含量，WB、WPB處理較W處理分別顯著降低了29.39%、2813%;W和WP、WPB和WB處理間無顯著差異。說明單獨配施木醋液，有降低滲漏液中水溶性全磷流失量的趨勢，施用生物炭能顯著降低滲漏液中水溶性全磷流失量，炭醋混施的效果與單獨配施生物炭無顯著差異。

從滲漏液溶解態(tài)磷、顆粒態(tài)磷含量占總磷含量比例的計算結(jié)果（表1）可以看出，溶解態(tài)磷含量的占比大于顆粒態(tài)磷含量，說明通過滲漏流失的溶解態(tài)磷量多于顆粒態(tài)磷。不同處理對滲漏液溶解態(tài)磷含量的占比與顆粒態(tài)磷含量占比的影響大小相反，溶解態(tài)磷含量占比從大到小依次為WPB>WB>WP>W，顆粒態(tài)磷含量占比從大到小依次為W>WP>WB>WPB。施用了生物炭的2個處理溶解態(tài)磷含量的占比顯著大于單施水溶肥處理，單獨配施木醋液的水溶磷的占比大于單施水溶肥處理。對于顆粒態(tài)磷含量的占比，施了生物炭的WB、WPB處理顯著低于未施生物炭的W、WP處理。

2.4滲漏液磷素流失與植株、土壤的相關(guān)關(guān)系

將向環(huán)境中的磷流失-土壤-植株作為一個整體進行相關(guān)分析檢驗，如表2所示。0～10 cm土壤Fe-P、Al-P含量與0～10 cm土壤速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達 -0.838、-0.922;磷酸酶活性與0～10 cm土壤 Fe-P、Al-P 含量呈負(fù)相關(guān)，其中與0～10 cm土壤Fe-P含量呈極顯著負(fù)相關(guān);白菜對全磷的吸收量與滲漏液中顆粒態(tài)磷含量、水溶性磷總量、0～10 cm土壤Fe-P含量、0～10 cm 土壤Al-P含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.621、-0.895、-0.909、-0.803，與0～10 cm土壤速效磷含量、根際土壤磷酸酶活性呈極顯著或顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.775、0.707。滲漏液中總磷含量與滲漏液顆粒態(tài)磷總量、水溶性磷總量、0～10 cm土壤 Fe-P 含量、0～10 cm土壤Al-P含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.881、0876、0.794、0.731，與0～10 cm土壤速效磷含量、植株TP吸收量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.657、-0.861。

3討論

炭醋材料可減輕養(yǎng)分流失，減少肥料施用量。因為炭醋材料比表面積大、多孔、官能團豐富等特殊的理化性質(zhì)將養(yǎng)分吸附滯留在耕層土壤中，減少了養(yǎng)分向非耕層土壤的淋溶損失。由于炭醋材料的促生作用，生物量明顯提高，白菜對磷的吸收量顯著增加，進而減少了向環(huán)境中的流失。

對于磷的流失，滲漏液中總磷量與滲漏液顆粒態(tài)磷總量、水溶性磷總量、0～10 cm土壤Fe-P含量、0～10 cm土壤Al-P含量呈極顯著正相關(guān)，與 0～10 cm 土壤速效磷含量、植株TP吸收量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。從滲漏液中水溶性磷、顆粒態(tài)磷占總磷含量比例的計算結(jié)果看出，溶解態(tài)磷含量的比例大于顆粒態(tài)磷。說明通過滲漏流失的溶解態(tài)磷含量大于顆粒態(tài)磷。而滲漏液溶解態(tài)磷含量與 0～10 cm土壤的速效磷、植株全磷吸收量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與表層土壤Fe-P、Al-P 含量呈極顯著正相關(guān)。施用炭醋材料提高了表層土壤的速效磷含量，白菜全磷吸收量增加了83.33%，降低了表層土壤Fe-P、Al-P含量，從而使?jié)B漏的水溶性磷含量降低，間接影響了滲漏液磷的流失量。

Deluca等認(rèn)為生物炭可以通過提高土壤pH值和CEC來提高土壤磷素的有效性，主要可以通過減少鐵和鋁的交換量而增加磷的活性[16]。Mukherjee等猜測生物炭通過表層陽離子橋鍵作用吸附土壤磷素，進而影響磷素的有效性[17]。本試驗結(jié)果表明，施用木醋液對表層土壤速效磷的含量有增加、對難溶性Al-P含量有降低趨勢，生物炭顯著增加了表層土壤速效磷含量、降低難溶性Al-P含量，無論施用生物炭或者木醋液都能顯著降低Fe-P含量，炭醋混施的效果最明顯。0～10 cm為盆栽白菜的耕層土壤，速效磷可被作物吸收利用，20～30 cm深度的土壤距離根系較遠(yuǎn)，速效磷難以被作物利用，養(yǎng)分隨土壤顆粒和溶液遷移流失。20～30 cm與0～10 cm土壤速效磷含量比值越小，被根系吸收的養(yǎng)分有效性越高。施用生物炭、木醋液后能明顯降低20～30 cm 與0～10 cm土層速效磷含量比值。炭醋材料能提高表層土壤磷素對白菜的供應(yīng)能力，減少磷的固定。磷酸酶是一種能夠?qū)?yīng)底物去磷酸化的酶，即通過水解磷酸單酯將底物分子上的磷酸基團除去，并生成磷酸根離子和自由羥基[18]。施用生物炭、木醋液后白菜根際土磷酸酶活性分別提高31.19%、33.41%，炭醋混施可增強兩者的施用效果，提高了72.12%。磷酸酶活性越高，越能增加土壤的速效磷含量，減少磷的固定，從而更大程度上滿足白菜對磷素的需求量。炭醋材料的含氧官能團提高了土壤陽離子交換量，使磷吸附在土壤中[19-21]。炭醋材料富含豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了土壤的保水性，減少了水溶性污染物隨水遷移、流失[22-24]。因此，炭醋材料特性優(yōu)勢的雙重作用下，減少了總磷流失。

4結(jié)論

炭醋材料能提高肥料利用率，減少磷養(yǎng)分的流失。施用炭醋材料后，表層土壤速效磷含量提高，磷酸酶活性增強，難溶性Fe-P、Al-P含量降低，同時白菜對磷的吸收量增加，減少了水溶性磷和顆粒態(tài)磷的滲漏流失，是總磷流失量減少的主要原因。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：4196070320）。

作者簡介：李宗壕（1996—），男，云南昆明人，碩士研究生，從事生物炭對高原紅壤氮循環(huán)調(diào)控研究。E-mail：lzh960303@sina.com。

通信作者：達布希拉圖，博士，副教授，主要從事生物炭對高原紅壤氮循環(huán)調(diào)控研究。E-mail：49024470@qq.com。