富磷型猪粪基生物炭肥对土壤-萝卜系统的影响

2020-09-24谭羽男陈玉成

生态与农村环境学报 2020年9期

杨婧，钟慧，潘欢，谭羽男，易蔓,2，陈玉成,2①

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.农村清洁工程重庆市工程研究中心/ 重庆市生态环境农用地土壤污染风险管控重点实验室，重庆 400716)

生物炭基肥是一种以生物炭为基质，配合不同比例氮、磷、钾等养分制备的具有缓释功能的肥料[1]。生物炭基肥能够利用自身可逆吸附作用控制养分释放速度，减少养分淋洗损失[2]，提高肥料利用率，从而提高植物产量和品质[3]；其所含的生物炭能改良土壤理化性质[4]和改善微生物群落结构[5]，提高土壤微生物和酶活性[6-7]，协调水肥气热[8-9]等。但生物炭基肥对土壤-植物系统的影响未达成共识，有研究发现，生物炭基肥抑制了棕壤中过氧化氢酶、蔗糖酶活性，降低了可溶性有机碳含量，对微生物活性提高的作用不及猪厩肥[10]，对生长于钙质土的小麦增产效应不明显甚至减产[11]。此外，已有研究多以生物炭与氮磷钾无机复合肥混制的生物炭基肥为试验材料，而关于生物炭取代无机磷肥制备的富磷型生物炭肥的研究较少。

磷是植物生长所必需的营养元素，但我国磷肥的当季利用率仅为10%～25%，全国74%的耕地土壤缺磷[12]。与此同时，长期大量施用磷肥易导致部分磷素从农田向环境流失，使土壤肥力下降、植物减产，还给水体环境带来潜在威胁[13]。而富磷型生物炭肥的吸持效应为有效缓解土壤磷素淋溶损失、提高磷肥利用率提供了新思路。樱桃萝卜是一种喜磷植物，具有生长速度快、生长周期短的特点，对磷肥需求较敏感。以饱和吸附磷后的猪粪生物炭为研究对象，将按不同比例取代无机磷肥制成富磷型猪粪基生物炭肥施入紫色土，通过盆栽试验探究不同配比富磷型猪粪基生物炭肥对西南地区紫色土理化性质以及樱桃萝卜产量和品质的影响，为富磷型生物炭肥在紫色土中合理利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

生物炭由取自重庆市某养猪场的猪粪自制而成。猪粪基本性质(以干基计)为w(有机质)为425.2 g·kg-1，w(氮)为53.26 g·kg-1，w(磷)为32 g·kg-1，w(钾)为11.2 g·kg-1。将猪粪去除大粗粒后于75 ℃条件下烘干24 h，再在750 ℃缺氧条件下热解4 h，待炭化反应结束后，冷却至室温，取0.45和0.20 mm孔径筛2筛之间截留物制备成猪粪生物炭。将制备的猪粪生物炭在25 ℃、180 r·min-1条件下,于ρ(磷)为10 mg·L-1的磷酸二氢钙溶液中恒温振荡吸附磷24 h，经0.45 μm滤膜过滤后风干，得到富磷型猪粪基生物炭肥(pig-manure-based and P-enriched biochar fertilizer，PPBF)，其中w(磷)为129.0 g·kg-1，w(氮)为10.52 g·kg-1，w(钾)为23.78 g·kg-1，pH值为7.50，w(铜)为542.6 mg·kg-1，w(锌)为779.3 mg·kg-1，w(铅)为28.67 mg·kg-1，w(镉)为10.36 mg·kg-1。

土壤采自国家紫色土肥力与肥料效益监测基地(29°48′36″ N、106°24′33″ E)水稻土，基本理化性质为pH值为7.18，w(有机质)为17.31 g·kg-1，w(全氮)为0.803 g·kg-1，w(全磷)为1.395 g·kg-1，w(速效磷)为0.102 g·kg-1，w(全钾)为8.933 g·kg-1。

美国樱桃萝卜(RaphanussativusL.var.radculuspers)由开拓者作物种子公司提供。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，选用10 cm×10 cm×20 cm的塑料盆，每盆装土3.0 kg。试验设CK、ZF、ZF0.3、ZF0.5、ZF0.7和NPK 6个处理，其中CK为对照；NPK处理施加化肥，参照重庆市农用地P2O5施用量112.5 kg·hm-2，按w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=2∶1∶1.2施肥，即每盆分别施加氮肥(尿素)0.30 g、磷肥(普通过磷酸钙)0.15 g和钾肥(氯化钾)0.18 g；ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理按等磷量以富磷型猪粪基生物炭肥的磷素替代化肥磷，替代比例分别为30%(0.349 g)、50%(0.581 g)和70%(0.814 g)；ZF处理添加等磷量未吸附磷猪粪生物炭(1.16 g)。试验重复5次，共计30盆。

盆栽试验于2018年4月在大棚进行。各处理肥料一次性施入，并充分混匀，每盆播种樱桃萝卜种子3粒，生长期间用去离子水浇灌，保持土壤水分为田间持水量w的50%～60%。2个重复分别在樱桃萝卜苗期和莲座期进行破坏性采样，剩余3个重复用于樱桃萝卜肉质根膨大期(经济收获期)测定产量与品质。植物样品分地上部和根部，洗净后分别测定生物量，保留部分新鲜样品，其他样品在120 ℃ 条件下杀青2 h，然后在60 ℃条件下烘干至恒重，粉碎，备用。收集盆栽土壤样品，均匀混合后，风干、过筛后保存备用。

1.3 测定指标与方法

土壤样品：pH采用pH计按m(土)∶V(水)=1∶10测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法——外加热法测定；全氮(TN)含量采用凯氏法测定；全磷(TP)含量采用钼锑抗比色法测定；速效磷(OP)含量采用Olsen法测定；全钾(TK)含量采用火焰光度计法测定；Cu、Zn、Pb和Cd含量采用原子吸收分光光度法测定[14]。

植物样品：全磷含量采用钼锑抗比色法测定；维生素C(以鲜重计)含量采用2，4-二硝基苯肼比色法测定；Cu、Zn、Cd和Pb含量采用原子吸收分光光度法测定；总糖含量采用3，5-二硝基水杨酸法测定；硝酸盐(以鲜重计)含量采用水杨酸比色法测定[15]。

1.4 数据处理

数据处理和图表绘制采用Excel 2010和Origin 8.1软件，数据显著性分析(Duncan多重比较)和相关性分析采用SPSS 21.0软件。

2 结果与讨论

2.1 不同生育期PPBF对土壤理化性质的影响

2.1.1不同生育期PPBF对土壤pH的影响

pH是土壤重要的基本性质之一，适当提高土壤pH能有效改良土壤。表1显示，在樱桃萝卜苗期，ZF、ZF0.5和ZF0.7处理土壤pH均较CK提高，而ZF0.3和NPK处理土壤pH分别显著降低0.24～0.33和0.35～0.36个单位；在莲座期和肉质根膨大期，ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理土壤pH均高于CK和NPK处理。

表1 不同生育期PPBF对土壤pH的影响

在樱桃萝卜各生育期，CK处理pH逐渐降低，NPK处理pH基本不变，ZF0.3处理pH逐渐上升，ZF、ZF0.5和ZF0.7处理pH呈先下降后上升趋势。这可能是由于樱桃萝卜在生长过程中，根系向土壤分泌低分子量有机酸的速度超过分解转化速度，有机酸含量逐渐增多，导致CK土壤pH持续下降。而ZF、ZF0.5和ZF0.7处理PPBF中生物炭有利于提高土壤酶和微生物活性[6-7]，促使有机酸快速分解；同时，生物炭呈碱性，灰分含量高，矿物元素多以氧化物或碳酸盐形式存在，相比于CK和NPK处理，施加生物炭能更快更多地提高土壤pH，从而使土壤pH值在莲座期后升高。

2.1.2不同生育期PPBF对土壤养分的影响

在樱桃萝卜苗期、莲座期和肉质根膨大期，各处理土壤有机质、TN和TK含量大多较CK同生育期有显著提高(表2)。这可能是因为PPBF是一种含有大量可溶性N、K、Ca、Na和Mg等矿质元素的富碳材料，在为土壤提供外源有机碳、N和K的同时，生物炭的高度生物稳定性也有利于土壤有机碳持续增加和固碳减排[16]，同时生物炭较大的比表面积和大量表面官能团能够吸附N和K，减少N和K的淋溶损失，有利于土壤有机质、TN和TK含量的提高。

表2 不同生育期PPBF对土壤养分的影响

在苗期，ZF0.5和NPK处理土壤TP含量比CK分别显著提高3.54%和5.26%，而ZF、ZF0.3和ZF0.7处理则显著降低；在莲座期和肉质根膨大期，ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理土壤TP含量均高于CK和NPK处理。在苗期仅ZF0.3处理OP含量显著高于CK，而在莲座期和肉质根膨大期各处理OP含量较CK分别提高21.72%～43.47%和0.22%～28.42%。NPK处理土壤OP含量在莲座期仅小于ZF0.7处理，且差异不显著，而在肉质根膨大期最高。这可能是因为PPBF能够显著提高土壤pH(表1)，减少铁铝氧化物对磷的吸附[17]，从而使土壤OP含量显著增大，且PPBF对磷酸盐和可溶性有机磷同样存在吸附固定作用[13]，因此添加PPBF处理与NPK处理相比在一定程度上能促进磷素固定，有效减少磷素在土壤中的淋溶损失。

2.1.3不同生育期PPBF对土壤重金属的影响

土壤重金属含量对植物正常生长和质量具有重要影响。由图1可知，在樱桃萝卜生长过程中，与CK相比，各处理土壤Cu总含量和有效态含量均显著提高。除ZF0.7处理外，各生育期其他处理土壤Zn总含量较CK显著增加。相同生育期添加PPBF处理土壤Cu和Zn有效态含量由高到低均为ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7，这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。樱桃萝卜不同生育期ZF、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理土壤Pb总含量和有效态含量均低于NPK处理。

CK为对照，ZF为添加未吸附磷猪粪生物炭肥处理，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7分别为添加30%、50%和70%富磷型猪粪基生物炭肥处理，NPK为施加化肥处理。同一分图中，直方柱上方英文小写字母不同表示相同生育期不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

与CK相比，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理对土壤Cd总含量和苗期Cd有效态含量影响不显著，莲座期和肉质根膨大期Cd有效态含量分别降低16.10%～21.68%、7.23%～11.48%和28.72%～38.56%。这可能是因为添加PPBF处理显著提高了土壤pH和有机质含量(表1)，增强了土壤对Pb、Cd的固定和吸附，同时猪粪生物炭通过表面络合、静电吸附等作用[18]降低土壤中Pb和Cd活性。各处理土壤Cu、Zn、Pb和Cd总量有不同程度的增加，但仍远低于GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中相关标准，应关注富磷型猪粪生物炭肥的长期、大量施用对土壤重金属累积和农产品质量安全性的影响。

2.2 不同生育期PPBF对樱桃萝卜产量的影响

施肥是提高植物产量的重要措施。在樱桃萝卜生长过程中，各处理地上部、根部生物量较同生育期CK处理分别增长17.20%～44.17%和20.63%～83.31%，且添加PPBF处理增长量均高于ZF和NPK(图2)。

CK为对照，ZF为添加未吸附磷猪粪生物炭肥处理，ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7分别为添加30%、50%和70%富磷型猪粪基生物炭肥处理，NPK为施加化肥处理。

在苗期，与CK相比，添加PPBF处理地上部、根部生物量增长率分别为29.55%～38.81%和49.30%～83.31%，而NPK处理地上部、根部生物量增长率分别为22.04%和28.44%；在莲座期和肉质根膨大期，添加PPBF处理地上部、根部生物量均随生物炭的添加比例增高而增高。由此可见，添加PPBF处理对根部生物量促进作用明显。这可能是因为PPBF中生物炭能够有效改善土壤结构，提高土壤保水通气能力[19]，促进樱桃萝卜植株根系增长，有利于植株从土壤中快速吸取水分和获得充足营养。

2.3 不同生育期PPBF对樱桃萝卜品质的影响

2.3.1不同生育期PPBF对樱桃萝卜有害品质的影响

(1)不同生育期PPBF对硝酸盐含量的影响

植物体内硝酸盐含量不仅能够反映植物氮素营养状况，而且是鉴定植物及其加工品品质的重要指标。表3显示，在苗期，除ZF0.3处理外，其他处理樱桃萝卜硝酸盐含量较CK显著降低；在莲座期，仅NPK和ZF0.7处理硝酸盐含量显著增高；ZF和添加PPBF处理肉质根膨大期硝酸盐含量显著高于CK，但均低于NPK处理，且符合蔬菜硝酸盐含量一级标准(硝酸盐含量不高于432 mg·kg-1)[20]。这与陈雪娇等[21]发现生物炭基肥处理植物硝酸盐含量显著高于化肥处理的结果不一致。这可能是因为PPBF所含生物炭具有强大的吸附铵态氮和可溶性有机氮的能力[2]，能够控制NH4+向NO3-的转化速率[22]，樱桃萝卜不会因短期内吸收过多NO3-而造成硝酸盐大量累积；此外，添加PPBF处理樱桃萝卜生长发育旺盛，其生物量高于NPK处理(图2)，吸收的硝态氮能够及时代谢转化，因而体内硝酸盐累积量低于NPK处理。

(2)不同生育期PPBF对重金属含量的影响

樱桃萝卜Cu含量未检出，这可能是由于樱桃萝卜对Cu吸收较少，其含量未达到检出限。不同生育期不同处理樱桃萝卜Zn、Pb和Cd含量见表3。添加PPBF处理Zn含量较CK苗期有所降低，莲座期和肉质根膨大期则显著增高。Zn是樱桃萝卜生长所需的重要微量元素，适当提升土壤Zn含量有利于樱桃萝卜自身生长发育和营养品质提高。添加PPBF处理樱桃萝卜Pb含量较CK在苗期、莲座期和肉质根膨大期分别降低1.73%～45.89%、6.12%～44.49%和9.80%～29.41%，且相同生育期Pb含量由高到低为NPK>ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7。在苗期，仅ZF0.7处理樱桃萝卜Cd含量低于CK；莲座期和肉质根膨大期ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理Cd含量较CK分别降低11.22%～12.17%、4.19%～9.18%和13.27%～13.31%。这表明施用PPBF能够有效降低樱桃萝卜Pb和Cd含量，且ZF0.7处理效果最佳。添加PPBF处理樱桃萝卜Pb和Cd含量降低可能与土壤Pb和Cd有效性降低和因生物量显著增加而产生的“稀释效应”有关。樱桃萝卜以最低含水率w为94.5%计，Pb和Cd最高含量分别为0.026和0.006 mg·kg-1，均远低于GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中Pb(0.1 mg·kg-1)和Cd(0.05 mg·kg-1)限值。

表3 不同生育期PPBF对樱桃萝卜品质的影响

2.3.2不同生育期PPBF对樱桃萝卜营养品质的影响

施用PPBF能有效提升樱桃萝卜营养品质(表3)。苗期NPK、ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理樱桃萝卜P含量显著高于ZF处理；莲座期添加PPBF处理P含量均显著高于CK、ZF和NPK处理；肉质根膨大期ZF0.3、ZF0.5和ZF0.7处理P含量较CK分别增长13.09%、10.82%和39.41%。与CK相比，苗期、莲座期、肉质根膨大期各处理樱桃萝卜总糖和维生素C含量均不同程度提高。添加PPBF处理樱桃萝卜总糖含量随生物炭添加比例增加而增加，并且ZF0.7处理总糖含量始终高于NPK处理。在苗期和莲座期，添加PPBF处理樱桃萝卜维生素C含量由高到低为ZF0.3>ZF0.5>ZF0.7；而在肉质根膨大期，ZF0.7处理樱桃萝卜维生素C含量最高，较CK、NPK和ZF处理分别提高18.53%、4.07%和11.25%。廖上强等[23]试验表明添加30%生物炭基肥处理能降低番茄硝酸盐含量，显著增加可溶性糖含量和糖酸比。陈懿等[24]研究发现施用生物炭基肥能够提高烟叶叶绿素、类胡萝卜素和烟碱含量。PPBF对植物品质的改良效应可能是因为PPBF改良土壤理化性质，增加土壤酶活性，有利于土壤中各种生化反应的催化，为植物提供更好生长环境；同时，PPBF比化肥更能促进土壤养分配比均衡，使土壤更好适应植物体内代谢转化平衡，有利于植物生长发育[7]。

2.3.3不同生育期土壤OP含量和樱桃萝卜P含量相关性分析

分别对苗期、莲座期、肉质根膨大期土壤OP含量与樱桃萝卜P含量做相关性分析，其Pearson相关系数分别为-0.642、0.645和0.813(P<0.01)。土壤OP含量与樱桃萝卜P含量在苗期呈极显著负相关，在莲座期和肉质根膨大期呈极显著正相关(P<0.01)。这可能是因为苗期各处理土壤OP含量供给充足，此时樱桃萝卜吸磷效应主要取决于根系吸磷水平，尽管添加PPBF处理土壤OP含量相对较低，但PPBF明显促进樱桃萝卜根系生长(图2)，提高根系吸磷水平，因此添加PPBF处理樱桃萝卜P含量反而更高；而在莲座期和肉质根膨大期，添加PPBF处理对土壤磷素活化的促进作用逐渐突显，土壤OP含量较CK增高，对樱桃萝卜吸收磷素更具优势，因而樱桃萝卜P含量与土壤OP含量变化趋势基本一致。