长期配施生物炭与化肥提升连作土壤钾素（K）供应能力

《Land Degradation & Development》：Long-Term Combined Application of Biochar and Chemical Fertilizers Enhances Potassium Supply Capacity in Continuous Cropping Soils

　　

在集约化连作系统中维持土壤钾素（K）供应日益困难，因为长期作物移除往往超过土壤含钾（K）矿物的自然补给能力，导致植物有效K库逐渐耗竭。生物炭被认为是一种有前景的改良剂，能够改善土壤养分保持和钾（K）循环，但其对调控土壤K供应的矿物学和动力学机制的长期影响仍知之甚少。本研究报道了一项在棕壤上进行的为期9年的连续玉米单作田间试验，比较了单独施用生物炭（C）或与化肥配施（CNPK）与单独施用化肥（NPK）及未施肥对照的效果。与单独施用化肥相比，CNPK处理使玉米K吸收量和籽粒产量分别提高了35.9%和7.7%。与NPK处理相比，CNPK处理使水溶性K、交换性K和非交换性K分别提高了147.2%、28.6%和6.0%。从机制上看，对**论文解读：长期生物炭与化肥配施对连作土壤钾素供应能力的影响**

**1. 研究背景**

钾素（K）是作物生长必需的大量营养元素，在光合作用、蛋白质合成、酶活化、渗透调节及同化物运输等生理过程中发挥关键作用，对于保障玉米等作物的产量与品质至关重要。然而，全球农业生产正面临日益严峻的土壤K耗竭问题。全球评估显示，约20%的农业土壤存在严重缺钾现象，尤其在集约化生产区域风险更高。在华北平原的连作玉米系统中，每年作物带走的K?O可达160-200 kg ha?1，远超土壤矿物的自然补给能力。虽然化学钾肥能暂时提升土壤K有效性，但长期过量施用引发了环境污染、资源利用效率低下以及生产成本高昂等问题。因此，开发高效且环境可持续的K管理策略成为现代农业的核心目标。生物炭作为一种多孔材料，在土壤K管理中展现出巨大潜力，既能直接供K，又能促进缓效K向有效态转化。然而，生物炭对土壤K供应动态的调控机制，特别是其对土壤粘土矿物组成、K吸附位点再分配以及K释放动力学影响，在长期田间试验条件下尚缺乏系统研究。

**2. 主要技术方法**

本研究依托2013年建立于沈阳农业大学（40°48′ N, 123°33′ E）的长期定位试验，供试土壤为棕壤（Haplic Luvisol）。试验设置4个处理：不施肥对照（CK）、单施化肥（NPK）、单施生物炭（C）以及生物炭配施化肥（CNPK）。其中，生物炭由玉米秸秆在450°C热解制得，施用量为1500 kg ha?1。研究人员主要采用以下关键技术方法：1）田间试验与样品采集，于2022年玉米成熟期采集植株和0-20 cm耕层土壤样品；2）X射线衍射（XRD）分析，对<2 μm粘粒组分进行物相鉴定和半定量分析；3）K吸附位点分级提取，通过逐步提取法区分水溶性K、平面位点K、边缘位点K和层间位点K；4）K释放动力学研究，分别采用有机酸（柠檬酸+草酸）和四苯硼钠（NaTPB）两种提取剂进行长达1008小时和96小时的释放试验，并利用多种动力学模型（如伪二级、抛物线扩散、双常数方程）进行拟合。

**3. 研究结果**

**3.1 表观土壤钾平衡对生物炭施用的响应**
与单施化肥（NPK）相比，CNPK处理显著增加了玉米地上部生物量、籽粒产量和植株总K吸收量，分别提高84.2%、319.0%和309.0%。然而，由于产量提升导致K输出增加，CNPK处理的表观K平衡仍表现为负值（-75.3 kg ha?1），表明单独的表观平衡不足以评估土壤K供应能力。

**3.2 土壤理化性质与钾形态对生物炭施用的响应**
长期施肥显著改变了土壤理化性质和K形态。与NPK处理相比，CNPK处理进一步提高了土壤速效氮、速效磷、有机质和阳离子交换量（CEC），并由于生物炭的碱性，适度提升了土壤pH。在K形态方面，CNPK处理使水溶性K（WSK）、交换性K（EK）和非交换性K（NEK）含量分别比NPK处理提高了147.2%、28.6%和6.0%，表明生物炭配施显著增强了土壤K的即时供应能力和潜在供应潜力。

**3.3 粘土矿物组成与钾吸附位点对生物炭施用的响应**
XRD分析表明，长期施肥未改变粘土矿物种类（主要为蒙脱石、蛭石、伊利石、高岭石、绿泥石等），但改变了相对丰度。与NPK处理相比，CNPK处理下伊利石相对丰度增加了4.8个百分点，同时促进了K从边缘位点（e-sites）向平面位点（p-sites）的再分配（p-sites比例增加1.6%，e-sites比例减少0.8%），而层间位点（i-sites）K含量无显著差异。这表明生物炭配施有利于将K从高能结合位点解吸，使其更易被植物利用。

**3.4 土壤钾释放动力学对生物炭施用的响应**
在有机酸和NaTPB两种提取条件下，K释放均呈现“快速-慢速”双相模式。动力学模型拟合显示，抛物线扩散方程和双常数方程最优拟合快速释放阶段，伪二级动力学模型最优拟合慢速释放阶段。与NPK处理相比，CNPK处理在快速释放阶段显著提高了K释放量和释放速率，表明其增强了K的生物有效性。同时，CNPK处理在慢速释放阶段也维持了较高的释放率，显示出更持久和广泛的K释放能力增强。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分**指出，生物炭配施化肥的协同效应源于多方面：生物炭丰富的孔隙结构和表面官能团提高了土壤CEC，减少了K淋失，延长了K在土壤中的滞留时间；生物炭的碱性缓冲作用抑制了伊利石因酸化导致的层间膨胀和K释放，从而维持了较高的伊利石比例，而伊利石是K固定与释放的关键矿物；同时，生物炭促进了土壤微生物活动，其产生的有机酸和代谢产物进一步促进了K?从矿物基质中的释放与再分配。这些机制共同作用，实现了K从低有效性的边缘位点向高有效性的平面位点转移，并提升了K释放动力学参数。

**结论部分翻译**：在棕壤上连续9年玉米单作条件下，生物炭与化肥配施并未完全抵消作物带走导致的土壤K亏缺，但持续增强了土壤K供应的强度、容量和潜力。具体而言，与单施化肥相比，配施处理增加了水溶性、交换性和非交换性K库，促进了<2 μm粘粒组分中伊利石的保存，并将K占用从边缘位点（e-sites）转移到平面位点（p-sites），从而提高了快速释放阶段的K释放效率。这些耦合的矿物学和动力学效应维持了更高的K生物有效性，进而转化为更高的玉米K吸收量和籽粒产量。总体上，生物炭-化肥配施在缓解集约化玉米单作系统中的K限制方面是有效的。从实践角度看，每年使用玉米秸秆生物炭（1500 kg ha?1）与化肥配施，为秸秆回收、提高肥料保蓄能力和K投入的产量回报提供了一条途径。鉴于近期钾肥价格波动和供应成本问题，这种改进可能增强玉米生产系统的长期经济韧性，但广泛推荐前仍需进行正式的区域特定成本效益分析。为最大化其长期效益，未来应针对特定土壤和种植系统，优化施用量、生物炭特性、养分配方和经济效益。

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