改性生物炭对菜地土壤磷素形态转化的影响

王荣萍，余炜敏，梁嘉伟，廖新荣，詹振寿，李淑仪. 广东省生态环境与土壤研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 50650；2. 佛山市环保技术与装备研发专业中心，广东 佛山 528000



改性生物炭对菜地土壤磷素形态转化的影响

王荣萍1， 2，余炜敏1，梁嘉伟1，廖新荣1， 2，詹振寿1，李淑仪1
1. 广东省生态环境与土壤研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；
2. 佛山市环保技术与装备研发专业中心，广东 佛山 528000

摘要：生物炭是一种含碳量高且更为稳定的有机碳，能够显著影响土壤物理、化学及生物学性质。以华南地区主要的菜地土壤为研究对象，研究新型生物炭对土壤磷素形态转化及有效性的影响，结果表明，施用生物炭可以提高树脂磷（Resin-Pi）、NaHCO3提取态无机磷（NaHCO3-Pi）、NaOH提取态无机磷（NaOH-Pi）含量，生物炭施入土壤后能明显提高土壤的有效磷含量，但并未显著提高稀盐酸提取态无机磷（D·HCl-Pi）和浓盐酸提取态无机磷（C·HCl-Pi）的含量；施用生物炭增加了NaHCO3提取态有机磷（NaHCO3-Po）的含量，降低了NaOH提取态有机磷（NaOH-Po）的含量，提高了残渣磷（Residual-Pt）含量，并未改变浓盐酸提取态有机磷（C·HCl-Po）的含量。土壤速效磷与 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈显著相关，并与NaHCO3-Pi的相关性最强，相关系数达到0.980 5；Resin-Pi与NaHCO3-Pi、D.HCl-Pi呈极显著相关；NaHCO3-Pi与NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈显著相关，并与D.HCl-Pi的相关性最强，相关系数达到0.816 6。表明在施用生物炭的条件下，不同形态的磷可以通过矿化等形式转化为有效性较高的磷形态。

关键词：生物炭；菜地土壤；磷形态

引用格式：王荣萍， 余炜敏， 梁嘉伟， 廖新荣， 詹振寿， 李淑仪. 改性生物炭对菜地土壤磷素形态转化的影响［J］. 生态环境学报， 2016， 25（5）: 872-876.

WANG Rongping， YU Weimin， LIANG Jiawei， LIAO Xinrong， ZHAN Zhenshou， LI Shuyi. Effects of Modified Biochar on Soil Phosphorus Transformation in Vegetable Fields ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 872-876.

磷极易被土壤吸附，其利用率极低。磷是作物生长最为重要的必需营养元素之一，据估计，我国约有1/3～1/2的耕地土壤缺磷（沈善敏，1998）。磷肥施入土壤后，经过一系列的化学、物理化学或生物化学过程，形成难溶解性的磷酸盐并迅速为土壤矿物吸附沉淀或为土壤微生物固定，其在当季作物的利用率仅为10%～25%（李庆逵等，1998）。在红壤中磷肥的肥效更是受限制，磷肥施入土壤后，由于铁、铝在红壤的酸性条件中的溶解度非常高，可与磷生成磷酸铝铁化合物，从而形成沉淀，并进一步水解转化为磷铁矿和磷铝石，再进一步转化为闭蓄态磷酸盐，成为植物难以利用的磷形态（刘建玲等，2000）。磷在土壤中的化学行为和存在形态，因直接影响了磷素对作物的贡献而一直受国内外学者的广泛关注。因此如何提高磷的利用率成为了农业领域关注的热点，也是世界农业可持续发展的需求。

施用有机碳可减少土壤对磷的固定，活化土壤中难溶态磷，对磷的形态有一定影响。大量试验表明，有机碳输入不但能通过自身有机磷矿化来改善土壤磷素营养，并能通过降低土壤对磷的吸附、增加磷的解吸等途径提高磷的利用率；而且还能通过还原、酸溶、络合溶解作用以及促进解磷微生物增殖等过程活化土壤中难溶态磷，使其转化为可溶态磷（Jones et al.，1994；Drever et al.，1997；Zhang et al.，1997；章永松等，1998；Kpomblekou et al.，2003；Feng et al.，2004；丁永祯等，2005；Hu et al.，2005；单德鑫等，2009），绿肥、作物残体、农家肥等有机物料都有类似作用。

有机碳输入对土壤的物理、化学性质有一定的影响，可以提高磷的有效性（Xu et al.，2014；Christel et al.，2014），前人已做了一些研究，但是铁基生物炭输入对南方菜地土壤磷素形态的影响还未有系统的研究。本研究以华南地区主要的菜地土壤为研究对象，研究新型生物炭对土壤磷素形态转化及有效性的影响，揭示有机碳促进磷活化的机理，以期为提高华南菜地土壤磷素含量及有效性提供理论依据，为合理施肥提供参考。

1　材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2015年在广东省广州市白云区农业科学试验中心鹤亭基地进行。该地区属于南亚热带季风气候，1月平均气温 13.5 ℃，夏季平均气温28.7 ℃，年平均气温21.5～22.2 ℃，年降雨量1800 mm以上。试验土壤为河流冲积土田，母质为河流冲积物，土壤质地为砂质粘壤土，土壤的基本理化性状为：pH 6.42，有机质19.69 g·kg-1，有效磷 54.5 mg·kg-1。供试生物炭为广东省生态环境与土壤研究所研制产品，铁基生物炭材料以生物质为原料，通过高温（300～800 ℃）碳化的方法，在制备生物炭过程中，加入含铁化合物，将铁以特定比例（2%）掺杂，形成具有特殊结构和功能的铁基生物炭材料。其理化性质为：pH 7.30，有机质40.77 %，全氮0.74%，全磷0.21%，全钾12.25%，速效磷646.8 mg·kg-1。供试蔬菜为小白菜，品种为金冠黑叶白菜，种源地为广东省农科院蔬菜研究所。

1.2 试验设计

试验共设计5个处理，分别为F0：对照；F1：生物炭/耕层土壤重量=0.1%，2250 kg·hm-2，耕层土壤约2.25×106kg·hm-2； F2：生物炭/耕层土壤重量=0.2%，4500 kg·hm-2；F3：生物炭/耕层土壤重量=0.3%，6750 kg·hm-2； F4：生物炭/耕层土壤重量=0.5%，11250 kg·hm-2。无机肥用量均为尿素（含N 46%）350 kg·hm-2、过磷酸钙（含P2O512%）300 kg·hm-2、硫酸钾（含K2O 50%）144 kg·hm-2。试验设置3个重复，随机区组排列，共15个小区，小区面积20 m2。

1.3 田间管理与采样

2015年3月1日播种，3月23—24日移栽，3月25日施基肥，全部铁基生物炭、磷肥作基肥，30%氮肥和30%钾肥作基肥，其余氮肥和钾肥分4次分别在移栽后的第3天、第14天和第21天各追15%、20%和35%。基肥在移苗前施于耕层全层，追肥随水追施。

试验管理同田间常规管理，4月24日收获。

分别在第1次追肥后和第3次追肥后采集0～20 cm耕层土壤，风干过筛后用于土壤磷形态的测定。

1.4 磷的形态分析方法

磷形态分级采用的是 Hedley的改进方法（Tiessen et al.，1984），将土壤磷素分为6个大类：树脂交换磷（Resin-Pi）、NaHCO3提取态磷（NaHCO3-Pi和 NaHCO3-Po）、NaOH提取态磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）、稀盐酸（1 mol·L-1）提取态磷（D.HCl-Pi）、浓盐酸提取态磷（C.HCl-Pi和C.HCl-Po）和残留态磷（Residual-P），省去了Hedley磷素分级中含量较低的土壤微生物磷和土壤团聚体内磷，在稀盐酸浸提后又用浓盐酸进行浸提，用于提取残留态中的部分有机磷。

1.5 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，通过单因素方差分析（one-way ANOVA）的Duncan新复极差法进行差异性检验。

2　结果与分析

2.1 生物炭施用对土壤pH和有机质的影响

从表1可以看出，生物炭各处理的pH值均高于对照处理，同时各处理的pH值均较种植前提高（种植前pH 6.42），其中以F4处理提高较多，从有机质的结果可以看出，F4处理与对照相比，有机质含量显著提高（P＜0.05），F1、F2和F3处理与对照相比，有机质含量有所增加，但未达到显著差异（P＞0.05）。总之，生物炭施用提高了土壤pH值，增加了有机质含量。

表1　不同生物炭处理土壤pH和有机质变化Table 1　Changes of soil pH and organic matter under different biochar treatments

2.2 生物炭施用对土壤无机磷形态的影响

树脂磷（Reisn-Pi）是指与土壤溶液磷处于平衡状态的土壤固相无机磷，可被阴离子交换树脂代换出。在土壤溶液被移走后，它可迅速进行补充，所以它是充分有效的，此部分磷构成了土壤活性磷的大部分。从图1可以看出，生物炭施用可以提高土壤中 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量。除F2（4500 kg·hm-2）外，其他生物炭处理均提高了树脂磷（Resin-Pi）的含量，与对照（F0）相比，F1（2250 kg·hm-2）和F4（11250 kg·hm-2）处理的Resin-Pi含量显著增加（P＜0.05），而 F2（4500 kg·hm-2）和F3（6750 kg·hm-2）处理并未显著增加（P＞0.05）。除 F4处理外，施用生物炭亦提高了NaHCO3-Pi含量；中低量生物炭施用下，随着生物炭施用量的增加，仅 F2处理与对照相比，NaHCO3-Pi含量显著增加（P＜0.05），其他处理与对照相比，NaHCO3-Pi含量并无显著变化。施用生物炭显著增加了NaOH-Pi的含量，F3处理增加幅度最大，且差异显著（P＜0.05），其次是F1、F2处理，F4处理增加幅度最小，且差异不显著（P＞0.05）。施用生物炭 D.HCl-Pi含量并未表现出显著增加的趋势，甚至F4处理有下降的趋势。总体上，除F1 （2250 kg·hm-2）处理外，施用生物炭提高了C.HCl-Pi的含量，但差异不显著（P＞0.05），从图中可以看出，F2（4500 kg·hm-2）处理增加幅度最大。尽管生物炭对各形态磷的影响各不相同，但总的来说，施用生物炭可以提高各形态无机磷的含量。

图1　生物炭施用对菜地土壤无机磷形态的影响Fig. 1　Effects of biochar application on inorganic phosphorus in vegetable soils

2.3 生物炭施用对土壤有机磷形态及残渣磷的影响

从图 2可以看出，施用生物炭可以提高NaHCO3-Po含量，随着生物炭用量的增加，NaHCO3-Po含量表现出增加的趋势，但未达到显著差异（P＞0.05）。NaOH-Po则表现出降低的趋势，与对照相比，F1（2250 kg·hm-2）处理的NaOH-Po含量未显著降低（P＞0.05），而其他处理的NaOH-Po含量显著降低（P＜0.05）。生物炭的施用并未显著改变C.HCl-Po的含量（P＞0.05），残渣磷（Residual-Pt）含量除F1（2250 kg·hm-2）外，其他处理与对照相比，均有增加的趋势，其中F3（6750 kg·hm-2）处理显著增加（P＜0.05）。

2.4 土壤各形态磷之间的相关性分析

土壤各形态磷相关分析结果表明（表2），速效磷与Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈显著相关，并与NaHCO3-Pi的相关性最强，相关系数达到0.9805；Resin-Pi与NaHCO3-Pi、D.HCl-Pi呈极显著相关；NaHCO3-Pi 与NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈显著相关，并与 D.HCl-Pi的相关性最强，相关系数达到0.8166。

3　讨论与结论

目前国内外已有较多的研究报道（闫湘等，2008；Zhao et al.，2014），生物炭具有良好的结构与理化性质，施入土壤后对土壤结构和理化性质有积极作用，但有关生物炭对菜地土壤磷的形态转化的研究较少。本研究表明，合理施用生物炭可以提高 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量，与已有的研究结果一致（关连珠等，2013）。生物炭的施用提高了土壤 pH，减少了酸性土壤中磷素的吸附，提高了土壤的有效磷含量，同时增加土壤保肥能力（黄超等，2011；周桂玉等，2011）。生物炭的施用提高了土壤有机质的含量，有机质含量的变化引起土壤磷组分的变化，全磷转化为植物可利用的磷对植物生长至关重要，而在转化过程中有机质起着重要作用（杨小燕等，2014）。本研究发现，施用生物炭可以提高 NaHCO3-Po含量，随着生物炭用量的增加，NaHCO3-Po含量亦表现出增加的趋势。NaOH-Pi和NaOH-Po主要是通过化学吸附紧密结合在土壤铁铝化合物表面的无机和有机磷，是中等活性磷，用于磷的长期转化，对植物有一定的有效性（Redel et al.，2008）。本研究还发现生物炭施入增加了NaOH-Pi的含量，原因可能是生物炭通过增加阴离子代换量或者影响阳离子的活性来减少铁、铝氧化物对可溶性磷的吸附（Liang et al.，2006；Cheng et al.，2008）。施用生物炭并未改变HCl-Po的含量，增加了残渣磷（Residual-Pt）含量。总之，在本试验条件下，生物炭可以改变土壤磷形态，能够提高有效磷的含量。土壤各形态磷相关分析结果表明，速效磷与 Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、Residual-Pt呈显著相关，表明在施用生物炭的条件下，不同形态的磷可以通过矿化等形式转化为有效性较高的磷形态，其中，速效磷与NaHCO3-Pi的相关性最强，表明NaHCO3-Pi是植物的有效磷源（Zheng et al.，2004；Li et al.，2008）。残渣磷对多数植物来说是无效磷源，但是在本试验条件下，速效磷与残渣磷呈现显著相关，表明施用可活化难溶性磷，提高磷的有效性。

图2　生物炭施用对菜地土壤有机磷形态及残渣磷的影响Fig. 2　Effects of biochar application on organic and residual phosphorus in vegetable soils

表2　土壤各形态磷的相关系数Table 2　Correlation coefficients of phosphorus fractionations

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.021

中图分类号：X705； S153.6+1

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）05-0872-05

基金项目：国家科技支撑项目（2014BAD14B05）；省院合作项目（2013B091500016）；广州市科技计划项目（201607010082）；广东省科技计划项目（2015B070701017）

作者简介：王荣萍（1976年生），女，副研究员，博士，研究方向为土壤与植物营养。E-mail: rpwang@soil.gd.cn

*通信作者：廖新荣（1963年生），男，研究员，研究方向为土土壤与植物营养。

收稿日期：2016-03-02

Effects of Modified Biochar on Soil Phosphorus Transformation in Vegetable Fields

WANG Rongping1， 2， YU Weimin1， LIANG Jiawei1， LIAO Xinrong1， 2， ZHAN Zhenshou1， LI Shuyi1
1. Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Science//Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control，Guangzhou 510650， China；
2. Center of Expertise in Environmental and Protection Technology and Equipment Development in Foshan City，Foshan 528000， China

Abstract：Biochar is a type of organic carbon of high carbon content and high stability， and it can significantly influence soil physical， chemical and biological properties. In this study， the effects of a new type of biochar on soil phosphorus （P） transformation and availability in the major vegetable soils in South China were investigated. The results showed that the resin P （resin-Pi）， NaHCO3extractable inorganic P （NaHCO3-Pi） and NaOH extractable inorganic P （NaOH-Pi） contents were increased； soil available P content was evidently elevated； diluted HCl extractable inorganic P （D.HCl-Pi） and concentrated HCl extractable inorganic P （C.HCl-Pi）contents were not significantly increased； NaHCO3extractable organic P （NaHCO3-Po） content was increased； NaOH extractable organic P （NaOH-Po） content was decreased； residual P （residual-Pt） content was increased； and concentrated HCl extractable organic P （C.HCl-Po） content was not changed by biochar application. Correlation analyses showed that rapidly available P was significantly （P＜0.05） related to resin-Pi， NaHCO3-Pi， NaHCO3-Po， NaOH-Pi， D.HCl-Pi and residual-Pt with the largest correlation coefficient of 0.980 5 with NaHCO3-Pi； resin-Pi was significantly （P＜0.01） related to NaHCO3-Pi and D.HCl-Pi； and NaHCO3-Pi was significantly （P＜0.05） related to NaOH-Pi， D.HCl-Pi and residual-Pt with the largest correlation coefficient of 0.816 6 with D.HCl-Pi. The results demonstrated that when biochar is applied， P of various species can transform to species of higher availability via mineralization.

Key words：biochar； vegetable soil； phosphorus species