为满足人口增长对粮食的需求，大量磷肥被投入到农业生产中，而施入土壤的磷素通过吸附、沉淀和同晶置换等作用被迅速固定，导致磷肥当季利用率一般不足20%^[1]。特别是在我国南方地区土壤Fe、Al、Mn含量高，极易固定土壤中的磷素^[2]。同时，磷素的大量投入还会造成一系列环境问题，如磷素流失引发的水体富营养化、磷矿资源开采产生的污染等问题^[3]。因此，亟须寻求能提高土壤磷素有效性和减少磷肥施用以降低环境污染的方法。

生物炭是生物质在限氧条件下高温热解得到的产物，具有碳含量高、孔隙结构发达、高比表面积等特点，近年来被广泛用作土壤改良剂^[4-5]。研究发现，生物炭施入土壤后，自身丰富的矿质养分能够提高土壤有效磷等养分含量^[5-6]。同时，生物炭较大的比表面积和丰富的孔隙结构还能为微生物提供生存空间，利于磷素转化相关微生物的活动，促进微生物对磷素的固持和有机磷的矿化，提高土壤磷素有效性^[7]。然而，传统热解制得的生物炭同样存在缺点，其表面基团种类有限且含有大量负电荷^[8]，对磷酸盐等阴离子吸附能力有限。而近年来，通过负载金属氧化物制得的改性生物炭，在土壤中表现出优异的阻控磷素淋失的性能^[9-11]。但迄今为止，金属改性生物炭的施用对土壤磷素有效性和作物生长的影响却鲜见报道。

酸性红壤中大量游离的Fe、Al是导致磷素固定的主要因素^[2]，Al对部分作物还会产生毒害作用^[12]，而Mg可以避免上述问题，同时也是植物叶绿素合成所必需的。因此，本文拟选用酸性红壤、以镁改性生物炭（MgBC）为供试材料，通过盆栽试验探究镁改性生物炭与磷肥配施对土壤磷有效性、小麦产量和吸磷量的影响，旨在阐明镁改性生物炭在酸性红壤上的应用效果，为改善土壤质量、提高磷素有效性和小麦产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自湖北省赤壁市赵李桥镇小麦产区（29°34′ N，113°55′ E），土壤类型为酸性红壤，质地为壤土，取样深度为20cm。样品取回后在室温下自然风干，过2mm筛，以便充分混匀和去除非土壤样品（根系和石块）。土壤基础理化性质pH 4.97，电导率（EC）590 μS/cm，土壤有机碳（SOC） 含量为9.82g/kg，全磷（TP）和全氮（TN）含量分别为0.78和0.76g/kg，有效磷（AP）含量为34.71mg/kg，速效钾（AK）含量为116.99mg/kg。

试验所用镁改性生物炭（MgBC）制备方法如下：称取一定量小麦秸秆放入微波马弗炉（SX2，上海），在N₂（250L/h）氛围下，将马弗炉从室温加热到600℃（10℃/min）。在最高温度下将秸秆热解2h，自然冷却后即得到原始的未改性生物炭 （BC）。将制备好的生物炭研磨混匀，过2mm筛后备用。使用0.5mol/L MgCl₂ 溶液浸渍BC（固液比=1∶20），并用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH溶液调节混合液pH为8。将混合液于85℃培养48h后过滤，在105℃下烘干，即得到MgBC。将MgBC研磨混匀过2mm筛，于干燥器中存放备用， MgBC的基本性质见表1。

注：S_BET 表示炭材料比表面积。

1.2 试验设计

盆栽试验于2018年10月11日至2019年6月8日在中国农业科学院网室内进行。试验设置4个处理，对照（CK，不施磷肥和生物炭）处理、单施磷肥（P）处理、单施1%镁改性生物炭 （MgBC）处理和磷肥配施1%MgBC（P+MgBC）处理，每个处理4次重复，随机排列。试验开始前将5kg风干土与MgBC混匀后装入无底漏塑料盆中 （上口直径21.5cm，底直径17cm，高21cm）。各处理氮肥和钾肥均等量施入，氮磷钾肥用量（kg/hm²）为N-P₂O₅-K₂O=210-180-90，其中磷肥、钾肥以及50%的氮肥作为基肥施用，剩余50%氮肥在返青期做追肥施用。氮磷钾肥分别为尿素、磷酸二氢钠和氯化钾。小麦每盆播种30粒，出苗后定植20株。供试小麦品种为郑麦7698。小麦整个生育期定量浇水，维持土壤水分在最大田间持水量的60%左右。2019年6月8日小麦收获后，将盆中土壤全部倒出，进行破坏性取样。土壤样品过2mm筛，充分混匀并去除根系。每个样本分为2份，一部分在室温下自然风干后分别过1和0.15mm筛，用于测定土壤理化指标；一部分鲜样保存于4℃冰箱中，用于测定土壤微生物量及酶活性。地上部秸秆和籽粒全部收获后于105℃下杀青，65℃烘干至恒重，进行产量和养分的测定。

1.3 测定项目与方法

土壤pH按水土比2.5 ∶ 1混合后用pH计测定；EC按水土比5∶1混合后用电导率仪测定；SOC采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；TP采用高氯酸消解-钼锑抗显色法测定；AP采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色法测定；微生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸-碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色法测定，具体方法参照《土壤农化分析》^[13]。

土壤磷素活化系数（PAC，%）=土壤有效磷含量/土壤全磷含量 ×100

土壤磷酸酶（Pho）活性采用荧光微孔板酶检测法测定。该方法的原理是酶的标准底物被水解后，产生4-甲基伞形酮（4-methylumbelliferyl）或7-氨基-4-甲基香豆素（7-amino-4-methylcoumarin），并用其荧光值的强度来表征土壤胞外酶活性。具体步骤参考Ai等^[14]的方法，酶活性计算如下：

淬灭系数（flour./nmol）=（标准对照－样品对照）/标准荧光

激发系数（flour./nmol）=标准荧光/0.5（nmol）

净荧光值（flour.）=（样品荧光－样品对照）/淬灭系数-底物对照

胞外酶活性=净荧光值 ×100（mL）×100/[激发系数 ×0.2（mL）× 时间（h）× 土壤干重（g）]

1.4 数据统计

试验数据采用SPSS 23.0进行方差、相关性分析。利用Excel 2019进行图表绘制。多重比较利用LSD法；相关性分析运用Pearson双侧检验。

2 结果与分析

2.1 土壤全磷、有效磷含量及磷素活化系数

由图1a、b可知，随磷肥和镁改性生物炭的投入，AP和TP含量较CK处理均增加。P+MgBC处理TP含量较CK和P处理分别显著增加18.9%和15.8%（P<0.05），而与MgBC处理差异不显著 （P>0.05）。与CK处理相比，P、MgBC及P+MgBC处理AP含量均显著增加，分别增加41.7%、19.3%和90.6%。P和P+MgBC处理的PAC较CK处理均显著增加（图1c），而CK处理与MgBC处理的PAC无显著变化（P>0.05）。土壤AP、TP含量和PAC均以P+MgBC处理最高。

注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05）。

双因素方差分析表明，施用磷肥显著影响了土壤AP含量和PAC，添加MgBC显著影响了土壤AP含量，而土壤AP、TP含量和PAC不受二者交互作用的影响。

2.2 土壤磷有效性的影响因素及相关性分析

由表2可知，与CK处理相比，P处理土壤pH、 EC和SOC含量无显著变化，而MgBC和P+MgBC处理均显著增加，分别增加1.88和1.95个单位（pH）、 7.2%和11.1%（EC）、104.2%和112.1%（SOC）。P、 MgBC和P+MgBC处理的土壤MBP含量较CK处理均显著增加（P<0.05），但3个处理间差异不显著。所有施肥处理Pho活性均显著高于CK处理，其中P、MgBC和P+MgBC处理其活性较CK处理分别增加了33.9%、18.9%和53.4%。

注：数据为均值 ± 标准偏差，不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），***，**，* 和ns分别表示P<0.001、P<0.01、 P<0.05和不显著。表4同。

双因素方差分析表明，施用磷肥显著影响了土壤Pho的活性和MBP的含量，添加MgBC显著影响了土壤pH、EC、SOC、MBP的含量和Pho的活性，且两者交互作用显著影响了SOC和MBP含量。

相关性分析表明，土壤AP与Pho和MBP呈极显著正相关（P<0.01），与SOC呈显著正相关 （P<0.05）（表3）。各指标与土壤AP的相关系数分别为Pho（0.837）>MBP（0.596）>SOC（0.501），这在一定程度上表明，土壤Pho、MBP和SOC的增加提高了土壤AP含量。但土壤AP与SOC、Pho和MBP 3个指标均呈显著正相关，具体各指标对土壤AP含量的贡献仍需进一步深入分析。

注：** 表示在0.01水平上极显著相关，* 表示在0.05水平显著相关。表5同。

通过逐步回归分析土壤AP与各指标间的关系。土壤AP与SOC、Pho和MBP进行逐步回归分析，可得方程：y=-16.455+0.119x（R²=0.701），其中x为Pho，y为土壤AP，表明土壤Pho活性的增加有利于土壤AP含量的提高。

2.3 小麦生物量和磷素吸收量

MgBC和磷肥的投入增加了小麦生物量、磷含量和磷吸收量（表4）。与CK处理相比，MgBC和P+MgBC处理的植株、籽粒干重均显著增加，分别增加39.5%和14.5%（MgBC）、75.1%和27.1%（P+MgBC）。各处理植株、籽粒磷含量变化规律一致，与CK处理相比，P+MgBC处理植株、籽粒磷含量显著增加，分别增加23.1%和22.9%。与P处理相比，P+MgBC处理植株、籽粒磷含量分别显著增加18.5%、18.5%，而P+MgBC与MgBC处理间无显著差异。小麦植株、籽粒磷吸收量变化规律相似，P处理籽粒磷吸收量较CK处理无显著差异 （P>0.05），P+MgBC处理植株磷吸收量较P、MgBC处理分别显著增加65.8%、40.6%，籽粒磷吸收量分别显著增加45.2%、18.7%。植株干重、籽粒干重、植株磷含量、籽粒磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量均以P+MgBC处理最高。

双因素方差分析表明，施用磷肥显著影响了植株干重、植株磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量，添加MgBC显著影响了植株干重、籽粒干重、植株磷含量、籽粒磷含量、植株磷吸收量和籽粒磷吸收量，且两者交互作用显著影响了植株磷吸收量。相关性分析表明，小麦产量和土壤AP、 pH、EC、SOC及MBP含量呈显著正相关（P<0.05，表5）。

3 讨论

3.1 土壤磷有效性对镁改性生物炭和磷肥施用的响应

已有研究证实，镁改性生物炭施入土壤后能够改善土壤理化性质，提高土壤养分含量^[5，15]。本研究发现，镁改性生物炭的投入能显著增加土壤有效磷含量，提高土壤磷素活化系数，较单施磷肥处理，镁改性生物炭和磷肥配施对提高土壤有效磷含量及磷活化能力更具有优势。这与吕伟静等^[16]研究结果一致，其发现改性生物炭的施用可以显著提高土壤有效磷含量，可能是由于改性生物炭本身含有磷素，并且原材料秸秆热解过程中有机磷的化学键断裂，形成磷酸盐补充到土壤中^[17]；同时，Wu等^[9]还发现，镁改性生物炭对磷酸盐具有较强的吸附能力，能够将磷素留存在土壤中，从而提高土壤有效磷含量。

本研究还发现，镁改性生物炭配施磷肥能显著提高土壤pH和土壤有机碳含量，且土壤有效磷含量与土壤有机碳含量呈显著正相关。这可能是因为酸性土壤中偏低的pH限制了磷素有效性，高pH的镁改性生物炭添入酸性土壤提高了土壤pH，利于土壤Al-P和Fe-P的溶解，进而提高酸性土壤中磷素有效性^[2]。杨兰等^[18]利用不同的改性方法制得pH差异大的炭产品添加到土壤后发现，土壤pH与改性生物炭的pH密切相关，表明改性生物炭自身性质对土壤pH影响显著。此外，土壤有机碳是评价土壤肥力状况的重要指标，本试验添加镁改性生物炭后，显著提高了土壤有机碳含量，与Kavitha等^[19]和王波等^[20]研究结果吻合。这是由于改性生物炭本身碳含量丰富，施入土壤后可以直接增加有机碳含量；其次，因其多孔结构，改性生物炭施入土壤能改善土壤孔隙结构和保水性能，增加土壤团聚体稳定性，减少因团聚体破坏而导致的土壤有机碳分解。有研究表明，土壤有机碳含量的增加有利于难溶性磷转化为有效磷，因为土壤有机碳可以作为微生物的能源，促进难溶性磷的转化^[21]； 同时，土壤有机碳含有大量羧基、羟基等带负电的官能团，能够减少土壤对磷酸根的固定，磷素有效性提高。

磷酸酶来源于土壤微生物和植物根系，用来水解不同的土壤磷组分，直接影响土壤磷素有效性^[22]。本研究结果表明，镁改性生物炭和磷肥投入土壤后，能显著提高土壤磷酸酶活性，且土壤有效磷含量与磷酸酶活性呈极显著正相关。这与王波等^[20]研究结果相符，发现镁改性生物炭施入土壤后，土壤磷酸酶活性显著提高，大豆根长、株高等指标也优于对照组，表明镁改性生物炭可以提高土壤磷酸酶活性，促进土壤磷素转化。可能是改性生物炭较大的比表面积能够吸附较多的酶底物，利于酶作用进而提高酶活性^[23]；并且丰富的孔隙结构和较大的比表面积，能够吸附可供微生物利用的水溶性有机物，还能为微生物提供生存空间，利于微生物生长繁殖^[24-25]，从而提高土壤磷酸酶活性； 生物炭还能改善土壤板结情况和团聚体结构，降低土壤容重和紧实度，利于植物根系的生长，从而促进根系分泌磷酸酶^[26]。试验添加的镁改性生物炭已被广泛证实具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，吸附性能优异，但具体如何影响土壤磷酸酶活性，是否和未改性生物炭发挥的作用一致，还需进一步研究。此外，微生物量磷是土壤中重要的有效磷源，微生物量磷含量越高，土壤磷素肥力水平越高^[27]。研究结果显示，单施磷肥及镁改性生物炭配施磷肥均显著提高土壤微生物量磷含量。王国兵等^[28]研究发现，添加生物炭显著提高土壤微生物量磷含量，可能是生物炭的添加改变了土壤微生态环境，进而影响土壤微生物的生长^[29]。综上，改性生物炭可以改变土壤pH，提高土壤有机碳含量、磷酸酶活性和土壤微生物量磷含量，具有作为土壤改良剂的潜力，但改性生物炭具体如何发挥作用，其作用机理与未改性生物炭之间存在什么差异，还需进一步探讨研究。

3.2 小麦生物量和磷吸收量对镁改性生物炭和磷肥施用的响应

改性生物炭具有丰富的孔隙结构和较强的吸附能力，在土壤中能够减少养分淋失，起到一定的保水保肥功效，为作物生长提供养分，并提高作物产量^[30]。Wu等^[9] 将镁改性生物炭施入盐碱土后发现，植株磷含量和水稻产量显著增加；余炜敏等^[31]将改性生物炭施入南方菜地土壤中，不仅提高了小白菜的吸磷量和产量，其品质也有所改善； 而郭大勇等^[32]发现在碱性土壤中加入改性生物炭后玉米植株磷含量反而降低。可见，改性生物炭的应用不仅要注意炭本身的性质，还要考虑作物种类、土壤类型等生产因素。本研究发现，镁改性生物炭与磷肥配施后，小麦植株、籽粒磷含量均较磷肥单施有所提高，可能是镁改性生物炭对水、肥的蓄持，增加了根系范围内可用的水分和养分，利于作物吸收利用^[33]，使小麦的吸磷量和产量增加。白玉超等^[34]发现，将改性稻壳生物炭与肥料配施，不仅提高了土壤有效磷含量，还促进了玉米的生长，提高了磷素吸收和磷肥利用率。因为改性生物炭独特的结构不仅可以吸附磷素，其表面存在的电荷还能吸附与Fe²⁺、Al³⁺ 等螯合的有机分子，缓解土壤中Fe²⁺、Al³⁺ 等螯合物对磷肥的固定^[35]，从而提高作物对磷肥的吸收利用。镁改性生物炭的投入，短期内能提高土壤养分含量，改善土壤理化性质，但短期的盆栽试验与农田实际生产间存在差异，因此还需进行长期田间试验，更系统、深入地探究改性生物炭在农田土壤中是否可以持续有效地发挥作用。

4 结论

本文通过短期的盆栽试验发现，镁改性生物炭与磷肥配施可显著提高土壤磷素有效性，且土壤有效磷含量与土壤有机碳、微生物量磷和磷酸酶活性呈显著正相关。本研究还发现，镁改性生物炭与磷肥配施小麦植株、籽粒磷含量和磷吸收量较单施磷肥处理均显著增加，小麦产量较单施磷肥处理显著增加了17.7%，且小麦产量与土壤pH、电导率、有效磷、有机碳及微生物量磷含量呈显著正相关。然而，本研究结果可能与大田试验存在一定的差异性，故亟须开展长期田间试验进行深入系统的研究。

参考文献