秸稈及其生物炭添加對土壤Olsen-P及磷素組分的影響

甘國渝，金慧芳，李燕麗，楊軍，李繼福*，姚榮江，楊勁松，朱海,*

秸稈及其生物炭添加對土壤Olsen-P及磷素組分的影響

甘國渝1，金慧芳1，李燕麗1，楊軍1，李繼福1*，姚榮江2，楊勁松2，朱海1,2*

（1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心/澇漬災(zāi)害與濕地農(nóng)業(yè)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州 434025；2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008）

【目的】研究和對比秸稈和生物炭添加對土壤磷素及Olsen-P量變化的影響?！痉椒ā恳越瓭h平原典型水稻土為研究對象，進(jìn)行了室內(nèi)恒溫土培試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置不同水分模擬旱地和水田兩種土地利用方式，分別設(shè)置高量生物炭（BC2）、低量生物炭（BC1）、高量秸稈（SC2）、低量秸稈（SC1）和無添加（CK）處理，25 ℃下恒溫培養(yǎng)30 d。利用Hedley磷素形態(tài)分級法對各處理土壤進(jìn)行磷素分級，同時(shí)測定土壤Olsen-P量及其他理化指標(biāo)?！窘Y(jié)果】在旱地土壤中，添加生物炭使得土壤Olsen-P量增加了1.78～1.46 mg/kg，添加秸稈使得土壤Olsen-P量分別增加了4.46～1.72 mg/kg。在水田土壤中，添加生物炭使得土壤Olsen-P量分別增加了22.42～12.04 mg/kg，添加秸稈使得土壤Olsen-P量分別增加了6.37～4.27 mg/kg。磷素形態(tài)分級結(jié)果表明各處理土壤中不同磷素組分量差異較大，由高到低依次表現(xiàn)為HCl-P＞NaOH-P＞NaHCO3-P＞H2O-P。綜合旱地和水田土壤來看，添加生物炭提高了土壤pH值、總氮（TN）、可溶性有機(jī)碳（DOC）和土壤總有機(jī)碳（SOC）量。而添加秸稈提高了土壤總磷（TP）、DOC和SOC量。添加生物炭處理土壤中，Olsen-P量與H2O-P、NaHCO3-P、SOC和NH4+-N量呈極顯著正相關(guān)。添加秸稈處理土壤Olsen-P量與NaOH-P、HCl-P、TN和NH4+-N量呈顯著正相關(guān)關(guān)系?！窘Y(jié)論】可見，生物炭和秸稈還田主要是通過影響土壤pH、TN和SOC量，促進(jìn)土壤中Olsen-P的積累，同時(shí)改變土壤的磷素分級狀況，進(jìn)而提高土壤供磷水平和能力。

生物炭；秸稈；Hedley磷素形態(tài)分級法；Olsen-P

0 引言

【研究意義】磷是植物正常生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，土壤磷素有效性不僅影響作物產(chǎn)量水平，也影響到區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定[1]。然而我國農(nóng)田磷肥當(dāng)季利用率遠(yuǎn)低于氮肥和鉀肥的吸收利用率[2]。施入土壤的磷肥，大部分被土壤吸附固定并轉(zhuǎn)化為植物難以利用的磷素形態(tài)，導(dǎo)致土壤磷素有效性的降低[3]。因此，探究磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性提高途徑，對于解決上述問題具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。秸稈是傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤培肥和增碳措施，其不僅直接改變土壤有機(jī)碳量，還會對提高土壤磷素庫容產(chǎn)生積極影響?！狙芯窟M(jìn)展】有學(xué)者[4]開展了連續(xù)3 a的稻麥秸稈還田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈還田能夠顯著增加土壤有效磷量。有機(jī)物料添加（如秸稈、有機(jī)肥等）是通過增加土壤微生物數(shù)量、釋放養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)水解酶從而提高土壤磷素養(yǎng)分有效性[5]。相較于秸稈，生物炭具有更好的吸附性和固碳潛力。而農(nóng)作物秸稈是生物炭的理想來源，秸稈炭化利用成為農(nóng)業(yè)和生態(tài)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。有研究在連續(xù)5 a增施生物炭后[7]發(fā)現(xiàn)，生物炭可促進(jìn)棕壤中磷的累積，提高土壤磷素有效性。而且能夠不同程度增加水稻土中總磷量和速效磷量[8]。生物炭對土壤酶活性和細(xì)菌群落有一定的影響，生物炭是通過降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤pH、速效磷、有機(jī)質(zhì)量和C/N比進(jìn)而影響土壤磷素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶和微生物活性[9]。然而，受秸稈類型、粉碎方式和還田量等的影響，不同研究中秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響程度存在較大差異。有研究指出小麥秸稈的含碳量較高，還田后會導(dǎo)致土壤C/N和C/P比例失調(diào)，出現(xiàn)微生物與作物爭氮、爭磷現(xiàn)象[10]。此外，土壤含水率對磷素有效性也起著重要作用，影響著土壤中有效磷的變化和作物生長[11]。研究指出，在干旱條件下土壤中的含磷量顯著低于淹水條件，但與次生礦物（鐵/鋁氧化物）結(jié)合的無機(jī)和有機(jī)磷量增加[12]。相關(guān)研究表明，雙季稻田采用秸稈還田配合間歇灌溉或長期淹水均可顯著提高土壤檸檬酸磷（Citrate-P）和酶磷（Enzyme-P）量，且長期淹水較間歇灌溉主要提高土壤氯化鈣磷（CaCl2-P）量[13]?！厩腥朦c(diǎn)】江漢平原地下水位埋藏較淺，受長江水位波動(dòng)影響顯著，極易發(fā)生澇漬災(zāi)害，土壤潛育化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，有研究表明潛育性土壤磷素有效性普遍偏低，嚴(yán)重制約作物對磷素的吸收利用[14]。因此，有必要尋求合理的改良利用途徑，提高磷素有效性和作物磷素利用效率。前人研究已表明秸稈還田對提高土壤中磷素量起到積極作用，但是有關(guān)秸稈與生物炭還田的對比研究還不多見[15-16]，江漢平原地區(qū)更鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選取江漢平原典型的水稻土，開展秸稈和生物炭添加室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置不同水分模擬旱地和水田2種土地利用方式，探究其對土壤Olsen-P量、磷素組分變化、土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)合磷素與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性分析，闡明秸稈與生物炭添加對土壤磷素有效性的影響機(jī)制。以期為江漢平原秸稈資源綜合利用和土壤磷素高效利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采樣區(qū)位于長江大學(xué)教學(xué)科研試驗(yàn)基地，屬江漢平原腹地（30°21′N、112°09′E，海拔32 m），東部季風(fēng)農(nóng)業(yè)氣候大區(qū)、北亞熱帶農(nóng)業(yè)氣候帶、長江中下游農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，年平均氣溫16.5 ℃，年均降水量約1 095 mm，年均日照時(shí)間1 718 h。地下水位較淺，約3 m，該區(qū)農(nóng)作物主要為冬小麥、水稻、玉米和油菜等。試驗(yàn)前0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)見表1。于2021年6月，利用五點(diǎn)取樣法采集試驗(yàn)基地0～20 cm耕層土壤，置于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、磨碎、過2 mm篩，以備后續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)使用。

秸稈取自長江大學(xué)教學(xué)科研試驗(yàn)基地，于2021年5月，小麥?zhǔn)斋@期，人工采集小麥秸稈，取回實(shí)驗(yàn)室用烘箱烘干，再用高速粉碎機(jī)打碎備用。生物炭由本試驗(yàn)所用秸稈制備，在缺氧條件下以5 ℃/min的速率將溫度升高到550 ℃，然后保持4 h制得[17]，小麥秸稈與生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 各供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)來進(jìn)行，模擬旱地和水田2種土地利用方式，參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]分別設(shè)高量生物炭（BC2，添加量為土質(zhì)量的2%）、低量生物炭（BC1，添加量為土質(zhì)量的1%）、高量秸稈（SC2，添加量為土質(zhì)量的2%）、低量秸稈（SC1，添加量為土質(zhì)量的1%）和無添加（CK）為對照共10個(gè)處理。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

于2021年6月小麥?zhǔn)斋@后，采集0～20 cm土層的土樣，自然風(fēng)干粉碎過2 mm篩，充分混勻儲存?zhèn)溆谩Ｊ褂?00 mL的廣口玻璃瓶，每個(gè)瓶中裝入100 g風(fēng)干土樣。水田模式采用淹水處理，土面保持2 cm高水位，旱地模式土壤含水率參考相關(guān)研究[19]，設(shè)置為60%WFPS（≈20%質(zhì)量含水率）。在25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)30 d，每3 d利用稱質(zhì)量法對各樣品進(jìn)行補(bǔ)水，以保持恒定的土壤含水率[20]。

1.3 樣品測定

土壤磷分級采用改進(jìn)后的Hedley磷分級法提取[21]，鉬酸銨比色法測定。針對同一份樣品，依次使用H2O，NaHCO3，NaOH和HCl溶液浸提，測定各處理土壤中H2O-P，NaHCO3-P，NaOH-P和HCl-P量。具體方法為：①水溶態(tài)磷：用蒸餾水浸提。②NaHCO3提取態(tài)磷（NaHCO3-P）：包括無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)2部分，無機(jī)部分主要是吸附在土壤表面的磷；有機(jī)部分主要是易于礦化的可溶性有機(jī)磷。③NaOH提取態(tài)磷（NaOH-P）：用0.1 mol/L NaOH提取，它們是以化學(xué)吸附作用吸附于土壤Fe，Al表面的磷。其也包括有機(jī)和無機(jī)2部分。④磷灰石型磷（HCl-P）：用鹽酸提取，在石灰性土壤中主要提取的是磷灰石型磷，但在高度風(fēng)化的土壤（如紅壤）中也能提取部分閉蓄態(tài)磷。同時(shí)稱取1份土樣直接用NaHCO3浸提，測定土壤Olsen-P量。

pH值、全氮量（TN）、全磷量（TP）、速效磷量（Olsen-P）和有機(jī)碳量（SOC）等指標(biāo)按照常規(guī)方法測定[22]，其中土壤有機(jī)碳量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤可溶性碳（DOC）測定：稱取20 g各處理土壤樣品，用40 mL 0.5 mol/L硫酸鉀提取后，浸提液經(jīng)0.45 μm濾膜進(jìn)行抽濾，濾液在TOC-Analyzer分析儀上測定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和Origin2018軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖，SPSS20進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差分析，LSD法檢驗(yàn)<0.05水平上的差異顯著性。采用Canoco5.0軟件進(jìn)行環(huán)境因子對土壤磷組分的冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和秸稈添加對土壤理化性質(zhì)的影響

秸稈和生物炭處理土壤基本理化性質(zhì)的變化如表2所示。就旱地來看，與CK相比，生物炭處理提高了土壤pH、TN、TP、SOC量，且上述指標(biāo)隨著生物炭用量的增加而增加，平均增幅分別為19.7%、80.0%、31.4%和23.4%；同時(shí)生物炭處理降低了土壤硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）量，平均降幅分別為8.3%和14.6%。秸稈處理提高了土壤TN和SOC量，且其量隨著秸稈用量的增加而增加，平均增幅分別為67.0%和31.7%；同時(shí)秸稈處理降低了NO3--N量，平均降幅為56.3%。就生物炭與秸稈對比來看，生物炭對土壤pH的提升作用更顯著，不同用量水平下，生物炭處理的土壤pH均顯著高于秸稈處理。高量生物炭（BC2）處理下土壤TN量也顯著高于高量秸稈（SC2）處理。而就SOC來看，不同用量水平下，秸稈處理的SOC量均顯著高于生物炭處理。

就水田來看，與CK相比，生物炭處理提高了土壤pH、TN、TP、SOC量，且上述指標(biāo)隨著生物炭用量的增加而增加，平均增幅分別為20.4%、80.0%、31.3%和23.4%；同時(shí)生物炭處理降低了土壤NO3--N和NH4+-N量，平均降幅分別為6.1%和25.0%。秸稈處理提高了土壤TN量和DOC量，且其隨著秸稈用量的增加而增加，平均增幅分別為106.5%和88.0%；同時(shí)秸稈處理降低了土壤NO3--N和NH4+-N量，平均降幅分別為8.1%和52.9%。就生物炭與秸稈對比來看，二者對土壤pH的影響規(guī)律與旱地一致，也表現(xiàn)為生物炭處理的土壤pH均顯著高于秸稈處理。而秸稈處理對土壤TN量和SOC量的提升作用更顯著，相同用量水平下，秸稈處理的土壤TN量和SOC量均高于生物炭處理，其中高量水平下差異顯著。

表2 各處理土壤基本理化性質(zhì)

注 不同土地利用方式處理中，同列不同字母表示在0.05水平上的差異顯著性；ns、*、**分別表示沒有差異、顯著差異、極顯著差異，下同。

2.2 生物炭和秸稈添加對土壤Olsen-P的影響

整體來看，不同用量生物炭及秸稈處理下旱地土壤Olsen-P量均低于水田土壤（圖1）。就旱地來看，生物炭處理顯著提高了土壤Olsen-P量，其中低量生物炭（BC1）和高量生物炭（BC2）處理分別使土壤Olsen-P量增加了1.46 mg/kg和1.78 mg/kg，且高量生物炭（BC2）處理土壤Olsen-P量增加更顯著，增幅為12.6%；秸稈處理也顯著提高了土壤Olsen-P量，其中低量秸稈（SC1）和高量秸稈（SC2）處理分別使土壤Olsen-P量增加了1.72 mg/kg和4.46 mg/kg，且高量秸稈（SC2）處理土壤Olsen-P量增加更顯著，增幅為31.5%；就生物炭與秸稈對比來看，高量生物炭（BC2）處理土壤Olsen-P量顯著低于高量秸稈（SC2）處理。

就水田來看，生物炭處理也顯著提高了土壤Olsen-P量，其中，低量生物炭（BC1）和高量生物炭（BC2）處理下，土壤Olsen-P量分別了增加12.04和22.42 mg/kg，高量生物炭（BC2）處理土壤Olsen-P量變化更顯著，最大增幅為110.0%；秸稈處理也顯著提高了土壤Olsen-P量，其中低量秸稈（SC1）和高量秸稈（SC2）處理分別使土壤Olsen-P量增加了4.27 mg/kg和6.37 mg/kg，高量秸稈（SC2）處理土壤Olsen-P量變化更顯著，最大增幅為31.3%；就生物炭與秸稈對比來看，各用量下，生物炭處理土壤Olsen-P量均顯著高于秸稈處理。

注 不同字母表示在0.05水平上的差異顯著性。

2.3 生物炭和秸稈添加對土壤磷組分的影響

表3為各處理土壤Olsen-P量變化，由表3可知，生物炭和秸稈均顯著提高了旱地和水田土壤中H2O-P，NaHCO3-P，NaOH-P和HCl-P量；不同處理土壤中4種磷素組分量差異較大，由高到低依次為HCl-P＞NaOH-P＞NaHCO3-P＞H2O-P。就旱地來看，生物炭處理顯著提高了H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P和HCl-P量，平均增幅分別為8.9%、66.6%、21.7%和82.3%。但高量生物炭（BC2）處理下土壤H2O-P、NaOH-P和HCl-P量低于低量生物炭（BC1）處理，NaHCO3-P量在不同用量下差異不顯著。秸稈處理顯著提高了H2O-P、NaOH-P和HCl-P量，平均增幅分別為49.6%、7.8%和26.3%，NaHCO3-P量變化不顯著。其中，隨著秸稈用量的增加，HCl-P量逐漸上升，H2O-P、NaHCO3-P和NaOH-P量變化不顯著。就生物炭和秸稈對比來看，不同用量下生物炭處理的NaHCO3-P量均顯著高于秸稈處理；而生物炭處理的H2O-P量均顯著低于秸稈處理；同時(shí)，低量生物炭（BC1）處理下NaOH-P的量顯著高于低量秸稈（SC1）處理；此外，不同用量下生物炭處理的HCl-P量均顯著高于秸稈處理。

就水田來看，生物炭處理顯著提高了H2O-P、NaHCO3-P和HCl-P量，平均增幅分別為27.0%、118.8%和19.2%，NaOH-P量變化不顯著。但高量生物炭（BC2）處理下，土壤NaOH-P和HCl-P量低于低量生物炭（BC1）處理，而NaHCO3-P量逐漸升高，H2O-P量變化不顯著。秸稈處理顯著提高了HCl-P量，平均增幅為24.3%。H2O-P、NaHCO3-P和NaOH-P量變化不顯著。但高量秸稈（SC2）處理下土壤 HCl-P量低于低量秸稈（SC1）處理。就生物炭和秸稈對比來看，不同用量下生物炭處理的H2O-P和NaHCO3-P量均顯著高于秸稈處理；而生物炭處理的NaOH-P和HCl-P量均顯著低于秸稈處理。

表3 不同處理土壤中各磷素量變化

2.4 生物炭和秸稈添加對土壤磷素與各理化指標(biāo)的相關(guān)分析

圖2為各處理土壤中磷素與各理化指標(biāo)的相關(guān)性（圖中**、*分別表示在0.01、0.05水平上（雙側(cè)）顯著相關(guān)。相關(guān)系數(shù)0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0～0.2分別表示極強(qiáng)相關(guān)、強(qiáng)相關(guān)、中等程度相關(guān)、弱相關(guān)、極弱相關(guān)或無相關(guān)；負(fù)值表示負(fù)相關(guān)。），由圖2（a）可知，生物炭處理土壤中Olsen-P量與H2O-P（=0.915）、NaHCO3-P（=0.769）、SOC（=0.656）和NH4+-N（=0.890）量極顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.942）極顯著負(fù)相關(guān)。H2O-P量與NH4+-N（=0.930）量極顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.951）極顯著負(fù)相關(guān)。NaHCO3-P量與SOC（=0.765）顯著正相關(guān)，而與pH（=-0.623）顯著負(fù)相關(guān)。NaOH-P量與NH4+-N（=0.682）量顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.663）量顯著負(fù)相關(guān)。

由圖2（b）可以看出，秸稈處理下土壤Olsen-P量與NaOH-P（=0.854）、HCl-P（=0.864）、TN（=0.664）和NH4+-N（=0.657）量顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.897）量顯著負(fù)相關(guān)。NaOH-P量與NH4+-N（=0.940）量極顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.947）量顯著負(fù)相關(guān)。HCl-P量與NH4+-N（=0.740）量極顯著正相關(guān)，而與NO3--N（=-0.843）和NO2--N（=-0.726）量極顯著負(fù)相關(guān)。

2.5 生物炭和秸稈添加對土壤磷素與環(huán)境因子冗余分析

利用RDA模型分析生物炭和秸稈添加后，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)對各土壤磷素的影響如圖3所示。結(jié)果表明，生物炭處理下土壤理化性質(zhì)對土壤磷素量的貢獻(xiàn)率分別為67.3%和4.4%，排序軸1和排序軸2的解釋率分別為66.0%和71.7%，其中NH4+對Olsen-P、H2O-P和NaHCO3-P的影響最大，而pH對HCl-P的影響最大。秸稈處理下土壤理化性質(zhì)對土壤磷素量的貢獻(xiàn)率分別為80.1%和89.03%，其中排序軸1和排序軸2的解釋率分別為88.1%和0.2%，HCl-P受TN和DOC的雙重影響。

圖2 各處理土壤中磷素與各理化指標(biāo)的相關(guān)性

圖3 碳添加土壤中各指標(biāo)間冗余分析

3 討論

3.1 添加生物炭和秸稈對土壤Olsen-P量影響

磷素作為植物生長發(fā)育所需的主要營養(yǎng)元素之一，其量高低和形態(tài)轉(zhuǎn)化直接影響作物的產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。探究適宜的磷素提升途徑，對于維持區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高具有重要意義。

前人[24]研究結(jié)果表明，秸稈還田可以有效提高土壤速效磷和全磷量，也能夠提升磷活化系數(shù)（PAC）；即使在磷肥減量條件下，秸稈還田也能有效維持土壤磷素的有效性[25]。本研究中，秸稈還田后旱地和水田土壤有效磷量均有顯著提高，且高量秸稈（SC2）處理下土壤Olsen-P量增幅最大（圖1），這與王國驕等[26]和黃容等[27]的研究結(jié)果一致。秸稈提高磷素有效性的原因可能是，一方面秸稈提高了土壤磷酸酶活性，土壤有機(jī)磷可以在土壤酶和土壤微生物的共同作用下進(jìn)行礦化而分解為無機(jī)磷，進(jìn)而提高土壤中Olsen-P量[28]。另一方面秸稈腐解后，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的循環(huán)與釋放，從而提高了磷素活化與供應(yīng)[29-30]。生物炭（BC）處理下旱地和水田土壤有效磷量也均有顯著提高，同時(shí)高量生物炭（BC2）處理下土壤Olsen-P量增幅最高，這與前人[31-32]的研究結(jié)果一致。生物炭提高磷素有效性的原因可能是：生物炭含有部分不穩(wěn)定的有機(jī)結(jié)合態(tài)磷化物，進(jìn)入土壤后會礦化釋放，使磷的有效性得到大幅提高，進(jìn)一步提高了土壤磷素量[33-34]。綜上，添加生物炭和作物秸稈均有助于提高土壤Olsen-P量，但在旱田和水田模式下二者對土壤Olsen-P量影響存在一定的差異，相同用量秸稈及生物炭處理下，水田土壤中Olsen-P量增加更為顯著。這是由于淹水土壤 O2缺乏，進(jìn)而影響土壤硝化速率[35]，并產(chǎn)生大量低分子量有機(jī)酸和質(zhì)子（H+），有利于土壤無機(jī)磷活化，且可促進(jìn)土壤中部分鐵結(jié)合態(tài)磷和閉蓄態(tài)磷的轉(zhuǎn)化和釋放，進(jìn)而增加土壤有效磷量[36]。使得在秸稈和生物炭添加后，水田土壤中Olsen-P量變化更為明顯。

3.2 添加生物炭和秸稈對土壤磷素形態(tài)變化影響

土壤磷素分級是揭示土壤對植物磷供給能力的有效方法，也是研究土壤中磷遷移轉(zhuǎn)化的重要途徑[37]。趙小軍等[38]選用BowmanCole法[39]對秸稈還田土壤有機(jī)磷進(jìn)行分級指出，隨著秸稈用量的增加，土壤全磷、Olsen-P和無機(jī)磷中的Ca2-P、Ca8-P、Al-P均顯著增加，其中以O(shè)lsen-P增幅最大。馬艷梅[40]通過對長期定點(diǎn)下不同施肥處理對磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的研究表明，秸稈還田后，土壤有機(jī)磷主要向中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷轉(zhuǎn)化，而不利于活性較強(qiáng)的有機(jī)磷組分的積累。本文中，采用Hedley磷分級法對各處理土壤進(jìn)行磷素分級，4種磷素量大小表現(xiàn)為HCl-P>NaOH-P>NaHCO3-P>H2O-P（表3）。與中等活性磷（HCl-P和NaOH-P）相比，土壤水溶態(tài)無機(jī)磷（H2O-P）和活性磷（NaHCO3-P）只占了土壤全磷的很少一部分，這與張奇春等[41]的研究結(jié)果保持一致。秸稈還田在不造成土壤磷素大量盈余的情況下進(jìn)一步提高了土壤有效磷濃度，原因可能是秸稈碳活化了土壤磷庫[42]，促進(jìn)了土壤磷素有效化。隨著秸稈和生物炭添加量的增加，HCl-P和NaOH-P量逐漸減小，而對應(yīng)的Olsen-P量逐漸增大（圖1）。添加生物炭處理中，Olsen-P與H2O-P、NaHCO3-P量極顯著正相關(guān)，添加秸稈處理中，Olsen-P量與NaOH-P、HCl-P量極顯著正相關(guān)（圖2），這表明HCl-P、NaOH-P、NaHCO3-P和H2O-P在土壤供磷中可能起著重要的緩沖作用，秸稈和生物炭本身含有一定的磷，在土壤中腐解后其中一部分可以轉(zhuǎn)化成土壤有效態(tài)磷[43]。且有學(xué)者指出，當(dāng)土壤有效磷量處于極低水平、土壤有效磷處于消耗狀態(tài)時(shí)，作物吸收利用的磷素主要來自非活性磷庫的補(bǔ)充[44-45]，即中穩(wěn)性和穩(wěn)性磷向活性磷轉(zhuǎn)化。探討生物炭對土壤磷素轉(zhuǎn)化的影響研究發(fā)現(xiàn)，不同劑量秸稈生物炭處理均能顯著提高水稻土和赤紅壤的全磷及有效磷量，且增加幅度隨生物炭添加劑量的增加而升高[46]。因此，適量的秸稈還田或生物炭添加的投入可以維持土壤磷供應(yīng)能力，對土壤活性磷具有補(bǔ)充作用。

3.3 添加生物炭和秸稈對土壤其他理化性質(zhì)影響

前人[47]研究結(jié)果表明，施用生物炭后紅壤理化性質(zhì)得到不同程度的改善；土壤pH值、有機(jī)碳和有效磷量在油菜各生育期均得到不同程度的提高。通過盆栽試驗(yàn)研究不同生物質(zhì)炭添加量對烤煙土壤養(yǎng)分影響發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)量、土壤速效氮量、速效磷量[48]。本文結(jié)果顯示秸稈還田和生物炭添加顯著增加了土壤中有效磷（Olsen-P）、總氮（TN）、pH、有機(jī)碳（SOC）和可溶性有機(jī)碳（DOC）量（表2、圖1），且添加生物炭處理土壤中Olsen-P量與pH和SOC量極顯著正相關(guān)。這是由于生物炭自身屬于堿性，施入土壤有助于提高土壤pH。此外，有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，可通過礦化釋放磷，可對土壤溶液中的磷進(jìn)行補(bǔ)充更新[49]。添加秸稈處理土壤中Olsen-P量與TN量顯著正相關(guān)（圖2）?？梢?，農(nóng)田中添加生物炭和秸稈處理對提升土壤中磷素量起到積極作用，且添加生物炭和秸稈還可提升土壤總氮量、有機(jī)質(zhì)量等。

4 結(jié)論

生物炭和秸稈添加均可提高土壤中Olsen-P量，且隨著用量的增加，土壤Olsen-P量逐漸增加。其中，生物炭處理在水田土壤中對提升Olsen-P量影響更顯著，秸稈處理在旱地土壤中對提升Olsen-P量更顯著。生物炭和秸稈處理下中等活性磷（HCl-P和NaOH-P）在土壤中占全磷量比重更大，水溶態(tài)無機(jī)磷（H2O-P）和活性磷（NaHCO3-P）只占了土壤全磷的很少一部分。由高到低依次表現(xiàn)為HCl-P＞NaOH-P＞NaHCO3-P＞H2O-P。生物炭增加了土壤pH、TN、DOC和SOC量。而秸稈增加了土壤TP、DOC和SOC量。生物炭處理下土壤Olsen-P量與H2O-P、NaHCO3-P、SOC和NH4+-N量極顯著正相關(guān)。秸稈處理下土壤Olsen-P量與NaOH-P、HCl-P、TN和NH4+-N量顯著正相關(guān)。

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GAN Guoyu1, JIN Huifang1, LI Yanli1, Yang Jun1, LI Jifu1*, YAO Rongjiang2, YANG Jinsong2, ZHU Hai1,2*

(1. College of Agriculture, Yangtze University/Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland,Ministry of Education, Jingzhou 434025, China; 2. Nanjing Soil Research Institute, Chinese Academy of Sciences/State Key Laboratory of Soil and Agricultural Sustainable Development, Nanjing 210008, China)

【Objective】The low mobility of phosphorus in soil is a main factor limiting its bioavailability. In this paper. The efficacy of straw incorporation and biochar amendment in improving Olsen-P and changing P fraction is soil was studied.【Method】The study was based on incubation experiment. Soil taken from a rice field was used in experiments under two soil water contents to mimic paddy field and dried land, respectively. For each soil water treatment, there were four soil amendments: a high (BC2) and a low (BC1) biochar amendment, a high (SC2) and a low (SC1) straw incorporation. The control is without soil amendment (CK). The Hedley phosphorus speciation method was used to classify P fraction in each treatment, and the Olsen-P content and other soil physicochemical properties were measured using standard methods.【Result】Depending on its application rate, biochar amendment increased Olsen-P content in the dried soil and the paddy soil by 1.78 to 1.46 mg/kg and 12.04～22.42 mg/kg, respectively. Straw incorporation increased Olsen-P content in the dried soil and the paddy soil by 4.46～1.72 mg/kg and 6.37 to 4.27 mg/kg, respectively, also depending on its application amount. The phosphorus components varied with treatment but in all treatments, it was found that HCl-P>NaOH-P>NaHCO3-P>H2O-P. Biochar amendment increased soil pH, total nitrogen (TN), soluble organic carbon (DOC) and organic carbon (SOC) content, while straw incorporation increased soil total phosphorus (TP), DOC and SOC content. In soil amended with biochar, Olsen-P content was positively correlated with H2O-P, NaHCO3-P, SOC and NH4+-N, at significant level, while in soil amended with straw,Olsen-P content was positively correlated with NaOH-P, HCl-P, TN and NH4+-N, also at significant level. 【Conclusion】Biochar amendment and straw incorporation promoted accumulation of Olsen-P in the soils, primarily affected by change in soil pH, TN, and SOC, as well as the changes in phosphorus components. These enhanced the bioavailability of phosphorus.

biochar; straw; Hedley phosphorus classification method; Olsen-P

甘國渝, 金慧芳, 李燕麗, 等. 秸稈及其生物炭添加對土壤Olsen-P及磷素組分的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(5): 43-51.

GAN Guoyu, JIN Huifang, LI Yanli ,et al. Effects of Straw Incorporation and Biochar Amendment on Olsen-P and Phosphorus Fraction in Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 43-51.

1672 - 3317（2023）05 - 0043 - 09

S565

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022289

2022-05-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42207414，42107370）；湖北省教育廳中青年人才項(xiàng)目（Q20181303）；長江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心開放基金項(xiàng)目（KF202115）共同資助

甘國渝（1997-），男。碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail:202071646@yangtzeu.edu.cn

朱海（1990-），男。講師，主要從事土壤生態(tài)與環(huán)境土壤改良及氮素養(yǎng)分高效利用研究。E-mail: zhuhai0917@163.com

李繼福（1987-），男。副教授，主要從事土壤生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail: jifuli@yangtzeu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍