余炜敏，石永锋，王荣萍*，廖新荣，梁嘉伟，王现洁

1. 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2. 肇庆学院环境化学与工程学院，广东 肇庆 526000

磷是植物生长发育所必需的大量元素之一，由于土壤颗粒表面具有吸附与化学固定作用，土壤溶液中的磷浓度很低，大量磷以难溶性化合物形态存在，磷肥当季植物利用率一般只有10%～20%（Chien et al.，2011），尤其在中国南方红壤中，磷酸铝铁化合物进一步转化为闭蓄态磷酸盐，磷的有效性大大降低（刘建玲等，2000）。磷在土壤中的积累不仅造成了磷肥资源的浪费，也必然导致磷的流失，土壤径流中磷浓度的提高成为水体富营养化的原因之一（Yang et al.，2008）。如何减少磷的流失、改善土壤磷素的稳定可持续供应、提高磷肥利用率一直是土壤养分研究的热点之一。华南地区红壤中有效磷（Olsen-P）平均值达到25.4 mg·kg-1。按一般丰缺指标，土壤有效磷质量分数高于20 mg·kg-1属于丰富，施磷一般无明显效应。但是华南地区红壤有效磷质量分数即使高达55 mg·kg-1，在蔬菜作物上磷肥施用量仍然不能减少。实际上红壤中总磷含量并不低，但是其生物有效性较低，难以被植物直接吸收利用。

生物炭是指生物有机材料（如木材、草、玉米秆等生物质）在低氧条件下通过高温裂解炭化形成的性质稳定的固态产物。生物炭具有丰富的孔隙，比表面积大，吸附能力强，添加到土壤中，可改善土壤阳离子交换量等理化性质，增强土壤的保水保肥能力，提高土壤肥力（Haefele et al.，2011；Zwieten et al.，2010）。同时生物炭通过改变土壤环境从而影响微生物多样性，间接影响磷素的吸收、释放及其生物有效性（Atkinson et al.，2010）。例如，竹炭能增加土壤有效磷含量（傅秋华等，2004），以鸡粪、牛粪为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）。这对于华南红壤磷素供应、作物生长有着重要的意义。

本研究所用改性生物炭是在生物炭制备过程中将铁按特定比例（2%）掺杂至其中所得到的具有特殊结构和功能的改性生物炭材料。由于改性后生物炭表面会负载铁的氧化物和羟基氧化物，其对磷的结合能力很强，能显著提高生物炭对磷的吸附能力。关于生物炭对小白菜（Brassica chinensis L.）氮利用方面的影响已有研究，但是，在小白菜种植较大面积的华南地区未见关于这方面的研究，尤其缺乏添加生物炭对小白菜磷吸收的研究。前期对改性生物炭对菜地土壤磷素形态的转化研究（王荣萍等，2016）表明，改性生物炭可以活化土壤难溶性磷。本研究在此基础上，研究改性生物炭对小白菜生长及吸磷量的影响，以期为改性生物炭在蔬菜保质保量生产上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概述

试验地点位于广东省广州市白云区农业科学试验中心鹤亭基地（113°15'E，23°18'N）。该地区属于南亚热带季风气候，年平均气温在 21.5～22.2 ℃之间，年平均日照时数为1629.5 h，年降雨量大于1800 mm。试验地块土壤母质为河流冲积物，土壤质地为砂质粘壤土，土壤有机质为33.94 g·kg-1，全氮为 0.724 g·kg-1，速效氮为 140.5 mg·kg-1，有效磷为 54.5 mg·kg-1，pH 为 6.42。

1.2 供试材料

供试生物炭为广东省生态环境技术研究所研制的改性生物炭产品。该产品的制备以生物质棕榈丝为原料，在高温（750 ℃）炭化过程中，通过加入特定比例（2%）的含铁化合物，将纳米零价铁负载在炭材料上，形成具有特殊结构和功能的改性生物炭材料。该改性生物炭理化性质如下：有机质40.77%，全氮 0.74%，全磷 0.21%，速效磷 646.8 mg·kg-1，全钾12.25%，pH 7.30。供试小白菜品种为金冠黑叶白菜，种源由广东省农科院蔬菜研究所提供。

1.3 试验设计与实施

试验共设5个处理，分别为（1）F0对照，即不施用生物炭；（2）F1：改性生物炭施用量为耕层土壤质量的 0.1%，即 2250 kg·hm-2（耕层土壤按2.25×106kg·hm-2算）；（3）F2：改性生物炭施用量为耕层土壤质量的 0.2%，即 4500 kg·hm-2；（4）F3：改性生物炭施用量为耕层土壤质量的 0.3%，即6750 kg·hm-2；（5）F4：改性生物炭施用量为耕层土壤质量的0.5%，即11250 kg·hm-2。氮肥（尿素，含N 46%）施用量为350 kg·hm-2，磷肥（过磷酸钙，含P2O512%）施用量为300 kg·hm-2，钾肥（硫酸钾，含K2O 50%）施用量为144 kg·hm-2。每个处理设3个重复，采用随机区组排列，共15个小区，每个小区面积为20 m2。

2015年3月1 日播种，3月23—24日移栽，移栽前3天施基肥于耕层全层，全部生物炭、磷肥作基肥，30%氮肥和30%钾肥作基肥，其余氮肥和钾肥分3次分别在移栽后的第3天、第14天和第21天各追15%、20%和35%，追肥随水施加。整个试验过程中采用常规田间管理。

1.4 采样与分析测定

小白菜在移栽一个月后，即4月24日进行收获。将小白菜植株的根和地上部分开，分别清洗干净后称重，地上部重量即为小白菜产量。然后将地上部分为两部分，一部分于烘箱中 105 ℃下杀青30 min，然后在60 ℃下烘至恒重，记录干质量；另一部分保存于 4 ℃冰箱中，用于硝酸盐含量等品质指标测定（王学奎，2006）。同样，将根杀青后在60 ℃下烘至恒质量，记录干质量。小白菜硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定（紫外分光光度计产地：上海元析仪器有限公司；型号：UV-6000；精度：±0.3%T），维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定（王学奎，2006）。

小白菜收获的同时，对各小区的耕层土壤采用五点采样法进行采样，土壤样品去除较大石砾和作物残茬，风干，过筛后采用K2Cr2O7外热法测定土壤有机质含量（鲁如坤，2000）。

1.5 数据分析

运用Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 改性生物炭对土壤有机质含量的影响

由图1可知，当小白菜收获时，生物炭施用量分别为 2250、4500、6750、11250 kg·hm-2处理土壤有机质含量都有所提高，提高幅度分别为4.44%、3.28%、3.66%、17.98%，但与对照相比，低、中施用量（2250～6750 kg·hm-2）处理中土壤有机质增加不显著，只有最高施用量（11250 kg·hm-2）处理中土壤有机质显著增加，且与对照及其他3个生物炭处理差异显著（F=4.28，P=0.028）。

2.2 改性生物炭施用对小白菜产量与品质的影响

图1 不同改性生物炭施用量对土壤有机质含量的影响Fig. 1 Effects of biochar application on soil organic matter

由图2可知，与对照相比，施用生物炭均可提高小白菜产量，提高幅度为 6.92%～32.04%，F2（4500 kg·hm-2)、F3（6750 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）处理的产量与对照相比，差异达显著水平（P＜0.05）；而 F1（2250 kg·hm-2）处理与对照相比，小白菜的产量有所提高，但差异不显著（P＞0.05）。F2（4500 kg·hm-2）及 F3（6750 kg·hm-2）处理中，小白菜硝酸盐含量显著降低（分别降低 14.86%和9.92%），F1（2250 kg·hm-2）及 F4（11250 kg·hm-2）处理与对照相比，硝酸盐含量分别降低 2.32%和4.47%，但无显著差异（P＞0.05）。与对照相比，施用生物炭处理小白菜维生素 C含量显著提高（P＜0.05），提高幅度为18.18%～36.79%。施用生物炭处理与对照相比，可溶性糖呈增加趋势，但差异不显著（P＞0.05）。

图2 改性生物炭施用对小白菜产量（a）和品质（b，c，d）的影响Fig. 2 The effects of modified biochar on the yield (a) and quality (b, c and d) of Brassica chinensis L.

2.3 改性生物炭施用对小白菜吸磷量的影响

由图3可知，与对照相比，施用生物炭处理的植株吸磷量呈增加趋势，增加幅度为1.0%～27.0%，其中 F3（6750 kg·hm-2）和 F4（11250 kg·hm-2）处理提高幅度最大，且与对照差异显著（F=11.71，P=0.001）。

图3 改性生物炭对小白菜吸磷量的影响Fig. 3 The effects of modified biochar on the amount of phosphorus absorbed by Brassica chinensis L.

3 讨论

生物炭自身具有丰富的矿质元素，将其添加于土壤中能有效改善土壤的理化性质。本研究表明，施用改性生物炭提高了土壤有机质含量，这与前人的研究结果一致（顾美英等，2014；李明等，2015）。在本试验中，生物炭本身的有机质含量高达40.77%，将其施加于土壤中提高了土壤有机质含量，且随着生物炭施用量的增加，土壤有机质含量呈现增加趋势。

生物炭具有良好的结构，同时自身含有一定的养分，施入土壤中在一定程度上改善土壤的营养环境，有利于作物产量的提高（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，随改性生物炭施用量的增加，小白菜的产量呈现增加的趋势，一方面可能与生物炭的性质有关，生物炭有机碳含量高、比表面积大、官能团多、孔隙率大，添加到土壤中能够增加土壤有机质，改善土壤结构，有利于作物生长发育，进而提高作物产量（王宁等，2016；Pandit et al.，2018）；另一方面，生物炭的施用改善了土壤微生态环境，进一步提高了蔬菜产量，其具体机制有待于进一步研究。

与对照相比，生物炭的施用可以改善小白菜的品质，这与很多研究结论一致（赵易艺等，2016；林庆毅等，2017）。崔亚男等（2017）的研究发现，猪粪生物炭的施用显著提高小白菜的维生素C及可溶性糖含量而显著降低硝酸盐含量。又如武春成等（2014）报道，添加生物炭降低了黄瓜中硝酸盐含量。本研究中采用的改性生物炭是将纳米零价铁负载在炭材料上，形成具有特殊结构的生物炭，在前期的研究中已经证明了改性生物炭可以提高土壤活性磷的含量（王荣萍等，2016），从而促进小白菜对磷素的吸收，最终提高了蔬菜的产量。

4 结论

改性生物炭的施用可以提高土壤有机质的含量，改良土壤；提高了小白菜的产量，降低小白菜中硝酸盐的含量，提高小白菜维生素C和可溶性糖的含量，改善了小白菜的品质；促进小白菜对磷的吸收，提高土壤磷的利用率。