2023, Vol. 44
在干旱和半干旱区, 磷(P)是碱性土壤中限制植物生长的重要营养元素之一, 因为P会在土壤中与阳离子快速络合和沉淀[1].有研究表明, 添加P通过影响植物生长和改变微生物生物量或微生物的碳(C)和氮(N)利用率, 从而影响土壤的C和N含量[2].因此, 在某些情况下, 磷肥被过量施用以确保植物生长, 但即使向土壤中施用磷肥后, 也仅有少部分的磷素被利用, 大部分磷素都无法被植物利用[3].
有研究表明, 生物炭能够增加土壤磷的可用性[4].生物炭是农林废弃物在缺氧或无氧条件下经热裂解制成的稳定、高度芳香化的固体富碳产物[5, 6].此外, 生物炭含有大量营养素, 如N和P等[7]; 而且生物炭的多孔结构、高比表面积以及对带电粒子的亲和力能够与土壤的物理和生物成分相互作用, 并有可能在整个生态系统当中产生级联效应[8].土壤中添加生物炭可以促进土壤有机碳(SOC)的稳定化[9], 以及土壤维持N和P的能力[10, 11]. Jing等[12]的研究也证明不同种类的生物炭添加均增加了SOC、碱解氮和有效磷(AP)的含量.此外, 生物炭减少了土壤硬化并增加了孔隙度, 这会对微生物群落和养分循环产生积极影响[7].
土壤酶是土壤生化反应的重要生物催化剂.有研究表明, 向土壤中添加生物炭通常会增加与N和P相关的土壤酶活性, 并降低与C循环相关的土壤酶活性[13].然而, 有研究也表明, 450℃热解的生物炭促进了C循环和N循环相关酶活性的增加[12].关于生物炭对土壤酶的影响机制有许多研究, 根据Lehmann等[14]和Bailey等[15]的说法, 生物炭会通过吸收有机和无机颗粒来保护土壤酶, 而Elzobair等[16]研究表明生物炭改良剂可以通过保持土壤水分来稳定一些酶的活性, 例如, β-木糖苷酶.可以预见, 生物炭改良剂对土壤性质和酶活性的影响可能会有因生物炭本身性质造成较大差异.
目前关于生物炭的研究还主要集中在不同原料、热解温度以及施用量等, 相比之下, 关于生物炭粒径对土壤和植物生长的影响较少.虽然有研究表明, 小颗粒生物炭与大颗粒生物炭相比, 更易在土壤中被微生物分解, 从而影响营养循环和其他酶活性[17, 18].但关于不同生物炭粒径单独或与磷肥共同施用在土壤-植物系统中的作用效果的研究却很少, 故本文旨在研究不同粒径生物炭和磷肥相互作用下, 土壤养分、土壤酶活性和紫花苜蓿养分变化, 以期为干旱半干旱地区土壤改良提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料本试验所用土壤采自内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市(43°54′15″~44°13′52″N, 115°24′26″~116°26′30″N, 海拔960~1 270 m)胜利矿区, 清除表层杂物以后, 取0~20 cm土层, 带回实验室风干, 过2 mm筛备用.供试土壤ω[全氮(TN)]为1.36 g·kg-1, ω[全磷(TP)]为1.08 g·kg-1, ω[铵态氮(NH4+-N)]为0.023 2 g·kg-1, ω[硝态氮(NO3--N)]为0.023 7 g·kg-1.供试生物炭为500℃高温裂解的玉米秸秆生物炭, 其理化性质如表 1. 试验所用肥料：氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为硫酸钾.
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表 1 生物炭理化性质 Table 1 Physicochemical properties of biochar |
供试植物为豆科植物紫花苜蓿(Medicago sativa L.), 试验种子由北京正道生态科技有限公司提供.
1.2 试验设计本试验于2021年11月至2022年2月在北京林业大学苗圃进行.试验采用直径为13 cm, 高15 cm的花盆, 进行盆栽试验, 每盆装土700 g.
本试验设置两个磷添加水平(P0：0 g·kg-1; P1:0.16g·kg-1)、两个不同粒径生物炭(C1:>1 mm; C2: < 0.01 mm)添加以及无生物炭添加(C0), 共6个处理, 每个处理3次重复.试验开始前, 按比例称量土壤和生物炭, 按照土壤质量的1%添加生物炭.其中, C1和C2为700 g土壤+7 g生物炭, C0为添加700 g土壤.将土壤和生物炭混合, 然后与磷肥和底肥混合一同装入盆中.底肥施用根据谢勇等[19]研究, 施氮量为0.379g·kg-1, 施钾量为0.18g·kg-1.每盆播种紫花苜蓿种子30粒, 选取大小、形状和色泽一致且饱满的苜蓿种子, 先用95%的酒精消毒10 min, 清水冲洗干净, 播种至育苗盆, 每盆播种30粒种子, 待幼苗长至一个月后进行间苗, 留长势一致的幼苗10株.幼苗生长期间随机调换不同处理位置, 以消除小气候对植物生长带来的影响.试验期间通过称重法控制土壤含水量(质量分数)在田间持水量的80%.
试验结束后对盆栽进行破坏性取样, 采取土壤与植物样品, 清理植物样品并吸干水分测量植物养分, 土壤风干进行理化性状测量.以土壤为分界线区分植物的地上和地下部.
1.3 指标测定与方法将植物于105℃下杀青90s, 再将其放入70℃烘箱, 烘至恒重, 最后将样品磨碎后过筛, 用于N和P含量测定, N含量采用半微量凯式法测定, P含量采用钼锑抗比色法测定.
土壤C、N和P测定方法参照文献[20]：SOC测定采用重铬酸钾稀释热法, TN含量采用凯氏定氮法测定(全自动凯氏定氮仪K1100), TP采用NaOH碱熔-钼锑抗比色法测定; 土壤铵态氮和硝态氮采用KCl浸提-靛酚蓝法和钒氧化法; AP采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法.(全自动化学分析仪Smartchem450意大利AMS公司).
采用试剂盒测定土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶, 采用紫外分光光度计(TU-1810DS上海谱析)测定酶活性, 试剂盒购买自上海酶联生物科技有限公司.
1.4 数据处理与分析使用Excel 2019对数据进行统计整理.对不同处理间的差异及显著性采用双因素方差分析(two-way ANOVA)及多重比较(P < 0.05)(Tukey multiple comparisons：least significant diffrernce).以上统计分析采用SPSS 26.0完成, 使用Origin 2021进行绘图.
2 结果与分析 2.1 生物炭粒径和磷肥对土壤养分变化的影响如图 1所示, 对于土壤养分含量, 根据方差分析结果, 土壤TN、TP和SOC含量受到生物炭粒径和磷水平的影响(P < 0.05)：其中, 在P0水平下, C1和C2处理的SOC含量分别比C0高9.90%和18.35%, TN分别比C0高15.42%和49.45%, TP分别比C0高6.05%和19.18%; 在P1水平下, C1和C2处理组的SOC含量分别比C0高13.47%和21.63%, TN分别比C0高23.55%和53.28%, TP分别比C0高10.17%和27.27%.且在两种磷水平下, 土壤SOC、TN和TP含量均为C2处理最高.磷添加降低了土壤SOC含量, 相较于P0, C0、C1和C2在P1水平下SOC含量分别降低了12.25%、9.39%和9.82%; 而土壤TN和TP含量则是P1处理要高于P0处理, 其中, C0、C1和C2处理下TN分别提高16.78%、25.00%和19.77%, TP分别提高了11.05%、15.37%和18.60%.
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C0、C1和C2分别表示无生物炭、>1 mm和 < 0.1 mm生物炭处理; P0表示无磷添加, P1表示0.16 g·kg-1磷添加; 不同小写字母表示不同粒径生物炭处理间差异显著, 不同大写字母表示不同磷水平下差异显著; *表示在P < 0.05水平显著, **表示在P < 0.01水平显著, 下同 图 1 不同粒径生物炭和磷肥处理下土壤SOC、TN和TP含量 Fig. 1 Soil SOC, TN, and soil TP contents under the treatment of phosphate fertilizer and biochar with different particle sizes |
对于土壤速效养分, 从图 2可知, 生物炭的添加均提高了土壤NH4+-N和NO3--N的含量, P0和P1水平下C1处理中NH4+-N、NO3--N分别较C0高80.43%、92.76%(P < 0.05)和24.45%、47.58%(P < 0.05); C2处理的NH4+-N和NO3--N分别比C0高51.44%、55.2%(P < 0.05)和17.63%、24.35%(P < 0.05).但是P0水平下, 两种粒径生物炭处理的NH4+-N和NO3--N含量间并没有显著差异, 但不同粒径生物炭处理的AP含量有较大差异, 表现为: C2>C1>C0.P添加降低了土壤NH4+-N含量, 在C0、C1和C2处理中分别降低了24.72%、19.57%和22.84%, 显著提高了土壤NO3--N(10.94%、31.55%和17.28%)及AP含量(116.8%、34.68%和14.76%), 并且在P1水平下, 不同粒径生物炭处理的NH4+-N和NO3--N之间有较大差异, 其中, C1处理的NH4+-N和NO3--N含量分别比C2高24.19%和18.68%.
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图 2 不同粒径生物炭和磷肥处理下土壤NH4+-N、NO3--N和AP含量 Fig. 2 Soil NH4+-N, NO3--N, and AP contents under different particle size biochars and phosphorus fertilizer treatments |
由图 3可以看出, 在两个磷水平下, C1和C2处理的脲酶(UR)、过氧化氢酶(CAT)和碱性磷酸酶(ALP)活性均高于C0处理, 但是生物炭粒径对不同土壤酶活性的影响并不相同.在P0和P1水平下, C1处理的UR和CAT活性要显著高于C0和C2处理(P < 0.05); 而ALP活性则是C2处理组最高.
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图 3 不同粒径生物炭和磷肥处理下土壤酶活性 Fig. 3 Soil enzyme activity under different particle size biochars and phosphate fertilizer treatments |
P添加显著提高了UR、CAT和ALP的活性, 在P1水平下, C0、C1和C2处理下的UR活性比P0高26.37%、18.25%和22.27%; CAT活性比P0高61.38%、34.82%和39.82%; ALP活性分别比P0高30.52%、59.58%和45.39%.
2.3 生物炭粒径和磷肥对植物养分变化的影响从图 4可以看出, 除地上部氮素含量随着P添加降低外, 地下部氮素、磷素和地上部磷素含量均随着P添加而显著增加; 相比于P0水平, P1水平下C0、C1和C2处理地上部氮素含量分别降低了14.88%、23.00%和16.32%, 而地下部氮素含量分别增长了9.71%、10.42%和9.92%; C0、C1、C2处理下, P1水平的地上部磷素含量和地下部磷素含量分别比P0组高9.11%、6.26%、6.59%和22.97%、10.95%、23.06%.
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图 4 不同粒径生物炭和磷肥处理下紫花苜蓿养分含量 Fig. 4 Nutrient content of Alfalfa under different particle size biochars and phosphorus fertilizer treatments |
生物炭添加显著提高了地上部氮素、磷素含量和地下部磷素含量(P < 0.05), 显著降低了地下部氮含量(P < 0.01); 但是, 在两个磷水平下, 不同粒径生物炭处理间的地上部氮素、磷素含量和地下部氮素含量之间并没有显著差异; 在P0水平下, 不同粒径生物炭之间苜蓿地下部磷之间有显著差异, 表现为C1处理的地下部磷比C2处理高14.25%, 但是这种差异随着P的添加而消失.
3 讨论 3.1 磷和生物炭添加对土壤养分的影响大多数土壤向植物提供充足N和P的能力有限[21, 22].而有研究表明, 由于生物炭本身含有丰富的碳, 且其灰分中携带大量的氮磷元素会随着生物炭的老化而释放到土壤中[23], 提高土壤SOC、TN和TP含量[5, 24, 25], 这与本研究的结果一致; 而小颗粒生物炭处理的土壤表现出更高的SOC、TN和TP含量, 可能是因为小颗粒生物炭与土壤颗粒接触更为紧密, 增加了与土壤基质之间的相互作用, 加速老化过程, 释放出更多的C、N和P[26], 此外, 小颗粒生物炭表现出更大的表面积, 能够吸附土壤中的氮磷元素, 减少N和P流失[27].此外, 由于不同粒径生物炭对土壤的填充会影响土壤溶液的连通性, 进而影响P的释放[28], 导致小颗粒生物炭处理的土壤AP含量高于大颗粒生物炭处理, 这与Chen等[17]研究的结果一致; 而与AP相反, 本研究中大颗粒生物炭处理的土壤NO3--N和NH4+-N含量要高于小颗粒生物炭, 这可能是由于大颗粒生物炭H/C值不同, 有研究表明大颗粒生物炭有较高的H/C值[29], 同时有研究表明, 较高的H/C值更有利于将生物炭捕获的N释放到土壤当中, 增加土壤无机N库[21].
P添加通过促进植物和微生物的生物固氮[30], 提高土壤N含量, 这与Wang等[31]研究的结果一致, 此外, P添加通过提高磷的可用性促进植物对N的吸收以及对氮矿化的级联效应[32], 促进土壤中总氮矿化、总硝化和反硝化等氮循环过程, 促使NH4+-N加速向NO3--N转化, 导致土壤NH4+-N减少和NO3--N增加, 这与Chen等[33]和Zhang等[34]研究的结果一致; 磷肥添加可以增加土壤微生物数量、多样性、丰度和活性[35], 而与生物炭共同施用时, 生物炭的高表面积和高微孔性质可以为微生物的生长和繁殖提供有利的栖息地, 更高的微生物量会吸收更多的N, 提高土壤N含量[36]; 同时, 微生物能将生物炭分解转化为高分子氮并进一步转化为NH4+-N和NO3--N[37], 生物炭与无机肥料的组合会产生更高水平的土壤有效养分.此外, 生物炭通过微孔结构以及增加溶磷微生物的数量, 能提高磷肥在土壤中的保留率, 从而提高土壤TP含量[38], 但生物炭与磷肥之间会发生磷酸盐沉淀/吸附反应, 这种相互作用会降低土壤中磷的有效性[4].而磷添加会降低SOC, 这可能是因为磷添加会显著增加酸杆菌科、芽孢杆菌科、链霉菌科和真菌组的丰度, 这些细菌和真菌丰度的增加会促进顽固性有机碳的分解, 减少土壤稳定C库; 此外, P添加会促进微生物对活性碳库的消耗比例, 从而增强活性碳库的矿化速率, 这进一步降低了土壤有机碳库, 导致SOC减少[39, 40], 这与Poeplau等[41]研究的结果一致.
3.2 磷和生物碳添加对土壤酶活性的影响生物炭添加会引起微生物丰度的增加或是将生物可用磷引入土壤, 从而促进土壤酶的活性[42], 这与本研究的结果相似.本研究结果表明, 生物炭添加总体上促进了UR、CAT和ALP活性; 并且, 由于大颗粒生物炭具有比小颗粒生物炭更丰富的孔隙结构, 能为微生物提供更多的生存空间[29], 因此大颗粒生物炭处理具有更高的微生物生物量, 导致土壤具有更高的UR和CAT活性; 与UR和CAT相反, 小颗粒生物炭处理提高了ALP活性, 这可能是因为小颗粒生物炭含有高灰分促成了石灰效应, 提高土壤pH值[17], 使土壤环境更适合ALP活性增长[43].
P添加通过增加土壤养分促进细根C分泌等植物生长发育过程和微生物生命活动提高CAT活性[44, 45], 此外, 生物炭添加诱导的有机物的添加, 为微生物的酶促反应提供充足的底物, 从而促进了CAT活性增加[46].同时, 有研究表明, 氮添加会促进ALP活性, 这类添加养分改变不同酶活性来改变另外一种养分的方式称为资源分配原则[47], 因此, 磷添加促进UR活性原理与此相似, 本试验研究表明, P添加会促进ALP活性, Zi等[48]的研究也证明了这点.而P添加导致的微生物量的增加会提高对碳氮的需求, 从而驱动ALP活性的提高[31, 49].而随着生物炭的添加, 生物炭能够提高土壤颗粒的聚集能力、土壤养分和保水性, 以上性质的变化能够增强UR和ALP等水解酶的产生和活性[50].
3.3 磷和生物炭添加对植物养分的影响本研究结果表明, 生物炭提高了苜蓿的磷含量以及地上部氮含量, 这可能是因为生物炭显著提高了土壤有效养分, 增强了养分的供应能力[51], 此外, 余端等[52]的试验也证明, 生物炭能够促进小白菜对N和P元素的吸收; 然而, 生物炭降低了地下部氮含量, 这可能是因为生物炭能提高植物光合作用能力[53], 导致植物吸收的氮被运往地上部器官进行叶绿素及相关酶的合成.此外, 土壤水分可用性也会影响植物对养分的获取[54], 生物炭能增强土壤持水能力, 提高土壤保水性能, 且孔隙结构的不同会影响不同粒径生物炭对土壤水分的作用效果[55]; 因此, 生物炭添加后, 土壤有效水分增加, 促进植物对养分吸收; 但齐瑞鹏等[56]的研究结果表明, 在沙土中添加不同粒径生物炭时, 小颗粒生物炭的导水能力要低于大颗粒生物炭, 但是生物炭施加量较低时, 不同粒径生物炭之间导水率差异并不明显, 这可能是不同粒径生物炭处理间植物养分差异不明显的原因.
植物养分吸收可能受到非生物和生物因素的影响, 例如叶子特征、植物发育阶段和土壤肥力等因素[57].有研究表明, P的输入可以改变植物养分限制、养分利用效率和养分获取策略[58].这与本研究的结果相似, P添加提高了苜蓿磷含量和地下部氮含量, 这是因为P添加提高了土壤微生物丰度及酶活性[59], 且当生物炭添加后, 生物炭分解为植物提供了N源[35], 同时生物炭导致溶磷微生物的变化, 丰富微生物生物磷, 并通过增加菌根的活性促进植物对磷的吸收[38].而植物磷素含量提高, 使植物可利用更多磷来合成能量以供植物运输养分至各部分组织器官, 而P添加促进地上部生物量的增长, 当植物生长量大于植物氮的吸收速率时, 会产生“生物量稀释作用”[60], 从而导致P添加处理的苜蓿地上部氮含量低于无P处理.
4 结论本研究表明, 生物炭和磷肥配施能够有效地增加土壤养分含量、提高土壤酶活性并促进紫花苜蓿的养分吸收.而较细粒径的生物炭对AP和ALP的促进作用要优于较粗粒径生物炭; 但生物炭粒径对植物养分的影响却并不显著.磷肥的施用显著提高了土壤养分含量和酶活性, 促进了植物养分吸收.此外, 土壤生化过程和土壤养分对生物炭的响应会受到土壤磷水平的影响, 当外源P添加时, C1处理的NH4+-N和NO3--N含量显著高于C2处理.因此, 在使用生物炭进行土壤改良时, 应该考虑不同粒径生物炭对土壤养分的影响, 此外, 外源P的施入也会影响生物炭的作用效果.
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