生物炭及改性生物炭對(duì)濱海鹽漬化稻田土壤磷素淋失的影響

公霞，陳猛猛，王兆杰，丁效東

（1臨沂市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東臨沂 276000；2青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東青島 266109；3山東凱華環(huán)?？萍加邢薰?，山東臨沂 276000）

0 引言

磷素是作物生長所必需的大量元素之一，人們習(xí)慣大量施用磷肥以達(dá)到作物增產(chǎn)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積，進(jìn)而通過淋失增加土壤中磷的損失[2]?，F(xiàn)如今，土壤中過量的養(yǎng)分添加容易引起水體富營養(yǎng)化、面源污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題[3]。土壤中磷素向水生生態(tài)系統(tǒng)的流失已成為控制中國水體富營養(yǎng)化的主要因素[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005 年中國磷的總損失為是1980年的3倍，說明近年來土壤磷流失明顯增加[5]，通過合理的措施，提升土壤磷素利用效率，減少土壤磷素磷失，對(duì)減緩農(nóng)業(yè)面源污染，實(shí)現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

生物炭是作物秸稈在300～1000℃厭氧條件下熱解形成的產(chǎn)物[6]。由于其孔隙率高，體積大比表面積高，陽離子交換容量大，生物炭在提高土壤肥力和改善土壤肥力方面具有很大的優(yōu)勢土壤結(jié)構(gòu)[7]。近年來，生物炭的添加減緩磷素磷失，提升磷素利用效率方面起著重要作用[8]。普通生物炭對(duì)磷酸鹽的吸附能力較差，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，可以提高磷酸鹽的吸附能力[9]。因此探究改性生物炭添加對(duì)減緩磷素淋失的作用具有重要意義。

黃河三角洲是由黃河沖擊形成的沖積平原，是中國最大的濱海鹽堿濕地之一。其具有土壤結(jié)構(gòu)差，養(yǎng)分含量低且易淋失等問題，嚴(yán)重限制了該地區(qū)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境發(fā)展[10]。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥添加可以增加土壤磷的有效性，然而過量有機(jī)肥添加后，極易導(dǎo)致土壤磷素的磷失，誘發(fā)生態(tài)環(huán)境問題[11]。生物炭作為一種新型改良劑，其添加到土壤中對(duì)土壤磷素在土壤剖面的遷移特征有待進(jìn)一步探究。因此，本研究通過7年的田間定位試驗(yàn)，明確生物炭及改性生物炭添加后，土壤剖面磷素遷移特征；闡明生物炭及改性生物炭添加后，土壤金屬氧化物與可溶性有機(jī)碳和磷的作用關(guān)系；評(píng)估黃河三角洲濱海鹽堿地土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)，以期為中國黃河三角洲農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2016 年在山東省東營市墾利區(qū)李王村進(jìn)行(37°31′16.17″ N，118°32′28.96″ E)。土壤類型為輕度鹽漬化濱海潮土，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候年平均氣溫13℃，年平均降水量550 mm。2016年試驗(yàn)開始時(shí)，土壤理化性質(zhì)如下：土壤pH 8.1（土水比1:5）；電導(dǎo)率為0.41 mS/cm；水溶性總鹽0.3%；土壤有機(jī)碳為4.9 g/kg；總氮、磷、鉀分別為1.1、0.34、1.1 g/kg；土壤有效磷為14 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取單因素設(shè)計(jì)，共4個(gè)處理：（1）空白對(duì)照，CK；（2）常規(guī)施肥，NPK；（3）常規(guī)施肥+秸稈源生物炭8000 kg/hm2；（4）常規(guī)施肥+秸稈源鐵改性生物炭8000 kg/hm2。常規(guī)施肥每年添加N、P2O5和K2O 分別為255、128、229 kg/hm2，化肥選用尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%、Ca 15%)和硫酸鉀(K2O 50%)。磷肥全部用作基肥，氮肥分4次施用，鉀肥分2次施用，詳細(xì)細(xì)節(jié)已在前面研究詳細(xì)描述。以當(dāng)?shù)氐乃窘斩挒樵?，在馬弗爐中600℃，升溫速率為15℃/min，用N加熱4 h 制成；改性生物炭采用0.1 M FeCl3浸漬稻草24 h，KOH 調(diào)節(jié)pH 8 后，烘干于馬弗爐進(jìn)行熱解制成。生物炭在2016年水稻種植時(shí)一次性添加，后期未進(jìn)行添加。

水稻品種為‘津粳253’，每年5月下旬移栽，10月初收獲，翻地至收獲，均采用人工。小區(qū)面積為4.25 m×2.6 m=11.05 m2，每個(gè)處理3次重復(fù)，采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。為防止串肥，小區(qū)間用塑料膜埋于地下40 cm，地上30 cm 進(jìn)行隔開，地上起30 cm 高，40 cm寬的壟。

1.3 樣品采集

在2022 年10 月初，通過五點(diǎn)取樣法，利用土鉆每個(gè)小區(qū)采集5 個(gè)0～20、20～40、40～60、60～80 cm 的土壤樣品，每層土壤樣品混勻后，組合成一個(gè)復(fù)合樣品，放于密封袋中移送至實(shí)驗(yàn)室。樣品分為2 部分，一部分用于測定土壤理化性質(zhì)，一部分用于測定土壤可溶性有機(jī)碳。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤速效磷和全磷的測定土壤樣品利用碳酸氫鈉浸提后，鉬銻抗比色法測定速效磷；土壤樣品利用硫酸-高氯酸消煮后，用鉬銻抗比色法測定全磷。

1.4.2 土壤水溶性磷的測定適量土壤樣品于容量瓶中，室溫下浸提30 min，吸取20 mL 定容于100 mL 容量瓶，采用比色法測定土壤水溶性磷含量。

1.4.3 土壤有機(jī)碳與可溶性有機(jī)碳的測定用K2Cr2O7-H2SO4消解，硫酸亞鐵滴定法測定土壤有機(jī)碳，0.5 M K2SO4(1/5，w/v)提取土壤可溶性有機(jī)碳，使用TOC 分析儀（TOC-Vario, Elementar, Langenselbold，德國）測定。

1.4.4 土壤鐵、鋁與磷氧化物的測定土壤鐵、鋁與磷氧化物利用草酸-草酸銨浸提，通過元素分析儀測定(PerkinElmer,Waltham,MA,USA)。

1.4.5 土壤磷素磷失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估磷飽和度計(jì)算如式(1)所示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有結(jié)果均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差形式呈現(xiàn)，并在SPSS 軟件中進(jìn)行方差分析和Microsoft Excel 2019 表格匯總。在5%的水平上使用鄧肯檢驗(yàn)來確定處理之間的差異。所有的圖表使用Origin 2021軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭及改性生物炭施用對(duì)剖面土壤速效磷含量的影響

不同土壤剖面中速效磷含量如圖1所示，4個(gè)處理的速效磷在0～80 cm 呈降低趨勢。在0～20 cm 中，相比于NPK處理，生物炭及改性生物炭添加顯著增加了土壤速效磷含量，且在改性生物炭處理中土壤速效磷含量最高。然而在20～40 cm土層中，改性生物炭的有效磷含量最低。

圖1 生物炭及改性生物炭施用對(duì)土壤速效磷含量的影響

2.2 生物炭及改性生物炭施用對(duì)剖面土壤全磷含量的影響

不同土壤剖面中全磷含量如圖2所示，4個(gè)處理的速效磷在0～80 cm 呈降低趨勢。在0～20 cm 中，相比于NPK 處理，生物炭及改性生物炭添加顯著增加了8.7%土壤全磷含量，且在改性生物炭處理中土壤全磷含量最高，2生物炭處理的全磷含量在0～20 cm無顯著差異。然而在20～80 cm土層中，改性生物炭的全磷含量低于常規(guī)施肥處理，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對(duì)剖面土壤水提取磷含量的影響

不同土壤剖面中水提取磷含量如圖3所示，4個(gè)處理的水提取磷在0～80 cm 呈降低趨勢。在0～20 cm中，相比于NPK 處理，生物炭及改性生物炭添加顯著增加了土壤水提取磷含量，且在改性生物炭處理中土壤水提取磷含量最高。隨土層深度增加，F(xiàn)eBC處理中水提取磷含量逐漸降低。在60～80 cm 土層中，F(xiàn)eBC處理的水提取磷含量，顯著低于NPK處理。

圖3 生物炭及改性生物炭施用對(duì)土壤水提取磷含量的影響

2.4 生物炭及改性生物炭施用對(duì)剖面土壤有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳的影響

與CK 處理相比，BC 和FeBC 處理表層土壤有機(jī)碳含量顯著降低處理分別顯著提高了12.9%和18.6%（圖4a）。SOC 含量由0～20 cm 下降至40～60 cm，呈FeBC＞BC＞NPK＞CK的趨勢。此外，DOC含量也呈現(xiàn)出與SOC相似的趨勢。在0～20 cm土壤表層，BC和FeBC 處理的DOC 含量顯著增加；FeBC 處理組比BC處理組高7.2%（圖4b）。此外，在40～60 cm 至60～80 cm范圍內(nèi)，DOC含量呈增加趨。

圖4 生物炭及改性生物炭施用對(duì)土壤有機(jī)碳（a）及可溶性有機(jī)碳（b）含量的影響

2.5 生物炭及改性生物炭施用對(duì)剖面土壤鐵、鋁和磷氧化物的影響

與NPK處理相比，BC和FeBC處理表土鐵氧化物含量顯著提高14.7%和19.2%。在60～80 cm 土層中，F(xiàn)eBC 中鐵氧化物含量低于BC 處理（圖5a）。土壤中磷氧化物與鐵氧化物呈同樣的趨勢。生物炭及改性生物炭添加后，土壤鋁氧化物同樣呈現(xiàn)增加的趨勢，且在0～60 cm，鋁氧化物的含量呈降低的趨勢。然而在60～80 cm中，鋁氧化物的含量要高于40～60 cm（圖5a）。

圖5 生物炭及改性生物炭施用對(duì)剖面土壤鐵（a），鋁（b）和磷氧化物（c）的影響

2.6 生物炭及改性生物炭施用對(duì)鹽漬土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估

生物炭及改性生物炭添加對(duì)土壤磷飽和度的影響如表1。相比于NPK處理，生物炭及改性生物炭添加，0～20 cm土壤中磷飽和比在BC和FeBC處理中降低了1.3%和0.86%，在不同剖面中呈現(xiàn)同樣的趨勢。

表1 生物炭及改性生物炭施用對(duì)鹽漬土壤磷飽和度的影響

2.7 土壤理化性質(zhì)與磷飽和度的相關(guān)性分析

通過皮爾森相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)AP、TP 和H2O-P 與SOC、DOC、Feox 和Alox 呈正相關(guān)關(guān)系，其中DOC 與土壤全磷含量相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.929，表明DOC與TP在土壤中可能共同遷移。PSR與土壤AP、TP和H2O-P呈極顯著正相關(guān)，表明磷素含量與磷飽和度可能存在直接聯(lián)系。

3 結(jié)論

7 年田間定位試驗(yàn)表明，生物炭及改性生物炭添加顯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漸降低的趨勢，然而在60～80 cm 土層中，常規(guī)施肥的全磷含量高于改性生物炭添加的處理，表明改性生物炭添加減緩了土壤磷素向下運(yùn)移。同時(shí)，土壤金屬氧化物、有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳與土壤全磷，速效磷及水溶性磷之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明土壤磷、金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)可能存在共遷移。通過計(jì)算磷飽和度，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)施肥，生物炭添加稻田土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)降低。綜上所述，生物炭，尤其是改性生物炭的添加，可顯著增加土壤表層土壤磷有效性，減緩?fù)寥懒姿亓苁эL(fēng)險(xiǎn)。

4 討論

4.1 生物炭及改性生物炭添加對(duì)土壤磷素運(yùn)移特征的影響

生物炭添加可顯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 土壤中速效磷含量顯著高于常規(guī)施肥處理（圖1）。其原因可能是生物炭添加后，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，為微生物提供佳的生存環(huán)境，進(jìn)而活化了土壤中的磷，提升了土壤有效磷[13]。鹽堿土壤結(jié)構(gòu)差，土壤保磷能力弱，長期磷肥的添加極易導(dǎo)致土壤磷素的淋示失，增加一系列環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[14]。生物炭作為秸稈資源化利用后形成的一種多孔結(jié)構(gòu)的土壤改良劑，其施入土壤后，可顯著提升對(duì)土壤養(yǎng)分的吸附性能，改善土壤養(yǎng)分淋失問題[15]。在本研究中，0～80 cm隨著土層的增加，土壤全磷呈降低的趨勢，然而在60～80 cm 土層中，生物炭及改性生物炭添加的處理中，土壤全磷含量有所降低（圖2），表明生物炭及改性生物炭添加后，土壤磷素淋失現(xiàn)象減緩。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，進(jìn)而減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結(jié)構(gòu)，阻止土壤磷素的淋失[17]。

此外，黃河三角洲地區(qū)地下水位高，土壤磷素極易隨土壤水分運(yùn)移而向下淋失[18]。我們發(fā)現(xiàn)在生物炭施用后表層土壤水溶性磷含量顯著增加（圖3），然而在60～80 cm 土層，相比于NPK 處理，改性生物炭中水溶性磷含量有所降低。這進(jìn)一步證明了改性生物炭可以增加土壤磷素有效性，減少土壤磷素的淋失，改善黃河三角洲鹽堿耕地土壤質(zhì)量及生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

4.2 生物炭及改性生物炭添加對(duì)金屬氧化物，可溶性有機(jī)碳共遷移的影響

土壤中的磷素不是單獨(dú)存在的，大多是與土壤中的金屬氧化物，有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)結(jié)合存在于土壤中[19]。土壤中的磷，金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)三者可形成復(fù)合體，在土壤中共同向下遷移[20]。稻田土壤干濕交替，加之黃河三角洲地區(qū)種植作物前需要大水壓鹽，以提高作物的成活率[21]。本研究中，改性生物炭添加后，土壤中金屬氧化物，有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳均顯著增加（圖4、5）。其原因可能是改性生物炭的投入，其本身攜帶大量有機(jī)質(zhì)及金屬氧化物，使得土壤中含量增加[22]。皮爾森相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤金屬氧化物，有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳與土壤全磷，速效磷及水溶性磷之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（表2）。這進(jìn)一步正面土壤中的磷，金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)可能共同向下遷移。

表2 土壤理化性質(zhì)與磷飽和度的相關(guān)性分析(n=48)

土壤磷素淋失很大程度上取決于土壤磷飽和度，前期研究發(fā)現(xiàn)，磷飽和度越高，土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)越大[23]。本研究中發(fā)現(xiàn)，CK 處理的土壤磷飽和度最低，其原因可能是土壤長期不施肥，土壤中磷素含量低，磷素不存在淋失風(fēng)險(xiǎn)[24]。然而，常規(guī)施肥處理中磷飽和度達(dá)0.23，表面?zhèn)鹘y(tǒng)常規(guī)施肥條件下，土壤中磷素存在較大淋失風(fēng)險(xiǎn)。再添加生物炭及改性生物炭后，土壤中磷飽和度顯著降低，且鐵改性生物炭中磷飽和度最低，其原因可能是：（1）相比于傳統(tǒng)生物炭，改性后的生物炭具有更大的比較面積，增加了表面具有吸附性能的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)[25]；（2）改性生物炭添加后土壤提供更多磷吸附位點(diǎn)，減少土壤飽和度，達(dá)到減緩磷素淋失的問題[26]。綜上所述，生物炭，尤其是改性生物炭添加，可以增加土壤磷素有效性，同時(shí)可減緩?fù)寥懒姿亓苁эL(fēng)險(xiǎn)。這一舉措對(duì)保障黃河三角洲生態(tài)環(huán)境，減緩中國農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。