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磷是作物必需的营养元素，施肥是保障作物高产的重要途径，但磷素进入土壤后易被土壤固定而无效化[1]，磷肥的当季利用率仅为 10%～25%[2]，由此导致的环境问题也日益严重[3]。如何对磷素进行有效管理，在保障作物产量的同时，减少土壤对磷肥的固定，增强土壤累积态磷的活化利用和提高磷肥当季利用率，是我国农业资源领域面临的重要问题。
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生物炭是生物质材料在无氧或缺氧的条件下经热解反应后生成的富碳固体物质[4]。生物质材料中大部分的磷都在热解过程中以无机磷形式被保存下来[5]；另外，生物炭相对较高的 pH 值、阳离子交换量、比表面积及丰富的孔隙度等，都决定了生物炭有利于提高酸性土壤中磷素的含量和有效性[6]。Glaser 等[7]的 Meta 结果表明，添加生物炭使酸性土壤（pH<6.5）的植物磷素有效性提高了 5.1 倍，且效果至少可以持续 5 年。邝曦芝等[8]研究表明低磷水平（P 30 kg/hm2）配施 0.4% 生物炭时，赤红壤和褐土中有效磷的含量相较于单纯施磷处理分别显著提高了 192.6% 和 237.1%。刘遵奇等[9]研究表明 P2O5 42 kg/hm2 配施 2.6（4 年逐年添加）、13 和 26 t/hm2 生物炭（4 年前一次性添加），土壤有效磷含量较单施磷处理分别提高 70.4%、 85.0% 和 159.1%。邢东建等[10]研究表明，P2O5 84 kg/hm2 配施 22.5 t/hm2 生物炭的处理与不施磷肥、不施生物炭的处理相比，土壤有效磷含量显著增加 48.6%。低磷施肥配施生物炭仍能保证土壤磷素供应，并能有效解决磷肥过度施用造成的磷素流失和磷肥利用率低的问题[11]。
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土壤磷素有效性主要取决于磷素在土壤中的赋存形态。生物炭的施用可能导致土壤不同形态磷素的变化及转化。Farrell 等[12]研究表明，肥料和生物炭配施显著增加土壤活性无机磷和稳定态磷的含量。Yang 等[13]研究表明，添加生物炭显著增加酸性土壤总磷、有效磷以及铁、铝氧化结合态磷的含量。向书江等[14]研究表明，添加生物炭可以提高土壤 pH，促进有机磷的矿化，提高活性磷和中度活性磷的比例。
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南方酸性红壤区是我国主要稻作区之一，红壤风化淋溶作用强烈，不仅 pH 较低，且富含铝、铁、锰氧化物等矿物，对磷素专性吸附和固定的能力强，极大地降低了该区域稻田土壤的磷素有效性[15-16]。目前针对该区域稻作土壤磷素组分的研究多数都是围绕单一磷肥减施或生物炭添加的影响展开[17]，关于磷肥减施与生物炭协同影响的研究较少。本研究采用微区试验，探讨不同减磷施肥配施生物炭条件下南方酸性稻作土壤不同形态磷素的响应特征，对于系统揭示生物炭对农田磷循环的调控机制具有重要意义。
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1 材料与方法
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1.1 供试土壤
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试验地点设在湖南农业大学耘园基地。该区域属亚热带湿润季风性气候，年均降水量约 1560 mm， 70%～80% 的降水集中在 5—8 月。年均气温 18.5℃，最高温度 37～40℃，最低温度-6～2℃。土壤母质属于第四纪红壤，土壤类型为水稻土。
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1.2 试验设计及采样
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用牛津塑料盆（容量 300 L，上口外尺寸 121 cm×89 cm，下口外尺寸 108 cm×80 cm，高度 34 cm，面积约为 1 m2，侧边有排水阀）开展磷肥减施配施生物炭的双因素微区试验。供试土壤选自湖南省长沙县长安村没有添加过生物炭水稻田的表层土壤（0～20 cm，土壤性质见表1），客土时间为 2021 年 7 月，每个牛筋塑料盆中土层深度约为 25 cm。
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磷肥施用设 4 个水平，分别为正常施磷 P2O5 75（P75）、60（P60，减量 20%）、45（P45，减量 40%）、30 kg/hm2 （P30，减量 60%）；生物炭（稻壳炭，购于湖南正恒农业科技发展有限公司，最高热处理温度 500℃，热解时间 5 h，稻壳炭基本性质见表1）添加设置 3 个水平，分别为 40（B40）、 60（B60）及 80 t/hm2 （B80）。另外，设置 1 个正常施磷（75 kg/hm2）、不施生物炭的对照（CK），共 13 个处理，每个处理 3 个微区，共 39 个微区。
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注：表中数据为平均值 ± 标准差（n=4）。
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于 2021 年 7—10 月进行一季晚稻栽培。供试水稻品种为泰优 553，7 月 21 日移栽，10 月 25 日收获。磷肥和生物炭都以基肥的形式于水稻移栽前一次性施入各试验微区中，与土壤充分混合。氮（N）、钾（K2O） 肥分别为 150、100 kg/hm2，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为 5∶2∶3 施用，钾肥按基肥∶穗肥为 4∶1 施用，水稻栽培的水分和病虫草害管理按一般大田管理进行。
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土壤样品采集时间为 2021 年 10 月水稻收获后，各试验微区采用 5 点混合采样，用直径 5.0 cm 土钻采集 0～15 cm 土层土壤。土样采集后先过 2 mm 筛去除石块、根系等杂物，风干后一部分土样过 1 mm 筛用于土壤有效磷测定，一部分土样过 0.15 mm 筛用于土壤全磷及 Hedley 磷分级测定。
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1.3 土壤磷素形态测定
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土壤总磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼蓝比色法测定；土壤有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提-钼蓝比色法测定[18]。土壤磷分级采用 Tiessen 等[19]对 Hedley 磷分级法的修正方法，将不同磷形态分为六大类，按其在土壤中的活性分为（1） 活性磷：树脂磷（Resin-P）、0.5 mol/L NaHCO3 （pH 8.5）提取态磷（NaHCO3-P，包括 NaHCO3-Po 和 NaHCO3-Pi）；（2） 中等活性磷：0.1 mol/L NaOH 提取态磷（NaOH-P），包括 NaOH-Po 和 NaOH-Pi；（3）稳定态磷：1 mol/L HCl 提取态磷 （D.HCl-P）、浓盐酸提取态磷（C.HCl-P，包括 C.HCl-Po 和 C.HCl-Pi）、浓 H2SO4 和 H2O2 高温消解的残留态磷（Residual-P）；均用钼蓝比色法测定含磷量[20]。
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1.4 数据分析
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单因素方差分析用于添加了生物炭的处理与对照间的差异比较，多重比较采用最小显著性差异法（LSD）；双因素方差分析用于减磷施肥配施生物炭对土壤不同形态磷的主效及交互作用检验（分析时不考虑对照），多重比较采用 Duncan 法；Pearson 相关分析用于分析不同形态磷间的关系；统计分析采用 SPSS 26.0；图表绘制采用 Excel2016。
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2 结果与分析
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2.1 全磷和有效磷
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配施生物炭显著提高土壤全磷含量，减磷施肥对全磷含量的影响不显著（图1）。与对照（0.71 g/kg）相比，施磷水平为 75、60、45 kg/hm2 时，配施不同水平的生物炭，土壤全磷的增幅分别为 25.7%～46.7%、17.1%～35.1%、24.5%～41.0%，均达到显著水平；施磷水平为 30 kg/hm2 时，B80 显著高于对照，B40 和 B60 与对照的差异均不显著。
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配施生物炭显著提高了土壤有效磷的含量，减磷施肥对有效磷含量的影响不显著（图1）。生物炭添加量为 40 t/hm2 时，P75 处理的土壤有效磷含量显著高于对照（25.4 mg/kg），减磷处理与对照间的差异不显著；生物炭添加量为 60 t/hm2 时， P75、P60、P45 处理较对照分别显著增加 74.2%、 66.0%、72.7%，P30 处理与对照的差异不显著；生物炭添加量为 80 t/hm2 时，所有施磷处理均极显著高于对照，增幅为 69.3%～121.0%。
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图1 不同处理土壤全磷和有效磷的含量
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注：NS 和 * 分别表示各磷肥和生物炭配施处理与 CK 的差异性，NS 为 P>0.05；* 为 P<0.05；** 为 P<0.01；*** 为 P<0.001；不同小写字母表示同一施磷水平不同生物炭添加量处理间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示不同磷肥水平处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.2 活性磷组分
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无论是否减磷施肥，配施生物炭均显著提高土壤活性磷组分含量，尤其是树脂磷和碳酸氢钠无机磷的含量（图2）。磷肥水平为 75、60、45 kg/hm2 时，配施生物炭处理的土壤活性磷含量较对照分别显著增加 31.7%～112.0%、41.2%～70.7%、49.5%～84.0%。
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生物炭添加量为 40 t/hm2 时，P75 和 P45 组合的树脂磷含量较对照分别显著增加 124.7% 和 135.8%（图2）。生物炭添加量为 60 t/hm2 时，P75、 P60、P45 处理的树脂磷含量较对照处理分别显著增加 105.4%、116.9%、120.1%。生物炭添加量为 80 t/hm2 时，所有施磷组合的树脂磷含量极显著高于对照，增幅为 94.2%～160.3%。
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减磷施肥配施生物炭对土壤碳酸氢钠有机磷含量的影响较对照相比无显著差异（图2）。除 P45 外，土壤碳酸氢钠无机磷的含量随生物炭添加量的增加而增加（F=6.120，P<0.01，图2）。生物炭添加量为 40 t/hm2 时，P60 和 P45 组合的碳酸氢钠无机磷含量较对照分别显著增加 54.2% 和 89.3%。生物炭添加量为 60 t/hm2 时，减磷施肥（P60、P45、P30）处理下碳酸氢钠无机磷含量较对照相比显著增加 57.7%～88.5%，生物炭添加量为 80 t/hm2 时，碳酸氢钠无机磷含量较对照相比显著增加 62.6%～118.3%。
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2.3 中等活性磷组分
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减磷施肥配施生物炭组合的土壤中等活性磷组分含量与对照相比差异不显著，但显著低于正常施磷组合（图3）。减磷施肥组合间土壤氢氧化钠有机磷的含量无显著差异，但较正常施磷组合相比显著降低 26.8%～50.6%。生物炭添加量为 40 t/hm2 时，P45 处理下氢氧化钠有机磷含量较对照显著减少 38.1%；生物炭添加量为 60 t/hm2 时，减量磷肥处理（P60、P45、P30）下氢氧化钠有机磷含量较对照相比分别显著减少 51.5%、46.1%、53.4%；生物炭添加量为 80 t/hm2 时，所有施磷组合与对照的差异均不显著。因此，不同处理土壤的氢氧化钠无机磷含量差异不显著。
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图2 不同处理土壤活性磷的含量
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图3 不同处理土壤中等活性磷的含量
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2.4 稳定性磷组分
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磷肥添加量为 75、60、45 kg/hm2 时，配施生物炭有效提高土壤稳定态磷的含量，较对照分别显著提高 54.7%、41.3% 和 48.5%（图4）。磷肥添加量为 30 kg/hm2 时，B80 处理显著高于对照，B40 和 B60 与对照的差异不显著。
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减磷配施生物炭显著提高土壤稀盐酸磷的含量，较对照显著提高 57.9%～352.0%（图4）。虽然减磷施肥组合的土壤浓盐酸有机磷含量显著低于正常施磷的组合，但与对照的差异均不显著。磷肥水平为 30 kg/hm2 时，土壤浓盐酸无机磷的含量显著低于其他磷肥水平的组合，但与对照的差异也未达显著水平。
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与对照相比，减磷施肥配施生物炭后土壤残留态磷的含量降低（图4）。生物炭添加量为 40 t/hm2 时，P75、P60 和 P30 组合较对照分别显著降低 39.7%、24.6% 和 36.2%。生物炭添加量为 60 t/hm2 时，P60、P45 和 P30 组合较对照分别显著降低 25.7%、37.4% 和 46.8%。生物炭添加量为 80 t/hm2 时，P75 组合显著高于对照，P60 和 P30 组合较对照分别显著降低 32.7% 和 22.2%。
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图4 不同处理土壤稳定态磷的含量
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2.5 不同形态磷的相关性
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生物炭和磷肥配施可促进土壤中稳定态磷和活性磷之间的转化。相关分析（表2）表明：土壤全磷和有效磷的含量均与树脂磷、碳酸氢钠无机磷、稀盐酸磷的含量极显著正相关，相关系数分别为 0.837 （P<0.01）、0.792（P<0.01）、0.850（P<0.01）和 0.684 （P<0.01）、0.620（P<0.01）、0.590（P<0.01）。土壤树脂磷含量与碳酸氢钠无机磷（r=0.736，P<0.01）、稀盐酸磷（r=0.669，P<0.01）的含量极显著正相关。土壤碳酸氢钠有机磷含量与稀盐酸磷（r=0.437， P<0.01）、残留态磷（r=0.442，P<0.01）的含量均极显著正相关。土壤碳酸氢钠无机磷与氢氧化钠有机磷的含量显著负相关，与稀盐酸磷的含量极显著正相关，相关系数分别为-0.377（P<0.05）和 0.775（P<0.01）。土壤氢氧化钠有机磷的含量与氢氧化钠无机磷的含量极显著负相关（r=-0.450， P<0.01），与残留态磷的含量显著正相关（r=0.365， P<0.05）。
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注：TP 为全磷；AP 为有效磷；Resin-P 为树脂磷；NaHCO3-Po 为碳酸氢钠有机磷；NaHCO3-Pi 为碳酸氢钠无机磷；NaOH-Po 为氢氧化钠有机磷； NaOH-Pi 为氢氧化钠无机磷；D.HCl-P 为稀盐酸磷；C.HCl-Po 为浓盐酸有机磷；C.HCl-Pi 为浓盐酸无机磷；Residual-P 为残留态磷；* 为 P<0.05； ** 为 P<0.01；*** 为 P<0.001。
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3 讨论
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生物炭作为常见的土壤改良剂，通过自身性质以及对土壤性质的影响直接或间接地影响土壤不同形态磷的迁移和转化，在改善土壤磷素有效性方面存在巨大潜力[21]。本研究结果表明，减磷施肥配施生物炭显著提高土壤全磷、有效磷、活性较高的树脂磷和碳酸氢钠无机磷以及稳定态无机磷的含量。
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配施生物炭显著提高土壤总磷含量，减磷施肥对土壤全磷、有效磷含量的影响不显著。在本研究中，生物炭与磷肥减量配施提高土壤全磷和有效磷含量的幅度分别为 17.1%～51.4% 和 32.5%～121.0%。曹殿云等[22] 研究发现，盐化水稻土施用生物炭后土壤全磷含量显著提高 11.4%～35.7%。占亚楠等[23] 的 Meta 分析表明，不论生物炭的原料、制备温度、碳氮比、土壤质地或有机碳含量以及施肥量如何变化，是否施用化肥，施加生物炭显著增加土壤有效磷含量，平均比未添加生物炭的处理增加 57.6%。郭碧林等[24]研究表明，红壤性水稻土耕作层中有效磷含量随生物炭施加量的增加而增加。这是由于生物质材料的热解过程中大量可溶性磷酸被保留下来，并且生物炭对磷素具有吸附作用，可以保证土壤中磷素长期有效的供应[25]。
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减磷施肥配施生物炭显著增加土壤活性无机磷的含量，降低土壤活性及中等活性有机磷的含量。生物炭对土壤酸度及速效养分的改善[26]，有利于土壤微生物群落及水稻根系的繁殖和生长，促进微生物和根系产生大量分泌物，分泌物通过配位交换作用与磷酸根竞争土壤颗粒表面的吸附位点，进而促进较弱吸附力的活性无机磷释放[27]。碳酸氢钠有机磷部分以微生物量磷形式存在[28]，本研究中碳酸氢钠有机磷与氢氧化钠有机磷含量降低，可能是因为生物炭的施用增强了微生物群落驱动的土壤中活性有机磷和中等活性有机磷向无机磷的转化。
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配施生物炭显著提高酸性稻作土壤稳定态磷含量，尤其是稀盐酸磷的含量。施加生物炭有利于土壤形成更大的团聚体，促进磷在土壤团聚体内的保留[29-30]。浓盐酸磷通常是与土壤颗粒紧密结合的磷，本研究中磷肥减量处理组合的浓盐酸有机磷低于正常施磷的处理组合，可能与低磷条件诱导植物分泌更多的低分子量有机酸，从而提高植物对土壤难溶性磷的利用有关[31]。浓盐酸无机磷在土壤磷库中较为稳定，活性低难以被作物利用。本研究中，配施生物炭后，减磷施肥对土壤浓盐酸无机磷含量的影响不显著，与王荣萍等[32]研究结论一致。残留态磷是土壤闭蓄态磷，本研究中配施生物炭后土壤残留态磷含量显著降低，说明生物炭能促进土壤中闭蓄态磷向其他磷组分的转化[33]。但王秋君等[34]的研究发现，设施土壤中连续添加生物炭，土壤残留态磷的含量显著提高，结论的不一致可能与生物炭制备时热解温度不同有关[35]。
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减磷施肥配施生物炭显著影响土壤不同形态磷素之间的转化。树脂磷、碳酸氢钠无机磷、稀盐酸磷含量与土壤有效磷含量显著正相关，表明树脂磷、碳酸氢钠无机磷及稀盐酸磷是土壤的有效磷源。土壤树脂磷、碳酸氢钠无机磷和稀盐酸磷的含量均呈显著正相关，说明生物炭除了作为有效磷源，还能促进土壤中稳定态无机磷向活性无机磷的转化，提高土壤磷素的作物有效性，对磷代谢产生积极影响[36]。碳酸氢钠有机磷、氢氧化钠有机磷与残留态磷显著正相关，说明生物炭与磷肥配施能促进土壤有机磷之间的相互转化。
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4 结论
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减磷施肥配施生物炭可有效增加土壤磷素的含量和有效性，主要表现为减磷施肥配施生物炭后：（1）土壤全磷、有效磷、树脂磷、碳酸氢钠无机磷及稀盐酸磷的含量显著增加，残留态磷的含量显著降低；（2）土壤有机磷组分的含量显著降低，无机磷组分的含量显著升高；（3）促进了土壤稳定性高的磷素组分向稳定性低的磷素组分转化。
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配施生物炭有利于提高南方酸性稻作土壤的磷素含量，并且促进有机磷向无机磷的转化，在此基础上磷肥施用可低至 45 kg/hm2。酸性稻田施用生物炭可以部分替代磷肥，促进土壤内源磷的活化，提高土壤磷素的有效性。
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摘要
针对南方酸性稻作土壤专性吸附和固定磷素能力强的问题，采用微区试验，以正常施磷（75 kg/hm2 ）不施生物炭为对照，探讨不同磷肥水平（P2O5 75、60、45、30 kg/hm2 ）和生物炭配施（40、60、80 t/hm2 ）对土壤不同形态磷素含量的影响。结果表明：（1）减磷施肥配施生物炭后全磷、有效磷、树脂磷、碳酸氢钠无机磷及稀盐酸磷的含量显著增加，残留态磷的含量显著降低。（2）磷肥水平≥ 45 kg/hm2 时，配施生物炭处理的全磷和有效磷含量较对照分别显著提高 17.1% ～ 46.7% 和 32.5% ～ 76.3%。（3）磷肥水平≥ 45 kg/hm2 时，配施生物炭处理的树脂磷和碳酸氢钠无机磷的含量较对照分别显著增加 50.8% ～ 160.3% 和 36.1% ～ 118.3%。（4）减磷施肥导致氢氧化钠有机磷含量较对照下降 38.4% ～ 39.8%；处理间氢氧化钠无机磷的含量无显著差异。（5）配施生物炭后稀盐酸磷含量较对照显著提高 57.9% ～ 352.1%；减磷施肥处理的浓盐酸有机磷含量显著低于正常施磷的处理组合；施磷量为 30 kg/hm2 时，浓盐酸无机磷的含量显著低于其他处理组合；配施生物炭显著降低残留态磷的含量。（6）土壤全磷、有效磷的含量与树脂磷、碳酸氢钠无机磷、稀盐酸磷的含量呈显著正相关。综上所述，添加生物炭有利于提高南方酸性稻作土壤的磷素含量，促进有机磷向无机磷的转化，提高土壤磷素有效性，在此基础上磷肥施用可低至 45 kg/hm2 。
Abstract
To address the issue of strong ability of southern acidic soils to adsorb and fix phosphorus specifically，this study used a micro-area experiment to investigate the effects of combined applications of biochar（40，60 and 80 t/hm2 ） and reduced phosphate-fertilizer（P2O5 75，60，45 and 30 kg/hm2 ）on the contents of different forms of phosphorus． Additional treatment was set up as control（CK）．CK was fertilization of P2O5 75 kg/hm2 without biochar application．The results were as follows：（1）Combined applications of biochar and reduced phosphate fertilizer significantly increased the content of total phosphorus，available phosphorus，resin phosphorus，sodium bicarbonate inorganic phosphorus， diluted hydrochloric acid phosphorus，but significantly decreased the content of residual phosphorus．（2）The treatments of ≥45 kg/hm2 phosphorus fertilizer application significantly increased soil total phosphorus and available phosphorus by 17.1%-46.7% and 32.5%-76.3%，compared with the control．（3）The treatments of ≥45 kg/hm2 phosphorus fertilizer application significantly increased the contents of soil resin phosphorus and sodium bicarbonate inorganic phosphorus by 50.8%-160.3% and 36.1%-118.3%，respectively，compared with the control．（4）Compared with the control，phosphorus fertilizer reduction resulted in a decrease in soil organic phosphorus content of sodium hydroxide by 38.4%-39.8%，but there was no significant difference in soil inorganic phosphorus content of sodium hydroxide between treatments．（5）The content of diluted hydrochloric acid phosphorus was significantly increased by 57.9%-352.1% after biochar application，compared with the control．The organic content of concentrated hydrochloric phosphorus was significantly lower in the phosphorus fertilizer reduction treatment than in the normal phosphorus application with biochar． The inorganic content of concentrated hydrochloric phosphorus was significantly lower in the phosphorus fertilization level of 30 kg/hm2 than in the other phosphorus fertilization and biochar treatment combinations．The application of biochar significantly reduced the content of residual phosphorus in the soil．（6）The contents of soil total phosphorus and available phosphorus were positively correlated with the contents of resin phosphorus，inorganic phosphorus in sodium bicarbonate， and diluted hydrochloric acid phosphorus．In conclusion，biochar application is beneficial to improve the phosphorus content of the acidic southern paddy soil，promote the conversion of organic phosphorus to inorganic phosphorus and improve the effectiveness of soil phosphorus，on which the phosphorus fertilizer application can be as low as 45 kg/hm2 .
Keywords
biochar ； phosphorus fertilizer reduction ； paddy soil ； phosphorus fractionation