本实验生物炭以东北地区主要农作物废弃物玉米秸秆为原材料，委托辽宁省生物炭技术研究中心制备。采用适用地域广、操作简便的专利炭化炉[10]以亚高温缺氧干馏为原理，于裂解温度为450℃生产制备。因本实验为机理性实验，为使秸秆生物炭更加均匀地与土壤混合，充分发挥生物炭作用，选取过1 mm筛后的较细颗粒生物炭作为实验材料。经测定，生物炭比表面积为0.85 m2g-1,pH 7.74,电导率179.6 S m-1,有效磷19.3 mg kg-1.

　　1.2 实验方法。

　　1.2.1 室内培养实验 将生物炭与风干后的土壤按炭土比0%（空白对照）、2%、4%、6%进行充分混合，根据田间0~10 cm土壤容重计算出以上比例相当于田间施用量0、25.6、51.2、76.8 t hm-2（生物炭施加量主要参考近期国内外相关生物炭和土壤性质研究中常用比例[11-14]）。将风干过筛后按比例添加生物炭的土壤用去离子水调节含水率为田间持水量的50%（与采集的鲜土含水率保持一致）。将制备好的土样2.5 kg放入20 cm×20 cm×15 cm有机玻璃培养盒中，于常温下培养60 d,期间每周定期称重补水使其含水量保持不变。每个施加量为一个处理，每处理设置三个重复。

　　1.2.2 冻融循环实验 培养期结束后，将土样置于自制冻融循环仪（精度为±0.3℃）中进行冻融实验。自然界中表层土壤夜晚会出现冻结，白天出现消融，所以将冻融循环设定为冻结12 h,融解12 h.根据2010年以来沈阳农业大学水利学院综合实验基地气象站监测冻融期持续时间以及冻融温度等数据，选取30次作为冻融循环次数，冻融温差-10~7℃为实验控制温度，基本接近田间实际状况。为探明冻融过程中土壤磷及其相关指标的`变化，在0、1、3、5、10、20、30次冻融循环结束后从培养盒中均匀取出一定量土样进行指标测定。冻融实验过程中将培养盒表面用塑料膜密封以确保含水率不变。

　　1.3 测定方法。

　　有效磷采用0.5 mol L-1NaHCO3提取―钼锑抗比色法测定[15];pH采用电位法测定，水土比为2.5∶1[15];电导率采用电导法测定，水土比为5∶1[15];有机质采用直接加热消解法测定[16],是重铬酸钾容量法（外加热法）的一种，将传统油浴加热改为在消解装置中加热消解。磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，测定结果以培养24 h后1 g土壤释放出酚的质量表示[17].生物炭比表面积采用气体吸附BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面积检测法[18];生物炭pH测定参照木质活性炭pH的测定方法[19];生物炭电导率测定参照粉状活性炭电导率测定方法[20].

　　1.4 数据分析。

　　测定结果均采用3次重复（误差不超过5%）平均值，应用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据处理及作图分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）对数据进行显着性检验，用皮尔森（Pearson）法分析其相关性。

　　2 结果与讨论。

　　2.1 秸秆生物炭输入对冻融期棕壤有效磷含量的影响。

　　施加不同量生物炭处理有效磷含量随冻融循环次数变化结果见表1.总体而言，0~30次冻融循环中各处理有效磷含量表现为先增加后减少，而到30次冻融循环时又有一定幅度增加的趋势。培养结束后，施加生物炭量2%、4%和6%处理有效磷含量随生物炭施入量增大而依次增加，且均明显高于对照处理20%以上。生物炭本身含有较丰富的磷元素，施入土壤后可以改善土壤养分供应[21].生物炭的多孔性能够为微生物生存提供较大空间，提高微生物分解能力，增加土壤养分含量[12].各处理0~5次冻融循环有效磷含量变化不稳定，并且在第5次左右达到最高值。对照处理以及施加生物炭量2%和4%处理在第5次冻融循环后有效磷含量分别为20.54、22.83、23.18 mg kg-1,较各处理未冻融时分别提高了24%、11.1%和11.2%.施加6%处理前5次冻融循环间有效磷含量并无显着性变化。

　　将生物炭施加水平和冻融循环次数对土壤有效磷含量影响进行方差分析，结果见表2.除在0~5次冻融循环中冻融次数对有效磷含量无显着性影响外，冻融循环次数、生物炭施加量以及二者交互作用对土壤有效磷含量在各冻融阶段（0~5次、5~30次、0~30次）均有极显着影响。

　　由此可见，在前期冻融过程中，生物炭输入并未大幅度提高有效磷含量，甚至将各处理进行总体方差分析时，得出冻融作用对有效磷含量无显着影响的结论。分析其原因，主要与土壤团聚体有关。由于冻融作用，团聚体受冰晶压缩而破碎，团聚体作为土壤养料库，包含其中的有效磷因团聚体破碎而释放出来。生物炭在室温培养时，能增强微生物活性，形成多糖从而增强团聚体稳定性，所以，在冻融过程中因团聚体破碎释放的有效磷减少[22].生物炭在冻融初期对土壤磷素起到固持和保护作用，减少因解冻期积雪融化而产生的有效磷损失。在第20次冻融循环后，除对照处理较未冻融时无显着性变化，其他各处理有效磷含量均达到最低值，较未冻融时分别降低了18.9%、8.2%和9.5%.土壤经过多次冻融后，大部分团聚体已经破碎，其中可溶性有机质释放量下降，微生物的分解速率减慢，有效磷含量下降[23].在30次循环时，土壤溶液中的养分元素与有机质、微生物体之间保持平衡，土壤有效磷含量基本稳定。