孫笑蕾，謝自建，楊肖松，胡正義,?

(1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院/中丹科教中心， 北京 101408； 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 101408)

海河流域沖積平原是華北地區(qū)主要農(nóng)業(yè)區(qū)，以潮土為主。該地區(qū)每年農(nóng)田施磷量88～1 375 kg(P2O5)·hm-2[1]，部分農(nóng)田長(zhǎng)期過(guò)量使用磷肥，已導(dǎo)致土壤磷累積。2018年在海河支流潮白河下游典型潮土區(qū)北京市順義區(qū)農(nóng)田48個(gè)土壤剖面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，0～20、20～40和40～60 cm土壤Olsen-P平均濃度分別達(dá)106、103和56 mg·kg-1，73%以上采樣點(diǎn)土壤剖面磷存在淋溶風(fēng)險(xiǎn)[2]。中國(guó)地下水磷污染日趨嚴(yán)重，山東德州地區(qū)地下水溶解性總磷含量的最大值為 0.69 mg·L-1, 超出中國(guó)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg·L-1<溶解性總磷≤0.2 mg·L-1)40.7%[3]。因此，土壤磷淋溶可能對(duì)該地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量存在負(fù)面影響，研發(fā)控制土壤磷淋溶技術(shù)具有實(shí)際意義。

許多農(nóng)田管理方式及新興技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以控制土壤磷淋溶。種植類型改變、優(yōu)化施肥模式、選用新型肥料及合理灌溉等措施得到應(yīng)用[4-5]。采用土壤改良劑是近年來(lái)土壤磷淋溶控制措施的新嘗試。常見(jiàn)的土壤改良劑包括秸稈、生物炭、骨炭及化學(xué)制劑(如磁鐵礦納米材料、石膏、碳酸鈣等)[6]。生物炭在改良土壤理化性質(zhì)、提高肥料利用率、促進(jìn)作物生長(zhǎng)及減少面源污染等方面都顯示了巨大潛力[7]。生物炭對(duì)控制磷淋失有一定的效果。因?yàn)?，生物炭可以降低磷酸鹽沉淀的形成，從而提高植物對(duì)磷素的利用[8]。生物炭較大的比表面積與發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)提高了土壤陽(yáng)離子交換量及陰離子交換能力，所含有的羧基、羥基、脂族雙鍵等親水基結(jié)構(gòu)也具有極強(qiáng)的吸附和持水能力，具有保持水分、調(diào)節(jié)養(yǎng)分淋溶等作用[9-11]。但是，有關(guān)生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶影響結(jié)果不一致。有研究表明，生物炭的施加可以顯著地增加土壤有效磷的含量，從而提高作物的產(chǎn)量[12]。李際會(huì)等[13]研究觀察生物炭施用土壤有效磷的淋失量降低45%～75%，證實(shí)改性生物質(zhì)炭能夠有效降低土壤硝態(tài)氮和有效磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)。然而，也有研究觀察生物炭施用導(dǎo)致磷淋溶增加。卜曉莉等[14]采用土柱試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)施用2%～5%稻殼生物炭導(dǎo)致太湖濱岸灰潮土磷淋溶量增加32.1%～54.2%。高德才[15]的研究結(jié)果也顯示，隨著生物炭施加量的增加，土壤淋失液中總磷的含量增加。因此，生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶的影響有進(jìn)一步研究必要。

水分是養(yǎng)分淋溶的載體，只有土壤水分達(dá)到飽和狀態(tài)而產(chǎn)生水分入滲和垂直運(yùn)移，養(yǎng)分才會(huì)隨水分向下產(chǎn)生淋溶。因此，傳統(tǒng)的大水漫灌會(huì)造成土壤養(yǎng)分的大量流失，而節(jié)水灌溉可減少土壤氮磷淋溶。但是節(jié)水可能會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響[16]。滴灌模式是一種既能控制養(yǎng)分淋失，還能保證水分和養(yǎng)分的利用效率的灌溉模式[17]。華北地區(qū)水分資源短缺，節(jié)水滴灌可作為保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。然而，有關(guān)節(jié)水滴灌對(duì)潮土磷遷移的影響則少有報(bào)道。此外，短季蔬菜地養(yǎng)分淋溶研究較多[4-6]，而常年生蔬菜地養(yǎng)分淋溶規(guī)律研究相對(duì)較少。黃花菜作為藥食兼用的特色蔬菜，營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，已有較廣泛栽培[18]。并具有發(fā)展高附加值蔬菜種植潛力。黃花菜作為常年生蔬菜，對(duì)肥水的反應(yīng)較為敏感，其養(yǎng)分淋溶規(guī)律及其與短季蔬菜差異值得關(guān)注[19]。本研究以黃花菜作為研究對(duì)象，研究常年生蔬菜地養(yǎng)分淋溶規(guī)律及灌溉、生物炭施用對(duì)磷淋溶控制效果。

本研究選擇海河支流潮白河典型潮土農(nóng)業(yè)區(qū)土壤，開(kāi)展土柱栽培試驗(yàn)，以常年生蔬菜北黃花菜(HemerocallislilioasphodelusLinn.)為研究對(duì)象，探討節(jié)水滴灌和生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶和蔬菜產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果可為潮土區(qū)制定兼顧農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)技術(shù)體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

選擇海河支流潮白河下游順義段典型潮土農(nóng)業(yè)區(qū)作為研究區(qū)域，土柱試驗(yàn)土壤樣品采于北京市順義區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所基地(40°6′N，116°52′E)。該區(qū)域土壤為典型砂質(zhì)褐潮土。土理化性質(zhì)如表1所示。研究區(qū)主要作物包括玉米(ZeamaysL.)、小麥(TriticumaestivumL.)、辣椒(CapsicumannuumL.)、大蔥(AlliumfistulosumL.)、番茄(LycopersiconesculentumMill.)、甘藍(lán)(BrassicaoleraceaL.)等，以小麥-玉米輪作、蔬菜輪作(連作)為主。每年施氮量580～1 741 kg(N)·hm-2，施磷量為88～1 375 kg(P2O5)·hm-2，施鉀量為37～791 kg(K2O)·hm-2[1]；蔬菜地施肥以有機(jī)肥(畜禽糞便和農(nóng)家肥)為主，78%的養(yǎng)分來(lái)自有機(jī)肥，其余來(lái)自化肥(尿素、復(fù)合肥等)[1]。露地農(nóng)田每年灌溉12次左右，灌溉方式以噴灌為主，設(shè)施菜地灌溉次數(shù)以滿足蔬菜生長(zhǎng)需要而定，灌溉方式以滴灌為主。

表1 土柱試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soil

1.2 供試生物炭

供試生物炭為陜西億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的煙桿制備的生物炭，pH為9.98，全氮含量為6.2 mg·g-1，全磷含量2.97 mg·g-1，全鉀含量10.08 mg·g-1。

1.3 土柱試驗(yàn)

從研究區(qū)域分層(0～20、20～40、40～60 cm)采集土壤，分層分裝運(yùn)到溫室，自然風(fēng)干，敲碎用作土柱填充土。土柱(長(zhǎng)45 cm、寬40 cm、高80 cm)由有機(jī)玻璃材料制成。方柱長(zhǎng)45 cm×高80 cm的兩面板分別在30、50和70 cm高度處各開(kāi)2個(gè)直徑為1.5 cm的孔，用于采集0～20、20～40和40～60 cm深處土樣，土柱裝土前用硅膠片密封該孔。將有機(jī)玻璃方柱底部封緊，并留一個(gè)土柱淋溶水收集孔。先在土柱內(nèi)部的底層鋪3 cm厚石英砂，在石英砂上部鋪一層6目尼龍網(wǎng)。在土柱內(nèi)壁上均勻涂抹一層凡士林降低壁邊緣效應(yīng)。將有機(jī)玻璃柱平置于平整的地面。按照容重，依次裝填40～60、20～40和0～20 cm各層土壤。

裝柱完畢后，加去離子水使柱內(nèi)土壤水分達(dá)到飽和，并穩(wěn)定1周(圖1)。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，由2個(gè)滴灌模式處理(常規(guī)滴灌，CDI; 節(jié)水滴灌，WSDI)和2個(gè)生物炭施用水平(不施生物炭，-B; 施生物炭，+B)處理構(gòu)成。節(jié)水滴灌灌水量為常規(guī)滴灌灌水量的80%。施生物炭處理在0～20 cm土層均勻混施1.2%生物炭(相對(duì)于30 t·hm-2)。每個(gè)處理設(shè)5個(gè)重復(fù)。

從山西大同優(yōu)質(zhì)北黃花菜種苗生產(chǎn)基地購(gòu)置生長(zhǎng)5年齡壯苗，于2017年4月15日每土柱種植2株。2017年施氮(N)41 g·m-2，施磷(P2O5)9.6 g·m-2，施鉀(K2O)27 g·m-2。分別于2017年6月20日，8月28日，10月14日施肥，3次施肥量比例為1∶2∶1。黃花菜為食花蔬菜，在開(kāi)花期(6月15日至8月15日)每日清晨采摘花苞，稱重，整個(gè)花期累計(jì)花重計(jì)為當(dāng)年產(chǎn)量。

圖1 土柱示意圖 (土壤采集及土壤溶液收集取樣器)Fig.1 Diagram of soil column (soil and soil solution collection sampler)

2017年累計(jì)降雨量為285.50 mm，其中6月18日、6月26日、7月8日、8月14日和8月24日降雨量較大，收集到淋溶水，分別對(duì)應(yīng)黃花菜生長(zhǎng)的初花期、盛花期、末花期、采后枯葉期、秋季展葉期。用量筒測(cè)定每次收集的淋溶水體積并從每個(gè)土柱收集的淋溶水中取樣以供分析。非降雨日，每隔1周澆蒸餾水(初花期3周每周2次)滿足黃花菜生長(zhǎng)需求(無(wú)淋溶水產(chǎn)生)，2017年常規(guī)滴灌處理累計(jì)澆水639 mm，節(jié)水滴溉處理澆水511 mm。在黃花菜生長(zhǎng)1年后，于2018年4月1日從每個(gè)土柱土壤采集孔采集土壤樣品，風(fēng)干過(guò)2 mm和100目篩，用于分析。同時(shí)，參照2017年的方法，施用生物碳和氮、磷、鉀等肥料。2018年累計(jì)降雨量為285.80 mm，常規(guī)滴灌累計(jì)澆水524 mm，節(jié)水滴灌處理澆水419 mm，于7月21日、9月11日收集土柱淋溶水，并測(cè)定體積和取樣分析。根據(jù)淋溶水量和淋溶水中磷濃度計(jì)算土柱磷淋溶量，合計(jì)各次淋溶量得到當(dāng)年土柱磷淋溶總量。

1.4 分析方法

土壤pH值采用1∶2.5土水比浸提，由FE20-FiveEasy Plus型pH計(jì)(Mettler Toledo，Switzerland)測(cè)定；土壤全碳(TC)和全氮(TN)由元素分析儀(Elementar，Germany)測(cè)定。CaCl2浸提的水溶磷，主要是土壤中水溶態(tài)無(wú)機(jī)磷酸鹽，其被用來(lái)指示土壤潛在磷淋溶的環(huán)境指標(biāo)。土壤有效磷包括土壤水溶無(wú)機(jī)磷、吸附無(wú)機(jī)磷，其被用來(lái)指示作物可利用土壤磷農(nóng)學(xué)指標(biāo)。因此本研究對(duì)土壤有效磷和土壤水溶磷進(jìn)行了測(cè)算。土壤有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提，采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤可淋溶水溶磷(CaCl2-P)采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提法，同樣用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。土壤中總磷(TP)、采用酸微波消解并由 ICP-OES測(cè)定; 土壤有效鐵(DTPA-Fe)采用0.005 mol·L-1DTPA-0.1 mol·L-1CaCl2-0.1 mol·L-1TEA(pH 7.3)溶液浸提土壤并由ICP-OES測(cè)定。土壤淋溶液中可溶磷，采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。上述測(cè)定方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

所有測(cè)定指標(biāo)應(yīng)用SPSS V25軟件(IBM，USA)中方差分析分析處理間差異顯著性水平，并應(yīng)用該軟件檢驗(yàn)磷淋溶量(淋溶水中磷濃度)與土壤性質(zhì)、總磷、Olsen-P，CaCl2-P之間的相關(guān)性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水滴灌與生物炭施用對(duì)黃花菜產(chǎn)量的影響

統(tǒng)計(jì)分析表明，土柱試驗(yàn)黃花菜產(chǎn)量年際間存在極顯著差異(P<0.001)，2018年試驗(yàn)各處理黃花菜產(chǎn)量都大于2017年黃花菜產(chǎn)量(表2)。這主要是因?yàn)辄S花菜移栽后生長(zhǎng)時(shí)間的不同造成了年際間產(chǎn)量的差異。

灌溉模式與生物炭對(duì)2017年黃花菜產(chǎn)量產(chǎn)生了極顯著的影響，且二者交互作用顯著。2017年節(jié)水滴灌處理黃花菜產(chǎn)量分別顯著低于相應(yīng)生物炭處理?xiàng)l件下常規(guī)灌溉的產(chǎn)量，生物炭施用處理的黃花菜產(chǎn)量顯著低于相同灌溉處理?xiàng)l件下不施生物炭處理(表2)。而2018年灌溉及生物炭施用對(duì)產(chǎn)量影響并無(wú)顯著差異，二者的交互作用也不顯著。

表2 節(jié)水滴灌和常規(guī)滴灌條件下施用生物炭對(duì)黃花 菜產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of biochar application on citron daylily yield under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation kg·m-2

2.2 節(jié)水滴灌與生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶的影響

統(tǒng)計(jì)分析表明，土柱磷淋溶量年際差異顯著，2017年土柱磷淋溶量顯著大于2018年土柱磷淋溶量(表3，表4)。主要原因是2018年黃花菜生物量顯著大于2017年(表2)，2018年較強(qiáng)的蒸騰作用導(dǎo)致淋溶水量顯著低于2017年(2017年收集到3次淋溶水，而2018年僅收集到2次淋溶水)。

灌溉水量對(duì)土柱淋溶量也產(chǎn)生了極顯著的影響，節(jié)水滴灌處理土柱磷淋溶量顯著小于常規(guī)滴灌處理土柱磷淋溶量(表3，表4)。灌溉水量對(duì)土柱磷淋溶量的影響年際差異顯著(表3)。在施用生物炭條件下，在2018年節(jié)水滴灌處理土柱磷淋溶量比常規(guī)滴灌處理低71.0%，其差異大于2017年節(jié)水滴灌處理與常規(guī)滴灌處理之間差異(60.0%); 而在不施生物炭條件下，在2018年節(jié)水滴灌處理土柱磷淋溶量比常規(guī)滴灌處理低59.6%，其差異與2017年節(jié)水滴灌處理與常規(guī)滴灌處理之間差異相當(dāng)(61.2%)。

施生物炭對(duì)土柱磷淋溶量的影響也存在顯著的年際差異(表3)。在2018年，施生物炭處理土柱磷淋失量略低于不施生物炭處理；而在2017年，施用生物炭處理土柱磷淋失量略高于不施生物炭處理；但2年試驗(yàn)中磷淋溶量在施生物炭與不施生物炭處理之間的差異都沒(méi)有達(dá)到顯著性水平(表3，表4)。

表3 灌溉和生物炭施用對(duì)土柱磷淋溶量影響的 全因子方差分析Table 3 Full factor variance analysis for effects of irrigation and biochar application on soil column phosphorus leaching mg·m-2

2.3 節(jié)水滴灌與生物炭施用對(duì)土壤磷含量的影響

CaCl2浸提的水溶磷，主要是土壤中水溶態(tài)無(wú)機(jī)磷酸鹽，以及少量可溶有機(jī)磷，其被用來(lái)指示土壤潛在磷淋溶的環(huán)境指標(biāo)[21]。由于本研究土壤有機(jī)碳含量低(表1)，測(cè)定僅包括CaCl2浸提的水溶無(wú)機(jī)磷，沒(méi)有包括可溶有機(jī)磷。因此，下面討論土壤磷淋溶，僅為無(wú)機(jī)磷酸鹽淋溶，而不包括可能存在的少量有機(jī)磷淋溶。在黃花菜生長(zhǎng)1年后各處理0～20、20～40、40～60 cm土層處土壤水溶磷(CaCl2-P)含量均高于試驗(yàn)前相同剖面深度土壤CaCl2-P濃度(表1，表5)。灌溉模式對(duì)0～20 cm和40～60 cm土壤CaCl2-P含量產(chǎn)生顯著的影響，無(wú)論生物炭施用與否，節(jié)水滴灌有降低表層和深層土壤中水溶磷含量的作用，但在20～40 cm處，土壤CaCl2-P含量在節(jié)水滴灌處理和常規(guī)滴灌處理下差異不顯著(表5)?？梢?jiàn)，不管施用生物炭與否，節(jié)水滴灌都可降低土壤CaCl2-P含量。

表4 節(jié)水滴灌和常規(guī)滴灌條件下施用生物炭對(duì)土柱 土壤磷淋溶的影響Table 4 Effect of biochar application on leaching loss of phosphorus from soil column under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation mg·m-2

生物炭對(duì)深層(40～660 cm)土層土壤中方水溶磷含量產(chǎn)生顯著影響。但節(jié)水滴灌條件下，生物炭的施用降低了0～20 cm及20～40 cm CaCl2-P含量，而40～60 cm 土層處并未產(chǎn)生差異(表5)。可見(jiàn)，生物炭施用對(duì)土壤CaCl2-P含量的影響與灌水量有關(guān)，在常規(guī)灌溉條件下，生物炭施用可降低40～60 cm 土層CaCl2-P含量，而節(jié)水灌溉條件下，生物炭施用僅降0～40 cm土壤 CaCl2-P含量。

黃花菜生長(zhǎng)1年后，各處理在0～20 cm、20～40 cm土層土壤有效磷(Olsen-P)濃度高于試驗(yàn)前相同剖面深度土壤Olsen-P濃度，但40～60 cm土壤Olsen-P濃度與試驗(yàn)前相當(dāng)(表1，表5)。在施生物炭的條件下，節(jié)水滴灌處理土壤剖面各土層Olsen-P含量均小于常規(guī)灌溉同深度土壤有效磷含量; 而不施生物炭條件下，趨勢(shì)則相反，即節(jié)水滴灌處理土壤剖面各土層Olsen-P含量大于常規(guī)灌溉同土層深度土壤有效磷含量(表5)。因此，施生物炭條件下節(jié)水滴灌可以降低土壤有效磷含量；不施生物炭條件下，節(jié)水滴灌反而提高土壤有效磷含量。

表5 節(jié)水滴灌和常規(guī)滴灌條件下施用生物炭對(duì)土柱土壤CaCl2-P和Olsen-P的影響Table 5 Effect of biochar application on concentration of CaCl2-P and Olsen-P in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation

常規(guī)滴灌條件下，施用生物炭可顯著提高各土層處土壤有效磷含量，但在20～60 cm 土層的影響不顯著；節(jié)水滴灌條件下，施用生物炭可降低土壤剖面各土層有效磷含量，在40～60 cm土層作用效果顯著(表5)。因此，生物炭對(duì)土壤有效磷含量的影響與灌溉量有關(guān)，常規(guī)灌溉條件下，施生物炭可提高部分土層土壤有效磷含量，而節(jié)水灌溉條件下生物炭施用可顯著降低深層土壤有效磷含量。

2.4 節(jié)水滴灌與生物炭施用對(duì)土壤pH和有效鐵含量的影響

黃花菜生長(zhǎng)1年后，灌溉模式和生物炭的施用對(duì)0～20 cm土層土壤pH產(chǎn)生顯著影響，灌溉模式對(duì)20～40 cm土層pH也有顯著影響。不施生物炭條件下，節(jié)水滴灌處理土壤剖面各土層pH都小于常規(guī)滴灌處理同深度土壤pH；施生物炭條件下，水滴灌處理土柱0～20 cm、20～40 cm pH小于常規(guī)滴灌處理同深度土壤pH，40～60 cm節(jié)水滴灌處理pH高于常規(guī)灌溉但這種差異并不顯著 (表6)?？傮w來(lái)講，節(jié)水滴灌能導(dǎo)致表層和次表層土壤pH下降。節(jié)水滴灌條件下，生物炭施用提高0～60 cm土層土壤pH；生物炭的施用提高了常規(guī)滴灌處理0～40 cm土層土壤pH，但對(duì)40～60 cm土層土壤pH降低不明顯。因此，生物炭施用可以導(dǎo)致0～40 cm土層土壤pH升高。

表6 節(jié)水滴灌和常規(guī)滴灌條件下施用生物炭對(duì)土柱土壤pH和DTPA-Fe含量的影響Table 6 Effect of biochar application on concentration of DTPA-Fe and pH in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation

灌溉模式和生物炭對(duì)0～40 cm 土層土壤有效鐵(DTPA-Fe)含量產(chǎn)生顯著的影響，灌溉的顯著影響也延伸到60 cm土層。不管生物炭施用與否，節(jié)水滴灌處理0～20、20～40 cm DTPA-Fe含量都大于常規(guī)灌溉相同深度DTPA-Fe含量；而在40～60 cm 土層，節(jié)水滴灌處理土壤DTPA-Fe含量顯著小于常規(guī)灌溉(表6)。即節(jié)水滴灌導(dǎo)致表層和次表層土壤有效鐵含量增加，反而降低深層土壤有效鐵含量。在常規(guī)滴灌和節(jié)水滴灌條件下，生物炭施用降低0～20、20～40、40～60 cm剖面深度DTPA-Fe含量(表6)?？梢?jiàn)，生物炭施用導(dǎo)致土壤有效鐵含量下降。

3 討論

3.1 節(jié)水滴灌和生物炭施用對(duì)黃花菜產(chǎn)量的影響

不管生物炭施用與否，節(jié)水滴灌處理黃花菜產(chǎn)量稍微低于常規(guī)滴灌處理，2017年差異還達(dá)到顯著性水平(表2)。因此節(jié)水滴灌可能會(huì)有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。這與大部分研究結(jié)果相符合，減量灌溉會(huì)降低作物產(chǎn)量[22-23]。在常規(guī)滴灌和節(jié)水滴灌條件下，生物炭的施用有降低黃花菜產(chǎn)量的趨勢(shì)。這一結(jié)果與近年來(lái)的一些研究有出入。生物炭的施用一直被認(rèn)為可以增加作物產(chǎn)量甚至提高作物品質(zhì)。Ndor等[24]的研究表明，生物炭的添加不僅能增加玉米籽實(shí)產(chǎn)量，還能提高了種子發(fā)芽率、苗高、苗莖粗、根數(shù)、根長(zhǎng)和幼苗活力指數(shù)，且這種增加在不同玉米品種之間沒(méi)有差異。Yu等[25]則認(rèn)為生物炭的添加可以改善酸性、堿性、高鹽堿度、營(yíng)養(yǎng)缺乏、重金屬污染、有機(jī)污染等各種問(wèn)題土壤理化性質(zhì)，并促進(jìn)問(wèn)題土壤上植物的生長(zhǎng)，是改善問(wèn)題土壤，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法。然而，近年來(lái)，許多試驗(yàn)證實(shí)生物炭的施用對(duì)作物產(chǎn)量及性狀的影響結(jié)果不一致，其與作物種類、土壤質(zhì)地、生物炭本身性質(zhì)、施用量、施用方式以及施用年限而異。Pokharel和Chang[26]的研究就表明，不同原料制生物炭對(duì)植物籽粒產(chǎn)量的影響不同，且生物炭的添加對(duì)根際與非根際土壤的影響也有不同。Huang等[27]發(fā)現(xiàn)生物炭施用時(shí)間對(duì)水稻產(chǎn)量有重要影響，在2015—2017年連續(xù)6季水稻種植試驗(yàn)表明，隨著生物炭用量的增加，前3季籽粒產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，后3季籽粒產(chǎn)量呈顯著增加趨勢(shì)。此外，有些研究認(rèn)為生物炭的施用可能是減少干旱脅迫對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生的負(fù)面影響的有效途徑[28]。但我們的結(jié)果并沒(méi)有顯示出這種耦合效應(yīng)。

在本研究中，盡管在黃花菜定植第一年減量灌溉和生物炭施用有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，但隨著種植年限的延長(zhǎng)，灌溉和生物炭對(duì)產(chǎn)量的影響并不顯著(表2)。但施生物炭條件下節(jié)水滴灌減少土壤磷淋溶幅度大于不施生物炭條件下節(jié)水滴灌減少土壤磷淋溶(表4)。推薦節(jié)水滴灌結(jié)合生物炭施用控制土壤磷淋溶，其不僅有利于減少土壤磷淋溶，而且還沒(méi)有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際效果有待大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 節(jié)水滴灌和生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶的影響機(jī)制

土壤中運(yùn)移的水分是養(yǎng)分遷移的載體，灌溉方式以及灌溉量對(duì)土壤水垂直入滲、向下淋溶具有重要影響[29-30]。有研究表明，灌溉對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響大于施肥的作用[31]。傳統(tǒng)大水漫灌會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的大量流失，而滴灌模式不僅能降低硝酸鹽的淋溶，還能提高水分和氮素的利用效率，被推薦為常用的灌溉方式[17,32-34]。同時(shí)，節(jié)水灌溉可有效減少土壤水分的垂直運(yùn)移，進(jìn)而影響土壤氮磷淋溶[16,35]。海河流域沖積平原是華北地區(qū)主要農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤以潮土為主。該地區(qū)過(guò)量磷肥使用已導(dǎo)致土壤磷累積，存在磷淋溶影響水質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。華北地區(qū)水分資源短缺，節(jié)水灌溉是確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方向的灌溉模式。但是，節(jié)水滴灌對(duì)土壤磷淋溶的影響少有報(bào)道。

本研究結(jié)果表明，與常規(guī)滴灌比較，節(jié)水滴灌能顯著降低土壤磷淋溶。不管生物炭施用與否，節(jié)水滴灌處理土柱磷淋溶量顯著小于常規(guī)滴灌(表3，表4)。節(jié)水滴灌降低土壤磷淋溶機(jī)理包括以下2個(gè)方面，第一：節(jié)水灌溉可減少土壤水濕潤(rùn)半徑和濕潤(rùn)體范圍，減少養(yǎng)分遷移[36-37]，土柱試驗(yàn)節(jié)水滴灌收集的淋溶水體積低于常規(guī)滴灌處理(施生物炭: 30.15 L vs 36.79 L;不施生物炭: 27.38 L vs 38.35 L)；第二：節(jié)水灌溉可以降低土壤CaCl2-P濃度(表5)，這與前人研究結(jié)果不一致。Liu等[38]研究結(jié)果顯示減量灌溉可以增加土壤中水溶磷含量。本試驗(yàn)中2017年0～20 cm CaCl2-P與土柱磷淋溶量之間呈極顯著正相關(guān)(2017年磷淋溶量:P=0.709; 2018年磷淋溶量:P=0.797); 2017年40～60 cm CaCl2-P與土柱磷淋溶之間呈極顯著正相關(guān)(2017年磷淋溶量:P=0.824; 2018年磷淋溶量:P=0.816)。水溶磷是土壤固相進(jìn)入土壤液相的磷的量，因而經(jīng)常被用作土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[39]。相關(guān)研究也曾證實(shí)水溶磷與磷淋失具有顯著關(guān)系[40]。本實(shí)驗(yàn)證明節(jié)水滴灌可降低土壤中水溶磷濃度(表5)，從而降低了磷淋失的風(fēng)險(xiǎn)。其主要機(jī)制歸于節(jié)水灌溉降低了土壤pH，提高了土壤有效鐵含量(表6)。2017年0～20、20～40 cm土壤DTPA-Fe與土柱磷淋溶量呈負(fù)相關(guān)，其中與2017年土柱磷淋溶量之間相關(guān)性達(dá)到顯著水平(0～20 cm:P=0.728; 20～40 cm:P=0.628)。2017年0～20、20～40 cm土壤pH與土柱磷淋溶量之間呈正相關(guān)，其中與2017年20～40 cm土壤pH之間相關(guān)性達(dá)到顯著水平(2017年, 0～20 cm:P=0.434; 2018年, 0～20 cm:P=0.650, 20～40 cm:P=0.573)。土壤pH可通過(guò)改變電化學(xué)勢(shì)梯度，影響土壤磷有效性[41]。pH較高的土壤表面被認(rèn)為是帶有負(fù)電荷的，隨著土壤pH的降低，正電荷將增加，靜電吸附的陰離子增加，從而增加磷吸附，降低磷淋失的風(fēng)險(xiǎn)[25]。此外，配位體交換吸附是磷酸根離子被土壤吸附主要機(jī)理之一，氧化鐵表面可吸附磷酸鹽離子，因而鐵氧化物被認(rèn)為是影響磷吸附的關(guān)鍵因子[42-43]。由于專性吸附是發(fā)生在膠體雙電層的內(nèi)部，因此被吸附的磷酸鹽離子是非交換態(tài)[44]。因此，有效鐵含量的增加促進(jìn)了磷酸鹽的吸附，降低了淋失風(fēng)險(xiǎn)。綜合土柱淋溶兩年試驗(yàn)結(jié)果，節(jié)水滴灌可作為控制潮土區(qū)農(nóng)田土壤磷淋溶措施進(jìn)行推廣。

生物炭對(duì)土壤磷淋溶有影響，但現(xiàn)有結(jié)果不一致。一些研究證實(shí)生物炭施用可以減少磷淋溶[13]，而另外一些試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施生物炭提高土壤磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)[14]。本研究試驗(yàn)表明，生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶影響不僅存在年際差異，而且與灌溉量有關(guān)(表3，表5)。在節(jié)水滴灌條件下，生物炭施用不僅提高土壤pH，而且導(dǎo)致土壤有效鐵(DTPA-Fe)含量下降(表6)，不利于磷吸附和固定，增加磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果也表明節(jié)水滴灌條件下，生物炭施用僅稍微降低0～40 cm土層土柱土壤中水溶磷濃度，但差異不顯著(表5)。生物炭本身也含有水溶磷成分(0.13～42.79 g·kg-1)，其含量與制備生物炭生物質(zhì)種類和工藝有關(guān)[45]。大量、長(zhǎng)期使用含磷量高的生物炭可能會(huì)提高土壤磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)。在常規(guī)滴灌條件下，生物炭施用稍微降低2018年土壤磷淋溶的同時(shí)也稍微提高了2017年土柱土壤的磷淋溶(表3，表4)。生物炭施用對(duì)土壤磷淋溶影響的矛盾結(jié)果可能與土壤性質(zhì)，生物炭性質(zhì)和施用量等因素有關(guān)。因此，生物炭是否能控制土壤磷淋溶存在不確定性，有待進(jìn)一步研究。

黃花菜作為藥食兼用的特色蔬菜，營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，已有較廣泛栽培[18]，并具有發(fā)展高附加值特色蔬菜種植潛力。長(zhǎng)季節(jié)蔬菜種植期間土壤養(yǎng)分淋溶與短季節(jié)蔬菜存在差異[19]。因此，本研究探明了黃花菜生長(zhǎng)期間養(yǎng)分淋溶規(guī)律，以及灌溉、生物炭施用控制效果，其對(duì)制定兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)的蔬菜種植農(nóng)藝措施具有實(shí)際意義[19]。本研究結(jié)果表明，減量灌溉可控制黃花菜種植土壤磷淋溶，但是有減少黃花菜產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)。生物炭的施用可緩解節(jié)水灌溉帶來(lái)的減少風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)，有必要在田間開(kāi)展灌溉量和生物炭施用水平對(duì)土壤磷淋溶交互作用試驗(yàn)，確定控制常年生黃花菜土壤磷淋失的最佳灌溉量及生物炭施用量。為潮土區(qū)依托高附加值特色蔬菜產(chǎn)業(yè)和地下水污染控制提供支撐。

4 結(jié)論

施用生物炭對(duì)土壤磷淋溶的影響與灌溉量有關(guān)，并存在年際差異。因此，生物炭施用是否能減少常年生黃花菜土壤磷淋溶存在不確定性，有待進(jìn)一步研究。節(jié)水滴灌可減少土壤磷淋溶，施生物炭條件下節(jié)水滴灌減少土壤磷淋溶效果大于不施生物炭條件下節(jié)水滴灌減少土壤磷淋溶。節(jié)水滴灌除了減少土壤水垂直入滲，也通過(guò)降低土壤pH，提高土壤有效鐵含量，進(jìn)而減少0.01 mol/L CaCl2浸提土壤可淋溶磷而控制土壤磷淋溶。節(jié)水滴灌可使黃花菜產(chǎn)量有所降低，但隨著種植年限的延長(zhǎng)，灌溉和生物炭對(duì)產(chǎn)量的影響并不顯著。綜上，推薦節(jié)水灌溉結(jié)合施用生物炭作為控制潮土區(qū)農(nóng)田土壤磷淋溶措施。此結(jié)果有必要通過(guò)大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。