1. 中国科学院大学中丹学院/中丹科教中心, 北京 101408;
2. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 101408
2021年1月11日 收稿; 2021年5月19日 收修改稿
基金项目: 国家重点研发计划课题（2016YFD0800100-04）资助
通信作者: 胡正义, E-mail: zhyhu@ucas.ac.cn
摘要: 近年来海河流域农区土壤磷淋溶影响地下水质量，研发控制措施对改善水体环境具有重要意义。采集海河支流潮白河下游顺义地区潮土，通过2年土柱试验（长45 cm×宽40 cm×高80 cm）分析常规滴灌（CDI）和节水滴灌（80%常规灌水量，WSDI）条件下，施1.2%烟杆制生物炭（+B）和不施生物炭（-B）黄花菜种植期间磷淋溶的差异。结果表明，节水滴灌可降低磷淋溶，施用生物炭控制效果更好。在-B条件下，2年WSDI平均磷淋溶比CDI低60.4%；在+B条件下，2年WSDI平均磷淋溶比CDI低65.5%。WSDI能减少土壤水入渗，同时也降低土壤pH，提高土壤有效铁含量而增加磷吸附，减少土壤可淋溶磷含量，进而控制土壤磷淋溶。生物炭施用对土壤磷淋溶影响不显著，但年际差异明显。2017年相同灌溉条件下生物炭施用增加磷淋溶的风险，而2018年生物炭施用却有降低磷淋溶的趋势。灌溉和生物炭施用对黄花菜产量影响存在年际差异，2017年节水滴灌和生物炭施用均显著降低产量；但2018年其对产量影响并不显著且无交互作用，即随着生长年限延长，灌溉和生物炭不再是控制产量的关键因素。结合降低淋溶的效果，推荐节水灌溉结合生物炭施用作为本区农田土壤磷淋溶控制的措施。
关键词: 潮土土壤磷淋溶生物炭滴灌节水灌溉土柱
Effects of biochar application and water saving drip irrigation on phosphorus leaching in farmland fluvo-aquic soil
SUN Xiaolei1, XIE Zijian2, YANG Xiaosong2, HU Zhengyi1,2
1. Sino-Danish College/Sino-Danish Center, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China;
2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China
Abstract: The phosphorus (P) leaching from agricultural soils in Haihe River Basin has polluted groundwater in recent years. It is necessary to develop control measures to improve water quality. In this study, a 2-years soil column test (40 cm×45 cm×80 cm) was conducted to analyze the difference of leaching loss of P in soil between added biochar (+B) and without added biochar (-B) during daylily planting under conventional drip irrigation (CDI) and water-saving drip irrigation (80% of CDI, WSDI) conditions. Under the -B condition, the two-year average leaching loss of P under WSDI was 60.4% lower than that under CDI. Under the +B condition, the average leaching loss of P under WSDI was 65.5% less than that under CDI. Implying that WSDI can reduce leaching loss of P in soils, especially under the condition of biochar application. It could be due to the fact that WSDI was not only unfavorable to soil water infiltration, but also enhanced soil P adsorption by reducing soil pH and increasing soil available Fe, which reduced content of soil leachable P, and then control leaching loss of P in soils. Biochar application had no significant effect on soil P leaching, but there were inter-annual differences. In 2017, biochar application under the same irrigation conditions increased the risk of P leaching while showed a trend of decreasing P leaching in 2018. In 2017, WSDI and biochar application significantly reduced the yield. Irrigation, biochar aplication and their interaction had no significant influence on yield in 2018, which means they were not the key factors for the yield with prolonged planting time. Therefore, water-saving irrigation combined with biochar application is recommended as the control measure of soil P leaching in farmland in this area.
Keywords: fluvo-aquic soilleaching loss of phosphorus in soilbiochardrip irrigationwater-saving irrigationsoil column
海河流域冲积平原是华北地区主要农业区，以潮土为主。该地区每年农田施磷量88~1 375 kg(P2O5)·hm-2[1]，部分农田长期过量使用磷肥，已导致土壤磷累积。2018年在海河支流潮白河下游典型潮土区北京市顺义区农田48个土壤剖面调查发现，0~20、20~40和40~60 cm土壤Olsen-P平均浓度分别达106、103和56 mg·kg-1，73%以上采样点土壤剖面磷存在淋溶风险[2]。中国地下水磷污染日趋严重，山东德州地区地下水溶解性总磷含量的最大值为0.69 mg·L-1, 超出中国地表水Ⅲ类标准(0.1 mg·L-1 < 溶解性总磷≤0.2 mg·L-1)40.7% [3]。因此，土壤磷淋溶可能对该地区水环境质量存在负面影响，研发控制土壤磷淋溶技术具有实际意义。
许多农田管理方式及新兴技术被应用到农业生产中以控制土壤磷淋溶。种植类型改变、优化施肥模式、选用新型肥料及合理灌溉等措施得到应用[4-5]。采用土壤改良剂是近年来土壤磷淋溶控制措施的新尝试。常见的土壤改良剂包括秸秆、生物炭、骨炭及化学制剂(如磁铁矿纳米材料、石膏、碳酸钙等)[6]。生物炭在改良土壤理化性质、提高肥料利用率、促进作物生长及减少面源污染等方面都显示了巨大潜力[7]。生物炭对控制磷淋失有一定的效果。因为，生物炭可以降低磷酸盐沉淀的形成，从而提高植物对磷素的利用[8]。生物炭较大的比表面积与发达的孔隙结构提高了土壤阳离子交换量及阴离子交换能力，所含有的羧基、羟基、脂族双键等亲水基结构也具有极强的吸附和持水能力，具有保持水分、调节养分淋溶等作用[9-11]。但是，有关生物炭施用对土壤磷淋溶影响结果不一致。有研究表明，生物炭的施加可以显著地增加土壤有效磷的含量，从而提高作物的产量[12]。李际会等[13]研究观察生物炭施用土壤有效磷的淋失量降低45%~75%，证实改性生物质炭能够有效降低土壤硝态氮和有效磷的淋失风险。然而，也有研究观察生物炭施用导致磷淋溶增加。卜晓莉等[14]采用土柱试验研究发现施用2%~5%稻壳生物炭导致太湖滨岸灰潮土磷淋溶量增加32.1%~54.2%。高德才[15]的研究结果也显示，随着生物炭施加量的增加，土壤淋失液中总磷的含量增加。因此，生物炭施用对土壤磷淋溶的影响有进一步研究必要。
水分是养分淋溶的载体，只有土壤水分达到饱和状态而产生水分入渗和垂直运移，养分才会随水分向下产生淋溶。因此，传统的大水漫灌会造成土壤养分的大量流失，而节水灌溉可减少土壤氮磷淋溶。但是节水可能会对作物生长产生负面影响[16]。滴灌模式是一种既能控制养分淋失，还能保证水分和养分的利用效率的灌溉模式[17]。华北地区水分资源短缺，节水滴灌可作为保证农业可持续发展的重要措施。然而，有关节水滴灌对潮土磷迁移的影响则少有报道。此外，短季蔬菜地养分淋溶研究较多[4-6]，而常年生蔬菜地养分淋溶规律研究相对较少。黄花菜作为药食兼用的特色蔬菜，营养和经济价值高，已有较广泛栽培[18]。并具有发展高附加值蔬菜种植潜力。黄花菜作为常年生蔬菜，对肥水的反应较为敏感，其养分淋溶规律及其与短季蔬菜差异值得关注[19]。本研究以黄花菜作为研究对象，研究常年生蔬菜地养分淋溶规律及灌溉、生物炭施用对磷淋溶控制效果。
本研究选择海河支流潮白河典型潮土农业区土壤，开展土柱栽培试验，以常年生蔬菜北黄花菜(Hemerocallis lilioasphodelus Linn.)为研究对象，探讨节水滴灌和生物炭施用对土壤磷淋溶和蔬菜产量的影响。研究结果可为潮土区制定兼顾农业可持续发展和水环境保护技术体系提供依据。
1 材料与方法1.1 研究区域选择海河支流潮白河下游顺义段典型潮土农业区作为研究区域，土柱试验土壤样品采于北京市顺义区农业科学研究所基地(40°6′N，116°52′E)。该区域土壤为典型砂质褐潮土。土理化性质如表 1所示。研究区主要作物包括玉米(Zea mays L.)、小麦(Triticum aestivum L.)、辣椒(Capsicum annuum L.)、大葱(Allium fistulosum L.)、番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)、甘蓝(Brassica oleracea L.)等，以小麦-玉米轮作、蔬菜轮作(连作)为主。每年施氮量580~1 741 kg(N)·hm-2，施磷量为88~1 375 kg(P2O5)·hm-2，施钾量为37~791 kg(K2O)·hm-2[1]；蔬菜地施肥以有机肥(畜禽粪便和农家肥)为主，78%的养分来自有机肥，其余来自化肥(尿素、复合肥等)[1]。露地农田每年灌溉12次左右，灌溉方式以喷灌为主，设施菜地灌溉次数以满足蔬菜生长需要而定，灌溉方式以滴灌为主。
Table 1
 表 1 土柱试验土壤基本理化性质Table 1 Basic properties of tested soil
| 表 1 土柱试验土壤基本理化性质Table 1 Basic properties of tested soil | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 供试生物炭供试生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司生产的烟杆制备的生物炭，pH为9.98，全氮含量为6.2 mg·g-1，全磷含量2.97 mg·g-1，全钾含量10.08 mg·g-1。
1.3 土柱试验从研究区域分层(0~20、20~40、40~60 cm)采集土壤，分层分装运到温室，自然风干，敲碎用作土柱填充土。土柱(长45 cm、宽40 cm、高80 cm)由有机玻璃材料制成。方柱长45 cm×高80 cm的两面板分别在30、50和70 cm高度处各开2个直径为1.5 cm的孔，用于采集0~20、20~40和40~60 cm深处土样，土柱装土前用硅胶片密封该孔。将有机玻璃方柱底部封紧，并留一个土柱淋溶水收集孔。先在土柱内部的底层铺3 cm厚石英砂，在石英砂上部铺一层6目尼龙网。在土柱内壁上均匀涂抹一层凡士林降低壁边缘效应。将有机玻璃柱平置于平整的地面。按照容重，依次装填40~60、20~40和0~20 cm各层土壤。
装柱完毕后，加去离子水使柱内土壤水分达到饱和，并稳定1周(图 1)。试验设置4个处理，由2个滴灌模式处理(常规滴灌，CDI; 节水滴灌，WSDI)和2个生物炭施用水平(不施生物炭，-B; 施生物炭，+B)处理构成。节水滴灌灌水量为常规滴灌灌水量的80%。施生物炭处理在0~20 cm土层均匀混施1.2%生物炭(相对于30 t·hm-2)。每个处理设5个重复。
Fig. 1
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| 图 1 土柱示意图(土壤采集及土壤溶液收集取样器) Fig. 1 Diagram of soil column (soil and soil solution collection sampler) 图 1 土柱示意图(土壤采集及土壤溶液收集取样器) Fig. 1 Diagram of soil column (soil and soil solution collection sampler) --> | |
从山西大同优质北黄花菜种苗生产基地购置生长5年龄壮苗，于2017年4月15日每土柱种植2株。2017年施氮(N)41 g·m-2，施磷(P2O5)9.6 g·m-2，施钾(K2O)27 g·m-2。分别于2017年6月20日，8月28日，10月14日施肥，3次施肥量比例为1:2:1。黄花菜为食花蔬菜，在开花期(6月15日至8月15日)每日清晨采摘花苞，称重，整个花期累计花重计为当年产量。
2017年累计降雨量为285.50 mm，其中6月18日、6月26日、7月8日、8月14日和8月24日降雨量较大，收集到淋溶水，分别对应黄花菜生长的初花期、盛花期、末花期、采后枯叶期、秋季展叶期。用量筒测定每次收集的淋溶水体积并从每个土柱收集的淋溶水中取样以供分析。非降雨日，每隔1周浇蒸馏水(初花期3周每周2次)满足黄花菜生长需求(无淋溶水产生)，2017年常规滴灌处理累计浇水639 mm，节水滴溉处理浇水511 mm。在黄花菜生长1年后，于2018年4月1日从每个土柱土壤采集孔采集土壤样品，风干过2 mm和100目筛，用于分析。同时，参照2017年的方法，施用生物碳和氮、磷、钾等肥料。2018年累计降雨量为285.80 mm，常规滴灌累计浇水524 mm，节水滴灌处理浇水419 mm，于7月21日、9月11日收集土柱淋溶水，并测定体积和取样分析。根据淋溶水量和淋溶水中磷浓度计算土柱磷淋溶量，合计各次淋溶量得到当年土柱磷淋溶总量。
1.4 分析方法土壤pH值采用1:2.5土水比浸提，由FE20-FiveEasy Plus型pH计(Mettler Toledo，Switzerland)测定；土壤全碳(TC)和全氮(TN)由元素分析仪(Elementar，Germany)测定。CaCl2浸提的水溶磷，主要是土壤中水溶态无机磷酸盐，其被用来指示土壤潜在磷淋溶的环境指标。土壤有效磷包括土壤水溶无机磷、吸附无机磷，其被用来指示作物可利用土壤磷农学指标。因此本研究对土壤有效磷和土壤水溶磷进行了测算。土壤有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol·L-1 NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提，采用钼蓝比色法测定；土壤可淋溶水溶磷(CaCl2-P)采用0.01 mol·L-1 CaCl2浸提法，同样用钼蓝比色法测定。土壤中总磷(TP)、采用酸微波消解并由ICP-OES测定; 土壤有效铁(DTPA-Fe)采用0.005 mol·L-1 DTPA-0.1 mol·L-1 CaCl2-0.1 mol·L-1 TEA(pH 7.3)溶液浸提土壤并由ICP-OES测定。土壤淋溶液中可溶磷，采用钼蓝比色法测定。上述测定方法详见文献[20]。
1.5 数据统计方法所有测定指标应用SPSS V25软件(IBM，USA)中方差分析分析处理间差异显著性水平，并应用该软件检验磷淋溶量(淋溶水中磷浓度)与土壤性质、总磷、Olsen-P，CaCl2-P之间的相关性水平。
2 结果与分析2.1 节水滴灌与生物炭施用对黄花菜产量的影响统计分析表明，土柱试验黄花菜产量年际间存在极显著差异(P < 0.001)，2018年试验各处理黄花菜产量都大于2017年黄花菜产量(表 2)。这主要是因为黄花菜移栽后生长时间的不同造成了年际间产量的差异。
Table 2
表 2 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对黄花菜产量的影响Table 2 Effect of biochar application on citron daylily yield under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation?
| 表 2 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对黄花菜产量的影响Table 2 Effect of biochar application on citron daylily yield under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
灌溉模式与生物炭对2017年黄花菜产量产生了极显著的影响，且二者交互作用显著。2017年节水滴灌处理黄花菜产量分别显著低于相应生物炭处理条件下常规灌溉的产量，生物炭施用处理的黄花菜产量显著低于相同灌溉处理条件下不施生物炭处理(表 2)。而2018年灌溉及生物炭施用对产量影响并无显著差异，二者的交互作用也不显著。
2.2 节水滴灌与生物炭施用对土壤磷淋溶的影响统计分析表明，土柱磷淋溶量年际差异显著，2017年土柱磷淋溶量显著大于2018年土柱磷淋溶量(表 3，表 4)。主要原因是2018年黄花菜生物量显著大于2017年(表 2)，2018年较强的蒸腾作用导致淋溶水量显著低于2017年(2017年收集到3次淋溶水，而2018年仅收集到2次淋溶水)。
Table 3
表 3 灌溉和生物炭施用对土柱磷淋溶量影响的全因子方差分析Table 3 Full factor variance analysis for effects of irrigation and biochar application on soil column phosphorus leaching?
| 表 3 灌溉和生物炭施用对土柱磷淋溶量影响的全因子方差分析Table 3 Full factor variance analysis for effects of irrigation and biochar application on soil column phosphorus leaching? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Table 4
表 4 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤磷淋溶的影响Table 4 Effect of biochar application on leaching loss of phosphorus from soil column under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation?
| 表 4 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤磷淋溶的影响Table 4 Effect of biochar application on leaching loss of phosphorus from soil column under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
灌溉水量对土柱淋溶量也产生了极显著的影响，节水滴灌处理土柱磷淋溶量显著小于常规滴灌处理土柱磷淋溶量(表 3，表 4)。灌溉水量对土柱磷淋溶量的影响年际差异显著(表 3)。在施用生物炭条件下，在2018年节水滴灌处理土柱磷淋溶量比常规滴灌处理低71.0%，其差异大于2017年节水滴灌处理与常规滴灌处理之间差异(60.0%); 而在不施生物炭条件下，在2018年节水滴灌处理土柱磷淋溶量比常规滴灌处理低59.6%，其差异与2017年节水滴灌处理与常规滴灌处理之间差异相当(61.2%)。
施生物炭对土柱磷淋溶量的影响也存在显著的年际差异(表 3)。在2018年，施生物炭处理土柱磷淋失量略低于不施生物炭处理；而在2017年，施用生物炭处理土柱磷淋失量略高于不施生物炭处理；但2年试验中磷淋溶量在施生物炭与不施生物炭处理之间的差异都没有达到显著性水平(表 3，表 4)。
2.3 节水滴灌与生物炭施用对土壤磷含量的影响CaCl2浸提的水溶磷，主要是土壤中水溶态无机磷酸盐，以及少量可溶有机磷，其被用来指示土壤潜在磷淋溶的环境指标[21]。由于本研究土壤有机碳含量低(表 1)，测定仅包括CaCl2浸提的水溶无机磷，没有包括可溶有机磷。因此，下面讨论土壤磷淋溶，仅为无机磷酸盐淋溶，而不包括可能存在的少量有机磷淋溶。在黄花菜生长1年后各处理0~20、20~40、40~60 cm土层处土壤水溶磷(CaCl2-P)含量均高于试验前相同剖面深度土壤CaCl2-P浓度(表 1，表 5)。灌溉模式对0~20 cm和40~60 cm土壤CaCl2-P含量产生显著的影响，无论生物炭施用与否，节水滴灌有降低表层和深层土壤中水溶磷含量的作用，但在20~40 cm处，土壤CaCl2-P含量在节水滴灌处理和常规滴灌处理下差异不显著(表 5)。可见，不管施用生物炭与否，节水滴灌都可降低土壤CaCl2-P含量。
Table 5
表 5 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤CaCl2-P和Olsen-P的影响Table 5 Effect of biochar application on concentration of CaCl2-P and Olsen-P in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation
| 表 5 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤CaCl2-P和Olsen-P的影响Table 5 Effect of biochar application on concentration of CaCl2-P and Olsen-P in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation |
生物炭对深层(40~660 cm)土层土壤中方水溶磷含量产生显著影响。但节水滴灌条件下，生物炭的施用降低了0~20 cm及20~40 cm CaCl2-P含量，而40~60 cm土层处并未产生差异(表 5)。可见，生物炭施用对土壤CaCl2-P含量的影响与灌水量有关，在常规灌溉条件下，生物炭施用可降低40~60 cm土层CaCl2-P含量，而节水灌溉条件下，生物炭施用仅降0~40 cm土壤CaCl2-P含量。
黄花菜生长1年后，各处理在0~20 cm、20~40 cm土层土壤有效磷(Olsen-P)浓度高于试验前相同剖面深度土壤Olsen-P浓度，但40~60 cm土壤Olsen-P浓度与试验前相当(表 1，表 5)。在施生物炭的条件下，节水滴灌处理土壤剖面各土层Olsen-P含量均小于常规灌溉同深度土壤有效磷含量; 而不施生物炭条件下，趋势则相反，即节水滴灌处理土壤剖面各土层Olsen-P含量大于常规灌溉同土层深度土壤有效磷含量(表 5)。因此，施生物炭条件下节水滴灌可以降低土壤有效磷含量；不施生物炭条件下，节水滴灌反而提高土壤有效磷含量。
常规滴灌条件下，施用生物炭可显著提高各土层处土壤有效磷含量，但在20~60 cm土层的影响不显著；节水滴灌条件下，施用生物炭可降低土壤剖面各土层有效磷含量，在40~60 cm土层作用效果显著(表 5)。因此，生物炭对土壤有效磷含量的影响与灌溉量有关，常规灌溉条件下，施生物炭可提高部分土层土壤有效磷含量，而节水灌溉条件下生物炭施用可显著降低深层土壤有效磷含量。
2.4 节水滴灌与生物炭施用对土壤pH和有效铁含量的影响黄花菜生长1年后，灌溉模式和生物炭的施用对0~20 cm土层土壤pH产生显著影响，灌溉模式对20~40 cm土层pH也有显著影响。不施生物炭条件下，节水滴灌处理土壤剖面各土层pH都小于常规滴灌处理同深度土壤pH；施生物炭条件下，水滴灌处理土柱0~20 cm、20~40 cm pH小于常规滴灌处理同深度土壤pH，40~60 cm节水滴灌处理pH高于常规灌溉但这种差异并不显著(表 6)。总体来讲，节水滴灌能导致表层和次表层土壤pH下降。节水滴灌条件下，生物炭施用提高0~60 cm土层土壤pH；生物炭的施用提高了常规滴灌处理0~40 cm土层土壤pH，但对40~60 cm土层土壤pH降低不明显。因此，生物炭施用可以导致0~40 cm土层土壤pH升高。
Table 6
表 6 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤pH和DTPA-Fe含量的影响Table 6 Effect of biochar application on concentration of DTPA-Fe and pH in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation
| 表 6 节水滴灌和常规滴灌条件下施用生物炭对土柱土壤pH和DTPA-Fe含量的影响Table 6 Effect of biochar application on concentration of DTPA-Fe and pH in column soil under water-saving drip irrigation and conventional drip irrigation |
灌溉模式和生物炭对0~40 cm土层土壤有效铁(DTPA-Fe)含量产生显著的影响，灌溉的显著影响也延伸到60 cm土层。不管生物炭施用与否，节水滴灌处理0~20、20~40 cm DTPA-Fe含量都大于常规灌溉相同深度DTPA-Fe含量；而在40~60 cm土层，节水滴灌处理土壤DTPA-Fe含量显著小于常规灌溉(表 6)。即节水滴灌导致表层和次表层土壤有效铁含量增加，反而降低深层土壤有效铁含量。在常规滴灌和节水滴灌条件下，生物炭施用降低0~20、20~40、40~60 cm剖面深度DTPA-Fe含量(表 6)。可见，生物炭施用导致土壤有效铁含量下降。
3 讨论3.1 节水滴灌和生物炭施用对黄花菜产量的影响不管生物炭施用与否，节水滴灌处理黄花菜产量稍微低于常规滴灌处理，2017年差异还达到显著性水平(表 2)。因此节水滴灌可能会有减产风险。这与大部分研究结果相符合，减量灌溉会降低作物产量[22-23]。在常规滴灌和节水滴灌条件下，生物炭的施用有降低黄花菜产量的趋势。这一结果与近年来的一些研究有出入。生物炭的施用一直被认为可以增加作物产量甚至提高作物品质。Ndor等[24]的研究表明，生物炭的添加不仅能增加玉米籽实产量，还能提高了种子发芽率、苗高、苗茎粗、根数、根长和幼苗活力指数，且这种增加在不同玉米品种之间没有差异。Yu等[25]则认为生物炭的添加可以改善酸性、碱性、高盐碱度、营养缺乏、重金属污染、有机污染等各种问题土壤理化性质，并促进问题土壤上植物的生长，是改善问题土壤，提升农业生产有效且经济实惠的方法。然而，近年来，许多试验证实生物炭的施用对作物产量及性状的影响结果不一致，其与作物种类、土壤质地、生物炭本身性质、施用量、施用方式以及施用年限而异。Pokharel和Chang[26]的研究就表明，不同原料制生物炭对植物籽粒产量的影响不同，且生物炭的添加对根际与非根际土壤的影响也有不同。Huang等[27]发现生物炭施用时间对水稻产量有重要影响，在2015—2017年连续6季水稻种植试验表明，随着生物炭用量的增加，前3季籽粒产量呈下降趋势，后3季籽粒产量呈显著增加趋势。此外，有些研究认为生物炭的施用可能是减少干旱胁迫对作物产量产生的负面影响的有效途径[28]。但我们的结果并没有显示出这种耦合效应。
在本研究中，尽管在黄花菜定植第一年减量灌溉和生物炭施用有减产风险，但随着种植年限的延长，灌溉和生物炭对产量的影响并不显著(表 2)。但施生物炭条件下节水滴灌减少土壤磷淋溶幅度大于不施生物炭条件下节水滴灌减少土壤磷淋溶(表 4)。推荐节水滴灌结合生物炭施用控制土壤磷淋溶，其不仅有利于减少土壤磷淋溶，而且还没有减产风险。实际效果有待大田试验进行验证。
3.2 节水滴灌和生物炭施用对土壤磷淋溶的影响机制土壤中运移的水分是养分迁移的载体，灌溉方式以及灌溉量对土壤水垂直入渗、向下淋溶具有重要影响[29-30]。有研究表明，灌溉对养分淋溶的影响大于施肥的作用[31]。传统大水漫灌会导致土壤养分的大量流失，而滴灌模式不仅能降低硝酸盐的淋溶，还能提高水分和氮素的利用效率，被推荐为常用的灌溉方式[17, 32-34]。同时，节水灌溉可有效减少土壤水分的垂直运移，进而影响土壤氮磷淋溶[16, 35]。海河流域冲积平原是华北地区主要农业区，土壤以潮土为主。该地区过量磷肥使用已导致土壤磷累积，存在磷淋溶影响水质量风险[1-3]。华北地区水分资源短缺，节水灌溉是确保农业可持续发展方向的灌溉模式。但是，节水滴灌对土壤磷淋溶的影响少有报道。
本研究结果表明，与常规滴灌比较，节水滴灌能显著降低土壤磷淋溶。不管生物炭施用与否，节水滴灌处理土柱磷淋溶量显著小于常规滴灌(表 3，表 4)。节水滴灌降低土壤磷淋溶机理包括以下2个方面，第一：节水灌溉可减少土壤水湿润半径和湿润体范围，减少养分迁移[36-37]，土柱试验节水滴灌收集的淋溶水体积低于常规滴灌处理(施生物炭: 30.15 L vs 36.79 L; 不施生物炭: 27.38 L vs 38.35 L)；第二：节水灌溉可以降低土壤CaCl2-P浓度(表 5)，这与前人研究结果不一致。Liu等[38]研究结果显示减量灌溉可以增加土壤中水溶磷含量。本试验中2017年0~20 cm CaCl2-P与土柱磷淋溶量之间呈极显著正相关(2017年磷淋溶量: P=0.709; 2018年磷淋溶量: P=0.797); 2017年40~60 cm CaCl2-P与土柱磷淋溶之间呈极显著正相关(2017年磷淋溶量: P=0.824; 2018年磷淋溶量: P=0.816)。水溶磷是土壤固相进入土壤液相的磷的量，因而经常被用作土壤磷淋失风险指标[39]。相关研究也曾证实水溶磷与磷淋失具有显著关系[40]。本实验证明节水滴灌可降低土壤中水溶磷浓度(表 5)，从而降低了磷淋失的风险。其主要机制归于节水灌溉降低了土壤pH，提高了土壤有效铁含量(表 6)。2017年0~20、20~40 cm土壤DTPA-Fe与土柱磷淋溶量呈负相关，其中与2017年土柱磷淋溶量之间相关性达到显著水平(0~20 cm: P=0.728; 20~40 cm: P=0.628)。2017年0~20、20~40 cm土壤pH与土柱磷淋溶量之间呈正相关，其中与2017年20~40 cm土壤pH之间相关性达到显著水平(2017年, 0~20 cm: P=0.434; 2018年, 0~20 cm: P=0.650, 20~40 cm: P=0.573)。土壤pH可通过改变电化学势梯度，影响土壤磷有效性[41]。pH较高的土壤表面被认为是带有负电荷的，随着土壤pH的降低，正电荷将增加，静电吸附的阴离子增加，从而增加磷吸附，降低磷淋失的风险[25]。此外，配位体交换吸附是磷酸根离子被土壤吸附主要机理之一，氧化铁表面可吸附磷酸盐离子，因而铁氧化物被认为是影响磷吸附的关键因子[42-43]。由于专性吸附是发生在胶体双电层的内部，因此被吸附的磷酸盐离子是非交换态[44]。因此，有效铁含量的增加促进了磷酸盐的吸附，降低了淋失风险。综合土柱淋溶两年试验结果，节水滴灌可作为控制潮土区农田土壤磷淋溶措施进行推广。
生物炭对土壤磷淋溶有影响，但现有结果不一致。一些研究证实生物炭施用可以减少磷淋溶[13]，而另外一些试验发现施生物炭提高土壤磷淋溶风险[14]。本研究试验表明，生物炭施用对土壤磷淋溶影响不仅存在年际差异，而且与灌溉量有关(表 3，表 5)。在节水滴灌条件下，生物炭施用不仅提高土壤pH，而且导致土壤有效铁(DTPA-Fe)含量下降(表 6)，不利于磷吸附和固定，增加磷淋溶风险。试验结果也表明节水滴灌条件下，生物炭施用仅稍微降低0~40 cm土层土柱土壤中水溶磷浓度，但差异不显著(表 5)。生物炭本身也含有水溶磷成分(0.13~42.79 g·kg-1)，其含量与制备生物炭生物质种类和工艺有关[45]。大量、长期使用含磷量高的生物炭可能会提高土壤磷淋溶风险。在常规滴灌条件下，生物炭施用稍微降低2018年土壤磷淋溶的同时也稍微提高了2017年土柱土壤的磷淋溶(表 3，表 4)。生物炭施用对土壤磷淋溶影响的矛盾结果可能与土壤性质，生物炭性质和施用量等因素有关。因此，生物炭是否能控制土壤磷淋溶存在不确定性，有待进一步研究。
黄花菜作为药食兼用的特色蔬菜，营养和经济价值高，已有较广泛栽培[18]，并具有发展高附加值特色蔬菜种植潜力。长季节蔬菜种植期间土壤养分淋溶与短季节蔬菜存在差异[19]。因此，本研究探明了黄花菜生长期间养分淋溶规律，以及灌溉、生物炭施用控制效果，其对制定兼顾经济与环境保护的蔬菜种植农艺措施具有实际意义[19]。本研究结果表明，减量灌溉可控制黄花菜种植土壤磷淋溶，但是有减少黄花菜产量风险。生物炭的施用可缓解节水灌溉带来的减少风险。未来，有必要在田间开展灌溉量和生物炭施用水平对土壤磷淋溶交互作用试验，确定控制常年生黄花菜土壤磷淋失的最佳灌溉量及生物炭施用量。为潮土区依托高附加值特色蔬菜产业和地下水污染控制提供支撑。
4 结论施用生物炭对土壤磷淋溶的影响与灌溉量有关，并存在年际差异。因此，生物炭施用是否能减少常年生黄花菜土壤磷淋溶存在不确定性，有待进一步研究。节水滴灌可减少土壤磷淋溶，施生物炭条件下节水滴灌减少土壤磷淋溶效果大于不施生物炭条件下节水滴灌减少土壤磷淋溶。节水滴灌除了减少土壤水垂直入渗，也通过降低土壤pH，提高土壤有效铁含量，进而减少0.01 mol/L CaCl2浸提土壤可淋溶磷而控制土壤磷淋溶。节水滴灌可使黄花菜产量有所降低，但随着种植年限的延长，灌溉和生物炭对产量的影响并不显著。综上，推荐节水灌溉结合施用生物炭作为控制潮土区农田土壤磷淋溶措施。此结果有必要通过大田试验进行验证。
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