秸稈生物炭還田對(duì)凍融期土壤有效磷的影響及機(jī)理論文
摘 要：凍融交替是東北地區(qū)土壤常見的溫度變化現(xiàn)象。通過室內(nèi)模擬凍融循環(huán)方法，分析秸稈生物炭輸入對(duì)凍融期東北地區(qū)棕壤有效磷影響規(guī)律及機(jī)理，探討生物炭還田對(duì)東北春季作物生長(zhǎng)初期土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況的影響。結(jié)果表明：（1）除在0~5次凍融循環(huán)中凍融次數(shù)對(duì)有效磷含量無顯著影響外，凍融循環(huán)次數(shù)、生物炭施加量以及二者交互作用對(duì)土壤有效磷含量在各凍融階段（0~5次、5~30次、0~30次）均有極顯著影響。（2）培養(yǎng)結(jié)束后施加生物炭量2%、4%和6%處理，有效磷含量隨生物炭施入量增大而依次增加，且均明顯高于對(duì)照處理20%以上。各處理在第5次凍融左右達(dá)到峰值，有效磷含量增加幅度隨生物炭施加量增加而減小。在第20次凍融循環(huán)后各處理有效磷含量達(dá)到相對(duì)谷值，此時(shí)施加生物炭處理有效磷含量較未凍融時(shí)有明顯降低。說明，生物炭在常溫培養(yǎng)時(shí)可以增加土壤有效磷含量，但是，在凍融過程中，相對(duì)于對(duì)照處理可以較好固持土壤磷素，減小磷素隨融雪過程流失的風(fēng)險(xiǎn)。（3）通過分析生物炭輸入后棕壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和中性磷酸酶活性等生物化學(xué)性質(zhì)對(duì)凍融循環(huán)過程響應(yīng)，以及不同凍融循環(huán)階段與土壤有效磷相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量在凍融循環(huán)過程中變化顯著且與有效磷含量具有顯著相關(guān)性。生物炭通過增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，減少有機(jī)質(zhì)釋放來固持土壤磷素。
關(guān)鍵詞：生物炭；凍融作用；棕壤；有效磷；有機(jī)質(zhì)。
我國(guó)秸稈資源豐富，但目前其利用率尚處于較低水平。秸稈生物炭由作物秸稈在高溫絕氧作用下熱解制備而成，具有提升耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳封存等作用。生物炭因其較大的孔隙度和比表面積，可以改變土壤理化性質(zhì)[1-2],提高土壤肥力。此外，生物炭可以對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行改變進(jìn)而影響微生物，使得其對(duì)磷元素的吸收、釋放和有效性進(jìn)行間接的影響[3].DeLuca等[4]研究得出，由于生物碳具有一定交換陰陽離子的能力，施加生物炭后，通過其與磷元素之間相互作用可以提高土壤中磷的有效性。Chintala等[5]研究發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)磷有吸附作用，且其吸附能力的大小視原料而定�？梢姡锾靠梢酝ㄟ^改變土壤理化性質(zhì)或土壤環(huán)境直接或間接影響土壤磷有效性。
以往研究多針對(duì)作物生長(zhǎng)期，關(guān)于中高緯度地區(qū)凍融期生物炭對(duì)有效磷影響的研究則較為少見。在我國(guó)東北地區(qū)，凍融交替是春季典型的氣候特征。反復(fù)的“晝?nèi)谝箖觥弊饔脤?dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞，團(tuán)聚體穩(wěn)定性發(fā)生改變，有機(jī)質(zhì)礦化速率高，一些金屬離子濃度和形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化[6].土壤中有效磷因團(tuán)聚體破碎而釋放，而一些金屬離子與有效磷的結(jié)合，又會(huì)直接導(dǎo)致有效磷含量的降低。由于凍融作用使得土壤中有效磷含量極不穩(wěn)定[7-9],進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)初期的土壤有效養(yǎng)分供給。生物炭可以通過改變土壤理化性質(zhì)或土壤環(huán)境直接或間接影響土壤磷有效性，但是在東北凍融期，秸稈生物炭輸入是否能夠增加土壤磷素有效性？在反復(fù)凍融作用下，生物炭影響有效磷的機(jī)理是什么？目前尚缺少相關(guān)研究。因此，本研究選取遼寧地區(qū)典型土壤--棕壤為研究對(duì)象，通過室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究秸稈生物炭輸入對(duì)凍融期有效磷含量及其相關(guān)指標(biāo)的影響。旨在探明秸稈生物炭還田對(duì)凍融期土壤有效磷的影響及機(jī)理，研究結(jié)果對(duì)東北地區(qū)生物炭還田實(shí)踐和理論方面有一定的意義。
1 材料與方法。
1.1 供試材料。
2015年秋收后在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利綜合試驗(yàn)基地玉米大田采集土壤。試驗(yàn)區(qū)域位于北緯41°44′，東經(jīng)123°27′，海拔44.7 m,位于沈陽市東部。研究地年平均氣溫8.1,冬季平均氣溫-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm,年無霜期為149 d.冬季土壤最大凍結(jié)深度為148 cm.土壤類型為潮棕壤，成土母質(zhì)為黃土性黏土及淤積物。取土?xí)r地表有部分秸稈覆蓋，取土前一周有少量降雨，土壤含水率為20.31%.在取土處的玉米大田均勻設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方，清理表層作物殘茬后收集每個(gè)樣方的0~10 cm表層土壤，然后將5個(gè)樣方的土壤充分混合后取部分裝袋帶回室內(nèi)。將除去作物葉子、根系和石塊等雜物后的鮮土過孔徑5 mm的土壤篩備用。經(jīng)測(cè)定，供試土壤的田間持水量為37.89%,容重1.28 g cm-3,pH 6.36,有機(jī)質(zhì)13.25 g kg-1,電導(dǎo)率209 S m-1,有效磷15.9 mg kg-1,中性磷酸酶活性（以下簡(jiǎn)稱磷酸酶）94 μg g-1.
本實(shí)驗(yàn)生物炭以東北地區(qū)主要農(nóng)作物廢棄物玉米秸稈為原材料，委托遼寧省生物炭技術(shù)研究中心制備。采用適用地域廣、操作簡(jiǎn)便的專利炭化爐[10]以亞高溫缺氧干餾為原理，于裂解溫度為450℃生產(chǎn)制備。因本實(shí)驗(yàn)為機(jī)理性實(shí)驗(yàn)，為使秸稈生物炭更加均勻地與土壤混合，充分發(fā)揮生物炭作用，選取過1 mm篩后的較細(xì)顆粒生物炭作為實(shí)驗(yàn)材料。經(jīng)測(cè)定，生物炭比表面積為0.85 m2g-1,pH 7.74,電導(dǎo)率179.6 S m-1,有效磷19.3 mg kg-1.
1.2 實(shí)驗(yàn)方法。
1.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn) 將生物炭與風(fēng)干后的土壤按炭土比0%（空白對(duì)照）、2%、4%、6%進(jìn)行充分混合，根據(jù)田間0~10 cm土壤容重計(jì)算出以上比例相當(dāng)于田間施用量0、25.6、51.2、76.8 t hm-2（生物炭施加量主要參考近期國(guó)內(nèi)外相關(guān)生物炭和土壤性質(zhì)研究中常用比例[11-14]）。將風(fēng)干過篩后按比例添加生物炭的土壤用去離子水調(diào)節(jié)含水率為田間持水量的50%（與采集的鮮土含水率保持一致）。將制備好的土樣2.5 kg放入20 cm×20 cm×15 cm有機(jī)玻璃培養(yǎng)盒中，于常溫下培養(yǎng)60 d,期間每周定期稱重補(bǔ)水使其含水量保持不變。每個(gè)施加量為一個(gè)處理，每處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)。
1.2.2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)期結(jié)束后，將土樣置于自制凍融循環(huán)儀（精度為±0.3℃）中進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)。自然界中表層土壤夜晚會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)，白天出現(xiàn)消融，所以將凍融循環(huán)設(shè)定為凍結(jié)12 h,融解12 h.根據(jù)2010年以來沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)基地氣象站監(jiān)測(cè)凍融期持續(xù)時(shí)間以及凍融溫度等數(shù)據(jù)，選取30次作為凍融循環(huán)次數(shù)，凍融溫差-10~7℃為實(shí)驗(yàn)控制溫度，基本接近田間實(shí)際狀況。為探明凍融過程中土壤磷及其相關(guān)指標(biāo)的`變化，在0、1、3、5、10、20、30次凍融循環(huán)結(jié)束后從培養(yǎng)盒中均勻取出一定量土樣進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。凍融實(shí)驗(yàn)過程中將培養(yǎng)盒表面用塑料膜密封以確保含水率不變。
1.3 測(cè)定方法。
有效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3提取―鉬銻抗比色法測(cè)定[15];pH采用電位法測(cè)定，水土比為2.5∶1[15];電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法測(cè)定，水土比為5∶1[15];有機(jī)質(zhì)采用直接加熱消解法測(cè)定[16],是重鉻酸鉀容量法（外加熱法）的一種，將傳統(tǒng)油浴加熱改為在消解裝置中加熱消解。磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，測(cè)定結(jié)果以培養(yǎng)24 h后1 g土壤釋放出酚的質(zhì)量表示[17].生物炭比表面積采用氣體吸附BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面積檢測(cè)法[18];生物炭pH測(cè)定參照木質(zhì)活性炭pH的測(cè)定方法[19];生物炭電導(dǎo)率測(cè)定參照粉狀活性炭電導(dǎo)率測(cè)定方法[20].
1.4 數(shù)據(jù)分析。
測(cè)定結(jié)果均采用3次重復(fù)（誤差不超過5%）平均值，應(yīng)用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用皮爾森（Pearson）法分析其相關(guān)性。
2 結(jié)果與討論。
2.1 秸稈生物炭輸入對(duì)凍融期棕壤有效磷含量的影響。
施加不同量生物炭處理有效磷含量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化結(jié)果見表1.總體而言，0~30次凍融循環(huán)中各處理有效磷含量表現(xiàn)為先增加后減少，而到30次凍融循環(huán)時(shí)又有一定幅度增加的趨勢(shì)。培養(yǎng)結(jié)束后，施加生物炭量2%、4%和6%處理有效磷含量隨生物炭施入量增大而依次增加，且均明顯高于對(duì)照處理20%以上。生物炭本身含有較豐富的磷元素，施入土壤后可以改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)[21].生物炭的多孔性能夠?yàn)槲⑸锷嫣峁┹^大空間，提高微生物分解能力，增加土壤養(yǎng)分含量[12].各處理0~5次凍融循環(huán)有效磷含量變化不穩(wěn)定，并且在第5次左右達(dá)到最高值。對(duì)照處理以及施加生物炭量2%和4%處理在第5次凍融循環(huán)后有效磷含量分別為20.54、22.83、23.18 mg kg-1,較各處理未凍融時(shí)分別提高了24%、11.1%和11.2%.施加6%處理前5次凍融循環(huán)間有效磷含量并無顯著性變化。
將生物炭施加水平和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤有效磷含量影響進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2.除在0~5次凍融循環(huán)中凍融次數(shù)對(duì)有效磷含量無顯著性影響外，凍融循環(huán)次數(shù)、生物炭施加量以及二者交互作用對(duì)土壤有效磷含量在各凍融階段（0~5次、5~30次、0~30次）均有極顯著影響。
由此可見，在前期凍融過程中，生物炭輸入并未大幅度提高有效磷含量，甚至將各處理進(jìn)行總體方差分析時(shí)，得出凍融作用對(duì)有效磷含量無顯著影響的結(jié)論。分析其原因，主要與土壤團(tuán)聚體有關(guān)。由于凍融作用，團(tuán)聚體受冰晶壓縮而破碎，團(tuán)聚體作為土壤養(yǎng)料庫，包含其中的有效磷因團(tuán)聚體破碎而釋放出來。生物炭在室溫培養(yǎng)時(shí)，能增強(qiáng)微生物活性，形成多糖從而增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，所以，在凍融過程中因團(tuán)聚體破碎釋放的有效磷減少[22].生物炭在凍融初期對(duì)土壤磷素起到固持和保護(hù)作用，減少因解凍期積雪融化而產(chǎn)生的有效磷損失。在第20次凍融循環(huán)后，除對(duì)照處理較未凍融時(shí)無顯著性變化，其他各處理有效磷含量均達(dá)到最低值，較未凍融時(shí)分別降低了18.9%、8.2%和9.5%.土壤經(jīng)過多次凍融后，大部分團(tuán)聚體已經(jīng)破碎，其中可溶性有機(jī)質(zhì)釋放量下降，微生物的分解速率減慢，有效磷含量下降[23].在30次循環(huán)時(shí)，土壤溶液中的養(yǎng)分元素與有機(jī)質(zhì)、微生物體之間保持平衡，土壤有效磷含量基本穩(wěn)定。
各施加量處理間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：隨著生物炭施加量增多有效磷含量也隨之增大。施加量為2%、4%和6%的土壤中有效磷含量均值分別較對(duì)照增加了10.9%、15.66%和19.62%.所以，生物炭在室溫培養(yǎng)時(shí)可以增加土壤有效態(tài)磷素含量，在凍融過程中又可以相對(duì)減少有效磷素釋放，阻控磷素因積雪融化而造成的淋溶及徑流損失。
2.2 秸稈生物炭對(duì)凍融期棕壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶的影響。
本實(shí)驗(yàn)通過研究生物炭輸入后棕壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶活性等生物化學(xué)性質(zhì)在凍融過程中的變化，分析生物炭對(duì)凍融期土壤有效磷含量影響機(jī)理。培養(yǎng)結(jié)束未進(jìn)行凍融時(shí)各施加水平土壤相關(guān)性質(zhì)見圖1.各施加生物炭處理pH較對(duì)照處理均有明顯提高，但施炭處理間無顯著差異。3個(gè)施加生物炭處理土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比分別增加了19.7%、20.2%和26.8%.各施加處理有機(jī)質(zhì)含量明顯高于對(duì)照處理，但4%與6%施加處理間無顯著差異。3種施加量土壤磷酸酶活性分別較對(duì)照增大了16.3%、62.2%和134%.由此可見，在常溫培養(yǎng)時(shí)，生物炭輸入對(duì)pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶活性均有顯著影響。
凍融作用以及生物炭施加水平對(duì)相關(guān)土壤性質(zhì)影響的方差分析結(jié)果見表3.從表3可以看出，生物炭施加除對(duì)5~30次凍融循環(huán)階段土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著性影響外，對(duì)各凍融階段其他指標(biāo)均有顯著性影響。凍融作用對(duì)土壤酸堿度和有機(jī)質(zhì)含量影響較顯著，但是對(duì)電導(dǎo)率、磷酸酶活性影響不顯著。凍融作用會(huì)引起土壤中碳酸鈉和碳酸氫鈉等強(qiáng)堿弱酸鹽類的遷移，這些鹽類水解會(huì)產(chǎn)生OH-,改變土壤酸堿度[24].土壤團(tuán)聚體受凍融作用影響而破碎，其中包含的有機(jī)質(zhì)得以釋放出來，所以有機(jī)質(zhì)受凍融作用影響明顯[25].土壤有機(jī)質(zhì)分解物是土壤酶類的主要來源，隨著有機(jī)質(zhì)含量的變化，磷酸酶含量也發(fā)生變化。但是在設(shè)定30次凍融循環(huán)中，由于設(shè)置凍融溫度上限為7℃，低于磷酸酶發(fā)揮作用的最適溫度，所以磷酸酶活性并未隨凍融循環(huán)發(fā)生顯著變化[26].
2.3 凍融期棕壤有效磷與pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶的相關(guān)性。
不同凍融循環(huán)階段土壤有效磷含量與pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶活性相關(guān)分析結(jié)果見表4.從表4可以看出，在室溫培養(yǎng)時(shí)，土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶活性與有效磷含量均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系；但是在開始凍融后，各土壤性質(zhì)與土壤有效磷含量相關(guān)性并非一直保持顯著水平。
在凍融循環(huán)各階段，有機(jī)質(zhì)含量與有效磷含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在1~5次凍融循環(huán)階段，土壤溫度、通氣性和水分等土壤性質(zhì)由于凍融循環(huán)的作用發(fā)生突然性的改變。土壤水分由固態(tài)到液態(tài)反復(fù)轉(zhuǎn)化，增加了土壤通氣性。由于通氣狀況改善，微生物活性迅速恢復(fù)，降解凍結(jié)過程中已死亡細(xì)菌中的有機(jī)質(zhì)，轉(zhuǎn)化為可利用磷素[27].此外，凍融過程中團(tuán)聚體破碎釋放有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)作為磷素的主要載體及微生物生長(zhǎng)繁殖的重要能源物質(zhì)，促使微生物的分解能力增強(qiáng)，有效磷含量增加。在5~30次凍融循環(huán)中，大部分團(tuán)聚體已經(jīng)破碎，其中可溶性有機(jī)質(zhì)釋放量下降，而原有有機(jī)質(zhì)一直被微生物利用分解。隨著有機(jī)質(zhì)含量的持續(xù)減少，微生物的分解速率減慢，有效磷含量下降[28].可以看出，在整個(gè)凍融過程中，有機(jī)質(zhì)是影響有效磷變化的一個(gè)重要指標(biāo)。
土壤電導(dǎo)率表示土壤浸出液中各種陰離子和陽離子的總和[29].由表4可知，在各凍融期土壤電導(dǎo)率與有效磷含量也均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。其原因也與凍融過程中團(tuán)聚體破壞有關(guān)。凍融初期大部分團(tuán)聚體破壞致使各種離子從團(tuán)聚體中釋放出來，土壤電導(dǎo)率以及有效磷含量增大；凍融后期大部分團(tuán)聚體已經(jīng)破壞，各種離子濃度趨于穩(wěn)定[28].此外電導(dǎo)率升高，水中離子總濃度增加，水溶液中的陰離子與膠體吸附的磷相互競(jìng)爭(zhēng)吸附位置，使膠體吸附的磷被解吸下來而進(jìn)入水溶液中，因而水溶液中磷素的濃度升高[30].但是，由于電導(dǎo)率在凍融循環(huán)過程中變化并未表現(xiàn)出明顯規(guī)律，所以凍融作用對(duì)其并無顯著影響。在常溫培養(yǎng)時(shí)，磷酸酶可催化磷酸脂類或磷酸酐的水解，其活性的高低直接影響著土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。但是由于凍融期溫度較低，磷酸酶活性與有效磷在凍融期并無顯著相關(guān)關(guān)系。
3 結(jié) 論。
秸稈生物炭輸入可以明顯提高凍融前棕壤有效磷的含量。有效磷含量隨生物炭施入量增加而提高。在0~5次凍融過程中，生物炭輸入并未大幅度提高有效磷含量；在第20次凍融循環(huán)后，除對(duì)照處理較未凍融時(shí)無顯著性變化，其他各處理有效磷含量均達(dá)到最低值；在30次循環(huán)時(shí)，土壤溶液中的養(yǎng)分元素與有機(jī)質(zhì)和微生物體之間保持平衡，土壤有效磷含量基本穩(wěn)定。分析生物炭輸入后棕壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶活性等相關(guān)生物化學(xué)性質(zhì)在凍融過程中的變化，可知，有機(jī)質(zhì)含量在凍融循環(huán)過程中變化顯著且與有效磷含量具有顯著相關(guān)性。綜上，在凍融期生物炭主要通過增強(qiáng)棕壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，減少有機(jī)質(zhì)釋放來固持土壤磷素，減少磷素在融雪期的淋溶及徑流損失。
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