摘 要 凍融交替是東北地區土壤常見的溫度變化現象。通過室內模擬凍融循環方法，分析秸稈生物炭輸入對凍融期東北地區棕壤有效磷影響規律及機理，探討生物炭還田對東北春季作物生長初期土壤養分供應狀況的影響。結果表明：（1）除在0~5次凍融循環中凍融次數對有效磷含量無顯著影響外，凍融循環次數、生物炭施加量以及二者交互作用對土壤有效磷含量在各凍融階段（0~5次、5~30次、0~30次）均有極顯著影響。（2）培養結束后施加生物炭量2%、4%和6%處理，有效磷含量隨生物炭施入量增大而依次增加，且均明顯高于對照處理20%以上。各處理在第5次凍融左右達到峰值，有效磷含量增加幅度隨生物炭施加量增加而減小。在第20次凍融循環后各處理有效磷含量達到相對谷值，此時施加生物炭處理有效磷含量較未凍融時有明顯降低。說明，生物炭在常溫培養時可以增加土壤有效磷含量，但是，在凍融過程中，相對于對照處理可以較好固持土壤磷素，減小磷素隨融雪過程流失的風險。（3）通過分析生物炭輸入后棕壤pH、電導率、有機質和中性磷酸酶活性等生物化學性質對凍融循環過程響應，以及不同凍融循環階段與土壤有效磷相關分析，發現有機質含量在凍融循環過程中變化顯著且與有效磷含量具有顯著相關性。生物炭通過增強團聚體穩定性，減少有機質釋放來固持土壤磷素。
關鍵詞 生物炭；凍融作用；棕壤；有效磷；有機質。
我國秸稈資源豐富，但目前其利用率尚處于較低水平。秸稈生物炭由作物秸稈在高溫絕氧作用下熱解制備而成，具有提升耕地質量、實現碳封存等作用。生物炭因其較大的孔隙度和比表面積，可以改變土壤理化性質[1-2],提高土壤肥力。此外，生物炭可以對土壤環境進行改變進而影響微生物，使得其對磷元素的吸收、釋放和有效性進行間接的影響[3].DeLuca等[4]研究得出，由于生物碳具有一定交換陰陽離子的能力，施加生物炭后，通過其與磷元素之間相互作用可以提高土壤中磷的有效性。Chintala等[5]研究發現生物炭對磷有吸附作用，且其吸附能力的大小視原料而定?？梢?，生物炭可以通過改變土壤理化性質或土壤環境直接或間接影響土壤磷有效性。
以往研究多針對作物生長期，關于中高緯度地區凍融期生物炭對有效磷影響的研究則較為少見。在我國東北地區，凍融交替是春季典型的氣候特征。反復的“晝融夜凍”作用導致土壤結構被破壞，團聚體穩定性發生改變，有機質礦化速率高，一些金屬離子濃度和形態發生轉化[6].土壤中有效磷因團聚體破碎而釋放，而一些金屬離子與有效磷的結合，又會直接導致有效磷含量的降低。由于凍融作用使得土壤中有效磷含量極不穩定[7-9],進而影響作物生長初期的土壤有效養分供給。生物炭可以通過改變土壤理化性質或土壤環境直接或間接影響土壤磷有效性，但是在東北凍融期，秸稈生物炭輸入是否能夠增加土壤磷素有效性？在反復凍融作用下，生物炭影響有效磷的機理是什么？目前尚缺少相關研究。因此，本研究選取遼寧地區典型土壤--棕壤為研究對象，通過室內模擬凍融循環試驗，研究秸稈生物炭輸入對凍融期有效磷含量及其相關指標的影響。旨在探明秸稈生物炭還田對凍融期土壤有效磷的影響及機理，研究結果對東北地區生物炭還田實踐和理論方面有一定的意義。
1 材料與方法。
1.1 供試材料。
2015年秋收后在沈陽農業大學水利綜合試驗基地玉米大田采集土壤。試驗區域位于北緯41°44′，東經123°27′，海拔44.7 m,位于沈陽市東部。研究地年平均氣溫8.1,冬季平均氣溫-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm,年無霜期為149 d.冬季土壤最大凍結深度為148 cm.土壤類型為潮棕壤，成土母質為黃土性黏土及淤積物。取土時地表有部分秸稈覆蓋，取土前一周有少量降雨，土壤含水率為20.31%.在取土處的玉米大田均勻設置5個1 m×1 m的樣方，清理表層作物殘茬后收集每個樣方的0~10 cm表層土壤，然后將5個樣方的土壤充分混合后取部分裝袋帶回室內。將除去作物葉子、根系和石塊等雜物后的鮮土過孔徑5 mm的土壤篩備用。經測定，供試土壤的田間持水量為37.89%,容重1.28 g cm-3,pH 6.36,有機質13.25 g kg-1,電導率209 S m-1,有效磷15.9 mg kg-1,中性磷酸酶活性（以下簡稱磷酸酶）94 μg g-1.
本實驗生物炭以東北地區主要農作物廢棄物玉米秸稈為原材料，委托遼寧省生物炭技術研究中心制備。采用適用地域廣、操作簡便的專利炭化爐[10]以亞高溫缺氧干餾為原理，于裂解溫度為450℃生產制備。因本實驗為機理性實驗，為使秸稈生物炭更加均勻地與土壤混合，充分發揮生物炭作用，選取過1 mm篩后的較細顆粒生物炭作為實驗材料。經測定，生物炭比表面積為0.85 m2g-1,pH 7.74,電導率179.6 S m-1,有效磷19.3 mg kg-1.
1.2 實驗方法。
1.2.1 室內培養實驗 將生物炭與風干后的土壤按炭土比0%（空白對照）、2%、4%、6%進行充分混合，根據田間0~10 cm土壤容重計算出以上比例相當于田間施用量0、25.6、51.2、76.8 t hm-2（生物炭施加量主要參考近期國內外相關生物炭和土壤性質研究中常用比例[11-14]）。將風干過篩后按比例添加生物炭的土壤用去離子水調節含水率為田間持水量的50%（與采集的鮮土含水率保持一致）。將制備好的土樣2.5 kg放入20 cm×20 cm×15 cm有機玻璃培養盒中，于常溫下培養60 d,期間每周定期稱重補水使其含水量保持不變。每個施加量為一個處理，每處理設置三個重復。
1.2.2 凍融循環實驗 培養期結束后，將土樣置于自制凍融循環儀（精度為±0.3℃）中進行凍融實驗。自然界中表層土壤夜晚會出現凍結，白天出現消融，所以將凍融循環設定為凍結12 h,融解12 h.根據2010年以來沈陽農業大學水利學院綜合實驗基地氣象站監測凍融期持續時間以及凍融溫度等數據，選取30次作為凍融循環次數，凍融溫差-10~7℃為實驗控制溫度，基本接近田間實際狀況。為探明凍融過程中土壤磷及其相關指標的變化，在0、1、3、5、10、20、30次凍融循環結束后從培養盒中均勻取出一定量土樣進行指標測定。凍融實驗過程中將培養盒表面用塑料膜密封以確保含水率不變。
1.3 測定方法。
有效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3提取―鉬銻抗比色法測定[15];pH采用電位法測定，水土比為2.5∶1[15];電導率采用電導法測定，水土比為5∶1[15];有機質采用直接加熱消解法測定[16],是重鉻酸鉀容量法（外加熱法）的一種，將傳統油浴加熱改為在消解裝置中加熱消解。磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，測定結果以培養24 h后1 g土壤釋放出酚的質量表示[17].生物炭比表面積采用氣體吸附BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面積檢測法[18];生物炭pH測定參照木質活性炭pH的測定方法[19];生物炭電導率測定參照粉狀活性炭電導率測定方法[20].
1.4 數據分析。
測定結果均采用3次重復（誤差不超過5%）平均值，應用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行數據處理及作圖分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對數據進行顯著性檢驗，用皮爾森（Pearson）法分析其相關性。
關鍵詞 生物炭；凍融作用；棕壤；有效磷；有機質。
我國秸稈資源豐富，但目前其利用率尚處于較低水平。秸稈生物炭由作物秸稈在高溫絕氧作用下熱解制備而成，具有提升耕地質量、實現碳封存等作用。生物炭因其較大的孔隙度和比表面積，可以改變土壤理化性質[1-2],提高土壤肥力。此外，生物炭可以對土壤環境進行改變進而影響微生物，使得其對磷元素的吸收、釋放和有效性進行間接的影響[3].DeLuca等[4]研究得出，由于生物碳具有一定交換陰陽離子的能力，施加生物炭后，通過其與磷元素之間相互作用可以提高土壤中磷的有效性。Chintala等[5]研究發現生物炭對磷有吸附作用，且其吸附能力的大小視原料而定?？梢?，生物炭可以通過改變土壤理化性質或土壤環境直接或間接影響土壤磷有效性。
以往研究多針對作物生長期，關于中高緯度地區凍融期生物炭對有效磷影響的研究則較為少見。在我國東北地區，凍融交替是春季典型的氣候特征。反復的“晝融夜凍”作用導致土壤結構被破壞，團聚體穩定性發生改變，有機質礦化速率高，一些金屬離子濃度和形態發生轉化[6].土壤中有效磷因團聚體破碎而釋放，而一些金屬離子與有效磷的結合，又會直接導致有效磷含量的降低。由于凍融作用使得土壤中有效磷含量極不穩定[7-9],進而影響作物生長初期的土壤有效養分供給。生物炭可以通過改變土壤理化性質或土壤環境直接或間接影響土壤磷有效性，但是在東北凍融期，秸稈生物炭輸入是否能夠增加土壤磷素有效性？在反復凍融作用下，生物炭影響有效磷的機理是什么？目前尚缺少相關研究。因此，本研究選取遼寧地區典型土壤--棕壤為研究對象，通過室內模擬凍融循環試驗，研究秸稈生物炭輸入對凍融期有效磷含量及其相關指標的影響。旨在探明秸稈生物炭還田對凍融期土壤有效磷的影響及機理，研究結果對東北地區生物炭還田實踐和理論方面有一定的意義。
1 材料與方法。
1.1 供試材料。
2015年秋收后在沈陽農業大學水利綜合試驗基地玉米大田采集土壤。試驗區域位于北緯41°44′，東經123°27′，海拔44.7 m,位于沈陽市東部。研究地年平均氣溫8.1,冬季平均氣溫-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm,年無霜期為149 d.冬季土壤最大凍結深度為148 cm.土壤類型為潮棕壤，成土母質為黃土性黏土及淤積物。取土時地表有部分秸稈覆蓋，取土前一周有少量降雨，土壤含水率為20.31%.在取土處的玉米大田均勻設置5個1 m×1 m的樣方，清理表層作物殘茬后收集每個樣方的0~10 cm表層土壤，然后將5個樣方的土壤充分混合后取部分裝袋帶回室內。將除去作物葉子、根系和石塊等雜物后的鮮土過孔徑5 mm的土壤篩備用。經測定，供試土壤的田間持水量為37.89%,容重1.28 g cm-3,pH 6.36,有機質13.25 g kg-1,電導率209 S m-1,有效磷15.9 mg kg-1,中性磷酸酶活性（以下簡稱磷酸酶）94 μg g-1.
本實驗生物炭以東北地區主要農作物廢棄物玉米秸稈為原材料，委托遼寧省生物炭技術研究中心制備。采用適用地域廣、操作簡便的專利炭化爐[10]以亞高溫缺氧干餾為原理，于裂解溫度為450℃生產制備。因本實驗為機理性實驗，為使秸稈生物炭更加均勻地與土壤混合，充分發揮生物炭作用，選取過1 mm篩后的較細顆粒生物炭作為實驗材料。經測定，生物炭比表面積為0.85 m2g-1,pH 7.74,電導率179.6 S m-1,有效磷19.3 mg kg-1.
1.2 實驗方法。
1.2.1 室內培養實驗 將生物炭與風干后的土壤按炭土比0%（空白對照）、2%、4%、6%進行充分混合，根據田間0~10 cm土壤容重計算出以上比例相當于田間施用量0、25.6、51.2、76.8 t hm-2（生物炭施加量主要參考近期國內外相關生物炭和土壤性質研究中常用比例[11-14]）。將風干過篩后按比例添加生物炭的土壤用去離子水調節含水率為田間持水量的50%（與采集的鮮土含水率保持一致）。將制備好的土樣2.5 kg放入20 cm×20 cm×15 cm有機玻璃培養盒中，于常溫下培養60 d,期間每周定期稱重補水使其含水量保持不變。每個施加量為一個處理，每處理設置三個重復。
1.2.2 凍融循環實驗 培養期結束后，將土樣置于自制凍融循環儀（精度為±0.3℃）中進行凍融實驗。自然界中表層土壤夜晚會出現凍結，白天出現消融，所以將凍融循環設定為凍結12 h,融解12 h.根據2010年以來沈陽農業大學水利學院綜合實驗基地氣象站監測凍融期持續時間以及凍融溫度等數據，選取30次作為凍融循環次數，凍融溫差-10~7℃為實驗控制溫度，基本接近田間實際狀況。為探明凍融過程中土壤磷及其相關指標的變化，在0、1、3、5、10、20、30次凍融循環結束后從培養盒中均勻取出一定量土樣進行指標測定。凍融實驗過程中將培養盒表面用塑料膜密封以確保含水率不變。
1.3 測定方法。
有效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3提取―鉬銻抗比色法測定[15];pH采用電位法測定，水土比為2.5∶1[15];電導率采用電導法測定，水土比為5∶1[15];有機質采用直接加熱消解法測定[16],是重鉻酸鉀容量法（外加熱法）的一種，將傳統油浴加熱改為在消解裝置中加熱消解。磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，測定結果以培養24 h后1 g土壤釋放出酚的質量表示[17].生物炭比表面積采用氣體吸附BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面積檢測法[18];生物炭pH測定參照木質活性炭pH的測定方法[19];生物炭電導率測定參照粉狀活性炭電導率測定方法[20].
1.4 數據分析。
測定結果均采用3次重復（誤差不超過5%）平均值，應用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行數據處理及作圖分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對數據進行顯著性檢驗，用皮爾森（Pearson）法分析其相關性。
