长期施用不同性质生物炭对棕壤磷素转化及其有效性的影响

It is well knowed that biochar has the potential to increase soil water-holding capacity,cation exchange capacity(CEC),surface sorption capacity and base saturation when added to soil.Biochar additions to soil also have the potential to alter soil microbial populations and to shift functional groups and have the potential to reduce soil bulk density and adjust soil nutrient cycling .However, biochar made in different carbonization conditions,such as type of materials,carbonization-temperature,residence time and so on,varies greatly in properties and its effect of soil improvement.To date,there is a noted lack of studies evaluating the effect of biochar application on soil phosphorus cycling and there are only few,if any,simulation experiments and studies of single biochar.More efforts need to be made in studying the effect of different biochar on soil P cycling.In view of the situation of decrease of validity of P in brown soil, we processed biochar with kinds of materials in different temperature and are about to focusing on studying the effect of different biochar on forms,distribution,transformation,validity,adsorption and desorption of soil P ,which is supported by long-term field experiment of biochar.What is more,we will analyze the role of biochar in microbial decomposition of soil organic phosphorus by way of 31P nuclear magnetic resonance technology and enzymatic diagnosis technology.In addition,freeze-thaw experiments will be set to study the aging of biochar and its influence on soil P cycling in order to track and study the long-acting mechanism of biochar on soil P cycling and provide a scientific basis for biochar that is applied to improve soil fertility.

诸多研究表明生物炭还田能增加土壤持水能力、CEC、表面吸附力和盐基饱和度，可改变土壤微生物群落结构和功能，降低土壤容重，调节土壤养分循环。然而，不同炭化条件下（原材料类型、炭化温度、停留时间等）所产生的生物炭性质差异较大，其对土壤的改良效果也不同。目前有关生物炭对土壤磷素转化的研究并不多，且多为模拟实验或是探讨单一材质生物炭的作用，而不同性质生物炭对土壤磷素转化的影响有待深入探索。针对目前农田棕壤磷素有效性不断下降的现状，本研究选择多种材料在不同炭化温度下制炭，依托生物炭棕壤长期定位试验，重点研究不同性质生物炭对棕壤磷素形态、分布、转化、吸附-解吸及有效性的影响，采用31P核磁共振技术和酶诊断技术等分析生物炭在微生物分解土壤有机磷中的作用。同时模拟研究生物炭在冻融交替条件下的陈化特性及其对棕壤磷素周转的影响，研究生物炭还田对土壤磷循环的长效作用机制，为生物炭在土壤培肥上的应用提供科学依据。

为了明确不同炭化工艺条件下生物炭理化性质的变异特性及其对土壤理化性质的调控作用和土壤磷素有效性的影响，本研究利用生物炭长期定位试验、模拟实验分别研究了不同材料生物炭基础理化性质，不同生物炭施用方式对土壤理化性质的影响，施炭条件下土壤磷素有效性及作物磷素分配规律，生物炭调节土壤微生物群落结构和多样性的作用以及冻融条件下生物炭陈华作用特征等问题。结果表明：不同炭化温度（300℃、450℃、600℃）对生物炭理化性质有显著影响，随着炭化温度的提高，生物炭中碳元素含量增幅可达91.1%，pH值也显著提高且呈较强碱性，比表面积提高39%，但总腐殖酸、挥发分及含水量显著降低。随着热解温度升高和停留时间延长，生物炭中有效磷含量降低，较短停留时间更利于生物炭中有效磷的持留。施用生物炭可提高土壤微生物量磷，Olsen-P，全磷含量，玉米茎叶和籽粒中磷含量以及土壤磷酸酶活性，表明施炭可促进棕壤磷素活化，提高玉米对磷的利用能力。从微生物方向分析生物炭对棕壤磷素的影响可发现：生物炭中富含土壤微生物可利用的碳源，有利于微生物定殖，但炭化温度> 500℃时，生物炭稳定性显著提升，微生物汲取能量和养分的难度增加。通过对田间土壤高通量测序分析可证明，高温生物炭（> 500℃）对棕壤微生物总体物种丰度和群落多样性没有显著影响，但可提高Thiobacillus（硫杆菌属）丰度和活性，这类菌中包括很多解磷菌。冻融实验结果表明：强烈频繁冻融可显著改变生物炭孔隙结构特性，平均孔径有增大趋势；C/H比无显著变化，说明冻融循环对生物炭不饱和炭和芳香结构没有显著影响；C/N比提高，有提高生物炭中微生物固氮的潜力；生物炭的氧化主要发生在表面，对炭材料内部结构影响不大；pH值在冻融前后无显著差异；生物炭吸附能力呈上升趋势。综合结果表明，生物炭可显著提升棕壤磷素有效性，其在田间或强烈冻融条件下稳定性较强，有利于保持其优良特性，从而为棕壤磷素活化提供长效保障。