生物炭对潮土磷有效性、小麦产量及吸磷量的影响

郑 琴，王秀斌，宋大利，卢 越，杨兰芳*

（1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.农业农村部植物营养与肥料重点实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

磷（Phosphorus）是作物生长发育所必需的营养元素，在农业生产中发挥着积极作用；同时磷素又是一种不可再生资源，已成为我国农田生态系统生产力的限制性营养元素。近年来，由于我国巨大的粮食需求，在农业生产中施用的磷肥大大超出作物生长所需，导致耕层土壤处于富磷状态［1-2］。已有数据显示，全国各地区磷素含量呈现增长的趋势［3～4］，然而作物对施入土壤中的磷肥当季利用率低，仅为10%～20%［5］，缺少作物可利用的有效磷。如何提高土壤中磷素有效性成为诸多学者长期关注的热点，宋丹等［6］通过添加植酸酶，促进土壤无机磷的释放，提升作物产量；还有研究表明［7］，在秸秆还田时添加腐熟剂，同样能够增加土壤磷有效性。不同的磷素活化剂有不同的作用机制，在促进作物产量的同时，不可避免地会对环境造成损害，并且由于其高额的处理成本，注定它无法在市场进行大面积推广使用。与此同时，作为生物质资源的再次利用，生物炭近年来被广大科研工作者所青睐。

生物炭（Biochar）是生物质在缺氧和相对温度“较低”（＜700℃）条件下热解而形成的产物，具有含碳量高、芳香度高、吸附性强等特点［8-9］。生物炭作为一种新型的土壤改良剂，本身含有较丰富的矿质养分元素，如磷、钾、钙、镁及氮素，施入土壤后不仅能够提高土壤中养分含量［10］，还能够直接或间接参与土壤环境中磷素循环，对土壤磷素物质转化过程产生重要影响［11］。已有大量研究表明，添加生物炭能够增加土壤有效磷含量［12-13］，尤其是在酸性土壤效果更明显［14］。添加生物炭对作物产量的影响报道各异，研究结果中既有增产增效作用［15-16］，也有抑制作用或无影响［17］，生物炭的最佳增产作用仍需充分考虑到生物炭性质、土壤类型以及施肥状况等因素。此外，Jeffery等［18］系统分析了施用生物炭与作物产量之间的相关性，不同生物炭原材料或添加量下作物产量变化有较大差异（-28%～39%）。上述研究多数集中在风化土及典型热带贫瘠土壤上，而有关华北平原典型潮土区生物炭对土壤磷素有效性的影响及其作用机理报道较少。因此，本文拟以石灰性潮土为供试土壤，玉米秸秆生物炭为供试材料，通过盆栽试验，研究不同生物炭用量添加下对潮土土壤磷素有效性、小麦产量及磷素吸收的变化特征，旨在探明潮土磷素有效性对生物炭施用的响应，该研究结果对高效利用秸秆资源，维持磷素循环平衡具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地（N34°47′、E113°40′），是典型的石灰性潮土。采集0～20 cm耕层土壤样品进行基础养分测定，其中pH为8.17，电导率（EC）为46.64 mS/m，土壤有机碳（SOC）含量为9.27 g/kg，全磷（TP）和全氮（TN）含量分别为0.69和0.71 g/kg，有效磷（AP）含量为24.98 mg/kg。供试小麦品种为郑麦7698。

试验所用生物炭以玉米秸秆为原料，在450℃缺氧条件下于马弗炉（上海荣丰SX2箱式电炉）中热裂解1 h获得。生物炭比表面积为4.00 m2/g，孔体积为0.01 mL/g，pH 10.52，EC 537 mS/m，碳、氮含量分别为53.81%、1.22%，TP含量为1.35 g/kg，AP含量62.0 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2014年9月30日至2015年6月2日在中国农业科学院网室进行。用上口直径21.5 cm，底直径18 cm，高23 cm塑料盆装土。试验设置4个生物炭处理：对照不施用生物炭（CK）、施用0.2%玉米秸秆生物炭（MB0.2）、施用1.0%玉米秸秆生物炭（MB1.0）、施用5.0%玉米秸秆生物炭（MB5.0）。每个处理9盆，共36盆，各处理施肥量按照等N、P、K量施入，氮磷钾肥用量N-P2O5-K2O=0.1-0.05-0.04 g/kg（相当于210-120-90 kg/hm2）。氮磷钾肥分别为硫酸铵、磷酸二氢钙和氯化钾。将5.0 kg风干土与过0.15 mm筛的生物炭混匀后装入塑料盆，塑料盆随机排列埋入土中。2014年10月9日每盆播种20粒，出苗后每盆定植15株。硫酸铵和氯化钾基施50%，返青期追施50%，磷酸二氢钙则全部做底肥一次性施入。所有化肥都溶于水后，以溶液的形式施入，使土壤水分含量为20%。生育期间定量浇水，使土壤水分维持在最大持水量60%左右。分别于小麦返青期（2015年3月23日）、抽穗期（2015年4月23日）和成熟期（2015年6月2日）进行破坏性取样，一部分用于测定土壤磷酸酶活性，另取一部分风干后分别过1.00 和0.25 mm筛，用于测定土壤速效养分和全量养分。植株样品全部于105℃杀青30 min后，65℃烘干至恒重，粉碎后过0.25 mm筛，备用。

1.3 测定项目及方法

土壤和生物炭的基本理化性质参照《土壤农化分析》［19］方法测定。土壤pH和EC分别按水土比2.5 ∶1与5 ∶1进行测定；SOC用K2Cr2O7氧化-外加热法测定；土壤全氮用凯氏蒸馏法测定；土壤全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷用0.5 mol NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤磷酸酶采用荧光微孔板酶检测法，具体参照Wang等［20］方法。生物炭pH按水土比10 ∶1测定；其元素组成采用Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定；比表面积和孔结构表征利用全自动物理化学吸附仪（ASAP2020，Mieromeritics，USA），采用容量法，通过Bet吸附方程进行计算。植株经H2SO4-H2O2消煮后，用钒钼黄比色法测定全磷含量。

1.4 数据处理

利用软件SPSS 20.0对试验数据进行方差分析和相关性分析，多重比较采用LSD最小极差法，相关性分析运用Pearson双侧检验。采用软件Excel 2016进行图表制作和数据计算。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭用量对潮土有效磷含量的影响

随着时间推移，同一处理的土壤AP含量逐渐减少，但总体变化幅度不大（图1）。在冬小麦3个生育期（返青期、抽穗期、成熟期），土壤AP含量随着生物炭用量增加而增加，添加中、高量生物炭（MB1.0、MB5.0）后土壤AP含量较CK处理显著增加，增幅分别为21.8%～67.8%、151.5%～210.7%。在返青期和抽穗期，MB0.2的土壤AP含量与对照无显著差异，而在成熟期增加了11.3%。在返青期MB5.0处理AP含量较MB0.2和MB1.0处理差异显著，而添加低、中量生物炭（MB0.2、MB1.0）后其含量差异未达显著水平（P＞0.05）；在抽穗期和成熟期3个生物炭用量间其含量差异显著（P＜0.05）。

图1 不同生长时期土壤有效磷含量

2.2 不同生物炭用量对土壤有效磷转化的影响

由表1可知，在冬小麦3个生育期，土壤pH值均随生物炭用量的增加而增加，且以MB5.0处理的土壤pH值最大，较CK分别提高了0.52、0.39和0.31个单位。在整个生育期，添加高量生物炭（MB5.0）的土壤pH值随时间推移呈现降低的趋势，而其他3个处理间pH值均呈现升高的趋势。在3个生育期SOC含量均随生物炭用量的增加而增加（P＜0.05），其中MB5.0处理其含量较CK分别增加了9.3、11.1和14.0倍。同一处理在不同生育时期SOC含量的变化各异，MB1.0、MB5.0处理在抽穗期、成熟期SOC含量较返青期均显著增加，增幅范围达27.6%～56.2%，而CK、MB0.2处理其含量在3个生育期间差异均不显著。在同一生育期MB5.0处理土壤EC较CK、MB0.2和MB1.0处理均显著增加，而CK、MB0.2和MB1.0处理间土壤EC差异未达显著水平（P＞0.05）；同一处理在不同生育时期土壤EC值差异变化不大。

表1 生物炭对土壤有效磷转化的影响

在冬小麦返青期，不同生物炭用量对土壤磷酸酶活性影响不显著（P＞0.05）。在抽穗期，土壤磷酸酶活性呈现出 MB1.0＞CK＞MB0.2＞MB5.0处理，其中MB1.0处理较其它处理增幅分别为9.1%（CK）、13.8%（MB0.2）和20.8%（MB5.0），MB1.0处理其活性显著高于MB0.2和MB5.0处理。在成熟期，土壤磷酸酶活性MB0.2处理较其他处理均显著增加，其活性分别增加了11.9%（CK）、13.2%（MB1.0）、20.3%（MB5.0）。总的来看，不同生育期添加高量生物炭（MB5.0）对土壤磷酸酶活性有抑制作用，添加中量生物炭（MB1.0）的土壤磷酸酶活性在抽穗期较活跃，而低量生物炭（MB0.2）其活性在成熟期较活跃。

2.3 土壤各因子间相关性分析

运用Pearson双侧检验对冬小麦各参数进行相关性分析（表2），冬小麦土壤AP与pH、EC、SOC呈极显著正相关（P＜0.01），与磷酸酶活性呈显著负相关（P＜0.05）。土壤pH与EC、SOC均为极显著正相关（P＜0.01），与磷酸酶活性相关性不显著。土壤EC与SOC呈极显著的正相关性，与磷酸酶活性呈现显著的负相关性。土壤有机碳与磷酸酶活性呈显著的负相关性（P＜0.05）。

表2 土壤有效磷与pH、电导率、有机碳和磷酸酶活性间的相关性分析

2.4 不同生物炭用量对小麦磷素吸收及产量的影响

由表3可知，在冬小麦返青期和抽穗期，不同生物炭用量对植株干物质重的影响差异不显著（P＞0.05）；在成熟期MB1.0处理的植株干物质重均显著高于其他3个处理，分别增加了21.7%（CK）、21.3%（MB0.2） 和17.1%（MB5.0）， 而CK、MB0.2、MB5.0处理间干物质重差异不显著（P＞0.05）。MB1.0和MB5.0处理的小麦产量较CK均显著增加，其中MB1.0处理产量增幅最大，达33.7%。

表3 生物炭对小麦植株生物量、磷素吸收及产量的影响

在返青期和成熟期，冬小麦植株磷含量和吸收量无显著差异（P＞0.05）。在植株抽穗期，MB5.0处理磷含量和吸收量均显著高于其它处理，增幅范围分别为79.2%～103.1%、70.3%～110.1%，而CK、MB0.2和MB1.0处理间植株磷含量和吸收量差异不显著（P＞0.05）。在成熟期籽粒的磷含量和吸收量随生物炭用量的增加而增加，其中MB5.0处理磷含量和吸收量均显著高于其它处理，增幅范围分别为21.4%～30.8%、23.0%～68.9%。

3 讨论

已有研究表明，生物炭含有大量的矿质营养元素，施入土壤后能够明显改善土壤养分状况［21］。本研究结果表明，冬小麦3个关键生育期土壤有效磷含量均随生物炭用量的增加而增加，这与Zhang等［22］的研究结果一致，其可能原因是生物炭中的木质组织在高温碳化过程中释放磷酸盐，为土壤带来直接磷源［23］，从而提高了土壤磷素有效性。土壤pH、SOC、EC能直接影响土壤有效磷含量［24］，本研究发现，生物炭的添加显著提高了土壤pH、SOC、EC值，且有效磷含量与土壤pH、EC和SOC具有极显著的正相关性，这与Amin［25］和张国秀等［26］的研究结果相似。土壤pH的变化能够影响Ca2+、Al3+、Fe3+等金属离子和磷酸根的结合［27］，减少土壤对磷的固定，增加土壤可溶性磷的含量［28-29］。施入生物炭后，酸性土壤pH值升高或碱性土壤pH减少的结果比较常见［30-31］，但才吉卓玛［32］研究发现，添加玉米秸秆生物炭对潮土pH值无显著影响，而本试验中石灰性潮土pH值则显著提高，其差异性结果可能是由各试验中不同生物炭类型、生物炭用量和土壤类型等引起的。张国秀等［26］证实SOC能够通过腐殖质和磷酸根离子形成络合物或螯合物，避免难溶性磷产生，减少土壤对磷的吸附，同时微生物将生物炭中的有机碳作为能源，把土壤中难溶性磷酸盐转化成可溶性有效磷［33］，从而提高土壤磷素有效性。前人［20］研究表明，由于生物炭释放的水溶性阳离子（K+、Ca2+、Mg2+等）含量较高，土壤EC会随生物炭添加量增加而增加，这与本试验结果一致。

土壤酶是评价土壤质量变化的生物学指标，其活性的变化受土壤养分状况的影响［34］。王玲等［35］研究发现，碱性磷酸酶活性随生物炭用量的增加而增加；陈心想等［36］则认为不同的生物炭用量对土壤磷酸酶活性无显著影响。本研究显示，冬小麦不同生育期土壤磷酸酶活性对生物炭添加的响应各异，其中成熟期低量生物炭添加（0.2%）对土壤磷酸酶活性有促进作用，而中、高量生物炭（1.0%和5.0%）对其有抑制作用。这与尚杰等［37］研究结果相一致，其研究认为低量（45 t/hm2）生物炭的添加能够增加土壤碱性磷酸酶活性，而高量（60 t/hm2）生物炭对土壤碱性磷酸酶活性有抑制作用。可见，碱性磷酸酶活性在土壤中受生物炭用量的影响较大，这是由于生物炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，适当的添加到土壤中能够提高土壤解磷微生物的数量，对磷酸酶的活性具有促进作用［38］；而生物炭添加量过高易造成土壤盐分含量增加，从而抑制土壤微生物活性，同时由于生物炭对酶分子的吸附作用，在生物炭过量条件下导致土壤磷酸酶结合位点减少，其活性有所降低［36］。生物炭的添加对土壤碱性磷酸酶活性和有效磷含量的影响是土壤微生物与土壤理化性质相互作用的综合体现［39］。土壤磷酸酶作为植物根系与微生物的分泌产物，能催化磷酸脂或磷酸酐的水解，其活性直接影响着土壤有机磷的分解与转化以及磷素有效性［40］。Jin等［41］研究发现，土壤有效磷含量随土壤磷酸酶活性的增加而增加，而本研究发现，土壤有效磷含量与土壤磷酸酶活性呈显著负相关，其原因可能是植株根际及微生物是在土壤缺磷状态下分泌出磷酸酶，而土壤有效磷含量的增加则会负反馈给土壤磷酸酶，从而抑制了其活性。

生物炭具有良好养分调控作用，施入土壤可以显著促进种子萌发和生长，从而促进作物生产力的提高［42］。已有研究表明，生物炭通过改善土壤理化特性来提高作物产量，生物炭对作物产量的影响主要与生物炭的理化特性、施用量和土壤条件有关［18］。本研究表明，籽粒的磷含量和吸收量随生物炭用量的增加而增加，且中、高量生物炭处理籽粒产量显著高于对照，其中以MB1.0（相当于22.5 t/hm2）的施用量提升效果最佳。生物炭保水、保肥的能力增加了作物根际范围内的水分和有效养分，促进了矿质元素的释放和迁移，从而能够被作物更好的吸收［43］。Niu等［44］田间试验发现，添加3、6和12 t/hm2的玉米秸秆生物炭后，小麦产量显著增加了16.6%～25.9%，这与本研究结果基本一致。李帅霖等［45］采用盆栽试验研究了生物炭不同添加量（0、1%、2%、4%和6%）对小麦产量的影响，结果发现与不施生物炭处理相比，1%和2%生物炭用量平均增产6.62%和11.01%，4%和6% 生物炭用量平均减产6.88%和10.1%。本研究也发现，高量生物炭的添加（5.0%）较中量处理（1.0%）冬小麦产量略有降低，但不显著。其原因可能是生物炭大量施入土壤后，造成土壤pH进一步提高，反而减少了土壤营养元素的有效性，同时大量生物炭的添加促使微生物对氮素产生强烈的固定，降低根系的可利用性进而影响作物产量。因此，在石灰性潮土中适量生物炭的添加对促进作物养分吸收和作物增产具有积极的作用，但盆栽试验可能与大田试验存在一定的差异性，因此需要在该地区进行长期的田间验证。

4 结论

盆栽试验结果表明，施用生物炭能够显著增加潮土有效磷含量，且随生物炭用量的增加而增加；土壤有效磷含量与土壤pH、电导率及有机碳含量呈极显著正相关，与土壤磷酸酶活性则呈显著负相关。研究还发现，小麦收获后，籽粒磷含量、吸磷量随生物炭用量的增加而增加，小麦产量则在中量生物炭（1.0%）时达最大值，较CK增加了33.7%。可见，施入中、高量（MB1.0、MB5.0）的生物炭有利于提高潮土磷素有效性，籽粒磷素吸收及小麦产量，但本结论是短期试验的结果，可能与大田试验存在一定的差异性，仍需要继续开展长期田间试验进行系统、深入的研究。