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1、秸秆生物炭还田对冻融期土壤有效磷的影响及机理论文 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05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（05次、530次、030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
2、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
3、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12,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
4、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79,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
5、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 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4144东经12327海拔44.7m,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680.3mm,年无霜期为149d.冬季土壤最大冻结深度为148cm.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1m1m的样方清理表层作物残茬后收集每个样方的010cm表层土壤然后将5
6、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5mm的土壤筛备用经测定供试土壤的田间持水量为37.89%,容重1.28gcm3,pH6.36,有机质13.25gkg1,电导率209Sm1,有效磷15.9mgkg1,中性磷酸酶活性（以下简称磷酸酶）94gg1. 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1mm筛后的较细颗粒生物炭作为实验材料经测定生物
7、炭比表面积为0.85m2g1,pH7.74,电导率179.6Sm1,有效磷19.3mgkg1. 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010cm土壤容重计算出以上比例相当于田间施用量0、25.6、51.2、76.8thm2（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1114）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2.5kg放入20cm20cm15cm有机玻璃培养盒中于常温下培养60d,期间每周定期称重补水使其含
8、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12h,融解12h.根据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107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.
9、5molL1NaHCO3提取钼锑抗比色法测定15;pH采用电位法测定水土比为2.5115;电导率采用电导法测定水土比为5115;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24h后1g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（BrunauerEmmettTeller）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和SP
10、SS18.0软件进行数据处理及作图分析采用单因素方差分析（onewayANOVA）对数据进行显着性检验用皮尔森（Pearson）法分析其相关性 2结果与讨论 2.1秸秆生物炭输入对冻融期棕壤有效磷含量的影响 施加不同量生物炭处理有效磷含量随冻融循环次数变化结果见表1.总体而言030次冻融循环中各处理有效磷含量表现为先增加后减少而到30次冻融循环时又有一定幅度增加的趋势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%以上生物炭本身含有较丰富的磷元素施入土壤后可以改善土壤养分供应21.生物炭的多孔性能够为微生物生存提供较大空间提高微生物分解
11、能力增加土壤养分含量12.各处理05次冻融循环有效磷含量变化不稳定并且在第5次左右达到最高值对照处理以及施加生物炭量2%和4%处理在第5次冻融循环后有效磷含量分别为20.54、22.83、23.18mgkg1,较各处理未冻融时分别提高了24%、11.1%和11.2%.施加6%处理前5次冻融循环间有效磷含量并无显着性变化 将生物炭施加水平和冻融循环次数对土壤有效磷含量影响进行方差分析结果见表2.除在05次冻融循环中冻融次数对有效磷含量无显着性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（05次、530次、030次）均有极显着影响 由此可见在前期冻融过程中生物炭输入
12、并未大幅度提高有效磷含量甚至将各处理进行总体方差分析时得出冻融作用对有效磷含量无显着影响的结论分析其原因主要与土壤团聚体有关由于冻融作用团聚体受冰晶压缩而破碎团聚体作为土壤养料库包含其中的有效磷因团聚体破碎而释放出来生物炭在室温培养时能增强微生物活性形成多糖从而增强团聚体稳定性所以在冻融过程中因团聚体破碎释放的有效磷减少22.生物炭在冻融初期对土壤磷素起到固持和保护作用减少因解冻期积雪融化而产生的有效磷损失在第20次冻融循环后除对照处理较未冻融时无显着性变化其他各处理有效磷含量均达到最低值较未冻融时分别降低了18.9%、8.2%和9.5%.土壤经过多次冻融后大部分团聚体已经破碎其中可溶性有机质
13、释放量下降微生物的分解速率减慢有效磷含量下降23.在30次循环时土壤溶液中的养分元素与有机质、微生物体之间保持平衡土壤有效磷含量基本稳定 各施加量处理间进行比较发现：随着生物炭施加量增多有效磷含量也随之增大施加量为2%、4%和6%的土壤中有效磷含量均值分别较对照增加了10.9%、15.66%和19.62%.所以生物炭在室温培养时可以增加土壤有效态磷素含量在冻融过程中又可以相对减少有效磷素释放阻控磷素因积雪融化而造成的淋溶及径流损失 2.2秸秆生物炭对冻融期棕壤pH、电导率、有机质和磷酸酶的影响 本实验通过研究生物炭输入后棕壤pH、电导率、有机质和磷酸酶活性等生物化学性质在冻融过程中的变化分析生
14、物炭对冻融期土壤有效磷含量影响机理培养结束未进行冻融时各施加水平土壤相关性质见图1.各施加生物炭处理pH较对照处理均有明显提高但施炭处理间无显着差异3个施加生物炭处理土壤电导率与对照相比分别增加了19.7%、20.2%和26.8%.各施加处理有机质含量明显高于对照处理但4%与6%施加处理间无显着差异3种施加量土壤磷酸酶活性分别较对照增大了16.3%、62.2%和134%.由此可见在常温培养时生物炭输入对pH、电导率、有机质和磷酸酶活性均有显着影响 冻融作用以及生物炭施加水平对相关土壤性质影响的方差分析结果见表3.从表3可以看出生物炭施加除对530次冻融循环阶段土壤有机质含量无显着性影响外对各冻
15、融阶段其他指标均有显着性影响冻融作用对土壤酸碱度和有机质含量影响较显着但是对电导率、磷酸酶活性影响不显着冻融作用会引起土壤中碳酸钠和碳酸氢钠等强碱弱酸盐类的迁移这些盐类水解会产生OH,改变土壤酸碱度24.土壤团聚体受冻融作用影响而破碎其中包含的有机质得以释放出来所以有机质受冻融作用影响明显25.土壤有机质分解物是土壤酶类的主要来源随着有机质含量的变化磷酸酶含量也发生变化但是在设定30次冻融循环中由于设置冻融温度上限为7低于磷酸酶发挥作用的最适温度所以磷酸酶活性并未随冻融循环发生显着变化26. 2.3冻融期棕壤有效磷与pH、电导率、有机质和磷酸酶的相关性 不同冻融循环阶段土壤有效磷含量与pH、电导率、有机质和磷酸酶活性相关分析结果见表4.从表4可以看出在室温培养时土壤pH、电导率、有机质和磷酸酶活性与有效磷含量均呈现显着相关关系；但是在开始冻融后各土壤性质与土壤有效磷含量相关性并非一直保持显着水平 在冻融循环各阶段有机质含量与有效磷含量均呈显着正相关关系在15次冻融循环阶段土壤温度、通气性和水分等土壤性质由于冻融循环的作用发生突然性的改变土壤水分由固态到液态反复转化增加了土壤通气性由于通气状况改善微生物活性迅速恢复降解冻结过程中已死亡细菌中的有机质转化
