添加稻草生物炭对水稻土磷含量和形态的影响

张 婷，佟忠勇，张广才，潘林林，姜雪楠，叶 超，张雅楠，李 丽，关连珠

(1.沈阳农业大学 土地与环境学院，土肥资源高效利用国家工程实验室，农业部东北耕地保育重点实验室，辽宁 沈阳 110866; 2.沈阳市铁西区森林公园，辽宁 沈阳 110026)

辽宁滨海地区有着大面积的盐碱地，经过种水稻改良，其已从不毛之地变成辽宁省重要的粮食生产基地[1]。但多年来重用轻养，整体土壤肥力状况却有所恶化[2]。因此，寻求投入合理、持续性的滨海盐碱土培肥方法是当前滨海盐碱地利用改良中亟待解决的难题。利用稻草还田培肥滨海盐渍型水稻土是一个好方法。秸秆还田是当今农业的一种可持续发展方式，现有研究认为，其具有改善土壤结构，增加土壤有机质，减少过量施用化肥带来的土壤退化和污染的作用[3]。稻草还田方式多种多样，有直接还田、腐熟还田，还有近年来新兴的生物炭还田等方式。各种还田方式对土壤肥力的影响不尽相同，还需要进一步深入研究。磷素是作物生长必需的营养元素之一，是植物体内多种重要化合物的组分，以各种形式参与植物体的代谢，是重要的土壤养分肥力指标。施入土壤的大量磷素很快转化为无效态储备起来，造成土壤有效磷含量不足，是磷肥利用率低下和土壤供磷量缺乏的主要原因。因此，探索适宜的稻草还田方式，可以为解决这一系列问题提供理论参考和数据支持。秸秆还田会影响土壤速效磷水平从而影响作物产量[4]。将秸秆等农业废弃物碳化为生物炭施用，被认为可能是未来有效的秸秆处理方式和改良土壤质量的重要途径之一[5]。研究表明，水稻和玉米秸秆生物炭均可改良红壤性水稻土酸度，提高土壤养分含量和微生物量水平；2种秸秆生物炭的添加均改变了土壤微生物群落结构，其中以水稻秸秆炭的影响更为明显[6-7]。生物炭还可以通过改变土壤 pH、CEC等性质，影响氮素转化过程以及提高磷素有效性[8]。土壤中无机磷的形态与土壤肥力水平密切相关。关于秸秆还田对增加作物产量、提高土壤肥力和改善环境的作用已有大量报道[9-13]，但这些研究主要集中在旱地作物上。稻草还田对水稻土肥力和作物产量的影响有一些研究。其中，对土壤磷含量及无机磷形态的研究也很多，得出的结果表明，秸秆还田对土壤磷养分有积极影响。然而，关于不同稻草还田方式和生物炭对滨海盐渍水稻土的磷养分影响的对比研究并不多见。

本研究通过研究稻草不同添加方式对滨海盐渍型水稻土磷养分含量和形态的影响，分析总结合理的稻草还田方法，以期为稻草资源化利用和盐渍型水稻土合理施肥提供科学依据和数据支持。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验土壤取自辽宁西南部盘锦市大洼县陈温福院士试验田内(E 122°3′51″，N 40°56′9″)，是典型滨海盐渍土水稻田，土壤基本理化性状为pH值7.87，有机质22.27 g/kg，全氮1.31 g/kg，全磷0.42 g/kg，全钾25.31 g/kg。采用多点混合取样法，采集0～20 cm耕层土壤，风干后过2 mm筛备用。试验用3种稻草的处理方法是：未腐熟稻草是将稻草粉碎至1.5 mm，备用；腐熟稻草是将粉碎稻草加水湿润后装入容器中置于培养箱恒温12个月培养至完全腐烂成粉末，有酒香味，备用；生物炭是将粉碎至1.5 mm稻草在厌氧条件下升温至450 ℃，并在450 ℃持续5 h。3种处理后的稻草的基本理化性质见表1。供试秸秆生物炭的扫描电镜图见图1。

1.2 试验设计与方法

稻草还田量根据目前农业生产中水稻留高茬和稻草直接还田的常用量(9 000 kg/hm2)，进行换算，在室内培养过程中采用土质量的1%使用，相当于田间实际用量的2.5倍。将未腐熟稻草、腐熟稻草和生物炭分别施入土壤充分混匀后放入6 L塑料桶中进行淹水培养，每桶土质量3 kg，加水至高于土壤15 cm左右。同时设置不施任何物质的空白对照。每个处理5次重复，共4×5=20桶，放入25 ℃恒温箱中培养。培养过程中定期搅拌，改善土壤通气状况，并定期补水。分别于培养第30，60，90，180天时进行采样，风干，过筛，备用。

表1 不同稻草添加物的基本理化性质Tab.1 The basic physical and chemical properties of the different additive of rice straw

图1 供试水稻秸秆生物质炭的扫描电镜(SEM)照片Fig.1 SEM image of the tested rice straw biochar

1.3 测定项目及方法

土壤全磷含量测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，土壤有效磷含量测定采用Olsen法[14-15]，土壤无机磷形态测定采用顾益初等[16]分级方法。

1.4 数据处理与分析

数据分析与统计采用 MS Office Excel 2007和IBM SPSS 20.0软件进行，处理间差异性分析采用最小显著性检验法(LSD)进行。

2 结果与分析

2.1 不同稻草添加方式下水稻土全磷含量的变化

从表2可以看出，3种方式制备的稻草添加物施入土壤，均使土壤含磷量提高。各处理全磷含量为0.497～1.092 g/kg，其中稻草生物炭(S)施入对比对照(CK)含量显著提高。腐熟稻草(F)和未腐熟稻草(Z)对土壤全磷含量也有较大的影响。4种处理含量从高到低依次为添加稻草生物炭处理(S)>添加腐熟稻草处理(F)>添加未腐熟稻草处理(Z)>对照(CK)。同时，随着培养时间的变化，全磷含量呈现略微下降趋势。

表2 不同稻草施入方式对土壤全磷含量的影响Tab.2 Effects of different straw application on soil total phosphorus content g/kg

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到P<0.05显著水平。表3-9同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant the differences at 0.05 levels.The same as Tab.3-9.

2.2 不同稻草施入方式下水稻土有效磷含量的变化

由表3可以看出，各处理土壤有效磷含量为9.046～18.520 mg/kg，3种添加物处理均能提高土壤有效磷含量。稻草生物炭的添加与其他2个处理相比有明显优势，土壤有效磷含量从高到低依次为添加稻草生物炭(S)>添加腐熟稻草处理(F)>添加未腐熟稻草处理(Z)>对照(CK)，且4组处理随培养时间的延长，有效磷含量呈先上升后下降的趋势，前期有效磷含量持续上升，稻草生物炭(S)和CK在培养90 d时达到最大值。

表3 不同稻草添加对土壤有效磷含量的影响Tab.3 Effects of different straw application on soil available phosphorus content mg/kg

2.3 不同稻草施入方式对水稻土无机磷组分的影响

从表4-9可以看出，土壤各形态无机磷含量由大到小的排列顺序为：O-P>Ca10-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P>Ca8-P。可见，土壤无机磷以O-P为主，约占无机磷总量的50%左右；Ca-P含量其次，大约占无机磷总量的30%，其中又以Ca10-P为主。与对照相比，土壤添加3种稻草后，各形态无机磷含量中，Ca2-P、Ca8-P和Fe-P含量明显增加，平均含量分别提高了63.72%，60.07%，9.34%，而O-P和Ca10-P平均含量分别降低了28.17%，6.54%。其中，稻草生物炭的变化最为显著，腐熟稻草与未腐熟稻草变化次之。说明添加不同稻草处理均使土壤无机磷组分中的O-P和Ca10-P向Ca2-P、Fe-P和Ca8-P形态转化，稻草生物炭的效果最好。

表4 不同培养时间土壤Ca2-P含量的变化Tab.4 Changes of soil Ca2-P content in different culture time mg/kg

表5 不同培养时间土壤Ca8-P含量的变化Tab.5 Changes of soil Ca8-P content in different culture time mg/kg

表6 不同培养时间土壤Al-P含量的变化Tab.6 Changes of soil Al-P content in different culture time mg/kg

表7 不同培养时间土壤Fe-P含量的变化Tab.7 Changes of soil Fe-P content in different culture time mg/kg

表8 不同培养时间土壤O-P含量的变化Tab.8 Changes of soil O-P content in different culture time mg/kg

表9 不同培养时间土壤Ca10-P含量的变化Tab.9 Changes of soil Ca10-P content in different culture time mg/kg

随着培养时间的延长，Ca8-P含量呈现下降趋势，其中生物炭处理先下降，后小幅度上升，另外2种稻草添加处理变化不明显；在Al-P含量方面，稻草生物炭处理和腐熟稻草处理随培养时间的增加不断减少，未腐熟稻草处理先减少，在培养60 d后含量逐渐增加；Fe-P含量3种处理趋势一致，均是先增加，培养60 d时含量最高，后又均呈现降低趋势；Ca10-P含量先增加，后减少；稻草生物炭Ca2-P含量与其他2个处理及对照相比含量较高，达到显著水平，且随着培养时间增加含量变化不大；O-P含量生物炭处理变化并不明显，腐熟稻草和未腐熟稻草处理O-P含量呈上升趋势。说明在本试验条件下，稻草生物炭活化无机磷成为有效磷的主要机制是使Ca2-P在不同的培养时间与其他2个处理及空白对照相比一直保持在很高的含量水平上。

3 讨论与结论

3.1 不同稻草施入对水稻土全磷及有效磷含量的影响

生物炭本身的养分含量及其有效性决定了其对土壤肥力的改良效果。腐熟秸秆和未腐熟秸秆同样含有磷素，从本试验结果可以看出，施入3种稻草对土壤全磷含量有影响，是因为3种添加物本身把磷带入了土壤。在制备过程中，原材料中的磷保留在生物炭中，这部分磷随着生物炭和稻草添加到土壤中成为水溶性磷和可交换性磷的直接来源。才吉卓玛[17]的试验也证明了这一点。同时，黄欣欣等[18]研究也证明，土壤磷素收支表观平衡为盈余时，随秸秆用量的增加，土壤全磷、无机磷总量以及无机磷中Ca2-P、Ca8-P含量均增加。不同无机形态磷对石灰性土壤的速效磷供应都有一定作用，从相关系数的相对大小可初步判断Ca2-P对速效磷影响最大[19]，由于试验过程中施入的生物炭的含磷量大于另外2种有机物料，因此，处理S的全磷含量大于其他F和Z。

不同的稻草施入土壤会使土壤可利用磷增加，直接释放是生物炭增加土壤有效磷含量的重要途径[20]，同时，稻草秸秆可以提高土壤中磷酸酶等微生物活性，释放了土壤无效态磷，进而提高了有效磷的含量，在试验初期，磷肥不再被吸附、固定，大大提高了土壤的供磷能力，速效磷含量明显上升[21]，本试验结果表明，稻草生物炭的活化效果大于腐熟稻草和未腐熟稻草。

3.2 不同稻草施入对水稻土无机磷组分的影响

研究表明，施用有机肥可以使土壤中的部分无机磷固定为有机磷，并对土壤各形态无机磷的含量组成产生很大影响。另外，土壤无机磷各形态中Ca2-P易被作物吸收利用，是作物的有效磷源[22]，添加3种稻草使土壤无机磷形态中较容易被作物吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量与对照相比增加，而不容易被作物吸收利用的形态则总体呈下降趋势。原因是稻草添加物自身特殊的孔隙结构为土壤微生物的栖息和繁殖提供了合适的“温床”，同时也减少了微生物之间的生存竞争。生物炭及稻草的添加均能提高微生物活性，有利于土壤中较容易被吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P的释放，而不容易被吸收利用的O-P或Ca10-P的含量不变或者降低。向土壤中施加的生物炭能通过对自身有机磷的矿化作用来提高土壤磷素的有效性，促进土壤中的难溶态磷转化成植物可利用的可溶态磷，提高植物对土壤磷素的吸收利用效率[23]。生物炭处理较腐熟稻草和未腐熟稻草处理来说，对土壤无机磷各形态含量的活化表现出了较理想的结果，与活化土壤全磷及有效磷结果一致。

稻草生物炭、腐熟稻草和未腐熟稻草施入土壤后，均能提高土壤全磷和有效磷含量，其中添加稻草生物炭(S)的土壤全磷含量最高。稻草生物炭、腐熟稻草和未腐熟稻草处理通过提高土壤无机磷组分中有效磷源(Ca2-P、Ca8-P、Fe-P )含量，减少无效磷源(O-P、Ca10-P)含量，而活化了土壤磷素，其中添加稻草生物炭(S)的处理效果最好。

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