生物炭对干旱区盐碱土磷淋溶的影响

王承俊，杨 放,，邢 英，李心清

(1.四川省地矿局成都水文地质工程地质队，成都 610072；2.贵州师范大学，贵阳 550001；3.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002)

· 试验研究 ·

生物炭对干旱区盐碱土磷淋溶的影响

王承俊1，杨 放1,3，邢 英2，李心清3

(1.四川省地矿局成都水文地质工程地质队，成都 610072；2.贵州师范大学，贵阳 550001；3.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002)

以干旱区绿洲盐碱土为研究对象，探索玉米秸秆生物炭对磷淋溶的影响。采用室内土柱淋洗试验，设置0%，1%，5%和10%(w/w)四个生物炭添加比例；模拟大气降雨，定期收集淋洗液，分析其中有效磷和总磷的含量。结果显示，与对照组0%相比，5%和10%添加比例分别增加了土壤有效磷淋失量610%和630%；增加总磷淋失量分别达到432%和438%；土壤中有效磷增加量为96%和143%。我们的研究表明生物炭施用于干旱区绿洲盐碱土能明显增加土壤中磷的有效性，从而提高磷的利用效率(5%添加比例较为合适)。

生物炭；玉米秸秆；盐碱土；有效磷；总磷

磷是植物生长所必须的营养元素，农业土壤磷肥利用率低会造成资源浪费和地下水富营养化等问题。提高磷肥的利用效率是当前农业和环境研究的热点之一。土壤中的可溶性磷酸盐易被土壤矿物吸附，影响土壤中磷有效性的因素包括土壤pH值、有机质含量等[1]。当前，磷肥的当季利用率较低，大概介于5%～30%之间，根据不同的作物类型差异较大[2]。以新疆棉田为例，棉花的当季利用率仅仅介于16%～26%之间[3-4]。与此同时，中国的磷肥产量和施用量均领先于其他国家，磷肥施用量从2000年的831万t上升到2010年的1 312万t，增加了57.9%。大量的磷在土壤中积累不仅造成资源浪费，加重环境负担，引发环境水体富营养化，而且长期过量的施磷肥会导致土壤中Cd、Pb等重金属元素超标[5-6]。因此，寻求增加磷肥利用率从而减少磷肥施用量的科学方法,提高磷素在土壤、尤其是根际层中的积累量具有重要的实际意义。

由于在土壤改良和固碳减排等方面巨大的应用潜力，生物炭技术引起了国内外的广泛关注[7～10]。已有研究表明，由生物质在高温厌氧热解条件下产生的生物炭(Biochar)能通过改变土壤的pH值、阳离子交换量(CEC)以及有机质状况，从而改变土壤磷素的有效性，影响土壤磷素的溶解性[11-12]。Laird等对美国中部典型农业土壤的研究发现，橡木生物炭的添加增加了表层土壤中有效磷(Mehlich Ⅲ)的含量[13]。Chan等研究了添加家禽粪便生物炭对南威尔士典型农业土壤中有效磷含量的影响，发现生物炭添加明显增加了土壤中有效磷的含量，同时增加了作物对磷的吸收[14]。郎印海对辽河口农业土壤的研究表明柚皮生物炭的施用可减少土壤对磷的固定,提高土壤磷的有效性[15]。曾爱等对北方石灰土的研究表明，土壤有效磷含量呈现随着生物炭施用量的增大而先增加后降低的趋势[16]。关连珠等研究发现施用玉米秸秆生物炭不但可以促进土壤中磷素的有效化,而且可以减少土壤对磷的固定,提高磷肥的利用率[17]。

新疆自治区是我国重要的粮食和水果产区，区内土壤盐碱化问题严重，尤其在南疆地区；降雨少和特殊的地质水文等自然因素导致了区内土壤有效磷养分缺乏，施用生物炭能否增加土壤磷素的有效性，改善土壤肥力，还缺乏相关研究。基于此，本研究将玉米秸秆生物炭施用于南疆绿洲农业典型的盐碱土，通过室内土柱淋洗试验，探索生物炭对磷素淋失的影响。争取为提高区内盐碱土磷素利用率探索一条有效的思路。

1 材料与方法

1.1 试供土壤和生物炭

试供土壤采自喀什农技推广中心试验耕地(39°23′45″N，75°58′43″E)。土壤类型为盐化灌淤土《中国土壤分类系统》，为新疆绿州农业典型耕作土壤类型。土壤基本理化性质如下：pH值7.62，总磷(T-P)和有效磷(A-P)含量分别为289.7mg/kg和26.5 mg/kg，黏粒、粉粒、砂粒含量分别为2.98%、42.28%和54.74%，C/N为17.6。

生物炭制备原料是玉米秸秆。碳化过程的升温速率为18℃/ min，限氧，最高温是550℃停留时间为30min，研磨过2 mm 筛。生物炭基本理化性质如下：pH值为10.45，A-P含量为153.1 mg/kg，C/N为62.6。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

土柱分为4个处理:① C0：碳土比0%(w/w)；②C1：碳土比1%(w/w)；③ C5：碳土比5%(w/w)；④C10：碳土比10%(w/w)；每个处理设3个重复。据蔬菜基地常规施肥量，每个土柱添加普钙Ca(H2PO4)20.197 g，磷肥施用量相当于0.13 g P2O5/kg soil。

1.2.2 淋洗试验装置

室内土柱试验采用PVC管作为淋洗土柱，底面积和高度分别为60 cm2和30 cm。低端铺上过滤石英砂(厚度3 cm，粒径3 mm)，用尼龙网将圆柱管底部封紧。每个土柱土壤质量为900g。将相应比例的生物炭与土壤混匀，压实。

1.2.3 淋溶试验

结合田间实际灌水量和样品测试需要，每个土柱每天添加相当于降水量10mm 的去离子水，持续6天，待到有淋洗液淋出时，降雨量升高至每天20mm，持续4 天，这时搜集到的淋洗液为一个样(140mm)。之后每天添加相当于10mm降水量的去离子水，持续25天；每5天的淋洗液为一个样(50mm)。每次收集到的淋洗液用洗净塑料瓶(100mL)装好，保存至冰箱(0℃～4℃)待测。

1.2.4 测试方法

土壤和生物炭的C和N采用元素分析仪(Vario Macro CNS; Elementar,Germany)测定。土壤和生物炭pH值使用pioneer 65 型便携式多参数仪(雷迪美特，法国)测定，土壤和生物炭pH测定溶液分别采用土水比1∶2.5(w/v)和炭水比1∶10(w/v)。淋洗液中的A-P的测定是将采集的淋滤液样品经0.45 μm微孔滤膜过滤后，采用钼锑抗分光光度法测试过滤液中可溶态磷含量；T-P的测定则是在120℃～124℃的条件下用过硫酸钾作氧化剂消解水样将其他形态的磷酸盐转化为正磷酸盐后，用钼锑抗分光光度法进行测定。土壤中A-P的测定采取的方法是0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提，然后用钼锑抗分光光度法进行测定。分光光度法所采用仪器为Thermo AquaMate 紫外多功能水质分析仪(美国，Thermo公司)。

1.2.5 数据处理

试验数据采用origin 8.0和SPSS 17.0软件进行统计分析。各处理之间的显著性差异采用单因素方差分析法( one-way ANOVA) ，显著性水平为0.05。

2 结 果

2.1 生物炭对土壤A-P淋失的影响

如图1，C0、C1、C5和C10四个土柱的A-P淋失量分别是0.21mg、0.40mg、1.46mg和1.50mg。与C0相比，C1、C5和C10的淋失量分别增加了94%、610%和630%，其中C1、C5、C10三者与C0之间达到了显著性差异(P<0.05)，而C5和C10之间差异不显著(图1 (A))。四个土柱A-P的淋失量均显示出随时间逐渐降低。其中C0和C1土柱A-P的淋失到第20天(240 mm)将至较低水平，之后又有小幅上升的趋势；而C5和C10的A-P在整个试验期间淋失较为均匀，在第20天(240 mm)之后下降不明显。

图1 生物炭对土壤A-P淋失的影响(A：累积A-P淋失量；B：分次数A-P淋失量；字母相同表明彼此之间不存在显著性差异(P<0.05))Fig.1 Effects of biochar on A-P leaching (A：accumulated A-P leaching amount;B：the A-P leaching amount at different times; values with same letters means no significant difference(P<0.05)

图2 生物炭对土壤T-P淋失的影响(A：累积T-P淋失量；B：分次数T-P淋失量；字母相同表明彼此之间不存在显著性差异(P<0.05))Fig.2 Effects of biochar on total P leaching (A：accumulated A-P leaching amount;B：the A-P leaching amount at different times; values with same letters means no significant difference(P<0.05)

2.2 生物炭对土壤T-P淋失的影响

在本试验中，T-P的淋失趋势与A-P基本一致。C0、C1、C5和C10四个土柱的T-P淋失量分别是0.29、0.49、1.53和1.54 mg。与C0的T-P淋失量相比，C1、C5和C10三个土柱的淋失量分别增加了70%、432%和438%(图2)且C0与另外三者之间均达到了显著性差异(p<0.05)。C0和C1两个土柱的T-P的淋失也是呈现先降低，再逐渐升高的趋势；而C5和C10则呈现逐渐下降的趋势，在第20天(240 mm)后趋于平稳。

2.3 生物炭对土壤中A-P和T-P含量的影响

在试验结束后对四个土柱进行了土壤采样，分析了土壤中A-P和T-P的含量。如图3所示，C0、C1、C5和C10四个土柱A-P含量分别是20.4，24.5，39.9和49.5 mg/kg，T-P含量分别是315.2，302.9，311.5和344.5 mg/kg。与C0相比，C1、C5和C10的A-P含量分别增加了16.7%、95.6%和142.6%；且C5、C10与C0、C5之间达到了显著性差异(P<0.05)； C1和C5的T-P含量比C0略低，但未达到显著性差异；而C10的T-P含量则显著高于前三者。

图3 不同处理A-P和T-P的含量(字母相同4表明彼此之间不存在显著性差异(P<0.05))Fig.3 The contents of A-P and T-P at different biochar treatments (Values with same 4letters means no significant difference (P<0.05))

3 讨 论

3.1 淋洗液中A-P和T-P含量

本研究中，生物炭的A-P(153.1 mg/kg)含量较土壤(26.5 mg/kg)更高，其施用也必然会增加土壤中A-P含量，但是C5和C10的累积A-P淋失量较为接近说明了生物炭本身所含的高A-P仅仅是土壤A-P含量升高的因素之一。此外，生物炭的pH值(10.45)较土壤pH值(7.62)更高，其施用必定会增加土壤的pH值，见文献[22]。

此外，各处理中A-P的淋失量随时间的延长逐渐增加，且C5和C10的土壤累积A-P淋失量增加速度较快，而C0和C1处理的土壤中A-P淋失量增加则较为缓慢。这说明了随着生物炭施用量的增大，土壤中磷的活化速率也增加了。

淋洗液中T-P的变化趋势与A-P一致，这是因为A-P所占T-P比例较大。值得一提的是随着生物炭添加比例的上升，淋洗液中A-P所占T-P的比例逐渐上升，C0、C1、C5和C10中累积A-P淋失量占累积T-P淋失量的比例依次为72.4%、81.6%、95.4%和97.4%；这也说明了生物炭的添加能够增加土壤中磷的活化速率。

3.2 土壤A-P含量

试验结束时土壤中A-P含量结果说明，生物炭的添加明显增加了土壤中A-P的含量，其中C5和C10较C0增加率均超过了4倍。由于土壤中磷的转化与土壤pH值、有机质含量、孔隙度、微生物状况等因素有关，已有研究已经证明生物炭施用会增加土壤pH值和孔隙度并改善土壤有机质和微生物状况[23～28]，这可能是添加生物炭增加土壤A-P含量的间接原因。曾爱等研究了添加生物炭对小麦生长期内塿土中A-P含量的影响，结果显示1 000 kg/km2的添加比例能够明显增加土壤A-P含量[16]。刘世杰和窦森也曾报道了松枝生物炭能够增加黑土中A-P含量，从而促进玉米对土壤中磷的吸收[29]。

添加玉米秸秆生物炭不仅可以提高土壤中供磷能力，而且可以提高磷肥利用效率，从而对于降低磷肥使用量有重要的意义；同时生物炭的施用可能增强土壤中外来磷素的活性，增大磷素的环境风险(面源污染)。因此，在田间应用生物炭时，应充分评估其应用潜力和风险。

4 结 论

试验结果表明，玉米秸秆生物炭显著增加土壤中A-P和T-P的淋失量。与空白C0相比，C5和C10的A-P淋失量增加率分别达到了610%和630%；T-P淋失量增加率达到了432%和438%；土壤中的A-P含量增加率达到了95.6%和142.6%。生物炭施用于干旱区典型耕作土壤能增加土壤中磷素的有效性，从而增强了土壤的供磷能力，这对于改良土壤以及减少磷肥使用量有积极的作用，5%的生物炭添加比例的改良效果最为理想。

[1] 陈心想,生物炭对土壤性质、作物产量及养分吸收的影响[D].咸阳：西北农林科技大学，2014.

[2] 程明芳,何萍和金继运.我国主要作物磷肥利用率的研究进展[J].作物杂志,2010,4(1):12-14.

[3] 尹飞虎,康金花,黄子蔚,等.棉花滴灌随水施滴灌专用肥中磷素的移动和利用率的32P研究[J].西北农业学报,2005,14(6):199-204.

[4] 刘洪亮,曾胜河,施 敏,等.棉花膜下滴灌施肥技术的研究[J].中国土壤与肥料,2004,9(2):30-31.

[5] Sheppard S C,CA G,MI S,et al.Risk indicator for agricultural inputs of trace elements to Canadian soils[J].Journal of Environmental Quality,2009,38(3):919-932.

[6] 陈 芳,董元华,安 琼,等.长期肥料定位试验条件下土壤中重金属的含量变化[J].土壤,2005,37(3):308-311.

[7] Ameloot N,Neve S,Jegajeevagan K,et al.Short-term CO2and N2O emissions and microbial properties of biochar amended sandy loam soils[J].Soil Biology & Biochemistry,2013,57:401?410.

[8] Biederman L A and Harpole W S.Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling:a meta-analysis[J].Global Change Biology Bioenergy,2013,5(2):202-214.

[9] Nelissen V,Rutting T,Huygens D,et al.Maize biochars accelerate short-term soil nitrogen dynamics in a loamy sand soil[J].Soil Biology & Biochemistry,2012,55:20-27.

[10] Wang J Y,Zhang M,Xiong Z Q,et al.Effects of biochar addition on N2O and CO2emissions from two paddy soils[J].Biology and Fertility of Soils,2011,47(8):887-896.

[11] Asai H,Samson B K,Stephan H M,et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos 1.Soil physical properties,leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research,2009,111(1-2):81-84.

[12] Gundale M J and DeLuca T H.Charcoal effects on soil solution chemistry and growth of Koeleria macrantha in the ponderosa pine/Douglas-fir ecosystem[J].Biology and Fertility of Soils,2007,43(3):303-311.

[13] Laird D,Fleming P,Wang B Q,et al.Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil[J].Geoderma,2010,158(3-4):436-442.

[14] Chan K Y,Van Zwieten L,Meszaros I,et al.Using poultry litter biochars as soil amendments[J].Australian Journal of Soil Research,2008,46(5):437-444.

[15] 郎印海,王 慧，刘 伟.柚皮生物炭对土壤中磷吸附能力的影响[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2015,45(4):078-084.

[16] 曾 爱,廖允成,张俊丽,等.生物炭对塿土土壤含水量、有机碳及速效养分含量的影响[J].农业环境科学学报,2013,32(5):1009-1015.

[17] 关连珠,禅忠祥,张金海,等.炭化玉米秸秆对棕壤磷素组分及有效性的影响[J].中国农业科学,2013,46(10):2050-2057.

[18] Glaser B,Lehmann J and Zech W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biology and Fertility of Soils,2002,35(4):219-230.

[19] 李江舟,张庆忠,娄翼来,等.施用生物炭对云南烟区典型土壤养分淋失的影响[J].农业资源与环境学报,2015,(1):48-53.

[20] 陈 铭,刘更另，孙富臣.溶液pH对红壤吸持磷机理的影响[J].环境化学,1995,14(4):306-310.

[21] Novak J M,Busscher W J,Laird D L,et al.Impact of Biochar Amendment on Fertility of a Southeastern Coastal Plain Soil[J].Soil Science,2009,174(2):105-112.

[22] 王荣梅,杨 放,许 亮,等.生物炭在新疆棉田的应用效果研究[J].地球与环境,2014,(6):8.

[23] Lehmann J,Major J,Rondon M,et al.Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol[J].Plant and Soil,2010,333(1-2):117-128.

[24] Van Zwieten L,Kimber S,Morris S,et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil,2010,327(1-2):235-246.

[25] Warnock D D,Lehmann J,Kuyper T W,et al.Mycorrhizal responses to biochar in soil - concepts and mechanisms[J].Plant and Soil,2007,300(1-2):9-20.

[26] Lehmann J,Rillig M C,Thies J,et al.Biochar effects on soil biota - A review[J].Soil Biology & Biochemistry,2011,43(9):1812-1836.

[27] Luo Y,Durenkamp M,De Nobili M,et al.Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH[J].Soil Biology & Biochemistry,2011,43(11):2304-2314.

[28] Uzoma K C,Inoue M,Andry H,et al.Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J].Soil Use and Management,2011,27(2):205-212.

[29] 刘世杰，窦 森.黑碳对玉米生长和土壤养分吸收与淋失的影响[J].水土保持学报,2009,23(1):79-82.

Effect of Biochar on Phosphorus Leaching from Saline Soil in Arid Area

WANG Cheng-jun1,YANG Fang1,3,XING Ying2,LI Xin-qing3

(1.ChengduHydrogeological&EngineeringGeologicalTeam,Chengdu610072,China; 2.GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China; 3.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,China)

By applying biochar made of corn stover in the saline soil collected in Kashgar oasis, Xinjiang autonomous region, we measured the concentrations of available phosphorus and total phosphorus in the leachate of the soil at different precipitation amount in the laboratory. The biochar was mixed thoroughly with the soil at 0%, 1%, 5% and 10%(w/w) ratio and transferred individually into plastic columns. Deionized water was applied on the top of the soil columns imitating natural precipitation on event basis and the leachate was collected regularly. Results showed that the leaching of available phosphorus was increased by 610% and 630% at the treatments 5% and 10%, respectively; the leaching of total phosphorus was increased by 432% and 438% at the treatments 5% and 10%, respectively. Our study indicate that biochar application(5% is a suitable addition rate) in the saline soil in arid areas can significantly improve the availability of phosphorus, thus enhance phosphorus use efficiency.

Biochar; corn stover; saline soil; available phosphorus; total phosphorus

2016-12-21

中国科学院战略性科技先导专项(XDA05070400);贵州省科学技术基金(黔科合J字[2013]2218号);贵州省农业攻关计划项目(黔科合NY字[2011]3079号);中科院院地合作和科技支疆项目;国家重大科学研究计划(2013CB956700-2);贵州省国际科技合作计划项目(黔科合外G字[2012]7050号);中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部博士资助项目”。

王承俊(1977-)，男，海南儋州人，1999年毕业于成都理工大学水文地质与工程地质专业，高级工程师，研究方向为水文地质、工程地质、环境地质。

邢 英，xy31034@163.com。

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A

1001-3644(2017)02-0017-05