Effects of silicon fertilizer and biochar on active silicon components in Phyllostachys edulis forest soil

研究区位于浙江省杭州市临安区青山镇(30°19′N，119°22′E)。该地年平均气温为16.0 ℃，年平均降水量为1 420.0 mm。该地土壤类型为红壤土类黄红壤亚类。研究区毛竹林管理年限为26 a，平均胸径为9.9 cm，平均密度为2 900 株·hm⁻²。撒施尿素(以氮计) 200 kg·hm⁻²·a⁻¹，氯化钾(以氧化钾计) 70 kg·hm⁻²·a⁻¹ 和过磷酸钙(以五氧化二磷计) 60 kg·hm⁻²·a⁻¹，并且每年手工移除林下植被^[27]。

遵循析因试验设计。生物质炭施用量分别为0和10 t·hm⁻²，代号分别为B₀和B₁；硅肥施用量分别为0和450 kg·hm⁻²，代号分别为S₀和S₁。本研究共设4个处理组合：S₀B₀、S₁B₀、S₀B₁和S₁B₁。每个处理3次重复，随机区组排列，每个试验小区面积为100 m²，小区和小区间有4 m 的缓冲带。试验前先将生物质炭进行干燥，再研磨过＜2 mm筛。

将硅肥和生物质炭翻耕20 cm入土。试验用生物质炭原材料为竹材(浙江景宇木炭公司生产)。生物质炭热解步骤为：升温速率为10 ℃·min⁻¹，氮气通量为3 L·min⁻¹，恒温500 ℃维持5 h。该生物质炭的总氮、总氢、总碳和总硫质量分数分别为9.6、12.7、440.4和8.5 g·kg⁻¹，生物可利用硅质量分数为 83.7 mg·kg⁻¹，pH 为10.4。硅肥由Osco工业集团股份公司生产。硅肥的总碳和总硅质量分数分别为7.2和337.4 g·kg⁻¹。

对每个小区多点采样。分别采集0~10和10~30 cm 土层土样，并将相同小区相同土层土样充分混合。不锈钢容重圈收集土壤容重样品。采集的土样风干，去除肉眼可见的根，并过2.00 mm 筛，用于测定土壤pH、土壤水溶性硅、生物可利用硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅和无定形硅。再从过2.00 mm 筛土样挑根研磨后过0.15 mm 筛，用于测定土壤有机碳、土壤有机氮、土壤植硅体、土壤总硅、土壤总铝和土壤总铁。

生物质炭和土样的pH用利用pH 计(土水质量比为1.00∶2.50，FE20)测定；生物质炭的总氮、总氢、总碳、总硫和土壤有机碳、土壤有机氮采用元素分析仪(model CHNS-O-rapid)测定；土壤总铁采用氢氟酸-高氯酸-硝酸消解-邻菲罗啉分光光度法测定；土壤总铝采用氟化钾取代-EDTA容量法测定。土壤总硅采用偏硼酸锂熔融和稀硝酸溶解法提取^[28]。土壤水溶性硅、生物可利用硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅和无定形硅采用硅逐级提取法^[29]，硅钼蓝法比色测定。采用微波消解和重液浮选法从土壤中分离植硅体。所有土壤样品分析均做3次重复。

硅各组分的计算：w_b-a=0.4w_p；w_p-a=w_a−w_b-a；w_n=w_a+w_s+w_o+w_d+w_b；w_c=w_t−w_n。其中：w_b-a为土壤中生物成因无定形硅的质量分数；w_p为土壤中植硅体的质量分数；w_p-a为土壤中成土成因无定形硅的质量分数；w_a为土壤中无定形硅的质量分数；w_n为土壤中活性硅(非晶质硅)的质量分数；w_s为土壤中铁锰氧化物结合态硅的质量分数；w_o为土壤中有机结合态硅的质量分数；w_d为土壤中水溶性硅的质量分数；w_b为土壤中生物可利用硅的质量分数；w_c为土壤中生物晶质硅的质量分数；w_t为土壤中总硅的质量分数；0.4为生物成因无定形硅和植硅体之间的转换系数^{[22, 30−32]}。无定形硅包含生物成因无定形硅和成土成因无定形硅。一般来说，生物成因硅组分包括植物成因硅(＜5 μm)、≥5 μm植硅体中的硅、动物成因硅和微生物成因硅(如细菌和真菌中的硅)。植硅体对陆地土壤生物成因无定形硅的贡献最大，因此，在本研究中，假设植硅体硅代表主要的生物成因无定形硅。

采用析因设计方差分析来测试处理效果。Duncan 新复极差法用于比较组均值之间的差异，其中“S×B”表示硅肥和生物质炭的交互作用。冗余分析和主成分分析利用Canoco 4.5 进行。所有统计分析均使用SPSS 26.0进行。结构方程模型使用AMOS 18.0 运行。

不论生物质炭添加与否，S₁处理的表层土壤有机碳(24.38 g·kg⁻¹)和总铝(66.69 g·kg⁻¹)高于S₀处理(有机碳为22.32 g·kg⁻¹、总铝为63.23 g·kg⁻¹，P＜0.05，表1和表2)。生物质炭的施用显著影响0~10和10~30 cm土层土壤有机碳质量分数和土壤pH(P＜0.05，表1和表2)。

硅肥施用显著影响了0~10和10~30 cm土层土壤活性硅库和0~10 cm土层土壤成土成因无定形硅质量分数。S₁处理毛竹林地0~10和10~30 cm 土层中的活性硅(非晶质硅)质量分数分别是S₀ 处理的113.6％和113.3％，而成土成因无定形硅质量分数则分别为S₀ 处理的175.0％和107.1％。与B₀处理相比，S₁毛竹林地0~10和10~30 cm 土层中的活性硅(非晶质硅)质量分数分别增加了28.0％和15.5％，而成土成因无定形硅质量分数则分别增加了97.9％和23.5％ (表3和表4)。

硅肥和生物质炭的施用及其相互作用显著影响了0~10 cm 土层中土壤水溶性硅(表5)。S₀B₁、S₁B₀和S₁B₁处理的0~10 cm土层中水溶性硅质量分数分别比S₀B₀处理提高了48.2%、96.7%和255.6%(图1A)，说明硅肥和生物质炭配施存在协同作用。

Figure 1.  Effect of silicon fertilizer and biochar addition on soil silicon component in 0－10 cm soil of P. edulis forests

S₁ 处理的0~10 cm 土层中生物可利用硅和铁锰氧化物结合态硅质量分数分别比S₀ 处理提高了95.4％和68.4%(主效应)(图1B和图1C)。与B₀ 处理相比，在0~10 cm 土层中，B₁ 处理使土壤有机结合态硅和生物成因无定形硅质量分数显著增加(P＜0.05)(图1D和图1E)。施用硅肥和生物质炭均可增加0~10 cm 土层的土壤无定形硅质量分数(图1F)。

硅肥和生物质炭两者施用对10~30 cm土层水溶性硅、生物可利用硅和有机结合态硅质量分数的影响仅为加和性效应(图2A、图2B和图2C)。硅肥增加了10~30 cm土层的铁锰氧化物结合态硅质量分数(图2D)。生物质炭增加了10~30 cm土层的无定形硅质量分数(图2E)。与B₀ 处理相比，B₁ 处理土壤生物成因无定形硅质量分数在10~30 cm 土层中没有增加(P＞0.05，图2F)。

Figure 2.  Effect of silicon fertilizer and biochar addition on soil silicon components in 10−30 cm soil of P. edulis forests

主成分中的2 个轴解释了植硅体参数中观察到的总变异的83.2％。因子1 解释了57.97％的变异。0~10和10~30 cm土层土壤中同一处理的土壤活性硅组分趋向于聚集。将土壤活性硅组分分为2 组，硅肥和生物质炭添加能改变土壤活性硅的组成(图3A)。冗余分析表明：土壤有机碳(F=7.1，P=0.002)的质量分数与土壤活性硅组分存在显著正相关(图3B)。

Figure 3.  Principal component analysis (PCA, A) and redundancy analysis (RDA, B) of active silicon fractions in response to silicon fertilizer and biochar addition in P. edulis forests

生物质炭的添加通过影响0~10 cm土层土壤生物成因无定形硅和成土成因无定形硅质量分数，进而影响活性硅组分，最终影响表层土壤水溶性硅。0~10 cm土层土壤水溶性硅主要由成土成因无定形硅驱动，其次是生物成因无定形硅(图4A)。

Figure 4.  The direct and indirect effects of silicon fertilizer and biochar addition on the soil dissolved silicon in the 0−10 and 10−30 cm soil layers of P. edulis forests

生物质炭的添加通过影响10~30 cm土层土壤pH，进而影响成土成因无定形硅和活性硅组分，最终影响亚层土壤水溶性硅。亚层土壤水溶性硅主要由土壤活性硅组分驱动，其次是成土成因无定形硅和pH(图4B)。

硅肥的施用增加了0~10 cm层土壤活性硅组分和活性硅库(图4C)。0~10 cm层土壤水溶性硅主要由硅肥驱动，其次是活性硅库(图4C)。而硅肥的施用增加了10~30 cm层土壤活性硅组分，进而增加了活性硅库(图4D)。10~30 cm层土壤水溶性硅主要由硅肥驱动，其次是活性硅组分(图4D)。

以往研究更多关注硅肥和生物质炭施用对植物硅吸收和土壤有效硅供应的影响效应，对土壤硅库转化及其与水溶性硅的关系尚未被量化。本研究发现：硅肥的施用提高了0~10和10~30 cm土层土壤水溶性硅、生物可利用性硅、铁锰氧化结合态硅，并提高了0~10 cm土层土壤成土成因无定形硅，说明硅肥的施用不仅仅提高了土壤的水溶性硅，并促进了土壤硅不同形态的转化。相似的结果在对水稻Oryza sativa、苜蓿Medicago sativa的研究中均有报道。水稻土壤中施硅肥可使土壤水溶性硅提高31%^[33]；高产苜蓿品种施用硅肥可使土壤有效硅提高38%，同时也能使高抗品种土壤有效硅提高34%^[34]，说明施用硅肥可提高土壤硅的可利用性，但提高幅度因植物种类不同存在差别。对于长期种植水稻但不施用硅肥的土壤，其无定形硅库随种植年限的增加而减少，表明无定形硅(生物成因)转化为生物可利用硅和水溶性硅被作物吸收利用。本研究表明：硅肥施用存在反向过程，即水溶性硅会被土壤氧化物吸附以及以成土成因无定形硅形式保存在土壤中。另外，硅肥施用介导活性硅组分的转换，提高活性硅库，进而提高土壤水溶性硅。说明硅肥施用提高水溶性硅的关键是通过维持活性硅库各组分的动态平衡，并提高活性硅总库容量来实现的。

生物质炭施入提高了0~10 和10~30 cm土层土壤水溶性硅、有机结合态硅、成土成因无定形硅，以及0~10 cm土层生物成因无定型硅。与硅肥施用相比，生物质炭改变土壤活性硅库，提高土壤有机结合态硅和生物成因无定形硅，依赖于生物质炭硅形态以生物成因无定形硅形式输入，并提高土壤有机碳，从而为以有机物质吸附硅提供可能。生物质炭的添加可以显著提高水稻、黑麦草Lolium perenne、棉花Gossypium hirsutum等作物土壤的可利用硅^[35−37]。也有研究表明：施用秸秆生物质炭可以增加土壤有效硅，但无硅生物质炭对土壤中的有效硅几乎没有影响^[38]，意味着生物质炭改变土壤硅库需要考虑生物质炭本身硅的数量和形态。

不同土层生物质炭对土壤水溶性硅的影响过程存在不同。0~10 cm土层生物质炭通过3条路径来提高水溶性硅：提高生物成因无定形硅(标准化路径系数为0.35)；改变活性硅组分转化，包括直接影响(标准化路径系数为−0.58)和介导成土成因无定形硅(标准化路径系数为0.57)，从而影响水溶性硅。涉及可能机制：①生物质炭投入会为土壤带入植硅体，植硅体溶解提高了土壤水溶性；②生物质炭本身疏松多孔和较大比表面积会与土壤氧化物影响硅的吸附；③生物质炭的有些纳米颗粒成分可能沉淀为成土成因无定形硅。10~30 cm土层生物质炭主要通过提高土壤pH，改变成土成因无定型硅和活性硅库各组分硅的动态平衡来提高水溶性硅^[39−41]。

本研究还表明：硅肥和生物质炭对0~10 cm土层水溶性硅存在协同效应，正如前面提到硅肥和生物质炭提高水溶性硅实现路径的不同，硅肥和生物质炭耦合会使部分硅组分吸附和沉积达到饱和。进一步冗余分析结果表明：土壤有机碳对活性硅库有很好的指示作用，土壤有机碳很可能作为限制因子决定活性硅库吸附过程最大容量。

硅肥和生物质炭施用均能改变毛竹林土壤硅组分在不同土层的分布，同时也促进土壤活性硅的积累。除0~10 cm土层土壤水溶性硅外，硅肥和生物质炭施用对各层土壤硅组分的影响均为加和性正效应。硅肥添加提高土壤水溶性硅积累的关键是自身投入大量可溶性硅，影响土壤硅组分转化，提高土壤活性硅供给能力。生物质炭添加提高0~10 cm土层土壤水溶性硅积累的关键在于提高了土壤生物成因和成土成因的无定形硅；对于10~30 cm土层土壤水溶性硅的影响主要由于生物质炭提高土壤pH，促进成土成因无定形硅的积累，改变了土壤活性硅组分分布。