生物炭提高不同磷源制得的复合肥料中磷素有效性的研究

Research on the Enhancement of Phosphorus Availability in Compound Fertilizers Prepared from Different Phosphorus Sources with Biochar

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.05.003

李锋 Feng LI , 欧继喜 Jixi OU , 孙桂森 Guisen SUN , 林琪武 Qiwu LIN , 朱婧 Jing ZHU , 王宗抗 Zongkang WANG

1 深圳市农产品质量安全检验检测中心广东深圳 518055 Shenzhen Inspection and Testing Center of Quality and Safety of Agricultural Products, Shenzhen, Guangdong 518055, China 2 广西植物营养技术创新中心广西贵港 537000 Guangxi Plant Nutrition Technology Innovation Center, Guigang, Guangxi 537000, China

Author notes:

Correspondence to: 王宗抗(1981—)，男，硕士，研究员，从事新型肥料研发与土壤健康研究；zongkang@vip.qq.com

摘要：

通过培养皿和盆栽试验，考察了生物炭分别与磷酸一铵、硝酸磷肥和聚磷酸铵等3种磷源制成的复合肥料配合施用对赤红壤中磷素形态转化以及菜心磷肥利用率的影响。结果表明：在以磷酸一铵、硝酸磷肥、聚磷酸铵为磷源的复合肥料中分别加入生物炭后，均能提高磷素在土壤中的有效性，H₂O-P和NaHCO₃-P含量都有不同程度的提高；不同程度地增加了菜心的鲜质量和干质量，提高了磷肥的利用率。添加生物炭可以提高复合肥料中的磷素在土壤中的有效性，对降低磷素在土壤中的固定、减少磷肥施用量和提高磷肥当季利用率具有积极作用。

关键词：

土壤; 磷素形态; 复合肥料; 生物炭; 磷肥利用率;

Abstract：

Through a petri dishe and a pot experiment, the effects of biochar combined with three compound fertilizers, which are made of monoammonium phosphate, nitrophosphate and ammonium polyphosphate as phosphorus sources respectively on the transformation of phosphorus forms in latosolic red soil and the utilization efficiency of phosphorus fertilizer in Chinese flowering cabbage are investigated. The results show that adding biochar to compound fertilizers containing monoammonium phosphate, nitrophosphate, and ammonium polyphosphate as phosphorus sources can improve the effectiveness of phosphorus in soil, and the contents of H₂O-P and NaHCO₃-P are all increased to varying degrees. The fresh and dry weight of the Chinese flowering cabbage is also increased to varying degrees. And the utilization rate of phosphate fertilizer is improved. Adding biochar can improve the effectiveness of phosphorus in compound fertilizers in soil, which has a positive effect on reducing the fixation of phosphorus in soil, reducing the application of phosphate fertilizer and improving the seasonal utilization rate of phosphate fertilizer.

Keyword：

soil; phosphorus forms; compound fertilizer; biochar; utilization rate of phosphate fertilizer;

0 前言

磷矿资源具有不可再生性、不可循环利用性等特点，且土壤易通过固定或专性吸附磷素, 导致磷肥的当季利用率普遍较低，因此提高磷肥的当季利用率一直是农业生产中迫切需要解决的问题。稻麦壳是我国最常见的农业废弃物之一，可用稻麦壳为原料制备生物炭使其变废为宝。生物炭具有较大的比表面积和较多的官能团，添加生物炭若能提高复合肥料中磷素的有效性，则可促进稻麦壳的资源化利用。据报道，全球约有40%的耕地缺磷，这在很大程度上制约了作物产量的提高^[1]。据预测，全球磷矿资源可供开采的时间仅剩50~100年，磷矿资源的枯竭将给全球农业生产带来巨大的挑战^[2]。随着剩余磷矿资源的品位逐渐降低，磷矿开采成本将逐渐升高，意味着优质磷肥的供应将越来越受限^[3]。在现代农业生产中，随着对高产优质作物的需求不断增大，作物从土壤中带走了大量的磷元素，引起土壤磷消耗加剧，土壤资源压力上升，导致土壤对补充磷肥的需求持续增长^[4]，而“潜伏的磷酸盐危机”正在逐步推高全球肥料价格^[5]。同时，化学磷肥长期大量投入可能会加速磷敏感水域的富营养化，在南方酸性土壤上会与铝、铁等反应而被固定^[6]。一直以来，应用生物炭作载体制备微生物肥料、增效复合肥料等的相关研究较多。一些研究表明，生物炭对氮、磷的吸附作用在砂质的土壤和酸性的土壤中更为明显，利用此特性，能在一定范围内控制或避免肥料的淋失，延长养分释放期^[7-8]。生物炭还对NH₄⁺与PO₄^3-有着较强的吸附能力，在土壤中可以起到降低氮挥发的作用，维持并减少肥料养分的流失，提升土壤肥力^[9-10]。生物炭与化肥配合施用，可改善作物对氮、磷的吸收利用，能够显著提高小麦、水稻、花生、茶叶、马铃薯和大豆等作物的产量^[10-13]。因此，以生物炭为载体与传统肥料配制而成的新型功能肥料，不仅有利于农业提质增效，还有利于农业面源污染控制及农田土壤固碳减排目标的实现。本文通过室内培养试验和盆栽试验，研究了添加生物炭对不同磷源复合肥料在土壤中磷素形态转化以及对作物磷肥利用率的影响，旨在为开发节肥增效、环境友好型肥料提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤取自广东省深圳市宝安区深圳市农业科技促进中心农场0~20 cm耕作层，主要理化性状：pH为5.36，w(有机质)为1.42%，w(碱解氮)为94.37 mg/kg，w(有效磷)为31.46 mg/kg，w(速效钾)为72.81 mg/kg，w(有效钙)为112 mg/kg，w(有效镁)为18 mg/kg。供试土壤属于赤红壤，其中含黏粒10.6%(粒径＜0.01 mm，质量分数，下同)、粉粒16.0%(粒径0.01~0.05 mm)和砂粒73.2%(粒径＞0.05 mm)。

1.1.2 供试稻壳炭

生物炭为稻壳气化后的副产品，购自合肥德博生物能源科技有限公司。将生物炭粉碎后过0.15 mm筛，然后浸泡于0.1 mol/L HCl溶液中，24 h后振荡、反复过滤、冲洗至酸碱度为中性，去除灰分后烘干至恒质量，制得生物炭粉。

1.1.3 供试肥料

磷酸一铵(MAP)，w(N)为11%，w(P₂O₅)为49%；硝酸磷肥(NP)，w(N)为26%，w(P₂O₅)为17%；聚磷酸铵(APP)，w(N)为16%，w(P₂O₅)为40%；尿素，w(N)为46.4%；氯化钾，w(K₂O)为61%。上述肥料均由深圳市芭田生态工程股份有限公司提供。

1.2 试验设计

1.2.1 培养皿培养试验

(1) 试验设计

以尿素、氯化钾和不同种类的磷肥为原料，生物炭为增效功能材料，其他材料为辅料，制取N-P₂O₅-K₂O=15-10-10的含生物炭复合肥料。磷肥种类设置MAP、NP和APP等3种；生物炭(R)的添加量分别为0、5%和10%。供试土壤风干后过2 mm筛，每个培养皿内加入80 g土壤和0.48 g制得的含生物炭复合肥料，充分混合，即除对照(CK)处理外，每个培养皿中P₂O₅的质量为0.048 g；随后向培养皿中加入20 mL蒸馏水，并用保鲜膜密封，最后将培养皿放入恒温培养箱内于25 ℃培养。

试验时间为2023年2月10日至5月10日，地点位于深圳市宝安区松岗镇江边村深圳市芭田生态工程股份有限公司企业研究院实验室。

(2) 测定项目与方法

分别于培养的第7天、第14天、第28天、第56天取各处理部分土样，测定土壤中有效磷和各形态磷的含量。各形态磷含量测定方法参考Hedley磷分级法。

1.2.2 盆栽试验

(1) 试验设计

按1.2.1方法制备15-10-10含生物炭复合肥料，磷肥种类设置MAP、NP和APP，生物炭添加量分别为0、5%，造粒、筛分后得到直径为1.00~4.75 mm的肥料颗粒。试验以不施用含生物炭复合肥料的处理为对照(CK)。

试验时间为2023年3月5日至4月10日，地点位于深圳市宝安区松岗镇江边村深圳市芭田生态工程股份有限公司温室试验大棚。

试验设7个处理：CK处理，无磷，无生物炭；MAP处理；MAP+5%R处理；NP处理；NP+5%R处理；APP处理；APP+5%R处理。每个处理设置3次重复。

供试土壤风干后过2 mm筛，装入聚乙烯塑料盆中，每盆装填土壤5 kg并定植菜心5株。含生物炭复合肥料作为基肥一次性施入土壤，施入方式为穴施，施入量为1 g/盆；在快速生长期-菜薹形成期，追肥穴施0.5 g/盆。各处理管理措施一致，于收获期取菜心植株样品并测定相关指标。

(2) 测定项目与方法

菜心鲜物质质量：播种30 d后收获，测定鲜物质质量。

菜心干物质质量：将菜心植株置于烘箱中，在105 ℃杀青20 min，立即降温至65 ℃烘干至恒质量，测定菜心植株的干物质质量。

菜心全磷质量分数：将整株菜心烘干、粉碎，采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法消煮后，用钒钼黄比色法测定全磷含量。

菜心磷吸收量=菜心干物质质量×菜心全磷含量。

菜心磷肥利用率=(施磷处理菜心吸磷总量-不施磷处理菜心吸磷总量)/施磷量×100。

1.3 数据统计分析方法

采用DPS 7.05和Excel 2021软件进行试验数据分析，采用DMRT法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对不同磷肥在土壤中形态转化的影响

2.1.1 MAP

以MAP为磷源，不同培养时间的土壤中有效磷含量见图 1，不同处理的MAP在土壤中的形态转化见图 2。

图 1

不同培养时间的MAP在土壤中的有效性

图 2

不同培养时间的MAP在土壤中的形态转化

由图 1可以看出：添加生物炭处理的土壤中有效磷含量均得到一定的提高；随着生物炭添加量的增加，土壤中有效磷含量有所提高。与未添加生物炭处理相比，在土壤培养的第7天、第14天、第28天、第56天，土壤中有效磷质量分数分别提高了8.21%~20.66%、9.35%~13.10%、6.71%~11.32%和1.43%~2.06%。

由图 2可以看出：与未添加生物炭处理相比，在土壤培养的第7天、第14天、第28天、第56天，添加生物炭处理的土壤中H₂O-P质量分数分别提高了2.52%~6.99%、13.41%~23.26%、0.02%~3.47%和3.25%~11.28%；在土壤培养的第14天、第28天、第56天，生物炭处理的土壤中NaHCO₃-P质量分数分别提高了7.67%~8.07%、0.63%~15.01%和1.19%~7.27%；在土壤培养的第7天、第14天，生物炭处理的土壤中NaOH-P含量略有下降；各处理的土壤中HCl-P含量变化不明显。

2.1.2 NP

以NP为磷源，不同培养时间的土壤中有效磷含量见图 3，不同处理的NP在土壤中的形态转化见图 4。

图 3

不同培养时间的NP在土壤中的有效性

图 4

不同培养时间的NP在土壤中的形态转化

从图 3可以看出：NP中添加生物炭后, 土壤中有效磷含量有所提高；在土壤培养的第28天和第56天，土壤中有效磷质量分数为119.43~136.53 mg/kg和110.65~121.32 mg/kg。

由图 4可以看出：添加生物炭处理的土壤中H₂O-P质量分数分别提高了20.07%~34.46%(第14天)、19.17%~31.10%(第28天)和0.15%~10.18%(第56天)，NaHCO₃-P质量分数分别提高了10.63%~17.97%(第7天)、20.73%~25.15%(第14天)和14.76%~15.08%(第28天)；在土壤培养的第56天，各处理间NaHCO₃-P含量相差不大；各处理间HCl-P含量变化幅度不大。

2.1.3 APP

以APP为磷源，不同培养时间的土壤中有效磷含量见图 5，不同处理的APP在土壤中的形态转化见图 6。

图 5

不同培养时间的APP在土壤中的有效性

图 6

不同培养时间的APP在土壤中的形态转化

由图 5可以看出：在土壤培养期间，有效磷含量较为稳定，土壤中有效磷质量分数分别为120.79~125.72 mg/kg(第7天)、110.92~115.95 mg/kg(第14天)、105.28~114.89 mg/kg(第28天)和120.32~124.04 mg/kg(第56天)；APP中添加生物炭后，土壤中有效磷含量有所提高，但幅度不大。

由图 6可以看出：土壤中H₂O-P含量在不同培养时间相对较为稳定，土壤中H₂O-P质量分数分别为62.71~70.34 mg/kg(第7天)、63.13~65.53 mg/kg(第14天)、58.46~61.31 mg/kg(第28天)和54.60~58.84 mg/kg(第56天)；APP中添加生物炭后，土壤中H₂O-P和NaHCO₃-P含量有一定提高，但幅度较小，各处理间NaOH-P和HCl-P含量差异不明显。

2.2 生物炭对菜心磷肥利用率的影响

2.2.1 菜心鲜物质和干物质质量

不同施肥处理的菜心鲜物质和干物质质量见表 1。

表 1

菜心鲜物质和干物质质量 g/盆

处理	鲜物质质量	干物质质量
CK	141.35±2.02 c	9.33±0.15 e
MAP	148.45±2.27 abc	9.88±0.20 cde
MAP+5%R	151.98±2.24 ab	11.00±0.23 abc
NP	155.70±3.21 abc	10.74±0.19 abcde
NP+5%R	157.23±2.41 abc	10.85±0.13 abcde
APP	160.02±4.57 abc	10.56±0.24 bcde
APP+5%R	167.76±2.58 abc	12.03±0.21 abcde
注：1)同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)

由表 1可以看出：肥料中添加不同磷源后，各处理的菜心干物质、鲜物质质量均高于CK处理的，菜心鲜物质质量提高了5.02%~18.68%，干物质质量提高了5.89%~28.94%；对于相同磷源的处理，添加生物炭后鲜物质、干物质质量均有提升，但增幅不大，差异不显著。

2.2.2 菜心磷肥利用率

不同施肥处理的菜心磷肥利用率见图 7。

图 7

不同施肥处理的菜心磷肥利用率

由图 7可以看出：不同磷源处理后，菜心对APP的磷肥利用率最高，为8.28%~9.87%；菜心对MAP、NP的磷肥利用率分别为6.61%~7.34%、7.14%~7.35%；在肥料中加入生物炭后，菜心对不同磷源的磷肥利用率均有一定程度的提高，MAP、NP、APP的利用率平均提高了10.76%、2.68%、19.14%。

3 结论

土壤培养试验表明，在不同磷源的复合肥料中加入5%、10%生物炭后，能够提高磷在土壤中的有效性，H₂O-P和NaHCO₃-P含量均有不同程度的提高，NaOH-P和HCl-P含量变化不明显。

在相同磷源下，添加生物炭处理的菜心鲜物质和干物质质量与未添加生物炭处理的差异不显著，但添加生物炭处理均不同程度地提高了菜心对磷的利用率。

4 讨论与展望

磷肥种类较多，其生产工艺不尽相同，不同磷源的磷肥施用于不同土壤后的移动性和形态转化也有差异。近年来，新型高效磷肥主要朝着冷冻法硝酸磷肥、磷肥增值载体、聚磷酸铵等技术方向发展^[14]。土壤与施入的磷接触时间越长，磷被固定的机会越大，特别是南方酸性土壤固定磷的能力较强。有研究发现，在磷肥施用初期，磷主要被吸附固定且固磷量较大，持续时间在数十小时以内；而在施肥后期，磷肥逐渐以化学反应固定为主，缓慢地使有效态磷向无效态磷转变，后期过程可持续数月，并且土壤的固磷速率和固磷量与土壤中水溶性磷浓度呈正相关。因此，在确保能够满足植物需求的条件下，尽可能减少土壤中水溶性磷的浓度，才能有效降低土壤对磷的固定，提高磷的利用率^[15]。

水稻、小麦的秸秆和稻麦壳资源丰富，科学和资源化地利用，对加强农业生态环境保护、促进农业农村高质量发展及绿色转型升级意义重大。本文将稻麦壳制成的生物炭添加到复合肥中，生产出土壤－植物营养调理品或新型功能肥料，在减少磷肥用量和提高磷肥当季利用率方面具有积极的作用。

土壤酸碱度对生物炭吸附磷的能力具有显著的影响。生物炭通过改善土壤对磷的吸附和解吸能力来改变磷的有效性，生物炭的改善效果主要取决于土壤的酸碱度和生物炭的施用量^[16]。研究表明，随着生物炭施用量的增加，酸性土壤对磷的吸附能力增加，同时施用生物炭大幅提高了Ca-P含量，Al-P含量略有增加，但显著降低了Fe-P含量^[17]。这表明施用生物炭能增加磷的吸附作用，主要因为钙对磷的吸附和沉淀作用，而铁、铝氧化物的影响较小。由于生物炭能够通过其自身的表面特性——携带疏水性或带电荷基团，吸附土壤中的亚铁离子、铝离子、钙离子螯合的有机分子等相对分子质量范围较广的极性或非极性有机分子，可以起到减少土壤中上述几种元素的离子浓度的作用，进一步减少无机磷在土壤中的固定^[18]。有研究还指出，生物炭能显著减少铁氧化合物对磷的吸附，从而提升土壤中磷的可利用率^[19]。

较多研究表明，生物炭在培肥土壤、维护土壤生态系统稳定等方面具有积极的作用。然而，在生物炭与化学肥料配施的研究上仍存在生产工艺技术、成本及种植户的接受程度等问题，需要更深层次的创新与探索^[20]。生物炭在提高肥料利用率方面有积极作用，今后需对生物炭与传统化肥复合的工艺进行深入研究，如结合不同的地域环境，考虑气候、土质以及农作物自身特性研发新的工艺，从原料的混合方式、物料的成分与来源、复配工艺等多角度优化生产工艺，最终达到降本增效的目的。有关生物炭在田间应用的效果，如施入后的土壤理化性状、土壤碳氮循环、土壤中微生态环境乃至生物炭在土壤中长期的稳定性以及自身形态的变化，尚未见报道。目前应用生物炭作为载体生产土壤－植物营养调理品和增效功能肥料的相关研究多为温室或实验室的试验，已有少数大田试验，未来肥料生产企业、农业科技工作者需要进行产学研用合作，持续地、系统地研究生物炭对作物生产以及化肥减量对土壤的影响，并将其作为今后应用研究中的重点方向。

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