改性生物炭對(duì)菜地土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

王榮萍，余煒敏，梁嘉偉，廖新榮，詹振壽，李淑儀. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 50650；2. 佛山市環(huán)保技術(shù)與裝備研發(fā)專業(yè)中心，廣東 佛山 528000

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改性生物炭對(duì)菜地土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

王榮萍1， 2，余煒敏1，梁嘉偉1，廖新榮1， 2，詹振壽1，李淑儀1
1. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；
2. 佛山市環(huán)保技術(shù)與裝備研發(fā)專業(yè)中心，廣東 佛山 528000

摘要：生物炭是一種含碳量高且更為穩(wěn)定的有機(jī)碳，能夠顯著影響土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)。以華南地區(qū)主要的菜地土壤為研究對(duì)象，研究新型生物炭對(duì)土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及有效性的影響，結(jié)果表明，施用生物炭可以提高樹脂磷（Resin-Pi）、NaHCO3提取態(tài)無機(jī)磷（NaHCO3-Pi）、NaOH提取態(tài)無機(jī)磷（NaOH-Pi）含量，生物炭施入土壤后能明顯提高土壤的有效磷含量，但并未顯著提高稀鹽酸提取態(tài)無機(jī)磷（D·HCl-Pi）和濃鹽酸提取態(tài)無機(jī)磷（C·HCl-Pi）的含量；施用生物炭增加了NaHCO3提取態(tài)有機(jī)磷（NaHCO3-Po）的含量，降低了NaOH提取態(tài)有機(jī)磷（NaOH-Po）的含量，提高了殘?jiān)祝≧esidual-Pt）含量，并未改變濃鹽酸提取態(tài)有機(jī)磷（C·HCl-Po）的含量。土壤速效磷與 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈顯著相關(guān)，并與NaHCO3-Pi的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.980 5；Resin-Pi與NaHCO3-Pi、D.HCl-Pi呈極顯著相關(guān)；NaHCO3-Pi與NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈顯著相關(guān)，并與D.HCl-Pi的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.816 6。表明在施用生物炭的條件下，不同形態(tài)的磷可以通過礦化等形式轉(zhuǎn)化為有效性較高的磷形態(tài)。

關(guān)鍵詞：生物炭；菜地土壤；磷形態(tài)

引用格式：王榮萍， 余煒敏， 梁嘉偉， 廖新榮， 詹振壽， 李淑儀. 改性生物炭對(duì)菜地土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（5）: 872-876.

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磷極易被土壤吸附，其利用率極低。磷是作物生長最為重要的必需營養(yǎng)元素之一，據(jù)估計(jì)，我國約有1/3～1/2的耕地土壤缺磷（沈善敏，1998）。磷肥施入土壤后，經(jīng)過一系列的化學(xué)、物理化學(xué)或生物化學(xué)過程，形成難溶解性的磷酸鹽并迅速為土壤礦物吸附沉淀或?yàn)橥寥牢⑸锕潭ǎ湓诋?dāng)季作物的利用率僅為10%～25%（李慶逵等，1998）。在紅壤中磷肥的肥效更是受限制，磷肥施入土壤后，由于鐵、鋁在紅壤的酸性條件中的溶解度非常高，可與磷生成磷酸鋁鐵化合物，從而形成沉淀，并進(jìn)一步水解轉(zhuǎn)化為磷鐵礦和磷鋁石，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為閉蓄態(tài)磷酸鹽，成為植物難以利用的磷形態(tài)（劉建玲等，2000）。磷在土壤中的化學(xué)行為和存在形態(tài)，因直接影響了磷素對(duì)作物的貢獻(xiàn)而一直受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因此如何提高磷的利用率成為了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，也是世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

施用有機(jī)碳可減少土壤對(duì)磷的固定，活化土壤中難溶態(tài)磷，對(duì)磷的形態(tài)有一定影響。大量試驗(yàn)表明，有機(jī)碳輸入不但能通過自身有機(jī)磷礦化來改善土壤磷素營養(yǎng)，并能通過降低土壤對(duì)磷的吸附、增加磷的解吸等途徑提高磷的利用率；而且還能通過還原、酸溶、絡(luò)合溶解作用以及促進(jìn)解磷微生物增殖等過程活化土壤中難溶態(tài)磷，使其轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)磷（Jones et al.，1994；Drever et al.，1997；Zhang et al.，1997；章永松等，1998；Kpomblekou et al.，2003；Feng et al.，2004；丁永禎等，2005；Hu et al.，2005；單德鑫等，2009），綠肥、作物殘?bào)w、農(nóng)家肥等有機(jī)物料都有類似作用。

有機(jī)碳輸入對(duì)土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)有一定的影響，可以提高磷的有效性（Xu et al.，2014；Christel et al.，2014），前人已做了一些研究，但是鐵基生物炭輸入對(duì)南方菜地土壤磷素形態(tài)的影響還未有系統(tǒng)的研究。本研究以華南地區(qū)主要的菜地土壤為研究對(duì)象，研究新型生物炭對(duì)土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及有效性的影響，揭示有機(jī)碳促進(jìn)磷活化的機(jī)理，以期為提高華南菜地土壤磷素含量及有效性提供理論依據(jù)，為合理施肥提供參考。

1　材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于 2015年在廣東省廣州市白云區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)中心鶴亭基地進(jìn)行。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，1月平均氣溫 13.5 ℃，夏季平均氣溫28.7 ℃，年平均氣溫21.5～22.2 ℃，年降雨量1800 mm以上。試驗(yàn)土壤為河流沖積土田，母質(zhì)為河流沖積物，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土，土壤的基本理化性狀為：pH 6.42，有機(jī)質(zhì)19.69 g·kg-1，有效磷 54.5 mg·kg-1。供試生物炭為廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研制產(chǎn)品，鐵基生物炭材料以生物質(zhì)為原料，通過高溫（300～800 ℃）碳化的方法，在制備生物炭過程中，加入含鐵化合物，將鐵以特定比例（2%）摻雜，形成具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的鐵基生物炭材料。其理化性質(zhì)為：pH 7.30，有機(jī)質(zhì)40.77 %，全氮0.74%，全磷0.21%，全鉀12.25%，速效磷646.8 mg·kg-1。供試蔬菜為小白菜，品種為金冠黑葉白菜，種源地為廣東省農(nóng)科院蔬菜研究所。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5個(gè)處理，分別為F0：對(duì)照；F1：生物炭/耕層土壤重量=0.1%，2250 kg·hm-2，耕層土壤約2.25×106kg·hm-2； F2：生物炭/耕層土壤重量=0.2%，4500 kg·hm-2；F3：生物炭/耕層土壤重量=0.3%，6750 kg·hm-2； F4：生物炭/耕層土壤重量=0.5%，11250 kg·hm-2。無機(jī)肥用量均為尿素（含N 46%）350 kg·hm-2、過磷酸鈣（含P2O512%）300 kg·hm-2、硫酸鉀（含K2O 50%）144 kg·hm-2。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積20 m2。

1.3 田間管理與采樣

2015年3月1日播種，3月23—24日移栽，3月25日施基肥，全部鐵基生物炭、磷肥作基肥，30%氮肥和30%鉀肥作基肥，其余氮肥和鉀肥分4次分別在移栽后的第3天、第14天和第21天各追15%、20%和35%?；试谝泼缜笆┯诟麑尤珜?，追肥隨水追施。

試驗(yàn)管理同田間常規(guī)管理，4月24日收獲。

分別在第1次追肥后和第3次追肥后采集0～20 cm耕層土壤，風(fēng)干過篩后用于土壤磷形態(tài)的測定。

1.4 磷的形態(tài)分析方法

磷形態(tài)分級(jí)采用的是 Hedley的改進(jìn)方法（Tiessen et al.，1984），將土壤磷素分為6個(gè)大類：樹脂交換磷（Resin-Pi）、NaHCO3提取態(tài)磷（NaHCO3-Pi和 NaHCO3-Po）、NaOH提取態(tài)磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）、稀鹽酸（1 mol·L-1）提取態(tài)磷（D.HCl-Pi）、濃鹽酸提取態(tài)磷（C.HCl-Pi和C.HCl-Po）和殘留態(tài)磷（Residual-P），省去了Hedley磷素分級(jí)中含量較低的土壤微生物磷和土壤團(tuán)聚體內(nèi)磷，在稀鹽酸浸提后又用濃鹽酸進(jìn)行浸提，用于提取殘留態(tài)中的部分有機(jī)磷。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過單因素方差分析（one-way ANOVA）的Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響

從表1可以看出，生物炭各處理的pH值均高于對(duì)照處理，同時(shí)各處理的pH值均較種植前提高（種植前pH 6.42），其中以F4處理提高較多，從有機(jī)質(zhì)的結(jié)果可以看出，F(xiàn)4處理與對(duì)照相比，有機(jī)質(zhì)含量顯著提高（P＜0.05），F(xiàn)1、F2和F3處理與對(duì)照相比，有機(jī)質(zhì)含量有所增加，但未達(dá)到顯著差異（P＞0.05）?？傊?，生物炭施用提高了土壤pH值，增加了有機(jī)質(zhì)含量。

表1　不同生物炭處理土壤pH和有機(jī)質(zhì)變化Table 1　Changes of soil pH and organic matter under different biochar treatments

2.2 生物炭施用對(duì)土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

樹脂磷（Reisn-Pi）是指與土壤溶液磷處于平衡狀態(tài)的土壤固相無機(jī)磷，可被陰離子交換樹脂代換出。在土壤溶液被移走后，它可迅速進(jìn)行補(bǔ)充，所以它是充分有效的，此部分磷構(gòu)成了土壤活性磷的大部分。從圖1可以看出，生物炭施用可以提高土壤中 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量。除F2（4500 kg·hm-2）外，其他生物炭處理均提高了樹脂磷（Resin-Pi）的含量，與對(duì)照（F0）相比，F(xiàn)1（2250 kg·hm-2）和F4（11250 kg·hm-2）處理的Resin-Pi含量顯著增加（P＜0.05），而 F2（4500 kg·hm-2）和F3（6750 kg·hm-2）處理并未顯著增加（P＞0.05）。除 F4處理外，施用生物炭亦提高了NaHCO3-Pi含量；中低量生物炭施用下，隨著生物炭施用量的增加，僅 F2處理與對(duì)照相比，NaHCO3-Pi含量顯著增加（P＜0.05），其他處理與對(duì)照相比，NaHCO3-Pi含量并無顯著變化。施用生物炭顯著增加了NaOH-Pi的含量，F(xiàn)3處理增加幅度最大，且差異顯著（P＜0.05），其次是F1、F2處理，F(xiàn)4處理增加幅度最小，且差異不顯著（P＞0.05）。施用生物炭 D.HCl-Pi含量并未表現(xiàn)出顯著增加的趨勢，甚至F4處理有下降的趨勢?？傮w上，除F1 （2250 kg·hm-2）處理外，施用生物炭提高了C.HCl-Pi的含量，但差異不顯著（P＞0.05），從圖中可以看出，F(xiàn)2（4500 kg·hm-2）處理增加幅度最大。盡管生物炭對(duì)各形態(tài)磷的影響各不相同，但總的來說，施用生物炭可以提高各形態(tài)無機(jī)磷的含量。

圖1　生物炭施用對(duì)菜地土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響Fig. 1　Effects of biochar application on inorganic phosphorus in vegetable soils

2.3 生物炭施用對(duì)土壤有機(jī)磷形態(tài)及殘?jiān)椎挠绊?/p>

從圖 2可以看出，施用生物炭可以提高NaHCO3-Po含量，隨著生物炭用量的增加，NaHCO3-Po含量表現(xiàn)出增加的趨勢，但未達(dá)到顯著差異（P＞0.05）。NaOH-Po則表現(xiàn)出降低的趨勢，與對(duì)照相比，F(xiàn)1（2250 kg·hm-2）處理的NaOH-Po含量未顯著降低（P＞0.05），而其他處理的NaOH-Po含量顯著降低（P＜0.05）。生物炭的施用并未顯著改變C.HCl-Po的含量（P＞0.05），殘?jiān)祝≧esidual-Pt）含量除F1（2250 kg·hm-2）外，其他處理與對(duì)照相比，均有增加的趨勢，其中F3（6750 kg·hm-2）處理顯著增加（P＜0.05）。

2.4 土壤各形態(tài)磷之間的相關(guān)性分析

土壤各形態(tài)磷相關(guān)分析結(jié)果表明（表2），速效磷與Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈顯著相關(guān)，并與NaHCO3-Pi的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9805；Resin-Pi與NaHCO3-Pi、D.HCl-Pi呈極顯著相關(guān)；NaHCO3-Pi 與NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈顯著相關(guān)，并與 D.HCl-Pi的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8166。

3　討論與結(jié)論

目前國內(nèi)外已有較多的研究報(bào)道（閆湘等，2008；Zhao et al.，2014），生物炭具有良好的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，施入土壤后對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有積極作用，但有關(guān)生物炭對(duì)菜地土壤磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化的研究較少。本研究表明，合理施用生物炭可以提高 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量，與已有的研究結(jié)果一致（關(guān)連珠等，2013）。生物炭的施用提高了土壤 pH，減少了酸性土壤中磷素的吸附，提高了土壤的有效磷含量，同時(shí)增加土壤保肥能力（黃超等，2011；周桂玉等，2011）。生物炭的施用提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)含量的變化引起土壤磷組分的變化，全磷轉(zhuǎn)化為植物可利用的磷對(duì)植物生長至關(guān)重要，而在轉(zhuǎn)化過程中有機(jī)質(zhì)起著重要作用（楊小燕等，2014）。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以提高 NaHCO3-Po含量，隨著生物炭用量的增加，NaHCO3-Po含量亦表現(xiàn)出增加的趨勢。NaOH-Pi和NaOH-Po主要是通過化學(xué)吸附緊密結(jié)合在土壤鐵鋁化合物表面的無機(jī)和有機(jī)磷，是中等活性磷，用于磷的長期轉(zhuǎn)化，對(duì)植物有一定的有效性（Redel et al.，2008）。本研究還發(fā)現(xiàn)生物炭施入增加了NaOH-Pi的含量，原因可能是生物炭通過增加陰離子代換量或者影響陽離子的活性來減少鐵、鋁氧化物對(duì)可溶性磷的吸附（Liang et al.，2006；Cheng et al.，2008）。施用生物炭并未改變HCl-Po的含量，增加了殘?jiān)祝≧esidual-Pt）含量?？傊诒驹囼?yàn)條件下，生物炭可以改變土壤磷形態(tài)，能夠提高有效磷的含量。土壤各形態(tài)磷相關(guān)分析結(jié)果表明，速效磷與 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈顯著相關(guān)，表明在施用生物炭的條件下，不同形態(tài)的磷可以通過礦化等形式轉(zhuǎn)化為有效性較高的磷形態(tài)，其中，速效磷與NaHCO3-Pi的相關(guān)性最強(qiáng)，表明NaHCO3-Pi是植物的有效磷源（Zheng et al.，2004；Li et al.，2008）。殘?jiān)讓?duì)多數(shù)植物來說是無效磷源，但是在本試驗(yàn)條件下，速效磷與殘?jiān)壮尸F(xiàn)顯著相關(guān)，表明施用可活化難溶性磷，提高磷的有效性。

圖2　生物炭施用對(duì)菜地土壤有機(jī)磷形態(tài)及殘?jiān)椎挠绊慒ig. 2　Effects of biochar application on organic and residual phosphorus in vegetable soils

表2　土壤各形態(tài)磷的相關(guān)系數(shù)Table 2　Correlation coefficients of phosphorus fractionations

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.021

中圖分類號(hào)：X705； S153.6+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）05-0872-05

基金項(xiàng)目：國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAD14B05）；省院合作項(xiàng)目（2013B091500016）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201607010082）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B070701017）

作者簡介：王榮萍（1976年生），女，副研究員，博士，研究方向?yàn)橥寥琅c植物營養(yǎng)。E-mail: rpwang@soil.gd.cn

*通信作者：廖新榮（1963年生），男，研究員，研究方向?yàn)橥镣寥琅c植物營養(yǎng)。

收稿日期：2016-03-02

Effects of Modified Biochar on Soil Phosphorus Transformation in Vegetable Fields

WANG Rongping1， 2， YU Weimin1， LIANG Jiawei1， LIAO Xinrong1， 2， ZHAN Zhenshou1， LI Shuyi1
1. Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Science//Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control，Guangzhou 510650， China；
2. Center of Expertise in Environmental and Protection Technology and Equipment Development in Foshan City，F(xiàn)oshan 528000， China

Abstract：Biochar is a type of organic carbon of high carbon content and high stability， and it can significantly influence soil physical， chemical and biological properties. In this study， the effects of a new type of biochar on soil phosphorus （P） transformation and availability in the major vegetable soils in South China were investigated. The results showed that the resin P （resin-Pi）， NaHCO3extractable inorganic P （NaHCO3-Pi） and NaOH extractable inorganic P （NaOH-Pi） contents were increased； soil available P content was evidently elevated； diluted HCl extractable inorganic P （D.HCl-Pi） and concentrated HCl extractable inorganic P （C.HCl-Pi）contents were not significantly increased； NaHCO3extractable organic P （NaHCO3-Po） content was increased； NaOH extractable organic P （NaOH-Po） content was decreased； residual P （residual-Pt） content was increased； and concentrated HCl extractable organic P （C.HCl-Po） content was not changed by biochar application. Correlation analyses showed that rapidly available P was significantly （P＜0.05） related to resin-Pi， NaHCO3-Pi， NaHCO3-Po， NaOH-Pi， D.HCl-Pi and residual-Pt with the largest correlation coefficient of 0.980 5 with NaHCO3-Pi； resin-Pi was significantly （P＜0.01） related to NaHCO3-Pi and D.HCl-Pi； and NaHCO3-Pi was significantly （P＜0.05） related to NaOH-Pi， D.HCl-Pi and residual-Pt with the largest correlation coefficient of 0.816 6 with D.HCl-Pi. The results demonstrated that when biochar is applied， P of various species can transform to species of higher availability via mineralization.

Key words：biochar； vegetable soil； phosphorus species