施用生物炭基肥對喀斯特石灰土磷元素特性的影響

朱　倩,周之棟,施　毅,吳永波,薛建輝

南京林業大學生物與環境學院,南京林業大學江蘇省南方現代林業協同創新中心, 南京　210037

貴州省是世界上喀斯特地貌發育最完全的連續地帶,喀斯特出露面積達13萬km2,占全省土地面積的73%[1],生態環境極為脆弱,石漠化和水土流失已成為該地區最主要的生態系統退化問題。有研究表明,喀斯特地區土壤侵蝕導致土壤氮磷等養分元素淋溶作用加快,并加速了土壤貧瘠化[2]。同時,喀斯特山地土壤為堿性石灰土,鈣離子含量偏高,土壤中磷主要以難溶性磷酸鈣鹽形式存在[3- 4],使土壤有效磷含量嚴重不足,成為土壤養分主要制約因子,并阻礙退化山地植被生長與恢復速度。因此,在人工幼林地中施肥可增加土壤養分供給,提高造林成活率和幼樹生長量。目前,農田和林地施肥使用速效性化肥較多。化肥在較短時間內可迅速提高土壤中有效養分的含量,但長期施用可導致土壤質量退化,并降低土壤酶活性[5- 6]。施用有機肥對提高土壤中有效養分含量具有持續性[5],并對土壤酶活性和養分的循環轉化具有促進作用[7]。近年來,生物炭作為土壤改良劑和肥料緩釋載體,被廣泛應用到農林業土壤改良中。有研究表明,生物炭能夠提高土壤有機質含量,改善土壤保水、保肥性能,減少氮磷養分損失,提高土壤有效磷含量[8- 9],可提高土壤微生物活動性,特別是菌根真菌。有關生物炭施用于喀斯特石灰土中對磷元素的影響研究鮮見報道。

本文利用盆栽試驗方法施用生物炭+豬糞堆肥+NPK肥制成的生物炭基肥,探討不同處理方式對喀斯特山地石灰土不同形態磷素含量和堿性磷酸酶活性的影響,并分析各指標之間的相關性,解釋土壤磷素循環轉化的機理,試圖篩選出最適的施肥種類和施用量,為喀斯特山地幼林地恢復提供參考依據。

1　材料與方法

1.1　供試土壤與肥料

試驗土壤取自貴州省普定縣白巖鎮的退耕還林地(105°27′—105°58′E, 26°9′—26°31′N)。普定縣屬于典型的喀斯特地區,該區土壤為典型石灰土,土層平均厚度25 cm[10]。本次試驗土壤采樣深度為地表耕作層0—20 cm內,過2 mm篩消毒后備用,基本理化性質為：pH=7.72,容重1.48 g/cm3,有機質含量14.44 g/kg,堿解氮65.81 mg/kg,總磷502.96 mg/kg,有效磷5.40 mg/kg,有機磷319.45 mg/kg,微生物量磷1.37 mg/kg。

試驗所用生物炭為稻殼炭,購于安徽拜爾福生物科技有限公司；生物有機肥為豬糞堆肥,購于上海時科生物科技有限公司；NPK肥為尿素(N含量46.7%),磷酸一銨(N-P2O5-K2O：12.2- 61.7-0),氯化鉀(K2O含量63.2%)。生物炭基肥采用固液吸附法進行實驗室自制,將NPK肥和堆肥溶于一定體積超純水中,加入相應比例生物炭,充分攪拌混勻后平衡24 h,置于60oC烘箱烘干至恒重,制成生物炭基肥,封裝于自封袋中保存備用。各肥料養分含量見表1。

表1　稻殼炭與豬糞堆肥理化性質

1.2　試驗設計

試驗地點位于南京林業大學下蜀林場,于2016年4月進行盆栽試驗。盆栽植物為刺槐,種子購于南京,經育苗處理長出幼苗后,選取生長旺盛且長勢一致的幼苗移栽于高18 cm、上徑15 cm、下徑12 cm的花盆中,每盆裝土2 kg。實驗共10個處理,分別為:(1)對照組,不添加任何處理CK；(2)只施加堆肥處理,M；(3)只施加NPK肥處理,F；(4)施加堆肥和NPK肥處理,MF；(5)施加1%稻殼炭(炭土質量比,下同)+堆肥+NPK肥處理,RH1MF；(6)施加2%稻殼炭+堆肥+NPK肥處理,RH2MF；(7)施加4%稻殼炭+堆肥+NPK肥處理,RH4MF；(8)施加8%稻殼炭+堆肥+NPK肥處理,RH8MF；(9)施加4%稻殼炭+堆肥處理,RH4M；(10)施加4%稻殼炭+NPK肥處理,RH4F；每個處理中NPK肥和堆肥保證等氮量施加,各處理施用肥料種類和數量列于表2。每個處理15盆。裝盆之前,各處理生物炭基肥與土壤進行充分摻混。于2017年4月采集盆栽土壤表土層多點混合土樣,每個處理隨機選取3個盆栽作為3個重復。

表2　不同施肥處理中肥料種類和數量

CK：對照Control；M：堆肥Compost；F：氮磷鉀肥NPK fertilizer；MF：堆肥+氮磷鉀肥Compost & NPK fertilizer；RH1MF：1%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥1% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH2MF：2%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥2% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH4MF：4%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥4% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH8MF：8%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥8% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH4M：4%稻殼炭+堆肥4% Rice-husk-derived biochar & Compost；RH4F：4%稻殼炭+氮磷鉀肥4% Rice-husk-derived biochar & NPK fertilizer

1.3　測定指標與方法

總磷的測定采用堿熔-鉬銻抗分光光度法；有效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法；有機磷的測定采用灼燒法,即用1 mol/L的H2SO4浸提經550oC高溫灼燒的土和未經灼燒的土,振蕩過濾后,滴加指示劑并用5 mol/L 的NaOH調節溶液顏色至微黃色,再加入鉬銻抗顯色劑,搖勻定容后在分光光度計上700 nm處比色,最終結果為灼燒后土壤浸出的磷濃度與未灼燒土壤浸出的磷濃度的差值[11]；微生物量磷采用氯仿滅菌-NaHCO3提取法[12]；堿性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法[13]。

1.4　數據處理

采用SPSS 19.0和Excel 12.0進行統計分析、作圖,對數據進行單因素方差分析,采用Duncan法進行多重比較。

2　結果與分析

2.1　施用生物炭基肥對石灰土中不同形態磷素含量的影響

2.1.1土壤總磷含量差異

由圖1可知,不同生物炭基肥處理后石灰土中總磷含量均顯著高于CK(P<0.05)。總磷含量大小順序為為：MF>RH8MF>RH4M>RH2MF>RH4MF>RH4F>F>RH1MF>M>CK,分別比CK提高45.0%、44.3%、40.6%、39.9%、34.8%、32.7%、31.7%、25.3%、20.7%。RH8MF處理后石灰土中總磷含量顯著高于RH1MF,說明生物炭高施用量處理能顯著提高土壤總磷含量。其中,RH4M和RH4F處理較M、F處理的總磷含量高。因此,生物炭與堆肥或NPK肥混施比單獨施用堆肥或NPK肥的效果更好。

圖1　不同施肥處理方式對石灰土中總磷含量的影響Fig.1　Effects of different fertilizer treatments on the content of total phosphorus in calcareous soilCK：對照Control；M：堆肥Compost；F：氮磷鉀肥NPK fertilizer；MF：堆肥+氮磷鉀肥Compost & NPK fertilizer；RH1MF：1%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥1% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH2MF：2%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥2% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH4MF：4%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥4% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH8MF：8%稻殼炭+堆肥+氮磷鉀肥8% Rice-husk-derived biochar & Compost & NPK fertilizer；RH4M：4%稻殼炭+堆肥4% Rice-husk-derived biochar & Compost；RH4F：4%稻殼炭+氮磷鉀肥4% Rice-husk-derived biochar & NPK fertilizer. 不同小寫字母表示顯著性差異(P<0.05)

2.1.2土壤有效磷含量差異

由圖2可知,不同生物炭基肥處理后石灰土中有效磷含量明顯增加,均達顯著水平(P<0.05)。有效磷含量大小順序為： RH8MF>RH4MF>RH2MF>RH4M>RH1MF>MF>RH4F>M>F>CK。其中,隨著生物炭施用量的增加,石灰土中有效磷含量也隨之增加,且增加趨勢較明顯；RH4MF處理較RH4M、RH4F有效磷含量分別增加21.9%和45.8%,且其有效磷含量均高于對照MF、M、F、CK處理。由此可見,生物炭+堆肥+NPK肥混施比單獨與堆肥或NPK肥施用的效果更好,表明生物炭可促進石灰土中磷的轉化,提高有效磷含量。

圖2　不同施肥處理方式對石灰土中有效磷含量的影響Fig.2　Effects of different fertilizer treatments on the content of available phosphorus in calcareous soil

2.1.3土壤有機磷含量差異

由圖3可知,各處理土壤有機磷含量均高于CK。除RH4F和F處理外,其他各處理與CK相比均達到顯著性水平(P<0.05)。不同處理有機磷含量大小順序為： RH8MF>M>RH2MF>RH1MF>RH4MF>RH4M>MF>F>RH4F>CK,分別比CK提高了43.6%、27.3%、27.3%、26.2%、25.1%、24.1%、22.2%、14.1%、4.8%。由此可見,RH8MF處理的土壤有機磷含量增加最多。RH4MF處理較RH4M、RH4F處理有機磷含量高,表明生物炭+堆肥+NPK肥混施的效果優于生物炭單獨與堆肥或NPK肥混施處理；M處理的有機磷含量大于F處理,表明堆肥對土壤有機磷的增加作用大于NPK肥。

圖3　不同施肥處理方式對石灰土中有機磷含量的影響Fig.3　Effects of different fertilizer treatments on the content of organic phosphorus in calcareous soil

2.1.4微生物量磷含量差異

由圖4可知,不同生物炭基肥處理后石灰土中微生物量磷的含量均顯著高于CK(P<0.05)。微生物量磷含量大小順序為： RH8MF>RH4MF>RH4M>RH4F>M>RH2MF>F>MF>RH1MF>CK。由此可見,石灰土中微生物量磷含量隨著生物炭施用量的增加而增加。另外, RH4MF處理較RH4M、RH4F處理的微生物量磷含量高,表明生物炭+堆肥+NPK肥混施對微生物量磷含量的提高優于生物炭單獨與堆肥或NPK肥混施；同時,M處理效果優于F處理,即施用堆肥提高微生物量磷含量的作用優于NPK肥。

圖4　不同施肥處理方式對石灰土中微生物量磷含量的影響Fig.4　Effects of different fertilizer treatments on the content of microbial biomass phosphorus in calcareous soil

2.2　施用生物炭基肥處理對石灰土中堿性磷酸酶活性的影響

由圖5可知,不同生物炭基肥處理后石灰土中堿性磷酸酶活性與CK相比均有所提高。除RH1MF處理以外的各處理均達到了顯著性差異(P<0.05)。堿性磷酸酶活性大小順序為： RH2MF>MF>RH4MF>RH8MF>RH4M>RH4F>M>F>RH1MF>CK。其中,RH2MF、MF、RH4MF處理分別比CK提高了82.7%、75.3%、63.4%。由此可見,在中等施用量下的生物炭基肥處理(RH2MF和RH4MF)對石灰土堿性磷酸酶活性的促進作用較好,高生物炭施用量對石灰土堿性磷酸酶活性會產生抑制作用。RH4MF處理比RH4M、RH4F處理堿性磷酸酶活性高,表明堆肥與NPK肥混施比單施堆肥或NPK肥對堿性磷酸酶活性的促進作用更好,且堆肥比NPK肥的作用更明顯。

圖5　不同施肥處理方式對石灰土中堿性磷酸酶活性的影響Fig.5　Effects of different fertilizer treatments on the activity of alkaline phosphatase in calcareous soil

2.3　施用生物炭基肥處理對刺槐幼苗生物量的影響

由表3可知,不同施肥處理后刺槐幼苗生物量與CK相比均有所提高,且各處理之間地上生物量和總生物量均達到了顯著性差異(P<0.05)。其中,RH4M 處理刺槐幼苗地上、地下生物量及總生物量達到最大值,分別比CK高275.2%、139.8%、204.8%。由此可見,生物炭與堆肥混施對刺槐幼苗生物量的增加效應最好。另外,隨著生物炭施用量的增加,刺槐幼苗生物量也隨之增加,說明生物炭高施用量下對植物生長的促進作用較好。

表3　不同施肥處理對刺槐幼苗生物量的影響

每列不同小寫字母代表顯著性差異(P<0.05)

2.4　不同形態磷含量指標的相關性分析

不同形態磷含量指標的相關性分析表明(表4),總磷與有效磷、有機磷、微生物量磷、堿性磷酸酶之間呈極顯著正相關(P<0.01)；有效磷與有機磷、微生物量磷、堿性磷酸酶之間呈極顯著正相關(P<0.01),其中有效磷與微生物量磷相關性最強,相關系數為0.774；有機磷與微生物量磷、堿性磷酸酶之間呈顯著正相關(P<0.05)；刺槐總生物量與4種形態磷含量之間均呈顯著正相關(P<0.05)。

表4　各指標之間的相關性分析表

*表示P<0.05,**表示P<0.01

3　討論

磷是植物生長所必需的營養元素之一,土壤中磷含量一般在0.02%—0.2%之間[14]。本文研究結果表明,生物炭+堆肥+NPK肥混施制成的生物炭基肥可顯著提高喀斯特石灰土中總磷含量。關連珠等研究發現生物炭與化肥配施比單施化肥提高了土壤總磷含量[15],與本文結果趨勢一致,這可能是因為生物炭自身含有一定量的磷素,其施用量越高,帶入土壤的磷養分含量也越高,從而能顯著提高土壤總磷的含量。此外,本文研究結果表明,生物炭高配比施用量下的生物炭基肥處理(RH8MF)可以顯著提高土壤有機磷含量。土壤有機磷是總磷的重要組成成分,一般占總磷含量的20%—80%[16],生物炭、堆肥、化肥作為N、P等營養物質的來源施入土壤中,可以增加土壤總磷及有機磷含量。生物炭基肥施加進入土壤,生物炭的多孔性質為土壤微生物提供良好的棲息環境,增加微生物量,增強微生物活性；土壤微生物量磷含量的增加也可作為土壤有機磷的來源之一[17]。本文結果表明,微生物量磷與有效磷之間存在極顯著正相關性,解磷微生物可以促進土壤有機磷向有效磷轉化,從而增加土壤中有效磷含量。

土壤中能夠被植物直接吸收利用的磷為有效磷,占土壤中總磷的一小部分,其含量的大小決定了植物生長的好壞。本文研究結果表明,隨著生物炭基肥處理中生物炭施用配比的增加,石灰土中有效磷含量也呈增加趨勢,這與他人研究結果一致,即生物炭施用比例越高,土壤中有效磷含量也越高[18]。生物炭具有的吸附作用,可吸附土壤磷素來減少其淋溶損失[19]；另一方面,生物炭可通過其自身的陰離子交換作用或者通過影響與磷反應的陽離子來改變磷的有效性,降低土壤對磷的吸附,從而提高土壤磷的有效性,增加土壤有效磷含量[20-21]。同時,生物炭作為一種碳含量較高的有機碳,施入土壤可以礦化自身的有機磷,還可以通過絡合溶解、還原等作用活化土壤中難溶解的磷,從而提高磷的有效性[22- 29]。本文結果表明RH4MF處理土壤有效磷含量高于RH4M和RH4F,說明堆肥+NPK肥混施比單施效果好,其原因可能是,有機肥中含有的有機磷較為容易分解釋放,同時有機肥施加進入土壤后增加的有機離子對土壤磷的專性吸附位點形成屏蔽與競爭,從而增加土壤磷的有效性,增加土壤有效磷含量[30]。土壤中磷含量的增加,直接導致刺槐幼苗生物量的增加,促進了刺槐幼苗的生長,本文研究結果表明,刺槐總生物量與4種形態磷元素含量之間呈顯著正相關。

土壤磷酸酶是土壤有機磷礦化作用的催化劑,其活性的提高有助于土壤有效磷含量的增加,土壤磷酸酶活性大小能夠反映有機磷向有效磷轉化的能力。本文研究結果表明,堿性磷酸酶與有效磷之間存在極顯著的正相關性,這與其他研究相一致[31]。中等生物炭施用量下的生物炭基肥(RH2MF、RH4MF)處理堿性磷酸酶的活性最高,高施用量生物炭反而抑制了堿性磷酸酶的活性。這可能與土壤的pH值有關,研究表明土壤磷酸酶活性受土壤pH影響較大[32],由于生物炭自身呈堿性,生物炭高施用量下使土壤pH值增大,從而抑制了土壤堿性磷酸酶的活性。

4　結論

生物炭+堆肥+NPK肥混施制成的生物炭基肥施用可顯著提高喀斯特石灰土中總磷、有效磷、有機磷、微生物量磷的含量及刺槐幼苗的生物量,且生物炭高施用量下的生物炭基肥處理效果更好。上述4種不同形態的磷含量相互之間呈顯著正相關(P<0.05),其中有效磷與微生物量磷之間的相關系數最高,達到0.774,可見喀斯特石灰土中微生物對土壤有效磷含量影響較大。生物炭中等施用量下的生物炭基肥處理(RH2MF和RH4MF)對喀斯特石灰土中堿性磷酸酶活性的促進作用最大。綜上所述,生物炭高施用量下的生物炭基肥處理可以顯著改善喀斯特石灰土中磷素養分狀況,促進植物幼苗的生長,可提高喀斯特山地人工幼林地生態恢復的成效。