富磷型豬糞基生物炭肥對(duì)土壤-蘿卜系統(tǒng)的影響

楊 婧，鐘 慧，潘 歡，譚羽男，易 蔓,2，陳玉成,2①

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.農(nóng)村清潔工程重慶市工程研究中心/ 重慶市生態(tài)環(huán)境農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716)

生物炭基肥是一種以生物炭為基質(zhì)，配合不同比例氮、磷、鉀等養(yǎng)分制備的具有緩釋功能的肥料[1]。生物炭基肥能夠利用自身可逆吸附作用控制養(yǎng)分釋放速度，減少養(yǎng)分淋洗損失[2]，提高肥料利用率，從而提高植物產(chǎn)量和品質(zhì)[3]；其所含的生物炭能改良土壤理化性質(zhì)[4]和改善微生物群落結(jié)構(gòu)[5]，提高土壤微生物和酶活性[6-7]，協(xié)調(diào)水肥氣熱[8-9]等。但生物炭基肥對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響未達(dá)成共識(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥抑制了棕壤中過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性，降低了可溶性有機(jī)碳含量，對(duì)微生物活性提高的作用不及豬廄肥[10]，對(duì)生長(zhǎng)于鈣質(zhì)土的小麥增產(chǎn)效應(yīng)不明顯甚至減產(chǎn)[11]。此外，已有研究多以生物炭與氮磷鉀無(wú)機(jī)復(fù)合肥混制的生物炭基肥為試驗(yàn)材料，而關(guān)于生物炭取代無(wú)機(jī)磷肥制備的富磷型生物炭肥的研究較少。

磷是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但我國(guó)磷肥的當(dāng)季利用率僅為10%～25%，全國(guó)74%的耕地土壤缺磷[12]。與此同時(shí)，長(zhǎng)期大量施用磷肥易導(dǎo)致部分磷素從農(nóng)田向環(huán)境流失，使土壤肥力下降、植物減產(chǎn)，還給水體環(huán)境帶來(lái)潛在威脅[13]。而富磷型生物炭肥的吸持效應(yīng)為有效緩解土壤磷素淋溶損失、提高磷肥利用率提供了新思路。櫻桃蘿卜是一種喜磷植物，具有生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)周期短的特點(diǎn)，對(duì)磷肥需求較敏感。以飽和吸附磷后的豬糞生物炭為研究對(duì)象，將按不同比例取代無(wú)機(jī)磷肥制成富磷型豬糞基生物炭肥施入紫色土，通過(guò)盆栽試驗(yàn)探究不同配比富磷型豬糞基生物炭肥對(duì)西南地區(qū)紫色土理化性質(zhì)以及櫻桃蘿卜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，為富磷型生物炭肥在紫色土中合理利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

生物炭由取自重慶市某養(yǎng)豬場(chǎng)的豬糞自制而成。豬糞基本性質(zhì)(以干基計(jì))為w(有機(jī)質(zhì))為425.2 g·kg-1，w(氮)為53.26 g·kg-1，w(磷)為32 g·kg-1，w(鉀)為11.2 g·kg-1。將豬糞去除大粗粒后于75 ℃條件下烘干24 h，再在750 ℃缺氧條件下熱解4 h，待炭化反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，取0.45和0.20 mm孔徑篩2篩之間截留物制備成豬糞生物炭。將制備的豬糞生物炭在25 ℃、180 r·min-1條件下,于ρ(磷)為10 mg·L-1的磷酸二氫鈣溶液中恒溫振蕩吸附磷24 h，經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后風(fēng)干，得到富磷型豬糞基生物炭肥(pig-manure-based and P-enriched biochar fertilizer，PPBF)，其中w(磷)為129.0 g·kg-1，w(氮)為10.52 g·kg-1，w(鉀)為23.78 g·kg-1，pH值為7.50，w(銅)為542.6 mg·kg-1，w(鋅)為779.3 mg·kg-1，w(鉛)為28.67 mg·kg-1，w(鎘)為10.36 mg·kg-1。

土壤采自國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地(29°48′36″ N、106°24′33″ E)水稻土，基本理化性質(zhì)為pH值為7.18，w(有機(jī)質(zhì))為17.31 g·kg-1，w(全氮)為0.803 g·kg-1，w(全磷)為1.395 g·kg-1，w(速效磷)為0.102 g·kg-1，w(全鉀)為8.933 g·kg-1。

美國(guó)櫻桃蘿卜(RaphanussativusL.var.radculuspers)由開(kāi)拓者作物種子公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，選用10 cm×10 cm×20 cm的塑料盆，每盆裝土3.0 kg。試驗(yàn)設(shè)CK、ZF、ZF0.3、ZF0.5、ZF0.7和NPK 6個(gè)處理，其中CK為對(duì)照；NPK處理施加化肥，參照重慶市農(nóng)用地P2O5施用量112.5 kg·hm-2，按w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=2∶1∶1.2施肥，即每盆分別施加氮肥(尿素)0.30 g、磷肥(普通過(guò)磷酸鈣)0.15 g和鉀肥(氯化鉀)0.18 g；ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理按等磷量以富磷型豬糞基生物炭肥的磷素替代化肥磷，替代比例分別為30%(0.349 g)、50%(0.581 g)和70%(0.814 g)；ZF處理添加等磷量未吸附磷豬糞生物炭(1.16 g)。試驗(yàn)重復(fù)5次，共計(jì)30盆。

盆栽試驗(yàn)于2018年4月在大棚進(jìn)行。各處理肥料一次性施入，并充分混勻，每盆播種櫻桃蘿卜種子3粒，生長(zhǎng)期間用去離子水澆灌，保持土壤水分為田間持水量w的50%～60%。2個(gè)重復(fù)分別在櫻桃蘿卜苗期和蓮座期進(jìn)行破壞性采樣，剩余3個(gè)重復(fù)用于櫻桃蘿卜肉質(zhì)根膨大期(經(jīng)濟(jì)收獲期)測(cè)定產(chǎn)量與品質(zhì)。植物樣品分地上部和根部，洗凈后分別測(cè)定生物量，保留部分新鮮樣品，其他樣品在120 ℃ 條件下殺青2 h，然后在60 ℃條件下烘干至恒重，粉碎，備用。收集盆栽土壤樣品，均勻混合后，風(fēng)干、過(guò)篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤樣品：pH采用pH計(jì)按m(土)∶V(水)=1∶10測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法測(cè)定；全氮(TN)含量采用凱氏法測(cè)定；全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效磷(OP)含量采用Olsen法測(cè)定；全鉀(TK)含量采用火焰光度計(jì)法測(cè)定；Cu、Zn、Pb和Cd含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定[14]。

植物樣品：全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；維生素C(以鮮重計(jì))含量采用2，4-二硝基苯肼比色法測(cè)定；Cu、Zn、Cd和Pb含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定；總糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法測(cè)定；硝酸鹽(以鮮重計(jì))含量采用水楊酸比色法測(cè)定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和圖表繪制采用Excel 2010和Origin 8.1軟件，數(shù)據(jù)顯著性分析(Duncan多重比較)和相關(guān)性分析采用SPSS 21.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生育期PPBF對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1不同生育期PPBF對(duì)土壤pH的影響

pH是土壤重要的基本性質(zhì)之一，適當(dāng)提高土壤pH能有效改良土壤。表1顯示，在櫻桃蘿卜苗期，ZF、ZF0.5和ZF0.7處理土壤pH均較CK提高，而ZF0.3和NPK處理土壤pH分別顯著降低0.24～0.33和0.35～0.36個(gè)單位；在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期，ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理土壤pH均高于CK和NPK處理。

表1 不同生育期PPBF對(duì)土壤pH的影響

在櫻桃蘿卜各生育期，CK處理pH逐漸降低，NPK處理pH基本不變，ZF0.3處理pH逐漸上升，ZF、ZF0.5和ZF0.7處理pH呈先下降后上升趨勢(shì)。這可能是由于櫻桃蘿卜在生長(zhǎng)過(guò)程中，根系向土壤分泌低分子量有機(jī)酸的速度超過(guò)分解轉(zhuǎn)化速度，有機(jī)酸含量逐漸增多，導(dǎo)致CK土壤pH持續(xù)下降。而ZF、ZF0.5和ZF0.7處理PPBF中生物炭有利于提高土壤酶和微生物活性[6-7]，促使有機(jī)酸快速分解；同時(shí)，生物炭呈堿性，灰分含量高，礦物元素多以氧化物或碳酸鹽形式存在，相比于CK和NPK處理，施加生物炭能更快更多地提高土壤pH，從而使土壤pH值在蓮座期后升高。

2.1.2不同生育期PPBF對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

在櫻桃蘿卜苗期、蓮座期和肉質(zhì)根膨大期，各處理土壤有機(jī)質(zhì)、TN和TK含量大多較CK同生育期有顯著提高(表2)。這可能是因?yàn)镻PBF是一種含有大量可溶性N、K、Ca、Na和Mg等礦質(zhì)元素的富碳材料，在為土壤提供外源有機(jī)碳、N和K的同時(shí)，生物炭的高度生物穩(wěn)定性也有利于土壤有機(jī)碳持續(xù)增加和固碳減排[16]，同時(shí)生物炭較大的比表面積和大量表面官能團(tuán)能夠吸附N和K，減少N和K的淋溶損失，有利于土壤有機(jī)質(zhì)、TN和TK含量的提高。

表2 不同生育期PPBF對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

在苗期，ZF0.5和NPK處理土壤TP含量比CK分別顯著提高3.54%和5.26%，而ZF、ZF0.3和ZF0.7處理則顯著降低；在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期，ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理土壤TP含量均高于CK和NPK處理。在苗期僅ZF0.3處理OP含量顯著高于CK，而在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期各處理OP含量較CK分別提高21.72%～43.47%和0.22%～28.42%。NPK處理土壤OP含量在蓮座期僅小于ZF0.7處理，且差異不顯著，而在肉質(zhì)根膨大期最高。這可能是因?yàn)镻PBF能夠顯著提高土壤pH(表1)，減少鐵鋁氧化物對(duì)磷的吸附[17]，從而使土壤OP含量顯著增大，且PPBF對(duì)磷酸鹽和可溶性有機(jī)磷同樣存在吸附固定作用[13]，因此添加PPBF處理與NPK處理相比在一定程度上能促進(jìn)磷素固定，有效減少磷素在土壤中的淋溶損失。

2.1.3不同生育期PPBF對(duì)土壤重金屬的影響

土壤重金屬含量對(duì)植物正常生長(zhǎng)和質(zhì)量具有重要影響。由圖1可知，在櫻桃蘿卜生長(zhǎng)過(guò)程中，與CK相比，各處理土壤Cu總含量和有效態(tài)含量均顯著提高。除ZF0.7處理外，各生育期其他處理土壤Zn總含量較CK顯著增加。相同生育期添加PPBF處理土壤Cu和Zn有效態(tài)含量由高到低均為ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7，這表明生物炭添加比例增加有利于降低土壤中Cu和Zn有效性。櫻桃蘿卜不同生育期ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理土壤Pb總含量和有效態(tài)含量均低于NPK處理。

CK為對(duì)照，ZF為添加未吸附磷豬糞生物炭肥處理，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7分別為添加30%、50%和70%富磷型豬糞基生物炭肥處理，NPK為施加化肥處理。同一分圖中，直方柱上方英文小寫字母不同表示相同生育期不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

與CK相比，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理對(duì)土壤Cd總含量和苗期Cd有效態(tài)含量影響不顯著，蓮座期和肉質(zhì)根膨大期Cd有效態(tài)含量分別降低16.10%～21.68%、7.23%～11.48%和28.72%～38.56%。這可能是因?yàn)樘砑覲PBF處理顯著提高了土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量(表1)，增強(qiáng)了土壤對(duì)Pb、Cd的固定和吸附，同時(shí)豬糞生物炭通過(guò)表面絡(luò)合、靜電吸附等作用[18]降低土壤中Pb和Cd活性。各處理土壤Cu、Zn、Pb和Cd總量有不同程度的增加，但仍遠(yuǎn)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)關(guān)注富磷型豬糞生物炭肥的長(zhǎng)期、大量施用對(duì)土壤重金屬累積和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全性的影響。

2.2 不同生育期PPBF對(duì)櫻桃蘿卜產(chǎn)量的影響

施肥是提高植物產(chǎn)量的重要措施。在櫻桃蘿卜生長(zhǎng)過(guò)程中，各處理地上部、根部生物量較同生育期CK處理分別增長(zhǎng)17.20%～44.17%和20.63%～83.31%，且添加PPBF處理增長(zhǎng)量均高于ZF和NPK(圖2)。

CK為對(duì)照，ZF為添加未吸附磷豬糞生物炭肥處理，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7分別為添加30%、50%和70%富磷型豬糞基生物炭肥處理，NPK為施加化肥處理。

在苗期，與CK相比，添加PPBF處理地上部、根部生物量增長(zhǎng)率分別為29.55%～38.81%和49.30%～83.31%，而NPK處理地上部、根部生物量增長(zhǎng)率分別為22.04%和28.44%；在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期，添加PPBF處理地上部、根部生物量均隨生物炭的添加比例增高而增高。由此可見(jiàn)，添加PPBF處理對(duì)根部生物量促進(jìn)作用明顯。這可能是因?yàn)镻PBF中生物炭能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水通氣能力[19]，促進(jìn)櫻桃蘿卜植株根系增長(zhǎng)，有利于植株從土壤中快速吸取水分和獲得充足營(yíng)養(yǎng)。

2.3 不同生育期PPBF對(duì)櫻桃蘿卜品質(zhì)的影響

2.3.1不同生育期PPBF對(duì)櫻桃蘿卜有害品質(zhì)的影響

(1)不同生育期PPBF對(duì)硝酸鹽含量的影響

植物體內(nèi)硝酸鹽含量不僅能夠反映植物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，而且是鑒定植物及其加工品品質(zhì)的重要指標(biāo)。表3顯示，在苗期，除ZF0.3處理外，其他處理櫻桃蘿卜硝酸鹽含量較CK顯著降低；在蓮座期，僅NPK和ZF0.7處理硝酸鹽含量顯著增高；ZF和添加PPBF處理肉質(zhì)根膨大期硝酸鹽含量顯著高于CK，但均低于NPK處理，且符合蔬菜硝酸鹽含量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(硝酸鹽含量不高于432 mg·kg-1)[20]。這與陳雪嬌等[21]發(fā)現(xiàn)生物炭基肥處理植物硝酸鹽含量顯著高于化肥處理的結(jié)果不一致。這可能是因?yàn)镻PBF所含生物炭具有強(qiáng)大的吸附銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮的能力[2]，能夠控制NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)化速率[22]，櫻桃蘿卜不會(huì)因短期內(nèi)吸收過(guò)多NO3-而造成硝酸鹽大量累積；此外，添加PPBF處理櫻桃蘿卜生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，其生物量高于NPK處理(圖2)，吸收的硝態(tài)氮能夠及時(shí)代謝轉(zhuǎn)化，因而體內(nèi)硝酸鹽累積量低于NPK處理。

(2)不同生育期PPBF對(duì)重金屬含量的影響

櫻桃蘿卜Cu含量未檢出，這可能是由于櫻桃蘿卜對(duì)Cu吸收較少，其含量未達(dá)到檢出限。不同生育期不同處理櫻桃蘿卜Zn、Pb和Cd含量見(jiàn)表3。添加PPBF處理Zn含量較CK苗期有所降低，蓮座期和肉質(zhì)根膨大期則顯著增高。Zn是櫻桃蘿卜生長(zhǎng)所需的重要微量元素，適當(dāng)提升土壤Zn含量有利于櫻桃蘿卜自身生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提高。添加PPBF處理櫻桃蘿卜Pb含量較CK在苗期、蓮座期和肉質(zhì)根膨大期分別降低1.73%～45.89%、6.12%～44.49%和9.80%～29.41%，且相同生育期Pb含量由高到低為NPK>ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7。在苗期，僅ZF0.7處理櫻桃蘿卜Cd含量低于CK；蓮座期和肉質(zhì)根膨大期ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理Cd含量較CK分別降低11.22%～12.17%、4.19%～9.18%和13.27%～13.31%。這表明施用PPBF能夠有效降低櫻桃蘿卜Pb和Cd含量，且ZF0.7處理效果最佳。添加PPBF處理櫻桃蘿卜Pb和Cd含量降低可能與土壤Pb和Cd有效性降低和因生物量顯著增加而產(chǎn)生的“稀釋效應(yīng)”有關(guān)。櫻桃蘿卜以最低含水率w為94.5%計(jì)，Pb和Cd最高含量分別為0.026和0.006 mg·kg-1，均遠(yuǎn)低于GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中Pb(0.1 mg·kg-1)和Cd(0.05 mg·kg-1)限值。

表3 不同生育期PPBF對(duì)櫻桃蘿卜品質(zhì)的影響

2.3.2不同生育期PPBF對(duì)櫻桃蘿卜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

施用PPBF能有效提升櫻桃蘿卜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)(表3)。苗期NPK、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理櫻桃蘿卜P含量顯著高于ZF處理；蓮座期添加PPBF處理P含量均顯著高于CK、ZF和NPK處理；肉質(zhì)根膨大期ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7處理P含量較CK分別增長(zhǎng)13.09%、10.82%和39.41%。與CK相比，苗期、蓮座期、肉質(zhì)根膨大期各處理櫻桃蘿卜總糖和維生素C含量均不同程度提高。添加PPBF處理櫻桃蘿卜總糖含量隨生物炭添加比例增加而增加，并且ZF0.7處理總糖含量始終高于NPK處理。在苗期和蓮座期，添加PPBF處理櫻桃蘿卜維生素C含量由高到低為ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7；而在肉質(zhì)根膨大期，ZF0.7處理櫻桃蘿卜維生素C含量最高，較CK、NPK和ZF處理分別提高18.53%、4.07%和11.25%。廖上強(qiáng)等[23]試驗(yàn)表明添加30%生物炭基肥處理能降低番茄硝酸鹽含量，顯著增加可溶性糖含量和糖酸比。陳懿等[24]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭基肥能夠提高煙葉葉綠素、類胡蘿卜素和煙堿含量。PPBF對(duì)植物品質(zhì)的改良效應(yīng)可能是因?yàn)镻PBF改良土壤理化性質(zhì)，增加土壤酶活性，有利于土壤中各種生化反應(yīng)的催化，為植物提供更好生長(zhǎng)環(huán)境；同時(shí)，PPBF比化肥更能促進(jìn)土壤養(yǎng)分配比均衡，使土壤更好適應(yīng)植物體內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化平衡，有利于植物生長(zhǎng)發(fā)育[7]。

2.3.3不同生育期土壤OP含量和櫻桃蘿卜P含量相關(guān)性分析

分別對(duì)苗期、蓮座期、肉質(zhì)根膨大期土壤OP含量與櫻桃蘿卜P含量做相關(guān)性分析，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.642、0.645和0.813(P<0.01)。土壤OP含量與櫻桃蘿卜P含量在苗期呈極顯著負(fù)相關(guān)，在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。這可能是因?yàn)槊缙诟魈幚硗寥繭P含量供給充足，此時(shí)櫻桃蘿卜吸磷效應(yīng)主要取決于根系吸磷水平，盡管添加PPBF處理土壤OP含量相對(duì)較低，但PPBF明顯促進(jìn)櫻桃蘿卜根系生長(zhǎng)(圖2)，提高根系吸磷水平，因此添加PPBF處理櫻桃蘿卜P含量反而更高；而在蓮座期和肉質(zhì)根膨大期，添加PPBF處理對(duì)土壤磷素活化的促進(jìn)作用逐漸突顯，土壤OP含量較CK增高，對(duì)櫻桃蘿卜吸收磷素更具優(yōu)勢(shì)，因而櫻桃蘿卜P含量與土壤OP含量變化趨勢(shì)基本一致。

3 結(jié)論

(1)施用不同配比富磷型豬糞基生物炭肥顯著提高土壤pH，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀含量，蓮座期和肉質(zhì)根膨大期全磷和速效磷含量，對(duì)土壤改良作用明顯。

(2)添加不同配比富磷型豬糞基生物炭肥使土壤Cu、Zn、Pb和Cd總含量以及Cu和Zn有效含量有不同程度提高的同時(shí)，降低了蓮座期和肉質(zhì)根膨大期土壤Cd有效含量以及櫻桃蘿卜Pb和Cd含量，并適當(dāng)提高Zn含量。

(3)不同配比富磷型豬糞基生物炭肥處理櫻桃蘿卜磷、總糖和維生素C含量以及地上部和根部生物量均顯著提高，且土壤速效磷含量與櫻桃蘿卜磷含量呈極顯著相關(guān)；而富磷型豬糞基生物炭肥處理盡管提高了櫻桃蘿卜硝酸鹽含量，但均符合蔬菜硝酸鹽含量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)不同配比富磷型豬糞基生物炭肥處理均能不同程度改良紫色土理化性質(zhì)，提升櫻桃蘿卜產(chǎn)量和品質(zhì)，以替代70%無(wú)機(jī)磷的富磷型豬糞基生物炭肥處理改善效果最明顯。