贵州省是世界上喀斯特地貌发育最完全的连续地带, 喀斯特出露面积达13万km², 占全省土地面积的73%^[1], 生态环境极为脆弱, 石漠化和水土流失已成为该地区最主要的生态系统退化问题。有研究表明, 喀斯特地区土壤侵蚀导致土壤氮磷等养分元素淋溶作用加快, 并加速了土壤贫瘠化^[2]。同时, 喀斯特山地土壤为碱性石灰土, 钙离子含量偏高, 土壤中磷主要以难溶性磷酸钙盐形式存在^[3-4], 使土壤有效磷含量严重不足, 成为土壤养分主要制约因子, 并阻碍退化山地植被生长与恢复速度。因此, 在人工幼林地中施肥可增加土壤养分供给, 提高造林成活率和幼树生长量。目前, 农田和林地施肥使用速效性化肥较多。化肥在较短时间内可迅速提高土壤中有效养分的含量, 但长期施用可导致土壤质量退化, 并降低土壤酶活性^[5-6]。施用有机肥对提高土壤中有效养分含量具有持续性^[5], 并对土壤酶活性和养分的循环转化具有促进作用^[7]。近年来, 生物炭作为土壤改良剂和肥料缓释载体, 被广泛应用到农林业土壤改良中。有研究表明, 生物炭能够提高土壤有机质含量, 改善土壤保水、保肥性能, 减少氮磷养分损失, 提高土壤有效磷含量^[8-9], 可提高土壤微生物活动性, 特别是菌根真菌。有关生物炭施用于喀斯特石灰土中对磷元素的影响研究鲜见报道。

本文利用盆栽试验方法施用生物炭+猪粪堆肥+NPK肥制成的生物炭基肥, 探讨不同处理方式对喀斯特山地石灰土不同形态磷素含量和碱性磷酸酶活性的影响, 并分析各指标之间的相关性, 解释土壤磷素循环转化的机理, 试图筛选出最适的施肥种类和施用量, 为喀斯特山地幼林地恢复提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤与肥料

试验土壤取自贵州省普定县白岩镇的退耕还林地(105°27′—105°58′E, 26°9′—26°31′N)。普定县属于典型的喀斯特地区, 该区土壤为典型石灰土, 土层平均厚度25 cm^[10]。本次试验土壤采样深度为地表耕作层0—20 cm内, 过2 mm筛消毒后备用, 基本理化性质为:pH=7.72, 容重1.48 g/cm³, 有机质含量14.44 g/kg, 碱解氮65.81 mg/kg, 总磷502.96 mg/kg, 有效磷5.40 mg/kg, 有机磷319.45 mg/kg, 微生物量磷1.37 mg/kg。

试验所用生物炭为稻壳炭, 购于安徽拜尔福生物科技有限公司; 生物有机肥为猪粪堆肥, 购于上海时科生物科技有限公司; NPK肥为尿素(N含量46.7%), 磷酸一铵(N-P₂O₅-K₂O:12.2-61.7-0), 氯化钾(K₂O含量63.2%)。生物炭基肥采用固液吸附法进行实验室自制, 将NPK肥和堆肥溶于一定体积超纯水中, 加入相应比例生物炭, 充分搅拌混匀后平衡24 h, 置于60 ℃烘箱烘干至恒重, 制成生物炭基肥, 封装于自封袋中保存备用。各肥料养分含量见表 1。

1.2 试验设计

试验地点位于南京林业大学下蜀林场, 于2016年4月进行盆栽试验。盆栽植物为刺槐, 种子购于南京, 经育苗处理长出幼苗后, 选取生长旺盛且长势一致的幼苗移栽于高18 cm、上径15 cm、下径12 cm的花盆中, 每盆装土2 kg。实验共10个处理, 分别为:(1)对照组, 不添加任何处理CK; (2)只施加堆肥处理, M; (3)只施加NPK肥处理, F; (4)施加堆肥和NPK肥处理, MF; (5)施加1%稻壳炭(炭土质量比, 下同)+堆肥+NPK肥处理, RH1MF; (6)施加2%稻壳炭+堆肥+NPK肥处理, RH2MF; (7)施加4%稻壳炭+堆肥+NPK肥处理, RH4MF; (8)施加8%稻壳炭+堆肥+NPK肥处理, RH8MF; (9)施加4%稻壳炭+堆肥处理, RH4M;(10)施加4%稻壳炭+NPK肥处理, RH4F;每个处理中NPK肥和堆肥保证等氮量施加, 各处理施用肥料种类和数量列于表 2。每个处理15盆。装盆之前, 各处理生物炭基肥与土壤进行充分掺混。于2017年4月采集盆栽土壤表土层多点混合土样, 每个处理随机选取3个盆栽作为3个重复。

1.3 测定指标与方法

总磷的测定采用碱熔-钼锑抗分光光度法; 有效磷测定采用NaHCO₃浸提-钼锑抗分光光度法; 有机磷的测定采用灼烧法, 即用1 mol/L的H₂SO₄浸提经550 ℃高温灼烧的土和未经灼烧的土, 振荡过滤后, 滴加指示剂并用5 mol/L的NaOH调节溶液颜色至微黄色, 再加入钼锑抗显色剂, 摇匀定容后在分光光度计上700 nm处比色, 最终结果为灼烧后土壤浸出的磷浓度与未灼烧土壤浸出的磷浓度的差值^[11]; 微生物量磷采用氯仿灭菌-NaHCO₃提取法^[12]; 碱性磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法^[13]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel 12.0进行统计分析、作图, 对数据进行单因素方差分析, 采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 施用生物炭基肥对石灰土中不同形态磷素含量的影响 2.1.1 土壤总磷含量差异

由图 1可知, 不同生物炭基肥处理后石灰土中总磷含量均显著高于CK(P < 0.05)。总磷含量大小顺序为为:MF>RH8MF>RH4M>RH2MF>RH4MF>RH4F>F>RH1MF>M>CK, 分别比CK提高45.0%、44.3%、40.6%、39.9%、34.8%、32.7%、31.7%、25.3%、20.7%。RH8MF处理后石灰土中总磷含量显著高于RH1MF, 说明生物炭高施用量处理能显著提高土壤总磷含量。其中, RH4M和RH4F处理较M、F处理的总磷含量高。因此, 生物炭与堆肥或NPK肥混施比单独施用堆肥或NPK肥的效果更好。

2.1.2 土壤有效磷含量差异

由图 2可知, 不同生物炭基肥处理后石灰土中有效磷含量明显增加, 均达显著水平(P < 0.05)。有效磷含量大小顺序为:RH8MF>RH4MF>RH2MF>RH4M>RH1MF>MF>RH4F>M>F>CK。其中, 随着生物炭施用量的增加, 石灰土中有效磷含量也随之增加, 且增加趋势较明显; RH4MF处理较RH4M、RH4F有效磷含量分别增加21.9%和45.8%, 且其有效磷含量均高于对照MF、M、F、CK处理。由此可见, 生物炭+堆肥+NPK肥混施比单独与堆肥或NPK肥施用的效果更好, 表明生物炭可促进石灰土中磷的转化, 提高有效磷含量。

2.1.3 土壤有机磷含量差异

由图 3可知, 各处理土壤有机磷含量均高于CK。除RH4F和F处理外, 其他各处理与CK相比均达到显著性水平(P < 0.05)。不同处理有机磷含量大小顺序为:RH8MF>M>RH2MF>RH1MF>RH4MF>RH4M>MF>F>RH4F>CK, 分别比CK提高了43.6%、27.3%、27.3%、26.2%、25.1%、24.1%、22.2%、14.1%、4.8%。由此可见, RH8MF处理的土壤有机磷含量增加最多。RH4MF处理较RH4M、RH4F处理有机磷含量高, 表明生物炭+堆肥+NPK肥混施的效果优于生物炭单独与堆肥或NPK肥混施处理; M处理的有机磷含量大于F处理, 表明堆肥对土壤有机磷的增加作用大于NPK肥。

2.1.4 微生物量磷含量差异

由图 4可知, 不同生物炭基肥处理后石灰土中微生物量磷的含量均显著高于CK(P < 0.05)。微生物量磷含量大小顺序为:RH8MF>RH4MF>RH4M>RH4F>M>RH2MF>F>MF>RH1MF>CK。由此可见, 石灰土中微生物量磷含量随着生物炭施用量的增加而增加。另外, RH4MF处理较RH4M、RH4F处理的微生物量磷含量高, 表明生物炭+堆肥+NPK肥混施对微生物量磷含量的提高优于生物炭单独与堆肥或NPK肥混施; 同时, M处理效果优于F处理, 即施用堆肥提高微生物量磷含量的作用优于NPK肥。

2.2 施用生物炭基肥处理对石灰土中碱性磷酸酶活性的影响

由图 5可知, 不同生物炭基肥处理后石灰土中碱性磷酸酶活性与CK相比均有所提高。除RH1MF处理以外的各处理均达到了显著性差异(P < 0.05)。碱性磷酸酶活性大小顺序为:RH2MF>MF>RH4MF>RH8MF>RH4M>RH4F>M>F>RH1MF>CK。其中, RH2MF、MF、RH4MF处理分别比CK提高了82.7%、75.3%、63.4%。由此可见, 在中等施用量下的生物炭基肥处理(RH2MF和RH4MF)对石灰土碱性磷酸酶活性的促进作用较好, 高生物炭施用量对石灰土碱性磷酸酶活性会产生抑制作用。RH4MF处理比RH4M、RH4F处理碱性磷酸酶活性高, 表明堆肥与NPK肥混施比单施堆肥或NPK肥对碱性磷酸酶活性的促进作用更好, 且堆肥比NPK肥的作用更明显。

2.3 施用生物炭基肥处理对刺槐幼苗生物量的影响

由表 3可知, 不同施肥处理后刺槐幼苗生物量与CK相比均有所提高, 且各处理之间地上生物量和总生物量均达到了显著性差异(P < 0.05)。其中, RH4M处理刺槐幼苗地上、地下生物量及总生物量达到最大值, 分别比CK高275.2%、139.8%、204.8%。由此可见, 生物炭与堆肥混施对刺槐幼苗生物量的增加效应最好。另外, 随着生物炭施用量的增加, 刺槐幼苗生物量也随之增加, 说明生物炭高施用量下对植物生长的促进作用较好。

2.4 不同形态磷含量指标的相关性分析

不同形态磷含量指标的相关性分析表明(表 4), 总磷与有效磷、有机磷、微生物量磷、碱性磷酸酶之间呈极显著正相关(P < 0.01);有效磷与有机磷、微生物量磷、碱性磷酸酶之间呈极显著正相关(P < 0.01), 其中有效磷与微生物量磷相关性最强, 相关系数为0.774;有机磷与微生物量磷、碱性磷酸酶之间呈显著正相关(P < 0.05);刺槐总生物量与4种形态磷含量之间均呈显著正相关(P < 0.05)。

3 讨论

磷是植物生长所必需的营养元素之一, 土壤中磷含量一般在0.02%—0.2%之间^[14]。本文研究结果表明, 生物炭+堆肥+NPK肥混施制成的生物炭基肥可显著提高喀斯特石灰土中总磷含量。关连珠等研究发现生物炭与化肥配施比单施化肥提高了土壤总磷含量^[15], 与本文结果趋势一致, 这可能是因为生物炭自身含有一定量的磷素, 其施用量越高, 带入土壤的磷养分含量也越高, 从而能显著提高土壤总磷的含量。此外, 本文研究结果表明, 生物炭高配比施用量下的生物炭基肥处理(RH8MF)可以显著提高土壤有机磷含量。土壤有机磷是总磷的重要组成成分, 一般占总磷含量的20%—80%^[16], 生物炭、堆肥、化肥作为N、P等营养物质的来源施入土壤中, 可以增加土壤总磷及有机磷含量。生物炭基肥施加进入土壤, 生物炭的多孔性质为土壤微生物提供良好的栖息环境, 增加微生物量, 增强微生物活性; 土壤微生物量磷含量的增加也可作为土壤有机磷的来源之一^[17]。本文结果表明, 微生物量磷与有效磷之间存在极显著正相关性, 解磷微生物可以促进土壤有机磷向有效磷转化, 从而增加土壤中有效磷含量。

土壤中能够被植物直接吸收利用的磷为有效磷, 占土壤中总磷的一小部分, 其含量的大小决定了植物生长的好坏。本文研究结果表明, 随着生物炭基肥处理中生物炭施用配比的增加, 石灰土中有效磷含量也呈增加趋势, 这与他人研究结果一致, 即生物炭施用比例越高, 土壤中有效磷含量也越高^[18]。生物炭具有的吸附作用, 可吸附土壤磷素来减少其淋溶损失^[19]; 另一方面, 生物炭可通过其自身的阴离子交换作用或者通过影响与磷反应的阳离子来改变磷的有效性, 降低土壤对磷的吸附, 从而提高土壤磷的有效性, 增加土壤有效磷含量^[20-21]。同时, 生物炭作为一种碳含量较高的有机碳, 施入土壤可以矿化自身的有机磷, 还可以通过络合溶解、还原等作用活化土壤中难溶解的磷, 从而提高磷的有效性^[22-29]。本文结果表明RH4MF处理土壤有效磷含量高于RH4M和RH4F, 说明堆肥+NPK肥混施比单施效果好, 其原因可能是, 有机肥中含有的有机磷较为容易分解释放, 同时有机肥施加进入土壤后增加的有机离子对土壤磷的专性吸附位点形成屏蔽与竞争, 从而增加土壤磷的有效性, 增加土壤有效磷含量^[30]。土壤中磷含量的增加, 直接导致刺槐幼苗生物量的增加, 促进了刺槐幼苗的生长, 本文研究结果表明, 刺槐总生物量与4种形态磷元素含量之间呈显著正相关。

土壤磷酸酶是土壤有机磷矿化作用的催化剂, 其活性的提高有助于土壤有效磷含量的增加, 土壤磷酸酶活性大小能够反映有机磷向有效磷转化的能力。本文研究结果表明, 碱性磷酸酶与有效磷之间存在极显著的正相关性, 这与其他研究相一致^[31]。中等生物炭施用量下的生物炭基肥(RH2MF、RH4MF)处理碱性磷酸酶的活性最高, 高施用量生物炭反而抑制了碱性磷酸酶的活性。这可能与土壤的pH值有关, 研究表明土壤磷酸酶活性受土壤pH影响较大^[32], 由于生物炭自身呈碱性, 生物炭高施用量下使土壤pH值增大, 从而抑制了土壤碱性磷酸酶的活性。

4 结论

生物炭+堆肥+NPK肥混施制成的生物炭基肥施用可显著提高喀斯特石灰土中总磷、有效磷、有机磷、微生物量磷的含量及刺槐幼苗的生物量, 且生物炭高施用量下的生物炭基肥处理效果更好。上述4种不同形态的磷含量相互之间呈显著正相关(P < 0.05), 其中有效磷与微生物量磷之间的相关系数最高, 达到0.774, 可见喀斯特石灰土中微生物对土壤有效磷含量影响较大。生物炭中等施用量下的生物炭基肥处理(RH2MF和RH4MF)对喀斯特石灰土中碱性磷酸酶活性的促进作用最大。综上所述, 生物炭高施用量下的生物炭基肥处理可以显著改善喀斯特石灰土中磷素养分状况, 促进植物幼苗的生长, 可提高喀斯特山地人工幼林地生态恢复的成效。