Biochar：长期添加生物炭显著降低了水稻根际有效磷及其向环境释放的风险
在水稻根际添加生物炭可以改变磷(P)的有效性、扩散和补充过程，从而降低磷向环境中释放的风险，然而，目前对根际过程的原位研究很少。为了探讨生物炭添加对土壤磷有效性的影响，采用高分辨孔隙水采样技术（HR-Peeper）、薄膜扩散梯度采样技术（DGT）和酶谱技术进行研究，为亚毫米尺度下磷在水稻根际的迁移提供直接证据。
本研究进行了为期9年的田间试验和温室盆栽实验，基于HR-Peeper、DGT和有效态磷融合的二维成像结果表明：添加生物炭显著降低了水稻根际可溶性/有效态P和Fe浓度（相对于不添加生物炭；CK）。土壤/沉积物（DIFS）模型和沉积物磷释放风险指数（SPRRI）中的DGT通量进一步表明，生物炭的添加降低了磷从土壤固体到溶液的扩散和再供应能力，从而降低了磷对环境的释放风险。这些过程主要由Fe氧化还原循环和Al（氢）氧化物的水解控制，这大大增加了不可利用的P（Ca-P和残余P）。此外，温室盆栽试验（不添加生物炭）表明，由于根际区对磷减少的适应性增强反应，先前长期添加生物炭显著提高了土壤磷酸酶活性。对水稻根际磷的生物地球化学反应的原位研究可能为更好地评估生物炭的添加和对农业土壤的潜在效益提供了一个新的直接视角。
本研究使用智感环境高分辨孔隙水采样器（HR-Peeper）同时测量土壤孔隙水中可溶性活性磷（Peeper-P）和可溶性铁（Peeper-Fe）浓度；应用智感环境薄膜扩散梯度装置（ZrO-Chelex DGT）同时测量土壤有效态磷和铁（DGT-P/ Fe）浓度。
水稻土壤水稻根系在水稻幼苗阶段四个生物炭现场处理实验条件下，溶解态磷/铁(a)，有效态磷/铁(b)和有效态磷通量(c)的变化。计算了三个重复深度剖面的溶解态磷/铁(d)、有效态磷/铁(e)和有效态磷通量(f)的平均浓度。
使用Zr-oxide DGT装置测量土壤有效态磷混合（二维DGT成像）。在2018年水稻生长季（为期9年的田间试验）的苗期（2018年7月18日，水稻移植后第14天）应用DGT装置和HR-Peeper装置，共重复3次。
具体来说：将HR-Peeper以尽可能小的干扰，手动插入水稻根区，24小时后插入DGT装置。再次等待24小时后，将DGT装置和HR-Peeper装置一同小心地取出，运到实验室进一步进行分析，每个地块的温度为29°C。
水稻根系在水稻苗期四个生物炭处理现场温室盆栽实验在1、14和28天，溶解态磷/铁(a)和有效态磷/铁(b)的浓度变化。
温室盆栽第1、14和28天4次生物炭处理下水稻苗期水稻根系周围土壤酸性和碱性磷酸酶活性的原位酶谱图。
长期使用生物炭（9年）导致的磷有效性和释放风险降低的概念图。Fe/Al-P、Ca-P和残余磷代表土壤固相P。Peeper-P代表土壤溶液可溶性磷，DGT-P代表水稻根际可用磷。Dspt速率代表磷从土壤固体向溶液的解吸速率。K1/K-1是吸附速率与解吸速率的比值。R是DGT-P与Peeper-P的比率。
在本研究中，我们采用原位DGT和HR-Peeper方法研究了磷的有效态和溶解态浓度，同时观察了长期添加生物炭对水稻根际磷酸酶活性的影响。研究结果发现根际附近Peeper-P、DGT-P和活性P通量显著降低，而磷酸酶活性显著升高，表明添加生物炭显著降低了水稻根际磷的有效性。采用DIFS模型结合SPRRI计算P转移和P释放风险，结果表明，生物炭的添加显著降低了磷的扩散和再补给，降低了磷的释放风险。此外，铁氧化还原循环、Al(氢)氧化物结合磷的水解和非有效磷的增加是磷的迁移和再供给的主要因素。通过对水稻根际磷的局部生物地球化学循环和环境释放风险的评估，我们进一步了解了生物炭添加方式对水稻土养分循环的影响。
Chen, H., Yuan, J., Chen, G. et al. Long-term biochar addition significantly decreases rice rhizosphere available phosphorus and its release risk to the environment. Biochar 4, 54 (2022). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00178-7
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https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-022-00178-7
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