改性生物炭對小白菜生長和磷素吸收的影響

余煒敏，石永鋒，王榮萍*，廖新榮，梁嘉偉，王現潔

1. 廣東省生態環境技術研究所/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 肇慶學院環境化學與工程學院，廣東 肇慶 526000

磷是植物生長發育所必需的大量元素之一，由于土壤顆粒表面具有吸附與化學固定作用，土壤溶液中的磷濃度很低，大量磷以難溶性化合物形態存在，磷肥當季植物利用率一般只有10%～20%（Chien et al.，2011），尤其在中國南方紅壤中，磷酸鋁鐵化合物進一步轉化為閉蓄態磷酸鹽，磷的有效性大大降低（劉建玲等，2000）。磷在土壤中的積累不僅造成了磷肥資源的浪費，也必然導致磷的流失，土壤徑流中磷濃度的提高成為水體富營養化的原因之一（Yang et al.，2008）。如何減少磷的流失、改善土壤磷素的穩定可持續供應、提高磷肥利用率一直是土壤養分研究的熱點之一。華南地區紅壤中有效磷（Olsen-P）平均值達到25.4 mg·kg-1。按一般豐缺指標，土壤有效磷質量分數高于20 mg·kg-1屬于豐富，施磷一般無明顯效應。但是華南地區紅壤有效磷質量分數即使高達55 mg·kg-1，在蔬菜作物上磷肥施用量仍然不能減少。實際上紅壤中總磷含量并不低，但是其生物有效性較低，難以被植物直接吸收利用。

生物炭是指生物有機材料（如木材、草、玉米稈等生物質）在低氧條件下通過高溫裂解炭化形成的性質穩定的固態產物。生物炭具有豐富的孔隙，比表面積大，吸附能力強，添加到土壤中，可改善土壤陽離子交換量等理化性質，增強土壤的保水保肥能力，提高土壤肥力（Haefele et al.，2011；Zwieten et al.，2010）。同時生物炭通過改變土壤環境從而影響微生物多樣性，間接影響磷素的吸收、釋放及其生物有效性（Atkinson et al.，2010）。例如，竹炭能增加土壤有效磷含量（傅秋華等，2004），以雞糞、牛糞為原料的生物炭也能提高土壤有效磷的含量（Hass et al.，2012；Uzoma et al.，2011）。這對于華南紅壤磷素供應、作物生長有著重要的意義。

本研究所用改性生物炭是在生物炭制備過程中將鐵按特定比例（2%）摻雜至其中所得到的具有特殊結構和功能的改性生物炭材料。由于改性后生物炭表面會負載鐵的氧化物和羥基氧化物，其對磷的結合能力很強，能顯著提高生物炭對磷的吸附能力。關于生物炭對小白菜（Brassica chinensis L.）氮利用方面的影響已有研究，但是，在小白菜種植較大面積的華南地區未見關于這方面的研究，尤其缺乏添加生物炭對小白菜磷吸收的研究。前期對改性生物炭對菜地土壤磷素形態的轉化研究（王榮萍等，2016）表明，改性生物炭可以活化土壤難溶性磷。本研究在此基礎上，研究改性生物炭對小白菜生長及吸磷量的影響，以期為改性生物炭在蔬菜保質保量生產上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗地點位于廣東省廣州市白云區農業科學試驗中心鶴亭基地（113°15'E，23°18'N）。該地區屬于南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫在 21.5～22.2 ℃之間，年平均日照時數為1629.5 h，年降雨量大于1800 mm。試驗地塊土壤母質為河流沖積物，土壤質地為砂質粘壤土，土壤有機質為33.94 g·kg-1，全氮為 0.724 g·kg-1，速效氮為 140.5 mg·kg-1，有效磷為 54.5 mg·kg-1，pH 為 6.42。

1.2 供試材料

供試生物炭為廣東省生態環境技術研究所研制的改性生物炭產品。該產品的制備以生物質棕櫚絲為原料，在高溫（750 ℃）炭化過程中，通過加入特定比例（2%）的含鐵化合物，將納米零價鐵負載在炭材料上，形成具有特殊結構和功能的改性生物炭材料。該改性生物炭理化性質如下：有機質40.77%，全氮 0.74%，全磷 0.21%，速效磷 646.8 mg·kg-1，全鉀12.25%，pH 7.30。供試小白菜品種為金冠黑葉白菜，種源由廣東省農科院蔬菜研究所提供。

1.3 試驗設計與實施

試驗共設5個處理，分別為（1）F0對照，即不施用生物炭；（2）F1：改性生物炭施用量為耕層土壤質量的 0.1%，即 2250 kg·hm-2（耕層土壤按2.25×106kg·hm-2算）；（3）F2：改性生物炭施用量為耕層土壤質量的 0.2%，即 4500 kg·hm-2；（4）F3：改性生物炭施用量為耕層土壤質量的 0.3%，即6750 kg·hm-2；（5）F4：改性生物炭施用量為耕層土壤質量的0.5%，即11250 kg·hm-2。氮肥（尿素，含N 46%）施用量為350 kg·hm-2，磷肥（過磷酸鈣，含P2O512%）施用量為300 kg·hm-2，鉀肥（硫酸鉀，含K2O 50%）施用量為144 kg·hm-2。每個處理設3個重復，采用隨機區組排列，共15個小區，每個小區面積為20 m2。

2015年3月1 日播種，3月23—24日移栽，移栽前3天施基肥于耕層全層，全部生物炭、磷肥作基肥，30%氮肥和30%鉀肥作基肥，其余氮肥和鉀肥分3次分別在移栽后的第3天、第14天和第21天各追15%、20%和35%，追肥隨水施加。整個試驗過程中采用常規田間管理。

1.4 采樣與分析測定

小白菜在移栽一個月后，即4月24日進行收獲。將小白菜植株的根和地上部分開，分別清洗干凈后稱重，地上部重量即為小白菜產量。然后將地上部分為兩部分，一部分于烘箱中 105 ℃下殺青30 min，然后在60 ℃下烘至恒重，記錄干質量；另一部分保存于 4 ℃冰箱中，用于硝酸鹽含量等品質指標測定（王學奎，2006）。同樣，將根殺青后在60 ℃下烘至恒質量，記錄干質量。小白菜硝酸鹽含量采用紫外分光光度法測定（紫外分光光度計產地：上海元析儀器有限公司；型號：UV-6000；精度：±0.3%T），維生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定（王學奎，2006）。

小白菜收獲的同時，對各小區的耕層土壤采用五點采樣法進行采樣，土壤樣品去除較大石礫和作物殘茬，風干，過篩后采用K2Cr2O7外熱法測定土壤有機質含量（魯如坤，2000）。

1.5 數據分析

運用Excel 2003和SPSS 13.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 改性生物炭對土壤有機質含量的影響

由圖1可知，當小白菜收獲時，生物炭施用量分別為 2250、4500、6750、11250 kg·hm-2處理土壤有機質含量都有所提高，提高幅度分別為4.44%、3.28%、3.66%、17.98%，但與對照相比，低、中施用量（2250～6750 kg·hm-2）處理中土壤有機質增加不顯著，只有最高施用量（11250 kg·hm-2）處理中土壤有機質顯著增加，且與對照及其他3個生物炭處理差異顯著（F=4.28，P=0.028）。

2.2 改性生物炭施用對小白菜產量與品質的影響

圖1 不同改性生物炭施用量對土壤有機質含量的影響Fig. 1 Effects of biochar application on soil organic matter

由圖2可知，與對照相比，施用生物炭均可提高小白菜產量，提高幅度為 6.92%～32.04%，F2（4500 kg·hm-2)、F3（6750 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）處理的產量與對照相比，差異達顯著水平（P＜0.05）；而 F1（2250 kg·hm-2）處理與對照相比，小白菜的產量有所提高，但差異不顯著（P＞0.05）。F2（4500 kg·hm-2）及 F3（6750 kg·hm-2）處理中，小白菜硝酸鹽含量顯著降低（分別降低 14.86%和9.92%），F1（2250 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）處理與對照相比，硝酸鹽含量分別降低 2.32%和4.47%，但無顯著差異（P＞0.05）。與對照相比，施用生物炭處理小白菜維生素 C含量顯著提高（P＜0.05），提高幅度為18.18%～36.79%。施用生物炭處理與對照相比，可溶性糖呈增加趨勢，但差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 改性生物炭施用對小白菜產量（a）和品質（b，c，d）的影響Fig. 2 The effects of modified biochar on the yield (a) and quality (b, c and d) of Brassica chinensis L.

2.3 改性生物炭施用對小白菜吸磷量的影響

由圖3可知，與對照相比，施用生物炭處理的植株吸磷量呈增加趨勢，增加幅度為1.0%～27.0%，其中 F3（6750 kg·hm-2）和 F4（11250 kg·hm-2）處理提高幅度最大，且與對照差異顯著（F=11.71，P=0.001）。

圖3 改性生物炭對小白菜吸磷量的影響Fig. 3 The effects of modified biochar on the amount of phosphorus absorbed by Brassica chinensis L.

3 討論

生物炭自身具有豐富的礦質元素，將其添加于土壤中能有效改善土壤的理化性質。本研究表明，施用改性生物炭提高了土壤有機質含量，這與前人的研究結果一致（顧美英等，2014；李明等，2015）。在本試驗中，生物炭本身的有機質含量高達40.77%，將其施加于土壤中提高了土壤有機質含量，且隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質含量呈現增加趨勢。

生物炭具有良好的結構，同時自身含有一定的養分，施入土壤中在一定程度上改善土壤的營養環境，有利于作物產量的提高（郭大勇等，2017；曹雪娜，2017；Xiao et al.，2016；Agbna et al.，2017；Awad et al.，2018）。本研究中，隨改性生物炭施用量的增加，小白菜的產量呈現增加的趨勢，一方面可能與生物炭的性質有關，生物炭有機碳含量高、比表面積大、官能團多、孔隙率大，添加到土壤中能夠增加土壤有機質，改善土壤結構，有利于作物生長發育，進而提高作物產量（王寧等，2016；Pandit et al.，2018）；另一方面，生物炭的施用改善了土壤微生態環境，進一步提高了蔬菜產量，其具體機制有待于進一步研究。

與對照相比，生物炭的施用可以改善小白菜的品質，這與很多研究結論一致（趙易藝等，2016；林慶毅等，2017）。崔亞男等（2017）的研究發現，豬糞生物炭的施用顯著提高小白菜的維生素C及可溶性糖含量而顯著降低硝酸鹽含量。又如武春成等（2014）報道，添加生物炭降低了黃瓜中硝酸鹽含量。本研究中采用的改性生物炭是將納米零價鐵負載在炭材料上，形成具有特殊結構的生物炭，在前期的研究中已經證明了改性生物炭可以提高土壤活性磷的含量（王榮萍等，2016），從而促進小白菜對磷素的吸收，最終提高了蔬菜的產量。

4 結論

改性生物炭的施用可以提高土壤有機質的含量，改良土壤；提高了小白菜的產量，降低小白菜中硝酸鹽的含量，提高小白菜維生素C和可溶性糖的含量，改善了小白菜的品質；促進小白菜對磷的吸收，提高土壤磷的利用率。