生物炭及改性生物炭对滨海盐渍化稻田土壤磷素淋失的影响

公霞，陈猛猛，王兆杰，丁效东

（1临沂市生态环境监控中心，山东临沂 276000；2青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109；3山东凯华环保科技有限公司，山东临沂 276000）

0 引言

磷素是作物生长所必需的大量元素之一，人们习惯大量施用磷肥以达到作物增产的目的[1]。然而，由于磷肥利用效率低，大量磷肥添加后，容易造成土壤磷素的大量累积，进而通过淋失增加土壤中磷的损失[2]。现如今，土壤中过量的养分添加容易引起水体富营养化、面源污染等一系列生态环境问题[3]。土壤中磷素向水生生态系统的流失已成为控制中国水体富营养化的主要因素[4]。据统计，2005 年中国磷的总损失为是1980年的3倍，说明近年来土壤磷流失明显增加[5]，通过合理的措施，提升土壤磷素利用效率，减少土壤磷素磷失，对减缓农业面源污染，实现中国农业生态可持续发展具有重要战略意义。

生物炭是作物秸秆在300～1000℃厌氧条件下热解形成的产物[6]。由于其孔隙率高，体积大比表面积高，阳离子交换容量大，生物炭在提高土壤肥力和改善土壤肥力方面具有很大的优势土壤结构[7]。近年来，生物炭的添加减缓磷素磷失，提升磷素利用效率方面起着重要作用[8]。普通生物炭对磷酸盐的吸附能力较差，但Fe、Ca和Al氧化物改性的生物炭具有更佳的表面特征及吸附性能，可以提高磷酸盐的吸附能力[9]。因此探究改性生物炭添加对减缓磷素淋失的作用具有重要意义。

黄河三角洲是由黄河冲击形成的冲积平原，是中国最大的滨海盐碱湿地之一。其具有土壤结构差，养分含量低且易淋失等问题，严重限制了该地区作物的优质高产及生态环境发展[10]。笔者前期研究发现有机肥添加可以增加土壤磷的有效性，然而过量有机肥添加后，极易导致土壤磷素的磷失，诱发生态环境问题[11]。生物炭作为一种新型改良剂，其添加到土壤中对土壤磷素在土壤剖面的迁移特征有待进一步探究。因此，本研究通过7年的田间定位试验，明确生物炭及改性生物炭添加后，土壤剖面磷素迁移特征；阐明生物炭及改性生物炭添加后，土壤金属氧化物与可溶性有机碳和磷的作用关系；评估黄河三角洲滨海盐碱地土壤磷素淋失风险，以期为中国黄河三角洲农业高质量发展，促进生态农业可持续发展提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2016 年在山东省东营市垦利区李王村进行(37°31′16.17″ N，118°32′28.96″ E)。土壤类型为轻度盐渍化滨海潮土，该地区属暖温带大陆性季风气候年平均气温13℃，年平均降水量550 mm。2016年试验开始时，土壤理化性质如下：土壤pH 8.1（土水比1:5）；电导率为0.41 mS/cm；水溶性总盐0.3%；土壤有机碳为4.9 g/kg；总氮、磷、钾分别为1.1、0.34、1.1 g/kg；土壤有效磷为14 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采取单因素设计，共4个处理：（1）空白对照，CK；（2）常规施肥，NPK；（3）常规施肥+秸秆源生物炭8000 kg/hm2；（4）常规施肥+秸秆源铁改性生物炭8000 kg/hm2。常规施肥每年添加N、P2O5和K2O 分别为255、128、229 kg/hm2，化肥选用尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O516%、Ca 15%)和硫酸钾(K2O 50%)。磷肥全部用作基肥，氮肥分4次施用，钾肥分2次施用，详细细节已在前面研究详细描述。以当地的水稻秸秆为原料，在马弗炉中600℃，升温速率为15℃/min，用N加热4 h 制成；改性生物炭采用0.1 M FeCl3浸渍稻草24 h，KOH 调节pH 8 后，烘干于马弗炉进行热解制成。生物炭在2016年水稻种植时一次性添加，后期未进行添加。

水稻品种为‘津粳253’，每年5月下旬移栽，10月初收获，翻地至收获，均采用人工。小区面积为4.25 m×2.6 m=11.05 m2，每个处理3次重复，采取随机区组设计。为防止串肥，小区间用塑料膜埋于地下40 cm，地上30 cm 进行隔开，地上起30 cm 高，40 cm宽的垄。

1.3 样品采集

在2022 年10 月初，通过五点取样法，利用土钻每个小区采集5 个0～20、20～40、40～60、60～80 cm 的土壤样品，每层土壤样品混匀后，组合成一个复合样品，放于密封袋中移送至实验室。样品分为2 部分，一部分用于测定土壤理化性质，一部分用于测定土壤可溶性有机碳。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤速效磷和全磷的测定土壤样品利用碳酸氢钠浸提后，钼锑抗比色法测定速效磷；土壤样品利用硫酸-高氯酸消煮后，用钼锑抗比色法测定全磷。

1.4.2 土壤水溶性磷的测定适量土壤样品于容量瓶中，室温下浸提30 min，吸取20 mL 定容于100 mL 容量瓶，采用比色法测定土壤水溶性磷含量。

1.4.3 土壤有机碳与可溶性有机碳的测定用K2Cr2O7-H2SO4消解，硫酸亚铁滴定法测定土壤有机碳，0.5 M K2SO4(1/5，w/v)提取土壤可溶性有机碳，使用TOC 分析仪（TOC-Vario, Elementar, Langenselbold，德国）测定。

1.4.4 土壤铁、铝与磷氧化物的测定土壤铁、铝与磷氧化物利用草酸-草酸铵浸提，通过元素分析仪测定(PerkinElmer,Waltham,MA,USA)。

1.4.5 土壤磷素磷失风险评估磷饱和度计算如式(1)所示。

1.5 数据分析

所有结果均以平均数±标准差形式呈现，并在SPSS 软件中进行方差分析和Microsoft Excel 2019 表格汇总。在5%的水平上使用邓肯检验来确定处理之间的差异。所有的图表使用Origin 2021软件绘制。

2 结果与分析

2.1 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤速效磷含量的影响

不同土壤剖面中速效磷含量如图1所示，4个处理的速效磷在0～80 cm 呈降低趋势。在0～20 cm 中，相比于NPK处理，生物炭及改性生物炭添加显著增加了土壤速效磷含量，且在改性生物炭处理中土壤速效磷含量最高。然而在20～40 cm土层中，改性生物炭的有效磷含量最低。

图1 生物炭及改性生物炭施用对土壤速效磷含量的影响

2.2 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤全磷含量的影响

不同土壤剖面中全磷含量如图2所示，4个处理的速效磷在0～80 cm 呈降低趋势。在0～20 cm 中，相比于NPK 处理，生物炭及改性生物炭添加显著增加了8.7%土壤全磷含量，且在改性生物炭处理中土壤全磷含量最高，2生物炭处理的全磷含量在0～20 cm无显著差异。然而在20～80 cm土层中，改性生物炭的全磷含量低于常规施肥处理，表明改性生物炭添加后，土壤更少的磷淋失。

2.3 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤水提取磷含量的影响

不同土壤剖面中水提取磷含量如图3所示，4个处理的水提取磷在0～80 cm 呈降低趋势。在0～20 cm中，相比于NPK 处理，生物炭及改性生物炭添加显著增加了土壤水提取磷含量，且在改性生物炭处理中土壤水提取磷含量最高。随土层深度增加，FeBC处理中水提取磷含量逐渐降低。在60～80 cm 土层中，FeBC处理的水提取磷含量，显著低于NPK处理。

图3 生物炭及改性生物炭施用对土壤水提取磷含量的影响

2.4 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤有机碳及可溶性有机碳的影响

与CK 处理相比，BC 和FeBC 处理表层土壤有机碳含量显著降低处理分别显著提高了12.9%和18.6%（图4a）。SOC 含量由0～20 cm 下降至40～60 cm，呈FeBC＞BC＞NPK＞CK的趋势。此外，DOC含量也呈现出与SOC相似的趋势。在0～20 cm土壤表层，BC和FeBC 处理的DOC 含量显著增加；FeBC 处理组比BC处理组高7.2%（图4b）。此外，在40～60 cm 至60～80 cm范围内，DOC含量呈增加趋。

图4 生物炭及改性生物炭施用对土壤有机碳（a）及可溶性有机碳（b）含量的影响

2.5 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤铁、铝和磷氧化物的影响

与NPK处理相比，BC和FeBC处理表土铁氧化物含量显著提高14.7%和19.2%。在60～80 cm 土层中，FeBC 中铁氧化物含量低于BC 处理（图5a）。土壤中磷氧化物与铁氧化物呈同样的趋势。生物炭及改性生物炭添加后，土壤铝氧化物同样呈现增加的趋势，且在0～60 cm，铝氧化物的含量呈降低的趋势。然而在60～80 cm中，铝氧化物的含量要高于40～60 cm（图5a）。

图5 生物炭及改性生物炭施用对剖面土壤铁（a），铝（b）和磷氧化物（c）的影响

2.6 生物炭及改性生物炭施用对盐渍土壤磷素淋失风险的评估

生物炭及改性生物炭添加对土壤磷饱和度的影响如表1。相比于NPK处理，生物炭及改性生物炭添加，0～20 cm土壤中磷饱和比在BC和FeBC处理中降低了1.3%和0.86%，在不同剖面中呈现同样的趋势。

表1 生物炭及改性生物炭施用对盐渍土壤磷饱和度的影响

2.7 土壤理化性质与磷饱和度的相关性分析

通过皮尔森相关性分析，发现AP、TP 和H2O-P 与SOC、DOC、Feox 和Alox 呈正相关关系，其中DOC 与土壤全磷含量相关性系数达0.929，表明DOC与TP在土壤中可能共同迁移。PSR与土壤AP、TP和H2O-P呈极显著正相关，表明磷素含量与磷饱和度可能存在直接联系。

3 结论

7 年田间定位试验表明，生物炭及改性生物炭添加显著增加稻田土壤全磷及有效磷含量。土壤中全磷在剖面上呈逐渐降低的趋势，然而在60～80 cm 土层中，常规施肥的全磷含量高于改性生物炭添加的处理，表明改性生物炭添加减缓了土壤磷素向下运移。同时，土壤金属氧化物、有机碳及可溶性有机碳与土壤全磷，速效磷及水溶性磷之间存在极显著正相关关系，表明土壤磷、金属氧化物和有机质可能存在共迁移。通过计算磷饱和度，发现相比于传统施肥，生物炭添加稻田土壤磷素淋失风险降低。综上所述，生物炭，尤其是改性生物炭的添加，可显著增加土壤表层土壤磷有效性，减缓土壤磷素淋失风险。

4 讨论

4.1 生物炭及改性生物炭添加对土壤磷素运移特征的影响

生物炭添加可显著提高土壤磷素有效性，且改性生物炭具有更好的提升效果[12]。在本研究中，生物炭及改性生物炭添加后，0～20 cm 土壤中速效磷含量显著高于常规施肥处理（图1）。其原因可能是生物炭添加后，促进了土壤团聚体的形成，为微生物提供佳的生存环境，进而活化了土壤中的磷，提升了土壤有效磷[13]。盐碱土壤结构差，土壤保磷能力弱，长期磷肥的添加极易导致土壤磷素的淋示失，增加一系列环境风险[14]。生物炭作为秸秆资源化利用后形成的一种多孔结构的土壤改良剂，其施入土壤后，可显著提升对土壤养分的吸附性能，改善土壤养分淋失问题[15]。在本研究中，0～80 cm随着土层的增加，土壤全磷呈降低的趋势，然而在60～80 cm 土层中，生物炭及改性生物炭添加的处理中，土壤全磷含量有所降低（图2），表明生物炭及改性生物炭添加后，土壤磷素淋失现象减缓。其原因可能是：（1）改性生物炭添加后，土壤磷吸附在生物炭表面，进而减少了土壤磷素的淋失[16]；（2）生物炭添加后，土壤具有更好的物理结构，阻止土壤磷素的淋失[17]。

此外，黄河三角洲地区地下水位高，土壤磷素极易随土壤水分运移而向下淋失[18]。我们发现在生物炭施用后表层土壤水溶性磷含量显著增加（图3），然而在60～80 cm 土层，相比于NPK 处理，改性生物炭中水溶性磷含量有所降低。这进一步证明了改性生物炭可以增加土壤磷素有效性，减少土壤磷素的淋失，改善黄河三角洲盐碱耕地土壤质量及生态环境具有重要意义。

4.2 生物炭及改性生物炭添加对金属氧化物，可溶性有机碳共迁移的影响

土壤中的磷素不是单独存在的，大多是与土壤中的金属氧化物，有机质等物质结合存在于土壤中[19]。土壤中的磷，金属氧化物和有机质三者可形成复合体，在土壤中共同向下迁移[20]。稻田土壤干湿交替，加之黄河三角洲地区种植作物前需要大水压盐，以提高作物的成活率[21]。本研究中，改性生物炭添加后，土壤中金属氧化物，有机碳及可溶性有机碳均显著增加（图4、5）。其原因可能是改性生物炭的投入，其本身携带大量有机质及金属氧化物，使得土壤中含量增加[22]。皮尔森相关性分析发现，土壤金属氧化物，有机碳及可溶性有机碳与土壤全磷，速效磷及水溶性磷之间存在极显著正相关关系（表2）。这进一步正面土壤中的磷，金属氧化物和有机质可能共同向下迁移。

表2 土壤理化性质与磷饱和度的相关性分析(n=48)

土壤磷素淋失很大程度上取决于土壤磷饱和度，前期研究发现，磷饱和度越高，土壤磷素淋失风险越大[23]。本研究中发现，CK 处理的土壤磷饱和度最低，其原因可能是土壤长期不施肥，土壤中磷素含量低，磷素不存在淋失风险[24]。然而，常规施肥处理中磷饱和度达0.23，表面传统常规施肥条件下，土壤中磷素存在较大淋失风险。再添加生物炭及改性生物炭后，土壤中磷饱和度显著降低，且铁改性生物炭中磷饱和度最低，其原因可能是：（1）相比于传统生物炭，改性后的生物炭具有更大的比较面积，增加了表面具有吸附性能的官能团结构[25]；（2）改性生物炭添加后土壤提供更多磷吸附位点，减少土壤饱和度，达到减缓磷素淋失的问题[26]。综上所述，生物炭，尤其是改性生物炭添加，可以增加土壤磷素有效性，同时可减缓土壤磷素淋失风险。这一举措对保障黄河三角洲生态环境，减缓中国农业面源污染具有重要意义。