炭肥混施下土壤养分缓释特征与芥菜镉富集响应模拟

李转玲 李培岭 黄国勤 MUHAAMAD A

(1.江西农业大学生态科学研究中心， 南昌 330045； 2.江西青年职业学院经济管理系， 南昌 330045；3.江西农业大学国土资源与环境学院， 南昌 330045)

0 引言

生物质炭具有特殊的孔隙结构、较大的比表面积和多种化学官能团，可以吸附和负载肥料养分，延缓肥料在土壤中的释放，降低养分淋失[1-3]，因此炭肥混合是提高土壤养分有效性的重要方式。生物质炭作为一种新型多功能材料，多用来改良土壤理化性质[4]，增加土壤碳汇，提高土壤有机质含量[5]，还能有效地保存土壤水分和养料，提高土壤肥力[6]。生物质炭输入土壤后，通过提高土壤的碳氮比，增强了土壤对矿质氮的吸持容量，提高了矿质氮肥的利用率[7]。生物质炭对氮肥影响主要是通过吸附土壤中极性化合物，并通过微孔储存氮素得以保持[8-10]，另外生物质炭施入土壤后可抑制微生物的反硝化作用以降低氮氧化物的排放[11]，从而减少氮肥的损失，因此在生物质炭基肥吸附铵态氮和硝态氮作用下[12-14]，显著减少土壤速效养分的损失，从而提高肥料的利用率。在土壤重金属污染植物修复领域，肥料有效性是影响重金属富集植物生育特性以及修复效率的重要因素[15-16]。目前的常规施肥方式，容易随灌溉等因素影响造成养分流失[17-18]，施肥调控对于植物修复特性影响有限。本试验借助于炭肥混施方式提高土壤养分有效性，以改善富集植物生理特性；研究炭肥混施下土壤养分有效性及印度芥菜镉富集特征，以提高重金属富集植物的生育水平和富集能力，为农业生态环境的重金属污染修复提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区位于江西省南昌市江西农业大学农业科技园内，属亚热带季风区，以双季稻等耕种为主，近年来随周围工业发展以及农田过量施肥等影响致使土壤重金属污染呈现加重趋势，试验区内土壤重金属及养分含量见表1。依据土壤重金属植物修复模式及芥菜吸收、转移和富集镉元素特性，本文于2016年1月—2017年12月进行了炭肥混施下土壤养分缓释特征及芥菜镉富集响应试验。通过起垄(垄顶开沟5 cm)撒种、炭肥混施和灌溉后进行回填，每垄种植两行(垄顶间距30 cm，行距15 cm)。试验设置不同施炭量(C0、C1、C2分别为炭肥质量比0、3%、9%)和不同施肥量(F0、F0.2、F0.4、F0.7、F1.0分别为基准施肥量的0、20%、40%、70%和100%，基准施肥量：N 350 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2)共15个处理。生物炭由水稻秸秆通过SK2-1-12型管式炉 (上海实验电炉厂) 500～600℃的高温缺氧状态下，对其有控制地进行高温分解得到，生物炭比表面积5次取样均值为(338±52)m2/g，pH值为10.08±2.30，N质量比为(1.23±0.18)g/kg，P质量比为(0.42±0.11)g/kg。肥料为尿素、磷酸二氢钾、硫酸钾(分析纯),作为底肥一次性施入，试验灌水定额整个生育期共灌溉5次，灌水日期和灌水量各处理均一致，试验材料为湖北太谷科技公司生产的印度芥菜。

表1 播种前芥菜主要根区范围内土壤镉及养分含量(质量比)Tab.1 Soil contents of cadmium and nutrient in main root zone of mustard before sowing mg/kg

1.2 测定项目及方法

土壤镉含量背景值：取土时间为播种前35 d，考虑炭肥混施作用、芥菜生长的关键期以及生物炭作用范围，土壤养分及镉含量检测的采样时间均为种植后110 d，并在垂直垄方向及种植行中间(距离茎秆底端水平7.5 cm)及地表以下0～30 cm土层采样并混合均匀检测。

芥菜生物量：从土壤中挖出芥菜，将根系冲洗干净，用滤纸吸去明水，称量。植株于干燥箱内105℃杀青2 h，70℃干燥，地上部和根部分别称量。

土壤养分(碱解氮、有效磷、有效钾)含量：碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用盐酸氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量则采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定。芥菜镉含量采用石墨炉原子吸收光谱法检测(GB/T 5009.15—2003)，提取地上部和根部分别检测。土壤镉含量采用原子吸收分光光度计(Z-5000 ASS型)测定。富集系数(Bioaccumulation factors，BCFs)为植物重金属含量与土壤中的重金属含量的比值。

1.3 数据分析方法

采用SPSS 18.0软件进行统计分析。每个处理3次重复，共有9个样本计算平均值和误差。依据两年炭肥对土壤养分和植物生理指标影响，采用Logistic累积曲线模拟该模型，表述为

(1)

式中K、a、b——模型待定参数

当研究炭肥混施下土壤养分缓释对施肥比例响应时，y表示土壤养分(有效氮、有效磷、有效钾)含量，x表示肥料施用比例，分别为0、20%、40%、70%、100%。当研究芥菜生物量及富集特性对土壤养分响应时，y表示模拟指标值 (生物量、镉含量和镉富集系数)，x表示土壤养分(有效氮、有效磷、有效钾)含量。

对式(1)进行一阶、二阶、三阶求导可以得到模拟指标高效增长的变量起始值(X1)、高效增长结束的变量值(X2)、最高效率的变量值(X0)以及最大效率值(Vmax)，各参数的计算公式分别为

(2)

(3)

(4)

(5)

模型各参数依据2016年试验数据进行计算，通过2017年试验数据进行对比验证，计算分析均方根误差(RMSE)，均方根误差越小，表明各指标变化一致性越好。模型验证中均方根误差计算式为

(6)

式中PRMSE——均方根误差

n——样本数

2 结果与分析

2.1 炭肥混施下土壤养分含量变化趋势及缓释特征

通过模型模拟炭肥混施下土壤养分对施肥比例的响应，结果表明有效氮、有效磷和有效钾含量的RMSE占实测平均值3.29%～6.70%,相关系数R2不低于0.983 5(表2)。从土壤养分缓释的实测值变化趋势来看(图1)，土壤养分含量在施肥比例区间F0至F0.7的增幅为48.74%～362.58%，F0.7至F1.0处理下增幅为1.85%～23.91%；施炭处理下C1、C2的土壤养分含量比C0分别增长5.75%～101.46%、9.39%～106.42%。从土壤养分模型拟合曲线及特征参数来看(表3)，有效氮、有效磷和有效钾高效缓释的施肥比例区间(X1～X2)为0.99%～55.18%，施炭缓释作用下有效氮、有效磷和有效钾的最高含量比未施炭处理提高25.89%～40.93%、24.86%～36.08%和17.38%～26.68%，有效氮、有效磷的缓释最大效率值(Vmax)提高49.17%～90.00%、13.25%～37.35%。因此施炭有利于土壤养分缓释，提高了土壤养分有效含量和缓释效率，为芥菜镉富集提供养分支持。

2.2 镉污染下土壤养分含量变化对芥菜生物量累积的影响

生物量反映生长发育程度而且是影响芥菜镉富集的重要因素。依据芥菜镉富集对土壤养分响应模型模拟(表4)，结果表明地上部和根部生物量的RMSE分别占其平均值5.81%和6.57%且R2不小于0.957 0。图2表明土壤镉污染下芥菜生物量随养分含量增加呈上升趋势，其中土壤养分高效缓释区间地上部和根部生物量分别增长119.65%～141.77%、246.20%～263.36%，而生物量最高的地上部、根部实测均值分别达模型预测最高值(K值)的60.94%～93.32%、44.86%～63.30%。生物量高效累积对土壤养分有效氮、有效磷和有效钾含量的响应区间分别为6.26～137.96 mg/kg、6.22～41.43 mg/kg和97.25～382.00 mg/kg，其中地上部生物量高效累积相比根部的有效氮、有效磷响应区间(X1～X2)分别扩大150.00%、12.51%，最大效率值(Vmax)提高166.67%～300.00%，实现了芥菜同化物质由根部至地上部的有效转移，为芥菜镉由根部向地上部转移提供动力。依据表4中参数K值及对应自变量排序，比较土壤养分对生物量累积的驱动潜力影响，则地上部由大到小顺序为有效氮、有效钾、有效磷含量；根部由大到小顺序为有效钾、有效磷、有效氮含量。

表2 炭肥混施下土壤养分含量变化的模型参数Tab.2 Regression model parameters and soil nutrient content under mixed carbon-fertilizer treatment

图1 炭肥混施下土壤养分含量的变化曲线Fig.1 Changing trend of soil nutrient content under combined application of carbon and fertilizer

土壤养分施炭处理特征参数土壤养分高效缓释含量/(mg·kg-1)X1/%X2/%X0/%Vmax初始值结束值效率最高值C01.5345.4323.481.2016.8663.9640.75有效氮C10.9938.6219.801.7921.5380.5250.80C22.3435.2618.802.2824.0790.1457.43C02.5055.1828.840.8314.1053.0233.70有效磷C12.3154.9928.650.9415.8766.2046.99C21.8945.7923.841.1416.1072.1551.54C01.6854.3628.029.54121.40531.18368.36有效钾C11.7854.4628.129.65131.53623.50448.65C22.0754.7528.4110.32166.80672.92535.48

表4 芥菜生物量累积对土壤养分响应的模型参数及特征参数Tab.4 Model parameters and characteristic parameters of mustard biomass accumulation in response to soil nutrients

图2 芥菜生物量累积对土壤养分的响应趋势Fig.2 Response trends of biomass accumulation of mustard to soil nutrients

2.3 镉污染下土壤养分含量对芥菜镉富集趋势影响

依据芥菜镉富集对土壤养分响应模型，镉含量、富集系数的模拟结果表明(表5)RMSE值占实测平均值为4.76%～8.37%，R2不小于0.973 0，模型较好地反映了芥菜镉富集对土壤养分的响应趋势。图3表明芥菜镉富集随土壤养分含量增加呈上升趋势，在土壤养分高效缓释区间内(有效氮、有效磷和有效钾质量比分别为：16.86～91.14 mg/kg、14.10～72.15 mg/kg和121.40～672.92 mg/kg)，镉含量、富集系数分别增长97.79%～201.96%、122.40%～143.02%，并随土壤养分增加地上部、根部的镉含量试验处理最高均值达模型预测最高值(K值)的80.49%～98.85%、62.07%%～90.33%，富集系数则为26.78%～60.08%、45.27%～66.30%，可见芥菜镉含量随土壤养分含量增加已达较高水平，而富集系数仍有上升潜力。依据表5中参数K值及相应自变量排序，比较土壤养分的驱动潜力，镉含量由大到小排序为：有效钾、有效磷、有效氮含量；富集系数由大到小排序为：有效磷、有效钾、有效氮含量。

2.4 芥菜镉高效富集的土壤养分含量及炭肥混施策略

从芥菜镉富集对土壤有效养分响应的特征参数来看(表6)，镉含量高效累积的土壤有效氮、有效磷和有效钾质量比响应区间分别为5.76～67.01 mg/kg、10.07～39.34 mg/kg和143.99～447.23 mg/kg，而土壤养分高效缓释的有效氮、有效磷和有效钾质量比分别在91.14、72.15、672.92 mg/kg以下，表明本试验中炭肥混施下高效缓释土壤养分含量能够满足镉含量高效累积需求。另外镉含量高效累积中根部比地上部的有效氮、磷响应区间(X1～X2)扩大9.30%、22.21%，且最大效率值(Vmax)提高68.39%～136.84%，表明地上部镉含量提升可通过土壤养分缓释驱动根部镉的转移实现。富集系数高效提升的有效氮、有效磷和有效钾质量比响应区间分别为3.22～96.74 mg/kg、10.34～75.58 mg/kg、32.01～342.60 mg/kg，表明富集系数提升所需的有效氮、有效磷含量略高于土壤养分高效缓释区间。综合比较芥菜镉含量、富集系数高效提升需求，土壤有效氮、有效磷和有效钾含量分别应满足96.74、75.58、447.23 mg/kg。结合土壤养分缓释特征及节约肥料的原则，通过模型式(1)反算，确定芥菜镉高效富集的炭肥混施策略：C2情况下有效氮、有效磷和有效钾肥的比例为60.58%、61.32%、21.48%。

表5 芥菜镉富集特性对土壤养分响应的模型参数及特征参数Tab.5 Model parameters and characteristic parameters of mustard cadmium enrichment in response to soil nutrient

图3 芥菜镉含量和富集系数对土壤养分的响应趋势Fig.3 Response trends of cadmium content and enrichment coefficient of mustard to soil nutrients

表6 芥菜镉含量和富集系数对土壤养分响应的特征参数Tab.6 Characteristic parameters of response of cadmium accumulation in mustard plants to soil nutrient content

3 讨论

土壤重金属污染植物修复技术已经取得了一定的研究成果，其中土壤养分管理、植物生长发育调控、重金属富集特性等是影响植物修复效率的重要环节[19-22]。目前施肥对植物修复调控效应有限，主要是土壤养分损失问题突出，而施加生物炭能够提高土壤养分有效性和利用效率，因此本文采用炭肥混施方式研究土壤养分缓释特征。同目前相关炭肥混施或施加生物炭对肥料利用等研究相比[23-25]，本研究的特点是依据Logistic曲线模型模拟土壤养分缓释特征，通过对比土壤养分高效缓释区间和最大缓释效率值等参数，分析炭肥混施对土壤养分缓释的影响。结果表明在肥料中添加施炭量相比未施炭的有效氮、有效磷最大缓释效率值分别提升49.17%～90.00%、13.25%～37.35%，高效缓释下土壤养分含量提高17.38%～40.93%，因此施炭提高了土壤养分含量和缓释效率。但超过土壤养分高效缓释区间的施肥比例，可能由于一定施炭量情况下肥料养分维持和储存能力有限，随施肥量增加土壤有效养分含量增幅有所下降，生物炭的缓释作用有所降低[26]，因此提高土壤养分缓释效率可以考虑减少施肥量或增加施炭量，尤其是对于重金属污染土壤植物修复的养分需求持续性具有重要意义。

生物量反映生长发育程度而且是影响重金属富集植物的重要因素。通过同化物质由根部向地上部有效转移驱动植物重金属富集，在本试验中镉富集下芥菜生物量在土壤养分高效缓释区间增长119.65%～263.36%，且地上部相比根部的生物量高效累积最大效率值提高166.67%～300.00%，有效氮、有效磷响应区间分别扩大150.00%、12.51%，说明在土壤养分缓释作用下提升了光合产物合成与转移效率[26-27]，为芥菜镉由根部向地上部的转运提供动力基础。土壤养分可能有助于消减根部的重金属胁迫影响进而提升重金属富集特性，为土壤重金属芥菜修复效率的提升奠定基础[28-29]。本试验中芥菜镉含量、富集系数在土壤养分高效缓释区间增长97.79%～201.96%，表明土壤养分缓释作用下芥菜镉富集效率较高；镉含量高效累积中根部比地上部的有效氮、有效磷响应区间扩大9.30%、22.21%，且最大效率值提高68.39%～136.84%，表明地上部镉含量提升可通过土壤养分缓释驱动根部镉的转移实现。因此总体上炭肥混施土壤养分缓释作用促进了芥菜生物量累积以及镉高效富集，实现芥菜镉富集提升并节约肥料资源的目的。

4 结束语

Logistic曲线模型模拟炭肥混施下土壤养分缓释特征及芥菜镉富集趋势效果较好，模型反映出炭肥混施相比未施炭可显著提高土壤养分的含量和缓释效率，高效缓释作用下土壤养分含量提高17.38%～40.93%。在土壤养分高效缓释区间内生物量增长119.65%～263.36%，镉含量、富集系数增长97.79%～201.96%，可见炭肥混施对土壤养分的缓释作用驱动了芥菜生长发育及镉高效累积。为满足芥菜镉高效富集并兼顾肥料节约原则，通过模型计算得炭肥混施最优策略为：9%施炭下有效氮、有效磷和有效钾肥的比例为60.58%、61.32%、21.48%。