摘要：為明確稻稈生物炭添加對紅壤性水稻土磷生物有效性組分的影響，基于水稻種植的盆栽試驗，采用模擬生物活化的磷素分析方法（BBP法），分析了生物炭在不施加（CK）、施加一年（BI）和兩年（B2）條件下，不同水稻生育期稻田土壤中可溶性磷（CaCl2-P）、易被酶礦化的有機磷（Enzyme-P）、易被有機酸活化釋放的磷（Citrate-P）和潛在無機磷（HCl-P）4個組分磷與全磷（TP）、有效磷（Bray-P）及磷素活化系數(shù)（PAC）的變化差異和影響因素。研究表明：與CK相比，B1處理的稻田土壤TP、Bray -P及BBP磷組分均無顯著變化；B2處理稻田土壤TP、Bray-P、Citrate-P和HCl-P含量均顯著增加，而CaCl2-P、Enzyme-P含量無顯著變化。隨著水稻生育期的延長，各處理HCl-P/TP均顯著上升；B2處理下CaCl2-P/TP與Enzyme-P/TP均顯著上升。相關(guān)分析表明：生物炭添加后稻田土壤Bray-P、TP與土壤pH顯著正相關(guān)；CaCl2-P與HCl-P、TP顯著正相關(guān)，與土壤有效鐵呈顯著負(fù)相關(guān)；Citrate-P與TP、HCl-P極顯著正相關(guān)，與Enzyme-P、pH顯著正相關(guān)，與土壤有效鋁極顯著負(fù)相關(guān)。稻稈生物炭通過影響稻田土壤pH、有效鐵和有效鋁含量，間接地調(diào)控且顯著增加了紅壤性稻田土壤中TP、Bray-P、PAC及生物有效磷組分含量，稻稈生物炭的合理施用有利于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護和土壤磷素有效性的提升。

關(guān)鍵詞：稻稈生物炭；紅壤性水稻土；盆栽試驗；水稻；生物有效性磷

中圖分類號：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1533-09 doi：10.1 1654/jaes.2023-0920

化學(xué)磷肥或配施有機磷肥是提高農(nóng)田土壤磷素肥力與作物產(chǎn)量的重要措施，但因土壤中膠體顆粒及金屬陽離子對磷的吸附與固定作用，磷肥的當(dāng)季利用率僅有10%-25%。長期施磷在增加土壤磷素有效性的同時也顯著增加了土壤中遺存磷的累積量，隨著土壤遺存磷的增加，土壤磷的流失風(fēng)險日益增大。提升土壤磷的農(nóng)學(xué)效率與降低土壤遺存磷的流失潛能一直是農(nóng)田磷素高效利用與管理的熱點與難點。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)稻稈生物炭作為一種原料價格低廉的土壤改良劑，在作物產(chǎn)量提升、品質(zhì)改良及土壤磷素遷移阻控等方面起著重要的作用，尤其是對土壤磷的有效性影響顯著。富含大量無機磷的稻稈生物炭施入土壤后可以直接增加土壤有效磷含量；而呈堿性的生物炭施入土壤后也可以顯著降低土壤對磷酸根的吸附，從而增加土壤磷的有效性。但也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用會因增加酸性土壤對磷的吸附而降低磷的有效性；但生物炭施入低磷土壤后也可以顯著減少磷從土壤向周圍環(huán)境釋放與淋失。此外，生物炭還可以通過影響土壤微生物數(shù)量及磷酸酶的活性，促進(jìn)有機磷礦化、無機磷釋放，增加土壤有效磷?？梢?，稻稈生物炭施用對農(nóng)田土壤磷素有效性的影響過程與機制仍需深入探究。

土壤全磷（TP）、有效磷（Bray-P）及磷活化系數(shù)（PAC）雖然可以表征土壤供磷能力及全磷向有效磷轉(zhuǎn)化的潛力，但卻無法對土壤磷的生物有效性進(jìn)行評估。因此，Deluca等從生物學(xué)角度出發(fā)提出了基于生物有效性的磷分級方法（Biologically based phos -phorus，BBP法），與已有的土壤磷素分級研究方法不同的是BBP法選擇分別使用氯化鈣溶液、檸檬酸鹽溶液、酶（磷酸酶和植酸酶）溶液以及鹽酸溶液對土壤進(jìn)行浸提，將稻田土壤磷分為土壤可溶性磷（CaCl2-P）、有機酸活化的無機磷（Clitrate-P）、易被酶礦化的有機磷（Enzyme-P）、氫質(zhì)子活化磷（HCl-P）4個組分，從而可以更好地評估土壤中各組分磷的生物有效性?；贐BP法，有研究發(fā)現(xiàn)在磷肥減施下，土壤pH和堿性磷酸酶活性是影響土壤磷素生物有效性的重要因子，而且輪作會顯著降低土壤中Citrate -P與HCl-P的含量、增加Enzyme-P的含量，進(jìn)而提高了磷的轉(zhuǎn)化和有機磷的礦化，增加植株對土壤磷的吸收量。BBP法雖然已經(jīng)被廣泛用于評價土壤生物有效磷組分特征，但較少應(yīng)用此法研究水稻種植期間生物炭添加后稻田土壤生物有效磷組分特征的變化。我國南方土壤多呈酸性且以水田為主，稻田長期淹水或干濕交替的灌溉模式直接影響著稻田的氧化還原狀況，進(jìn)而影響著土壤磷的生物有效性。

紅壤廣泛分布于我國熱帶亞熱帶地區(qū)，是我國重要的糧食與經(jīng)濟作物生產(chǎn)基地。受成土母質(zhì)與氣候多重因素的影響，紅壤具有典型的脫硅富鋁化特征且含有大量的鐵鋁氧化物，極易將外源磷吸附固定，進(jìn)而降低磷的生物有效性，隨著固定態(tài)磷的增加，稻田土壤磷的流失風(fēng)險顯著增大。為了明確稻稈生物炭添加后稻田土壤磷的生物有效性變化，本試驗以江西鷹潭孫家小流域內(nèi)典型紅壤性水稻土為研究對象，基于水稻盆栽試驗對比分析了稻稈生物炭添加一年與兩年后，稻田土壤TP、Bray-P、PAC及BBP分級法下各磷組分的變化規(guī)律與差異，研究結(jié)果可為稻稈生物炭的合理施用及稻田磷素高效利用與風(fēng)險管控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試紅壤性水稻土采自江西鷹潭孫家典型紅壤小流域觀測站內(nèi)，該田塊種植水稻年限為20-30a。水稻收獲一個月后，在田塊中間地勢平坦區(qū)按蛇形采樣法采集水耕表層（0-20 cm）的土壤樣品，混勻后帶回實驗室，風(fēng)干、磨細(xì)過篩后備用。測得土壤總碳（TC）、總氮（TN）含量分別為10.8、1.4 g·kg-1，C/N為7.71，pH值為4.3。供試稻稈生物炭以產(chǎn)自鎮(zhèn)江的秈稻秸稈為原料，稻稈粉碎后投入炭化爐，緩慢升溫至500℃，在少氧條件下裂解炭化2h，經(jīng)冷卻器冷卻至25℃后由出料口出料。測得稻稈生物炭的pH值為9.34，TC、TN、TP的含量分別為54.8、0.91、2.79 g·kg-1，C/N為60.4。

1.2 水稻盆栽試驗

在36個內(nèi)徑32.5 cm、上內(nèi)徑36.0 cm、高31.0 cm的PVC塑料桶內(nèi)，分別裝入25.0 kg過5 cm篩的風(fēng)干稻田土壤樣品。設(shè)置不施生物炭處理（CKO）與按土質(zhì)量1%施加生物炭處理（B）兩組處理。首季試驗結(jié)束后，將桶內(nèi)土壤取出自然風(fēng)干，將首季試驗中相同處理的土壤樣品混合均勻過5 cm篩后重新裝桶。第二季設(shè)置不施生物炭處理（CK）、施加一年生物炭（B1）及施加一年生物炭的基礎(chǔ)上按土質(zhì)量與生物炭比值再施同量生物炭（B2）3個處理，每個處理重復(fù)9次。將氮磷鉀復(fù)合肥（15-15-15）作為基肥施入，每桶用量為30.8 g；水稻返青期結(jié)束時，每桶追施尿素1.8 g，當(dāng)?shù)?葉伸出1/2時每桶追施尿素1.8 g。所種水稻品種為秈型常規(guī)水稻南粳9108，成熟后株高約為96.4 cm，植株型為緊湊型，全生育期約153 d。于2022年6月13日將水稻苗移栽于盆中，覆水層深度保持在3-5 cm，分別在水稻分蘗期、抽穗期和成熟期對CK、B1、B2處理進(jìn)行破壞性采樣，即每個時期每個處理破壞性采樣3桶，采集水稻根際土壤并風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后備用。

1.3 土壤理化性質(zhì)

土壤pH采用電位法測定．即用1.0 mol·L-1 KCl溶液浸泡土壤，液土比為2.5：1；有效鐵（FeM3）與有效鋁（AlM3）用Mehlich3溶液（0.2 mol·L-1CH3COOH+0.25 mol· L-1 NH4NO3+0.013 mol·L-1 HNO3+0.015 mol·L-1 NH4F+0.001 mol·L-1 EDTA）提取，液土比為20：1，振蕩5 min后，離心過濾，濾液中鐵、鋁的濃度采用ICP儀測定；土壤TP采用硫酸—高氯酸消解，Bray-P采用NH4F（0.03 mol·L-1）和HCl（0.025 mol·L-1）溶液浸提，消解液與提取液中的磷含量采用鉬藍(lán)比色法測定。

1.4 BBP法

稱取4份0.50 g風(fēng)干土樣（＜0.25 mm）放人100mL離心管中，按液土比20：1分別加入如下浸提溶液：（1）0.01 mol·L-1 CaCl2溶液，即模擬植物根系攔截和擴散的磷酸根離子（CaCl2-P）；（2） 10 mol·L-1檸檬酸溶液，即模擬被有機酸活化釋放的無機磷（Clitrate-P）；（3）0.02 EU·mL-1酶溶液（酸性磷酸酶：堿性磷酸酶=1：1），即模擬易被微生物和植物分泌的酸性磷酸酶和植酸酶礦化的有機磷部分（Enzyme-P）；（4）1．0mol·L-1 HCl溶液，即模擬氫質(zhì)子活化的潛在無機磷庫（HCl-P）。然后，蓋好蓋子，在25℃、180 r·min-1下振蕩3h，3 220g離心30 min后，收集上層清液，采用鉬酸鹽—孔雀石綠標(biāo)準(zhǔn)鉬藍(lán)比色法測定吸光度，并進(jìn)行各組分磷含量的計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與計算；利用SPSS 19.0軟件中單因素方差分析比較各處理間及不同時期的差異（LSD，P＜0.05），并進(jìn)行Pearson相關(guān)分析；采用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭添加對稻田土壤pH及有效鐵和有效鋁含量的影響

由表1可知，與CK處理相比，B1處理下成熟期水稻土壤pH值無顯著變化，B2處理下分蘗期和成熟期水稻土壤pH值顯著提高，抽穗期無顯著變化；在水稻完整生育期內(nèi)，CK處理的pH值呈先升高后降低的變化趨勢；與分蘗期相比，B1、B2處理下的水稻土壤pH值在成熟期時顯著降低。

與CK處理相比，B1、B2處理下的水稻土壤在成熟期有效鐵含量顯著降低了33.1%和17.4%，抽穗期和分蘗期無顯著變化；在水稻完整生育期內(nèi)，與分蘗期相比，CK、B1、B2處理下的成熟期水稻土壤有效鐵含量分別顯著降低了10.3%、36.9%、21.1%，B1、B2處理下的水稻土壤有效鐵含量總體呈先升高后降低的趨勢。

與CK處理相比，B1、B2處理下分蘗期水稻土壤有效鋁含量分別顯著降低了12.1%和7.0%，抽穗期和成熟期水稻土壤有效鋁含量無顯著變化；在水稻完整生育期內(nèi)，與分蘗期相比，CK處理下的水稻土壤有效鋁含量在成熟期無顯著變化，B1、B2處理下水稻土壤有效鋁含量在成熟期分別提高13.1%和5.0%。

2.2 生物炭添加對稻田土壤TP的影響

由圖1分析可知，與CK處理相比，B1處理對稻田土壤TP含量無顯著影響，B2處理下僅水稻成熟期土壤TP含量顯著增加了23.6%，其余生育期的土壤TP含量均無顯著變化。與分蘗期相比，CK、B1處理下僅成熟期土壤TP含量分別顯著降低了14.4%與10.6%，而B2處理則均無顯著變化。

2.3 生物炭添加對稻田土壤Bray-P及PAC的影響

由圖2分析可知，與CK相比，B1處理下稻田土壤Bray-P含量及PAC均無顯著變化，B2處理下務(wù)蘗期、抽穗期及成熟期稻田土壤Bray-P分別顯著提高了49.1%、22.9%與98.8%，且分蘗期PAC顯著增加了44.8%。與分蘗期相比，成熟期CK、B1、B2處理的土壤Bray-P分別顯著降低了44.6%、45.4%和26.9%，且B2處理的PAC顯著降低了40.8%。

2.4 生物炭添加對稻田土壤生物有效性磷組分的影響

2.4.1 CaCl2-P

由圖3分析可知，與CK相比，B1和B2處理下抽穗期稻田土壤中CaCl2-P的含量及CaCl2-P/TP均無顯著變化；與B1處理相比，B2處理下抽穗期稻田土壤CaCl2-P含量顯著降低了11.9%，CaCl2-P/TP無顯著變化。與分蘗期相比，CK、B1處理抽穗期、成熟期土壤CaCl2-P含量和CaCl2-P/TP均無顯著變化；B2處理成熟期CaCl2-P含量較抽穗期顯著增加36.2%，CaCl2-P/TP顯著增加36.1%。

2.4.2 Citrate-P

由圖4分析可知，與CK相比，B1處理成熟期稻田土壤中Citrate -P含量及Citrate -P／TP顯著降低38.1%、38.2%，其余時期無顯著變化；B2處理抽穗期稻田土壤Citrate -P含量顯著增加39.0%，其余時期Citrate-P含量和Citrate-P/TP均無顯著變化。與抽穗期相比，CK處理成熟期Citrate-P含量顯著增加25.9%，Citrate-P/TP無顯著變化；與分蘗期相比，B1處理成熟期土壤Citrate-P含量顯著降低48.7%，Citrate-P/TP無顯著變化；B2處理各時期土壤Citrate-P含量和Citrate-P/TP均無顯著變化。

2.4.3 Enzyme-P

由圖5分析可知，與CK相比，B1、B2處理各時期Enzyme-P含量及Enzyme-P/TP均無顯著變化；與分蘗期相比，B2處理成熟期土壤Enzyme-P含量與En-zyme-P/TP分別顯著增加43.45%、38.7%，CK、B1處理各時期土壤Enzyme-P含量和Enzyme-P/TP均無顯著變化。

2.4.4 HCl-P

由圖6分析可知，與CK相比，B2處理成熟期稻田土壤HCl-P含量顯著增加50.70-/o，HCl-P/TP無顯著變化；B1處理各時期HCl-P含量和HCl-P/TP均無顯著變化。與分蘗期相比，CK處理抽穗期土壤HCl-P含量顯著降低22.6%，成熟期HCl-P／TP顯著增加24.9%；B1處理成熟期土壤HCl-P含量無顯著變化，HCl-P/TP顯著增加了21.3%，抽穗期HCl-P含量和HCl-P/TP均無顯著變化；B2處理成熟期土壤HCl-P含量與HCl-P/TP分別顯著增加50.7%、52.6%，抽穗期HCl-P含量和HCl-P/TP均無顯著變化。

2.5 相關(guān)分析

稻稈生物炭添加后稻田土壤TP、Bray-P、CaCl2-P、Citrate -P、Enzyme-P、HCl-P、pH、TP、FeM3和AIM3的相關(guān)性分析結(jié)果見圖7。圖7表明：稻田土壤Bray-P與土壤pH、TP分別呈極顯著與顯著正相關(guān)；CaCl2-P與HCl-P、TP分別呈極顯著與顯著正相關(guān)，但與FeM3則呈顯著負(fù)相關(guān)；Citrate-P與TP、HCl-P呈極顯著正相關(guān)，與Enzyme-P、pH呈顯著正相關(guān)，而與AlM3則呈極顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

土壤TP可以直觀地表征土壤的供磷能力，其含量變化取決于外源磷添加量和作物吸收量之差。生物炭施入后土壤的pH值增加，且抑制了土壤在水稻完整生育期內(nèi)pH值的降低，促進(jìn)植物根系對土壤磷的吸收。本研究結(jié)果表明B2處理的稻田土壤TP含量在水稻成熟期時顯著增加（表1、圖1），這是因為生物質(zhì)中包含的磷元素在熱解為生物炭后仍保留在灰分中，生物炭施入土壤后在供給水稻根系吸收的磷之外為土壤補充了大量磷素，進(jìn)而直接增加土壤TP含量。稻稈生物炭添加可以顯著增加稻田土壤Bray-P含量（圖2），這可能是因為稻稈生物炭施入土壤后其中溶解的有機物以有機配體的形式與紅壤性水稻土中大量存在的鐵鋁氧化物形成有機金屬配合物，從而降低了金屬離子對磷的吸附與固定，增加了土壤Bray-P含量。另外，生物炭具有高比表面積且表面富含多種官能團，可以吸附土壤養(yǎng)分、增強磷的有效性。CK和B1處理中，與分蘗期相比，水稻成熟期稻田土壤TP與Bray-P含量均顯著降低（圖1、圖2），可見稻稈生物炭對土壤TP和Bray-P的影響是持續(xù)性的，其可以作為土壤的長效磷源，這與李輝婷的研究結(jié)果一致。PAC是土壤Bray-P與TP LC值的百分?jǐn)?shù)，可以表征土壤磷的活化能力，PAC越高，土壤磷素有效性也越高，TP越易向Bray-P轉(zhuǎn)化，本研究結(jié)果中生物炭施入后稻田土壤的PAC顯著增強，這表明生物炭處理對稻田土壤磷的活化有顯著正向促進(jìn)作用（圖2）。

傳統(tǒng)的磷分級缺少對植物根系和磷生物有效性的研究，BBP法則從生物學(xué)角度有效模擬了植物及微生物對土壤磷的獲取機制。本試驗中，與CK處理相比，B1與B2處理雖然對稻田土壤CaCl2-P、En-zyme-P無顯著影響，但B2處理下稻田土壤中CaCl2-P、Enzyme-P卻隨著水稻生育期的延長而顯著增加（圖3、圖5）。水稻在分蘗期和抽穗期需要從土壤中汲取大量養(yǎng)分，而施人的稻稈生物炭中有豐富的正磷酸鹽和少量的濃縮磷酸鹽，其逐步釋放進(jìn)入土壤中可緩慢增加土壤CaCl2-P，超出水稻根系吸收范圍的磷則累積在土壤中。Enzyme-P則模擬了易被酸性磷酸酶和植酸酶礦化的有機磷，土壤酶是有機磷礦化成無機磷的重要催化劑，主要來自于植物根系和微生物代謝物，以及其他動植物殘體的分解過程。生物炭可以通過增加土壤微生物數(shù)量來促進(jìn)有機磷礦化，土壤微生物量是指土壤中體積小于5×103 μm3的生物總量，是土壤有機質(zhì)中最為活躍的組分。根據(jù)化學(xué)計量平衡原理，由于較大的微生物生物量需要更多的磷來維持其代謝功能，這表明生物炭改性的土壤微生物量濃度更高，增強了有機磷的磷礦化率。通常來說，CaCl2-P和Enzyme-P在土壤溶液中的含量極低，而Citrate-P和HCl-P采用較高濃度的檸檬酸和鹽酸提取，高于植物和微生物分泌的有機酸和氫質(zhì)子濃度。因此，BBP方法提取的Citrate-P和HCl-P更傾向于表征微生物和植物活化磷素的最大潛能。本試驗中稻稈生物炭添加顯著增加了稻田土壤中Citrate-P和HCl-P的含量（圖4、圖6），這可能是由于生物炭中富含大量的碳源和氮、磷、鉀等養(yǎng)分，其施人土壤可以改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)微生物繁殖和根系生長，有利于微生物和水稻根系分泌低分子有機酸和質(zhì)子等分泌物。有機酸與磷酸根（HPO2-4和H2PO2-4）競爭土壤顆粒表面的陰離子吸附位點，通過配位交換作用促進(jìn)土壤無機活性磷的釋放，導(dǎo)致Citrate-P含量增加，Citrate-P可以被植物直接吸收利用；而質(zhì)子（H+）能活化難溶性礦物質(zhì)磷，導(dǎo)致HCl-P含量增加。

相關(guān)分析表明，稻田土壤TP、Bray-P、Citrate-P與pH呈顯著正相關(guān)，與FeM3，、AlM3含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖7），這說明生物炭可以通過影響土壤pH和FeM3、AlM3進(jìn)一步影響稻田土壤磷的生物有效性。另外，稻稈生物炭添加顯著降低了成熟期稻田土壤AlM3和分蘗期FeM3含量（表1），AlM3和FeM3的主要形態(tài)為水溶態(tài)和交換態(tài)，生物炭表面豐富的交換結(jié)合位點會固定土壤中的AlM3和FeM3，降低土壤中的AlM3和FeM3含量，這可能是由于生物炭表面的含氧官能團與土壤溶液中的H+中合，促使Al3+水解轉(zhuǎn)變?yōu)锳l（OH）3沉淀，從而降低了溶液中交換性鋁的含量。在酸性土壤中，土壤的pH較低且富含鈣、鐵、鋁等金屬離子，這導(dǎo)致土壤中磷的有效利用率偏低。生物炭施人土壤后其中溶解的有機物以有機配體的形式與鐵、鋁的氧化物形成有機金屬配合物，從而降低了金屬離子對磷的吸附。而Citrate-P主要來自于吸附態(tài)磷或弱束縛于無機沉淀物（如鐵鋁結(jié)合態(tài)磷酸鹽）中的無機活性磷，pH變化影響著磷的吸附與解吸，也影響著Ci-trate -P。由于Citrate-P是水稻土壤中Bray-P的主要來源，導(dǎo)致土壤Bray-P隨之增加。

4 結(jié)論

（1）連續(xù)兩年施用稻稈生物炭顯著增加紅壤性稻田土壤中全磷、有效磷、磷素活化系數(shù)及Citrate -P、HCl-P。

（2）稻稈生物炭添加下稻田土壤中的CaCl2-P、Enzyme-P含量及其在全磷中的占比均隨著水稻生育期的延長而顯著增加。

（3）試驗表明，稻田土壤pH、有效鐵、有效鋁是影響土壤全磷、有效磷及生物有效磷組分的重要因子。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（42077087）