鎂改性生物炭配施磷肥對紅壤磷有效性及小麥產量的影響

吳 行，鄭 琴，張 帥，成宇陽，王秀斌*

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

為滿足人口增長對糧食的需求，大量磷肥被投入到農業生產中，而施入土壤的磷素通過吸附、沉淀和同晶置換等作用被迅速固定，導致磷肥當季利用率一般不足20%[1]。特別是在我國南方地區土壤Fe、Al、Mn含量高，極易固定土壤中的磷素[2]。同時，磷素的大量投入還會造成一系列環境問題，如磷素流失引發的水體富營養化、磷礦資源開采產生的污染等問題[3]。因此，亟須尋求能提高土壤磷素有效性和減少磷肥施用以降低環境污染的方法。

生物炭是生物質在限氧條件下高溫熱解得到的產物，具有碳含量高、孔隙結構發達、高比表面積等特點，近年來被廣泛用作土壤改良劑[4-5]。研究發現，生物炭施入土壤后，自身豐富的礦質養分能夠提高土壤有效磷等養分含量[5-6]。同時，生物炭較大的比表面積和豐富的孔隙結構還能為微生物提供生存空間，利于磷素轉化相關微生物的活動，促進微生物對磷素的固持和有機磷的礦化，提高土壤磷素有效性[7]。然而，傳統熱解制得的生物炭同樣存在缺點，其表面基團種類有限且含有大量負電荷[8]，對磷酸鹽等陰離子吸附能力有限。而近年來，通過負載金屬氧化物制得的改性生物炭，在土壤中表現出優異的阻控磷素淋失的性能[9-11]。但迄今為止，金屬改性生物炭的施用對土壤磷素有效性和作物生長的影響卻鮮見報道。

酸性紅壤中大量游離的Fe、Al是導致磷素固定的主要因素[2]，Al對部分作物還會產生毒害作用[12]，而Mg可以避免上述問題，同時也是植物葉綠素合成所必需的。因此，本文擬選用酸性紅壤、以鎂改性生物炭（MgBC）為供試材料，通過盆栽試驗探究鎂改性生物炭與磷肥配施對土壤磷有效性、小麥產量和吸磷量的影響，旨在闡明鎂改性生物炭在酸性紅壤上的應用效果，為改善土壤質量、提高磷素有效性和小麥產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自湖北省赤壁市趙李橋鎮小麥產區（29°34′ N，113°55′ E），土壤類型為酸性紅壤，質地為壤土，取樣深度為20 cm。樣品取回后在室溫下自然風干，過2 mm篩，以便充分混勻和去除非土壤樣品（根系和石塊）。土壤基礎理化性質pH 4.97，電導率（EC）590 μS/cm，土壤有機碳（SOC）含量為9.82 g/kg，全磷（TP）和全氮（TN）含量分別為0.78和0.76 g/kg，有效磷（AP）含量為34.71 mg/kg，速效鉀（AK）含量為116.99 mg/kg。

試驗所用鎂改性生物炭（MgBC）制備方法如下：稱取一定量小麥秸稈放入微波馬弗爐（SX2，上海），在N2（250 L/h）氛圍下，將馬弗爐從室溫加熱到600℃（10℃/min）。在最高溫度下將秸稈熱解2 h，自然冷卻后即得到原始的未改性生物炭（BC）。將制備好的生物炭研磨混勻，過2 mm篩后備用。使用0.5 mol/L MgCl2溶液浸漬BC（固液比=1∶20），并用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH溶液調節混合液pH為8。將混合液于85℃培養48 h后過濾，在105℃下烘干，即得到MgBC。將MgBC研磨混勻過2 mm篩，于干燥器中存放備用，MgBC的基本性質見表1。

表1 鎂改性生物炭的基本理化性質

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2018年10月11日至2019年6月8日在中國農業科學院網室內進行。試驗設置4個處理，對照（CK，不施磷肥和生物炭）處理、單施磷肥（P）處理、單施1%鎂改性生物炭（MgBC）處理和磷肥配施1% MgBC（P+MgBC）處理，每個處理4次重復，隨機排列。試驗開始前將5 kg風干土與MgBC混勻后裝入無底漏塑料盆中（上口直徑21.5 cm，底直徑17 cm，高21 cm）。各處理氮肥和鉀肥均等量施入，氮磷鉀肥用量（kg/hm2）為N-P2O5-K2O=210-180-90，其中磷肥、鉀肥以及50%的氮肥作為基肥施用，剩余50%氮肥在返青期做追肥施用。氮磷鉀肥分別為尿素、磷酸二氫鈉和氯化鉀。小麥每盆播種30粒，出苗后定植20株。供試小麥品種為鄭麥7698。小麥整個生育期定量澆水，維持土壤水分在最大田間持水量的60%左右。2019年6月8日小麥收獲后，將盆中土壤全部倒出，進行破壞性取樣。土壤樣品過2 mm篩，充分混勻并去除根系。每個樣本分為2份，一部分在室溫下自然風干后分別過1和0.15 mm篩，用于測定土壤理化指標；一部分鮮樣保存于4℃冰箱中，用于測定土壤微生物量及酶活性。地上部秸稈和籽粒全部收獲后于105℃下殺青，65℃烘干至恒重，進行產量和養分的測定。

1.3 測定項目與方法

土壤pH按水土比2.5∶1混合后用pH計測定；EC按水土比5∶1混合后用電導率儀測定；SOC采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；TP采用高氯酸消解-鉬銻抗顯色法測定；AP采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色法測定；微生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸-碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色法測定，具體方法參照《土壤農化分析》[13]。

土壤磷素活化系數（PAC，%）=土壤有效磷含量/土壤全磷含量×100

土壤磷酸酶（Pho）活性采用熒光微孔板酶檢測法測定。該方法的原理是酶的標準底物被水解后，產生4-甲基傘形酮（4-methylumbelliferyl）或7-氨基-4-甲基香豆素（7-amino-4-methylcoumarin），并用其熒光值的強度來表征土壤胞外酶活性。具體步驟參考Ai等[14]的方法，酶活性計算如下：

淬滅系數（flour./nmol）=（標準對照－樣品對照）/標準熒光

激發系數（flour./nmol）=標準熒光/0.5（nmol）

凈熒光值（flour.）=（樣品熒光－樣品對照）/淬滅系數-底物對照

胞外酶活性=凈熒光值×100（mL）×100/[激發系數×0.2（mL）×時間（h）×土壤干重（g）]

1.4 數據統計

試驗數據采用SPSS 23.0進行方差、相關性分析。利用Excel 2019進行圖表繪制。多重比較利用LSD法；相關性分析運用Pearson雙側檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤全磷、有效磷含量及磷素活化系數

由圖1a、b可知，隨磷肥和鎂改性生物炭的投入，AP和TP含量較CK處理均增加。P+MgBC處理TP含量較CK和P處理分別顯著增加18.9%和15.8%（P＜0.05），而與MgBC處理差異不顯著（P＞0.05）。與CK處理相比，P、MgBC及P+MgBC處理AP含量均顯著增加，分別增加41.7%、19.3%和90.6%。P和P+MgBC處理的PAC較CK處理均顯著增加（圖1c），而CK處理與MgBC處理的PAC無顯著變化（P＞0.05）。土壤AP、TP含量和PAC均以P+MgBC處理最高。

圖1 不同處理土壤全磷、有效磷含量及磷素活化系數

雙因素方差分析表明，施用磷肥顯著影響了土壤AP含量和PAC，添加MgBC顯著影響了土壤AP含量，而土壤AP、TP含量和PAC不受二者交互作用的影響。

2.2 土壤磷有效性的影響因素及相關性分析

由表2可知，與CK處理相比，P處理土壤pH、EC和SOC含量無顯著變化，而MgBC和P+MgBC處理均顯著增加，分別增加1.88和1.95個單位（pH）、7.2%和11.1%（EC）、104.2%和112.1%（SOC）。P、MgBC和P+MgBC處理的土壤MBP含量較CK處理均顯著增加（P＜0.05），但3個處理間差異不顯著。所有施肥處理Pho活性均顯著高于CK處理，其中P、MgBC和P+MgBC處理其活性較CK處理分別增加了33.9%、18.9%和53.4%。

表2 各處理土壤pH、EC、SOC、Pho及MPB含量

雙因素方差分析表明，施用磷肥顯著影響了土壤Pho的活性和MBP的含量，添加MgBC顯著影響了土壤pH、EC、SOC、MBP的含量和Pho的活性，且兩者交互作用顯著影響了SOC和MBP含量。

相關性分析表明，土壤AP與Pho和MBP呈極顯著正相關（P＜0.01），與SOC呈顯著正相關（P＜0.05）（表3）。各指標與土壤AP的相關系數分別為Pho（0.837）＞MBP（0.596）＞SOC（0.501），這在一定程度上表明，土壤Pho、MBP和SOC的增加提高了土壤AP含量。但土壤AP與SOC、Pho和MBP 3個指標均呈顯著正相關，具體各指標對土壤AP含量的貢獻仍需進一步深入分析。

表3 土壤有效磷與土壤理化性質、微生物指標的相關性分析

通過逐步回歸分析土壤AP與各指標間的關系。土壤AP與SOC、Pho和MBP進行逐步回歸分析，可得方程：y=-16.455+0.119x（R2=0.701），其中x為Pho，y為土壤AP，表明土壤Pho活性的增加有利于土壤AP含量的提高。

2.3 小麥生物量和磷素吸收量

MgBC和磷肥的投入增加了小麥生物量、磷含量和磷吸收量（表4）。與CK處理相比，MgBC和P+MgBC處理的植株、籽粒干重均顯著增加，分別增加39.5%和14.5%（MgBC）、75.1%和27.1%（P+MgBC）。各處理植株、籽粒磷含量變化規律一致，與CK處理相比，P+MgBC處理植株、籽粒磷含量顯著增加，分別增加23.1%和22.9%。與P處理相比，P+MgBC處理植株、籽粒磷含量分別顯著增加18.5%、18.5%，而P+MgBC與MgBC處理間無顯著差異。小麥植株、籽粒磷吸收量變化規律相似，P處理籽粒磷吸收量較CK處理無顯著差異（P＞0.05），P+MgBC處理植株磷吸收量較P、MgBC處理分別顯著增加65.8%、40.6%，籽粒磷吸收量分別顯著增加45.2%、18.7%。植株干重、籽粒干重、植株磷含量、籽粒磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量均以P+MgBC處理最高。

表4 不同處理對小麥生物量和吸磷量的影響

雙因素方差分析表明，施用磷肥顯著影響了植株干重、植株磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量，添加MgBC顯著影響了植株干重、籽粒干重、植株磷含量、籽粒磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量，且兩者交互作用顯著影響了植株磷吸收量。相關性分析表明，小麥產量和土壤AP、pH、EC、SOC及MBP含量呈顯著正相關（P＜0.05，表5）。

表5 小麥產量與土壤理化性質、微生物指標的相關性分析

3 討論

3.1 土壤磷有效性對鎂改性生物炭和磷肥施用的響應

已有研究證實，鎂改性生物炭施入土壤后能夠改善土壤理化性質，提高土壤養分含量[5，15]。本研究發現，鎂改性生物炭的投入能顯著增加土壤有效磷含量，提高土壤磷素活化系數，較單施磷肥處理，鎂改性生物炭和磷肥配施對提高土壤有效磷含量及磷活化能力更具有優勢。這與呂偉靜等[16]研究結果一致，其發現改性生物炭的施用可以顯著提高土壤有效磷含量，可能是由于改性生物炭本身含有磷素，并且原材料秸稈熱解過程中有機磷的化學鍵斷裂，形成磷酸鹽補充到土壤中[17]；同時，Wu等[9]還發現，鎂改性生物炭對磷酸鹽具有較強的吸附能力，能夠將磷素留存在土壤中，從而提高土壤有效磷含量。

本研究還發現，鎂改性生物炭配施磷肥能顯著提高土壤pH和土壤有機碳含量，且土壤有效磷含量與土壤有機碳含量呈顯著正相關。這可能是因為酸性土壤中偏低的pH限制了磷素有效性，高pH的鎂改性生物炭添入酸性土壤提高了土壤pH，利于土壤Al-P和Fe-P的溶解，進而提高酸性土壤中磷素有效性[2]。楊蘭等[18]利用不同的改性方法制得pH差異大的炭產品添加到土壤后發現，土壤pH與改性生物炭的pH密切相關，表明改性生物炭自身性質對土壤pH影響顯著。此外，土壤有機碳是評價土壤肥力狀況的重要指標，本試驗添加鎂改性生物炭后，顯著提高了土壤有機碳含量，與Kavitha等[19]和王波等[20]研究結果吻合。這是由于改性生物炭本身碳含量豐富，施入土壤后可以直接增加有機碳含量；其次，因其多孔結構，改性生物炭施入土壤能改善土壤孔隙結構和保水性能，增加土壤團聚體穩定性，減少因團聚體破壞而導致的土壤有機碳分解。有研究表明，土壤有機碳含量的增加有利于難溶性磷轉化為有效磷，因為土壤有機碳可以作為微生物的能源，促進難溶性磷的轉化[21]；同時，土壤有機碳含有大量羧基、羥基等帶負電的官能團，能夠減少土壤對磷酸根的固定，磷素有效性提高。

磷酸酶來源于土壤微生物和植物根系，用來水解不同的土壤磷組分，直接影響土壤磷素有效性[22]。本研究結果表明，鎂改性生物炭和磷肥投入土壤后，能顯著提高土壤磷酸酶活性，且土壤有效磷含量與磷酸酶活性呈極顯著正相關。這與王波等[20]研究結果相符，發現鎂改性生物炭施入土壤后，土壤磷酸酶活性顯著提高，大豆根長、株高等指標也優于對照組，表明鎂改性生物炭可以提高土壤磷酸酶活性，促進土壤磷素轉化。可能是改性生物炭較大的比表面積能夠吸附較多的酶底物，利于酶作用進而提高酶活性[23]；并且豐富的孔隙結構和較大的比表面積，能夠吸附可供微生物利用的水溶性有機物，還能為微生物提供生存空間，利于微生物生長繁殖[24-25]，從而提高土壤磷酸酶活性；生物炭還能改善土壤板結情況和團聚體結構，降低土壤容重和緊實度，利于植物根系的生長，從而促進根系分泌磷酸酶[26]。試驗添加的鎂改性生物炭已被廣泛證實具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積，吸附性能優異，但具體如何影響土壤磷酸酶活性，是否和未改性生物炭發揮的作用一致，還需進一步研究。此外，微生物量磷是土壤中重要的有效磷源，微生物量磷含量越高，土壤磷素肥力水平越高[27]。研究結果顯示，單施磷肥及鎂改性生物炭配施磷肥均顯著提高土壤微生物量磷含量。王國兵等[28]研究發現，添加生物炭顯著提高土壤微生物量磷含量，可能是生物炭的添加改變了土壤微生態環境，進而影響土壤微生物的生長[29]。綜上，改性生物炭可以改變土壤pH，提高土壤有機碳含量、磷酸酶活性和土壤微生物量磷含量，具有作為土壤改良劑的潛力，但改性生物炭具體如何發揮作用，其作用機理與未改性生物炭之間存在什么差異，還需進一步探討研究。

3.2 小麥生物量和磷吸收量對鎂改性生物炭和磷肥施用的響應

改性生物炭具有豐富的孔隙結構和較強的吸附能力，在土壤中能夠減少養分淋失，起到一定的保水保肥功效，為作物生長提供養分，并提高作物產量[30]。Wu等[9]將鎂改性生物炭施入鹽堿土后發現，植株磷含量和水稻產量顯著增加；余煒敏等[31]將改性生物炭施入南方菜地土壤中，不僅提高了小白菜的吸磷量和產量，其品質也有所改善；而郭大勇等[32]發現在堿性土壤中加入改性生物炭后玉米植株磷含量反而降低。可見，改性生物炭的應用不僅要注意炭本身的性質，還要考慮作物種類、土壤類型等生產因素。本研究發現，鎂改性生物炭與磷肥配施后，小麥植株、籽粒磷含量均較磷肥單施有所提高，可能是鎂改性生物炭對水、肥的蓄持，增加了根系范圍內可用的水分和養分，利于作物吸收利用[33]，使小麥的吸磷量和產量增加。白玉超等[34]發現，將改性稻殼生物炭與肥料配施，不僅提高了土壤有效磷含量，還促進了玉米的生長，提高了磷素吸收和磷肥利用率。因為改性生物炭獨特的結構不僅可以吸附磷素，其表面存在的電荷還能吸附與Fe2+、Al3+等螯合的有機分子，緩解土壤中Fe2+、Al3+等螯合物對磷肥的固定[35]，從而提高作物對磷肥的吸收利用。鎂改性生物炭的投入，短期內能提高土壤養分含量，改善土壤理化性質，但短期的盆栽試驗與農田實際生產間存在差異，因此還需進行長期田間試驗，更系統、深入地探究改性生物炭在農田土壤中是否可以持續有效地發揮作用。

4 結論

本文通過短期的盆栽試驗發現，鎂改性生物炭與磷肥配施可顯著提高土壤磷素有效性，且土壤有效磷含量與土壤有機碳、微生物量磷和磷酸酶活性呈顯著正相關。本研究還發現，鎂改性生物炭與磷肥配施小麥植株、籽粒磷含量和磷吸收量較單施磷肥處理均顯著增加，小麥產量較單施磷肥處理顯著增加了17.7%，且小麥產量與土壤pH、電導率、有效磷、有機碳及微生物量磷含量呈顯著正相關。然而，本研究結果可能與大田試驗存在一定的差異性，故亟須開展長期田間試驗進行深入系統的研究。