生物質炭施用對杉木幼苗土壤磷組分的影響①

宋凱悅，馬亞培，李宇軒，謝 歡，閆代紅，陳岳民，馬紅亮，高 人，尹云鋒*

生物質炭施用對杉木幼苗土壤磷組分的影響①

宋凱悅1,2，馬亞培1,2，李宇軒3，謝 歡1,2，閆代紅1,2，陳岳民1,2，馬紅亮1,2，高 人1,2，尹云鋒1,2*

(1福建師范大學地理研究所，福州 350007；2福建省濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福州 350007；3華中農業大學微量元素研究中心，武漢 430070)

通過盆栽試驗，采用Hedley連續浸提法研究不同生物質炭施用量處理（CK：0 t/hm2；B12：12 t/hm2；B36：36 t/hm2）對杉木幼苗土壤磷組分的影響。結果表明：與CK相比，試驗180 d后B12和B36處理土壤全磷與有效磷含量分別增加了8.7% ～ 26.0% 和24.0% ～ 101.7%，有效磷在全磷中的比例顯著提高；土壤磷組分中，殘余態磷在全磷及無機磷組分中的比例均最高，分別為48.5% ～ 51.1% 和58.7% ～ 68.3%。B36處理下，土壤各無機磷組分均顯著增加，其中易分解態磷和中等易分解態磷在無機磷中的比例顯著提高，而穩定態磷和殘余態磷的比例顯著降低。中等易分解態磷占總有機磷的比例最高，達69.3% ～ 70.2%，生物質炭施用對各有機磷組分在總有機磷中的比例影響均不顯著，僅在B36處理下，土壤有機磷中易分解態磷和中等易分解態磷含量顯著降低。冗余分析表明，土壤全碳與各無機磷組分呈顯著正相關關系，與有機磷組分呈顯著負相關關系，是影響土壤磷組分變化的關鍵因子。

生物質炭；人工林；磷組分；杉木

杉木()是我國亞熱帶地區廣泛種植的速生樹種，其人工林面積已達1.10×107hm2，約占全國人工林總面積的21.4%，在人工林生態系統中占據重要地位[1-2]。然而，由于杉木特有的生物學特性以及不合理的營林措施，導致人工林土壤肥力下降，磷(P)素缺乏已成為杉木人工林生長的重要制約因素[2]。土壤磷素供應受限一方面是由于連栽以及皆伐火燒等導致土壤養分大量流失[3]，另一方面是因為該區域土壤高度風化且呈酸性，植物可吸收利用的有效磷(AP)易被土壤中鐵鋁氧化物吸附固定[4]，致使磷素多以難分解態存在，即使土壤全磷(TP)含量高，AP供應也很難滿足植物需求[5]。因此，活化土壤固定的和不易被植物吸收的磷是提高其利用率的重要途徑[6]。

生物質炭是生物質材料在缺氧或限氧環境中熱解而成的穩定多孔、高度芳香化的富碳物質[7]。研究表明，生物質炭作為土壤改良劑，有助于改善杉木人工林土壤肥力狀況[8]。目前，圍繞生物質炭施入對土壤磷素有效性的影響研究亦有較多報道，但結論不一[9-11]。已有研究發現，生物質炭可以直接釋放可溶性磷以增加土壤AP含量[9]，但也有研究認為生物質炭施用加劇了土壤磷淋失[12]，或間接改變了土壤性質而影響磷的吸附、解吸、溶解、沉淀等過程[13]。這些差異表明生物質炭施用對土壤磷循環的影響還存在很大的不確定性。因此，研究磷組分分布特征及影響因素對深入認識生物質炭和土壤磷有效性關系尤為重要[14-15]。

由Hedley等[16]及Wang等[17]提出的連續浸提法已被廣泛用于土壤磷組分研究。Gao等[7]發現生物質炭施用對農田土壤AP和微生物生物量磷(MBP)含量有促進作用。Chathurika等[13]研究發現，生物質炭施用顯著提高了黏壤土中NaHCO3浸提磷(NaHCO3-P)和NaOH提取磷(NaOH-P)含量，而對壤土中的沒有影響。Xu等[18]將生物質炭施用到酸性土壤中提高了HCl提取磷(HCl-P)含量，但這種影響未在堿性土壤中發現。亦有研究發現，生物質炭會吸附溶液中磷酸鹽，降低堿性土壤磷有效性[19]。這些差異可能與土壤類型、生物質炭來源和制備條件以及施用量不同有關。當前，有關生物質炭施用對土壤磷組分變化的影響研究較少，且報道多集中在農田土壤，對人工林土壤的研究還不多見。為此，本研究以杉木幼苗土壤為研究對象，研究生物質炭施用對土壤磷組分的影響，以為該區域人工林土壤肥力提升和生物質資源合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2019年3月下旬取自福建省閩北水土保持科教園，土壤類型為山地紅壤。將去除石礫、動植物殘體等雜物后的新鮮土壤樣品，過5 mm篩備用。供試土壤的全碳(TC) 16.51 g/kg，全氮(TN) 1.71 g/kg，全磷(TP) 0.53 g/kg，pH 4.49。供試1年生杉木幼苗購自三明苗木基地。供試生物質炭(玉米秸稈，450℃制備)購自遼寧金和福農業科技股份有限公司，TC 442.91 g/kg，TN 7.97 g/kg，TP 2.94 g/kg，pH 10.17。

1.2 試驗設計

試驗地點位于倉山校區長安山公園(26°02′ 11″N，119°18′03″E)。將6.24 kg新鮮土(相當于5.00 kg烘干土)、生物質炭與基肥按照一定比例混合均勻后裝入直徑25 cm、高25 cm的塑料盆中，選擇長勢一致的杉木幼苗栽入盆中。基肥施用量為：CO(NH2)250 kg/hm2，K2SO475 kg/hm2，Ca(H2PO4)2100 kg/hm2；生物質炭施用量分別為0、12、36 t/hm2，相當于土壤質量的0、1% 和3%，分別記作處理CK、B12、B36，每個處理5次重復。自2019年4月1日起，每天檢查幼苗生長狀況，調換塑料盆位置，補充水分，去除土壤表面雜草和雜物，以減少環境因素的干擾。試驗180 d后進行破壞性取樣，利用四分法取出土樣，新鮮土樣去除根系、石礫等雜物，過2 mm尼龍網篩后分成兩部分，一部分4℃儲存；另一部分自然風干。

1.3 測定項目及方法

土壤pH采用便攜式pH計(Mettler FE28，上海)測定；TC利用元素分析儀(Elementar Vario MAX CN，德國)測定；含水量(SWC)采用烘干法測定；可溶性有機碳(DOC)采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/ CPN，Shimadzu，日本)測定。微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法浸提，微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸–NaHCO3浸提法浸提[20]，利用連續流動分析儀測定提取液氮和磷含量，利用總有機碳分析儀(TOC- VCPH/CPN，Shimadzu，日本)測定提取液碳含量。

土壤磷組分分析采用Hedley等[16]提出的連續浸提法，參照Fan等[21]和Wang等[17]將土壤磷形態劃分為：①易分解態磷(labile phosphorus，LP，包括Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)，其中Resin-P為陰離子樹脂膜提取的無機磷(Pi)，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po是通過NaHCO3溶液提取的無機磷與有機磷(Po)；②中等易分解態磷 (moderately labile phosphorus，ML-P，包括NaOH-Pi、NaOH-Po)，即利用NaOH溶液進一步提取的無機磷和有機磷；③穩定態磷(occluded phosphorus，OP，包括NaOHs-Pi、NaOHs-Po、Dil.HCl-Pi)，其中NaOHs-Pi、NaOHs-Po是經NaOH溶液浸提和超聲處理后的無機磷和有機磷，Dil.HCl-Pi是用稀HCl浸提的無機磷；④殘余態磷(residual phosphorus，RP)，即利用H2SO4和HClO4高溫消煮后測得的殘留在土壤中的磷，為閉蓄態無機磷。根據土壤磷形態穩定性由弱到強的順序提取，利用連續流動分析儀(Skalarsan++，荷蘭)測定土壤磷組分含量。土壤TP為各級磷組分之和，土壤AP為Resin-P+NaHCO3-Pi+NaHCO3-Po，總有機磷(TPo)為NaHCO3-Po+NaOH-Po+NaOHs-Po。

1.4 數據處理

數據運用Microsoft Excel 2013整理，統計分析和作圖采用SPSS 25.0和Origin 2017軟件，文中數據為平均值 ± 標準誤差。采用單因素方差分析法，分析不同處理下各指標的差異顯著性(LSD檢驗，<0.05)；利用相關分析研究不同處理下土壤理化性質、磷組分和微生物生物量之間的相關性；運用CANOCO 5.0軟件進行冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 施用生物質炭對土壤基本性質的影響

如表1所示，與CK處理相比，B12和B36處理顯著提高了土壤pH及TC、MBC、MBP、TP和AP含量(<0.05)，pH分別提高了0.19和0.62個單位，TC含量分別增加了38.1% 和95.5%，MBC含量分別提高了55.9% 和50.4%，MBP含量分別提高了28.6% 和40.3%，TP含量分別增加了8.7% 和26.0%，AP含量分別提高了24.0% 和101.7%，AP在TP中所占比例亦顯著提高(<0.05)。B36處理顯著增加SWC、DOC含量(<0.05)，但B12處理與CK處理差異并不顯著；此外，不同處理間的土壤MBN含量和MBC/MBP比值均無顯著差異。

表1 不同處理的土壤基本性質

注：表中同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)；下同。

2.2 施用生物質炭對土壤磷組分的影響

由表2和圖1可知，CK處理土壤不同形態磷總體分布表現為RP>ML-P>OP>LP，所占TP比例分別為51.1%、33.6%、8.3% 和6.9%。生物質炭施用后土壤無機磷中的Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、Residual-P含量升高，且處理間差異顯著(<0.05)。同CK處理相比，B36處理土壤OPi(NaOHs-Pi、Dil.HCl-Pi)含量顯著增加，LPo和ML-Po(NaHCO3- Po、NaOH-Po)含量顯著下降(<0.05)，而B12處理無明顯變化。B36處理土壤磷組分總體分布呈現為RP>ML-P>LP>OP，所占TP比例依次為48.5%、33.1%、11.1% 和7.4%。

從表2與圖2A可見，土壤中RP/TPi比例為58.7% ～ 68.3%，表明RP是TPi的主體部分。與CK處理相比，B12和B36處理均顯著提高了LPi/TPi和ML-Pi/TPi的比例，但RP/TPi比例顯著降低(<0.05)；而B36處理的OPi/TPi亦有顯著降低(<0.05)。土壤中ML-Po/TPo比例最大，為69.3% ～ 70.2%，并且生物質炭施用并未顯著影響各有機磷組分在TPo中的比例(圖2B)。

表2 不同處理土壤磷組分含量(mg/kg)

(圖中小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平顯著，下同)

2.3 土壤磷組分與有效磷及環境因子的相關性

由表3可知，土壤AP含量與無機磷組分呈極顯著正相關關系(<0.01)，與有機磷組分中的NaOH-Po呈極顯著負相關關系(<0.01)，與NaHCO3-Po呈顯著負相關關系(<0.05)。除NaOHs-Po與其他各組分磷

之間以及NaHCO3-Po與Dil.HCl-Pi之間無顯著相關性外，土壤各磷組分之間呈不同程度的顯著相關關系，其中Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaOHs-Pi、Residual-P之間存在極顯著相關關系(<0.01)。

以土壤基本性質(pH、SWC、TC、DOC)和微生物生物量(MBC、MBN、MBP)作為解釋變量，土壤磷組分的變化特征值作為響應變量作RDA分析(圖3)。RDA的第1軸和第2軸分別解釋變量的93.82% 和1.18%，其中，TC的影響最大，解釋了土壤磷組分變化的92.0%，TC與土壤無機磷含量呈顯著正相關關系，與土壤有機磷含量呈顯著負相關關系。

3 討論

3.1 生物質炭施用對土壤有效磷的影響

本研究發現，Resin-P占TP比例僅0.5%，可見供試土壤短期內最易被杉木幼苗吸收利用的磷含量很低。此外，施用生物質炭顯著提高了土壤TP和AP含量，且不同生物質炭施用量處理間存在顯著差異，高量施用處理效果較低量施用處理更為明顯，這與Gao等[7]研究結果一致，其原因在于生物質在熱解過程中揮發碳，同時分解有機磷鍵，使得大量可溶性磷酸鹽殘留在生物質炭中，因此生物質炭可作為直接磷源[7]；且生物質炭理化性質穩定，抗分解、抗氧化能力強，磷揮發性差，可以保證磷素長期有效地供應[22-24]。已有研究表明，土壤AP含量和活性與土壤pH改變有關[18]。如Fan等[4]研究發現，pH與土壤磷組分之間存在顯著相關性；Hou等[25]研究認為，pH對表層土壤有機磷起著關鍵調控作用；Zhai等[26]亦發現，玉米秸稈生物質炭施用后紅壤pH增加，進而提高了AP含量。由于生物質炭表面帶有負電基團，能結合土壤溶液中的H+，施用生物質炭提高了酸性土壤pH[27]，導致磷與土壤礦物或金屬離子的絡合作用發生改變，吸附在鐵鋁氧化物上的磷素溶解，減少了磷素在土壤中的固定[5]。本研究與上述報道結論相近，RDA分析亦進一步表明，土壤pH與無機磷組分含量呈正相關，與有機磷組分含量呈負相關。

(A圖中TPi：總無機磷；LPi：易分解態無機磷；ML-Pi：中等易分解態無機磷；OPi：穩定態無機磷；RP：殘余態磷；B圖中LPo：易分解態有機磷；ML-Po：中等易分解態有機磷；OPo：穩定態有機磷；下同)

表3 土壤中有效磷與磷組分的相關性分析

注：*和**分別表示在<0.05和<0.01水平顯著相關。

圖3 土壤磷組分影響因素的冗余分析

MBP是土壤中重要的活性磷源，能在一定程度上反映土壤供磷能力，而MBC/MBP是衡量土壤MBP有效性的重要指標，一般比值越小表明微生物對磷的礦化速率越快[28]。此外，Gul等[29]研究表明，較高的MBC含量也意味著較高的磷礦化率。本研究中，MBC/MBP比值較小，且生物質炭施用后土壤MBC、MBP含量顯著增加。生物質炭施入土壤，為微生物提供了碳源，同時改善了土壤養分和通氣性，有利于微生物活性提高，分泌大量胞外酶(如酸性磷酸酶)，進而提高土壤磷礦化率[30]。李渝等[28]亦有類似發現，他們發現MBP含量增加主要是來自于微生物驅動下有機磷和礦化了的無機磷的同化作用。生物質炭施用可以激發微生物對磷的礦化潛力，這可能是本研究中生物質炭提高土壤AP的又一原因。在本研究中，施用生物質炭對土壤AP的影響程度大于TP，這與Yang等[31]研究結論一致，他們認為生物質炭施用后土壤AP含量增加主要歸因于土壤內源磷的活化，而非生物質炭中磷的釋放，生物質炭能夠將植物難以利用的磷轉化為可利用性磷，對磷代謝產生積極影響。

3.2 生物質炭施用對土壤磷組分的影響

本研究發現，生物質炭施用顯著改變了土壤磷組分含量及各組分在TP中的比例，土壤磷素對生物質炭的響應程度與不同磷組分的穩定性有關。已有研究表明，各處理中土壤RP含量最高，約占TP一半，該組分可與鐵鋁氧化物結合，較為穩定，但可通過解吸、風化、礦化過程被植物吸收利用，成為潛在磷庫[32]。盡管施用生物質炭后土壤中RP含量顯著增加，但RP在TP及TPi中的比例顯著降低，相關分析亦表明，RP與無機磷組分均呈顯著正相關關系，這可能與生物質炭施用促進了解磷微生物對土壤RP等難溶性磷酸鹽利用有關[6]，進而引起RP向其他形態磷轉化。

LP(Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)中Resin-P是與土壤溶液處于平衡狀態的土壤固相無機磷[33]，NaHCO3-Pi是晶體化合物表面弱吸附力的活性無機磷，NaHCO3-Po主要存在于不穩定有機化合物中[34]。因此，植物和微生物趨向于首先利用LP來滿足增加的磷需求，但在高度風化土壤中，LP易被鐵鋁氧化物吸附固定[4]。ML-P(NaOH-Pi、NaOH-Po)與LP相比，與鐵鋁氧化物及有機物的聯系更為密切，是維持土壤LP平衡的關鍵，被認為是短期內LPi的潛在來源[34]。本研究中，Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaHCO3-Po、NaOH-Po之間均存在顯著相關關系，這與其他研究強風化酸性土壤的報道一致[35-36]。生物質炭施用顯著提高了土壤中LPi和ML-Pi含量及其在TPi中的比例，較高生物質炭施用量處理的土壤中LPo和ML-Po含量顯著降低，但各有機磷組分在TPo中的比例未顯著變化，這與武玉[36]的研究結論相似，他在短期培養研究中發現，生物質炭施用加強了對酸性土壤Resin-P、NaOH-Pi的正激發，減弱了對NaHCO3-Pi的負激發，對NaHCO3-Po的激發效應由正轉負。蔣炳伸等[30]研究發現，外源秸稈輸入改善土壤環境(pH和養分)，有利于微生物的大量繁殖，微生物產生的大量分泌物(如低分子量有機酸)，可通過配位交換作用與磷酸根競爭土壤顆粒表面的陰離子吸附位點，進而促進弱吸附力的活性無機磷釋放，這可能是本研究中活性無機磷增加的原因。Maranguit等[37]指出，微生物對土壤有機磷的礦化是AP主要補充來源。亦有研究表明，土壤NaHCO3-Po中部分以MBP形式存在[38]。因此LPo和ML-Po含量降低可能是因為生物質炭施用增強了微生物群落驅動的土壤易礦化有機磷向LPi和ML-Pi轉化的過程，或被微生物礦化后繼而同化為MBP。此外，在對照及施用生物質炭的所有處理中土壤ML-Po占TPo比例最大，Wu等[39]亦有類似發現，表明該組分比例相對較高且較為穩定，只有少部分具有生物活性。本研究中OP受生物質炭影響最小，其中Dil.HCl-Pi含量較低，它是與鈣結合的原生礦物態磷[6]，該形態磷只在高量生物質炭處理下顯著增加，這可能由于土壤pH升高，交換性鈣鎂含量增加，鈣誘導磷吸附，促進了Dil.HCl-Pi積累[18]。

本研究發現TC是影響土壤磷組分變化的關鍵因子，TC與無機磷組分含量顯著正相關，與有機磷組分含量顯著負相關，其中TC對土壤LPi和ML-Pi影響最大(圖3)。這與Maranguit等[37]研究結果吻合，他們研究了土地利用變化對土壤磷組分的影響，發現高度風化的熱帶土壤中LP與TC含量顯著正相關，表明土壤有機質在維持磷有效性中起著關鍵作用。Frizano等[35]對亞熱帶滑坡跡地森林恢復過程中土壤磷組分變化展開研究，同樣認為強風化土壤中TC積累對土壤AP庫的維持至關重要，且微生物作用下有機質礦化是向植物提供磷素的最重要過程。此外，生物質炭的多孔結構能夠改善微生物棲息環境，提高營養物質的轉換效率[40]。雷海迪等[8]在對杉木凋落物及其制備而成的生物質炭對比研究中發現，生物質炭中TC含量高于凋落物，且生物質炭性質穩定，存留時間更長，施入土壤后可顯著提高TC含量，進而影響微生物活動，本研究結果與之一致。因此，土壤中碳、磷循環可能存在耦合關系，微生物對碳的需求同時影響磷的供應，進而影響土壤磷組分變化[41]。

4 結論

1) 本研究中土壤磷組分主要以殘余態磷(RP)為主，最易被杉木幼苗吸收利用的磷含量很低，無機磷組分中所占比例最高的仍然是殘余態磷，而有機磷組分中所占比例最高的為中等易分解態有機磷(ML- Po)。

2) 短期內生物質炭施用顯著提高了土壤TP和AP含量，影響了土壤磷組分含量及其所占比例，特別是高量生物質炭施用效果更加明顯。

3) 生物質炭施用顯著提高了土壤TC含量和pH，且TC是影響土壤磷組分變化的關鍵因子。

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Effects of Biochar Application on Soil Phosphorus Fractions ofSeedlings

SONG Kaiyue1,2, MA Yapei1,2, LI Yuxuan3, XIE Huan1,2, YAN Daihong1,2, CHEN Yuemin1,2, MA Hongliang1,2, GAO Ren1,2, YIN Yunfeng1,2*

(1 Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2 State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China; 3 Microelement Research Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Using the Hedley sequential extraction method, the effects of biochar application rate on soil phosphorus (P) fractions ofseedlings with a pot experiment were evaluated. Three biochar application rate treatments were performed with 0 (CK), 12 t/hm2(B12), 36 t/hm2(B36). Results indicated that the contents of total P (TP) and available P (AP) in B12and B36treatments were increased by 8.7%–26.0% and 24.0%–101.7% in relation to CK after 180 days, and the proportion of AP in TP also was significantly increased. Among P fractions, residual P represented 48.5%–51.1% of soil TP and 58.7%–68.3% of soil inorganic P. B36treatment significantly increased the contents of inorganic P fractions, and the proportion of labile P and moderately labile P as inorganic P forms, while significantly reduced the percentage of occluded P and residual P to inorganic P. The proportion of moderately labile P in total organic P was the highest, accounting for 69.3%–70.2%. Biochar application had no significant influence on the proportion of organic P fractions in total organic P, and B36treatment significantly decreased the contents of labile P and moderately labile P as organic P forms. Redundancy analysis revealed that soil total carbon was significantly positively correlated with soil inorganic P and negatively correlated with soil organic P, which was the key factor influencing the changes of soil P fractions.

Biochar; Plantation; Phosphorus fractions;

S156.2；S714.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.012

宋凱悅, 馬亞培, 李宇軒, 等. 生物質炭施用對杉木幼苗土壤磷組分的影響. 土壤, 2021, 53(6): 1192–1199.

福建省公益類科研院所專項(2020R1002005)和國家自然科學基金項目(31470628，31770659)資助。

通訊作者(yunfengyin@163.com)

宋凱悅(1996—)，女，山東濱州人，碩士研究生，研究方向為土壤生態與環境。E-mail：2236278939@qq.com