秸秆生物炭还田对冻融期土壤有效磷的影响及机理

　　摘 要  冻融交替是东北地区土壤常见的温度变化现象。通过室内模拟冻融循环方法，分析秸秆生物炭输入对冻融期东北地区棕壤有效磷影响规律及机理，探讨生物炭还田对东北春季作物生长初期土壤养分供应状况的影响。结果表明：（1）除在0~5次冻融循环中冻融次数对有效磷含量无显着影响外，冻融循环次数、生物炭施加量以及二者交互作用对土壤有效磷含量在各冻融阶段（0~5次、5~30次、0~30次）均有极显着影响。（2）培养结束后施加生物炭量2%、4%和6%处理，有效磷含量随生物炭施入量增大而依次增加，且均明显高于对照处理20%以上。各处理在第5次冻融左右达到峰值，有效磷含量增加幅度随生物炭施加量增加而减小。在第20次冻融循环后各处理有效磷含量达到相对谷值，此时施加生物炭处理有效磷含量较未冻融时有明显降低。说明，生物炭在常温培养时可以增加土壤有效磷含量，但是，在冻融过程中，相对于对照处理可以较好固持土壤磷素，减小磷素随融雪过程流失的风险。（3）通过分析生物炭输入后棕壤pH、电导率、有机质和中性磷酸酶活性等生物化学性质对冻融循环过程响应，以及不同冻融循环阶段与土壤有效磷相关分析，发现有机质含量在冻融循环过程中变化显着且与有效磷含量具有显着相关性。生物炭通过增强团聚体稳定性，减少有机质释放来固持土壤磷素。
　　
　　关键词  生物炭；冻融作用；棕壤；有效磷；有机质。
　　
　　我国秸秆资源丰富，但目前其利用率尚处于较低水平。秸秆生物炭由作物秸秆在高温绝氧作用下热解制备而成，具有提升耕地质量、实现碳封存等作用。生物炭因其较大的孔隙度和比表面积，可以改变土壤理化性质[1-2],提高土壤肥力。此外，生物炭可以对土壤环境进行改变进而影响微生物，使得其对磷元素的吸收、释放和有效性进行间接的影响[3].DeLuca等[4]研究得出，由于生物碳具有一定交换阴阳离子的能力，施加生物炭后，通过其与磷元素之间相互作用可以提高土壤中磷的有效性。Chintala等[5]研究发现生物炭对磷有吸附作用，且其吸附能力的大小视原料而定。可见，生物炭可以通过改变土壤理化性质或土壤环境直接或间接影响土壤磷有效性。
　　
　　以往研究多针对作物生长期，关于中高纬度地区冻融期生物炭对有效磷影响的研究则较为少见。在我国东北地区，冻融交替是春季典型的气候特征。反复的“昼融夜冻”作用导致土壤结构被破坏，团聚体稳定性发生改变，有机质矿化速率高，一些金属离子浓度和形态发生转化[6].土壤中有效磷因团聚体破碎而释放，而一些金属离子与有效磷的结合，又会直接导致有效磷含量的降低。由于冻融作用使得土壤中有效磷含量极不稳定[7-9],进而影响作物生长初期的土壤有效养分供给。生物炭可以通过改变土壤理化性质或土壤环境直接或间接影响土壤磷有效性，但是在东北冻融期，秸秆生物炭输入是否能够增加土壤磷素有效性？在反复冻融作用下，生物炭影响有效磷的机理是什么？目前尚缺少相关研究。因此，本研究选取辽宁地区典型土壤--棕壤为研究对象，通过室内模拟冻融循环试验，研究秸秆生物炭输入对冻融期有效磷含量及其相关指标的影响。旨在探明秸秆生物炭还田对冻融期土壤有效磷的影响及机理，研究结果对东北地区生物炭还田实践和理论方面有一定的意义。
　　
　　1 材料与方法。
　　
　　1.1 供试材料。
　　
　　2015年秋收后在沈阳农业大学水利综合试验基地玉米大田采集土壤。试验区域位于北纬41°44′，东经123°27′，海拔44.7 m,位于沈阳市东部。研究地年平均气温8.1,冬季平均气温-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm,年无霜期为149 d.冬季土壤最大冻结深度为148 cm.土壤类型为潮棕壤，成土母质为黄土性黏土及淤积物。取土时地表有部分秸秆覆盖，取土前一周有少量降雨，土壤含水率为20.31%.在取土处的玉米大田均匀设置5个1 m×1 m的样方，清理表层作物残茬后收集每个样方的0~10 cm表层土壤，然后将5个样方的土壤充分混合后取部分装袋带回室内。将除去作物叶子、根系和石块等杂物后的鲜土过孔径5 mm的土壤筛备用。经测定，供试土壤的田间持水量为37.89%,容重1.28 g cm-3,pH 6.36,有机质13.25 g kg-1,电导率209 S m-1,有效磷15.9 mg kg-1,中性磷酸酶活性（以下简称磷酸酶）94 μg g-1.
　　
　　本实验生物炭以东北地区主要农作物废弃物玉米秸秆为原材料，委托辽宁省生物炭技术研究中心制备。采用适用地域广、操作简便的专利炭化炉[10]以亚高温缺氧干馏为原理，于裂解温度为450℃生产制备。因本实验为机理性实验，为使秸秆生物炭更加均匀地与土壤混合，充分发挥生物炭作用，选取过1 mm筛后的较细颗粒生物炭作为实验材料。经测定，生物炭比表面积为0.85 m2g-1,pH 7.74,电导率179.6 S m-1,有效磷19.3 mg kg-1.
　　
　　1.2 实验方法。
　　
　　1.2.1 室内培养实验  将生物炭与风干后的土壤按炭土比0%（空白对照）、2%、4%、6%进行充分混合，根据田间0~10 cm土壤容重计算出以上比例相当于田间施用量0、25.6、51.2、76.8 t hm-2（生物炭施加量主要参考近期国内外相关生物炭和土壤性质研究中常用比例[11-14]）。将风干过筛后按比例添加生物炭的土壤用去离子水调节含水率为田间持水量的50%（与采集的鲜土含水率保持一致）。将制备好的土样2.5 kg放入20 cm×20 cm×15 cm有机玻璃培养盒中，于常温下培养60 d,期间每周定期称重补水使其含水量保持不变。每个施加量为一个处理，每处理设置三个重复。
　　
　　1.2.2 冻融循环实验  培养期结束后，将土样置于自制冻融循环仪（精度为±0.3℃）中进行冻融实验。自然界中表层土壤夜晚会出现冻结，白天出现消融，所以将冻融循环设定为冻结12 h,融解12 h.根据2010年以来沈阳农业大学水利学院综合实验基地气象站监测冻融期持续时间以及冻融温度等数据，选取30次作为冻融循环次数，冻融温差-10~7℃为实验控制温度，基本接近田间实际状况。为探明冻融过程中土壤磷及其相关指标的变化，在0、1、3、5、10、20、30次冻融循环结束后从培养盒中均匀取出一定量土样进行指标测定。冻融实验过程中将培养盒表面用塑料膜密封以确保含水率不变。
　　
　　1.3 测定方法。
　　
　　有效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3提取―钼锑抗比色法测定[15];pH采用电位法测定，水土比为2.5∶1[15];电导率采用电导法测定，水土比为5∶1[15];有机质采用直接加热消解法测定[16],是重铬酸钾容量法（外加热法）的一种，将传统油浴加热改为在消解装置中加热消解。磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，测定结果以培养24 h后1 g土壤释放出酚的质量表示[17].生物炭比表面积采用气体吸附BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面积检测法[18];生物炭pH测定参照木质活性炭pH的测定方法[19];生物炭电导率测定参照粉状活性炭电导率测定方法[20].
　　
　　1.4 数据分析。
　　
　　测定结果均采用3次重复（误差不超过5%）平均值，应用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据处理及作图分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）对数据进行显着性检验，用皮尔森（Pearson）法分析其相关性。