生物炭施用對(duì)設(shè)施菜地夏填閑糯玉米生長(zhǎng)和土壤磷素吸收的影響

王大鳳 盧樹(shù)昌 王威

摘要：以糯玉米為供試作物，以草本生物炭為供試調(diào)理劑材料，設(shè)計(jì)6個(gè)不同生物炭用量，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%）處理，研究生物炭施用對(duì)夏填閑糯玉米生長(zhǎng)與土壤磷素吸收的影響。結(jié)果表明，隨著生物炭用量的增加，株高、莖粗均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中C4處理株高最大，為272.0 cm，葉綠素相對(duì)含量隨著作物生長(zhǎng)發(fā)育較生長(zhǎng)前期均有所增加。填閑糯玉米總干物質(zhì)量和吸磷量均出現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)，其中C3處理總干物質(zhì)量最大，吸磷量則是C2處理較好。土壤總磷和有效磷含量均有所降低，其中C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%，其他土層中，均是C3處理降低最為明顯。表明，0.5%～2.0%生物炭施用量范圍種植填閑糯玉米對(duì)阻控磷素的淋失問(wèn)題效果較好。

關(guān)鍵詞：設(shè)施土壤;填閑糯玉米;磷素吸收;生物炭

中圖分類號(hào)：S513.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）04-0068-05

收稿日期：2021-07-28

基金項(xiàng)目：天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：19YFZCSN00290）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFD0801006）。

作者簡(jiǎn)介：王大鳳（1995—），女，天津人，碩士研究生，從事農(nóng)田土壤與作物生長(zhǎng)環(huán)境關(guān)系研究。E-mail：1340005705@qq.com。

通信作者：盧樹(shù)昌，博士，教授，從事農(nóng)田土壤質(zhì)量與植物營(yíng)養(yǎng)的教學(xué)與科研工作。E-mail：lsc9707@163.com。

磷素不僅是設(shè)施作物生長(zhǎng)的限制因子，也是造成設(shè)施土壤環(huán)境污染的重要因素之一[1-3]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用磷肥能更好地促進(jìn)蔬菜作物生長(zhǎng)，但是施入土壤中的磷素不能完全被蔬菜吸收利用，有研究表明，多數(shù)作物的當(dāng)季磷肥利用率只有10%～20%[4]。越來(lái)越多的磷素累積在土壤中，極大地增加了磷素在土壤中的移動(dòng)性和淋失風(fēng)險(xiǎn)[5-6]，造成面源污染。針對(duì)該問(wèn)題有學(xué)者提出，種植夏季填閑作物可以提高磷素利用率。設(shè)施菜地夏季填閑作物一般選用根系發(fā)達(dá)、短期生物量大且具有較高氮磷吸收能力的作物[7-8]，如甜玉米、糯玉米、甜高粱等[9-11]。種植夏季填閑作物對(duì)0～30 cm淺層設(shè)施土壤中有效磷和水溶性磷具有良好的淋失阻控效果[12]。研究表明，深根系作物吸收來(lái)自深層土壤的磷素，在降低磷素?fù)p失方面，較從淺層土壤吸收相同量磷素控制風(fēng)險(xiǎn)效果更明顯[13-14]。解決設(shè)施土壤磷素累積問(wèn)題的另一個(gè)途徑是施用土壤調(diào)理劑（如生物炭）。生物炭是不同來(lái)源有機(jī)物質(zhì)（如作物秸稈、生活污泥和動(dòng)物糞便等）在缺氧條件下通過(guò)較低溫度（≤700 ℃）熱裂解產(chǎn)生的一類含碳、穩(wěn)定、高度芳構(gòu)化的碳質(zhì)材料[15]。生物炭具有較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的陽(yáng)離子交換量、能促進(jìn)植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)[16-18]。生物炭可以用來(lái)提高土壤質(zhì)量[19-21]，增加土壤中磷素的吸持能力[22]，減緩?fù)寥乐械酿B(yǎng)分釋放速度，同時(shí)還可以改變土壤的理化性質(zhì)。梁錦秀等研究設(shè)計(jì)不同水平生物炭施用量對(duì)春小麥氮磷鉀吸收量的影響表明，施用生物炭18 000 kg/hm2處理下，植株磷素吸收量增加了3.1%～20.2%[23]。

目前，種植填閑作物減少土壤磷素?fù)p失具有一定的效果，生物炭作為土壤調(diào)理劑，研究多集中在土壤理化性狀改善方面，對(duì)影響土壤磷素吸收的生物炭用量的研究較少，缺乏對(duì)最佳施用量的深入探討。基于此，本試驗(yàn)提出采用填閑糯玉米與生物炭結(jié)合的方法，探究生物炭的最佳施用量，以期為控制設(shè)施土壤磷素面源污染、降低磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村，該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤質(zhì)地為中壤，試驗(yàn)土壤表層總磷含量為4.54 g/kg，有效磷含量為443.96 mg/kg，土壤磷含量處于豐富水平，土壤磷累積比較嚴(yán)重，加之灌水量大，存在磷淋洗環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試作物 試驗(yàn)采用糯玉米為供試作物，品種為雪糯2號(hào)，經(jīng)過(guò)前期夏季填閑作物種植密度試驗(yàn)[24]篩選，采用10.5萬(wàn)株/hm2（株行距為19 cm×50 cm）的種植密度進(jìn)行種植最佳，生育期為90 d。

1.2.2 供試調(diào)理劑材料 草本生物炭由稻殼材料制作，pH值為10.47，有機(jī)碳含量為450 g/kg，購(gòu)自天津亞德?tīng)柹镔|(zhì)科技股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2020年冬春茬番茄收獲后進(jìn)行，按照生物炭的施用量共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%），生物炭施用水平根據(jù)該試驗(yàn)菜田每 667 m2 耕層土質(zhì)量160 000 kg的百分率進(jìn)行施用，然后將生物炭均勻撒施在土壤表面（0～20 cm），翻耕混勻。每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)面積為 35.84 m2。試驗(yàn)時(shí)間為2020年6—8月，6月初種植，8月中旬收獲測(cè)定鮮生物量，同時(shí)采集種植前和采收后的0～30、>30～60、>60～90、>90～120 cm土壤樣品，測(cè)定植株磷素和土壤磷素含量等指標(biāo)。整個(gè)過(guò)程不施加任何肥料。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 長(zhǎng)勢(shì)測(cè)定 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)與小區(qū)糯玉米平均長(zhǎng)勢(shì)一致的樣株進(jìn)行測(cè)定。其中，株高為莖基部至頂葉高度，莖粗為第1節(jié)間中部莖的直徑（用游標(biāo)卡尺測(cè)定），采用葉綠素儀測(cè)定葉綠素相對(duì)含量（SPAD值）。

1.4.2 干物質(zhì)量測(cè)定 收獲時(shí)將小區(qū)糯玉米植株分部位稱質(zhì)量，并隨機(jī)選取各處理中具有代表性的植株和根系（根系為0～20 cm土層深度），在烘箱內(nèi)105 ℃下殺青1 h，然后75 ℃烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算含水量，進(jìn)一步折算干物質(zhì)量。

1.4.3 植物吸磷量測(cè)定 分別將糯玉米樣株地上部樣品與根部樣品烘干后粉碎過(guò)篩，經(jīng)過(guò)濃硫酸-雙氧水法消解后，采用釩鉬黃比色法測(cè)定出各部位全磷含量，吸磷量為收獲植株的干物質(zhì)量×含磷量。

1.4.4 土壤總磷、有效磷含量測(cè)定 采用濃硫酸-高氯酸消解，鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤總磷含量;采用碳酸氫鈉溶液浸提，鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤有效磷含量。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncans新復(fù)極差法和LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理糯玉米長(zhǎng)勢(shì)狀況

不同處理填閑糯玉米生長(zhǎng)狀況長(zhǎng)勢(shì)比較見(jiàn)表1。糯玉米生長(zhǎng)中后期，株高隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中C3處理株高最大，為272.0 cm，其次為C4處理，C1處理最小，為242.0 cm。填閑糯玉米生長(zhǎng)前、中后期莖粗變化趨勢(shì)與株高變化趨勢(shì)大體一致，各處理之間沒(méi)有顯著差異。隨著糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，生長(zhǎng)中后期葉綠素相對(duì)含量較生長(zhǎng)前期均有增加。綜合來(lái)看C3、C4處理糯玉米長(zhǎng)勢(shì)較好。

2.2 不同處理糯玉米干物質(zhì)量狀況

由圖1可知，填閑糯玉米總干物質(zhì)量隨著生物炭施用量的增加先增加后減少，各處理之間存在顯著性差異。C3處理達(dá)到最大值，為 8 972.49 kg/hm2，其次為C4處理，C6處理最小，其總干物質(zhì)量為 3 105.12 kg/hm2。

各部位干物質(zhì)量變化趨勢(shì)與總干物質(zhì)量變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。其中地上部C3處理干物質(zhì)量最大，為7 796.59 kg/hm2，其次為C4處理，為7 032.95 kg/hm2，與其他各處理差異顯著;地下部干物質(zhì)量C3處理最大，為 1 175.89 kg/hm2，與其他處理差異顯著。綜合考慮較好處理為C3、C4處理。

2.3 不同處理糯玉米的磷素吸收狀況

不同處理填閑作物不同部位對(duì)土壤磷素吸收的影響見(jiàn)表2。填閑糯玉米總吸磷量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且各處理之間差異顯著。地上部吸磷量明顯高于地下部吸磷量，糯玉米地上部吸磷量C2處理最大，為40.20 kg/hm2，C3處理次之，C6處理最小，為 10.81 kg/hm2，各處理之間差異顯著。地下部磷吸收量C3處理顯著高于其他處理，為3.79 kg/hm2。各處理對(duì)磷素總吸收量順序依次為C2>C3>C4>C5>C1>C6，綜合考慮C2、C3處理對(duì)磷素吸收最好。

2.4 不同處理對(duì)設(shè)施土壤磷素運(yùn)移影響

2.4.1 設(shè)施土壤表層總磷含量狀況 由圖2可知，夏季填閑糯玉米不同生物炭施用量水平土壤總磷含量較種植前有所降低，降低率[指（種植前養(yǎng)分含量-種植后養(yǎng)分含量）/種植前養(yǎng)分含量，下同]為-0.1%～1.9%。種植后土壤總磷含量變化表現(xiàn)為 C2>C3>C4>C1>C5>C6，各個(gè)處理間差異不顯著。其中，C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，其次為C3處理，降低率為1.5%，說(shuō)明C2、C3處理即0.5%～1.0%生物炭施用水平下可以更好地降低設(shè)施土壤總磷含量。

2.4.2 填閑糯玉米種植前后設(shè)施土壤各土層有效磷運(yùn)移狀況 不同處理對(duì)設(shè)施土壤各土層有效磷含量的影響見(jiàn)圖3。種植填閑糯玉米對(duì)各土層土壤的有效磷含量有降低作用。與種植前相比，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%，C3處理次之。其他土層中，均是C3處理降低最為明顯，>30～60 cm土層中降低率C3處理達(dá)62.1%，>60～90 cm土層中C3處理降低率達(dá)72.8%，>90～120 cm土層中C3處理降低率為88.6%。種植后，各個(gè)處理>30～60、>60～90、>90～120 cm土層有效磷含量較0～30 cm土層均有顯著降低，其中>90～120 cm土層較0～30 cm土層降低率為 C3>C2>C4>C5>C6>C1，C3處理降低最多，為95.5%，其次為C2處理，降低了79.1%，C1處理降低最小，說(shuō)明磷素向下移動(dòng)的多，C6處理其次，可能是由于施加生物炭的量多，改善了土壤的通透性，進(jìn)而磷素向下移動(dòng)較多，造成設(shè)施土壤磷素淋洗。綜合來(lái)看，設(shè)施土壤休閑期間各土層有效磷淋洗嚴(yán)重，種植填閑糯玉米較種植前能降低各個(gè)土層有效磷含量，C2（0.5%）、C3（1.0%）處理能顯著降低設(shè)施土壤有效磷含量，降低土壤磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3 討論與結(jié)論

設(shè)施菜地夏季休閑作物一般選用根系發(fā)達(dá)、短期生物量大且具有較高氮磷吸收能力的作物，劉晶淼等研究表明，玉米為深根作物，根長(zhǎng)可達(dá) 230 cm[25]。本試驗(yàn)中，糯玉米不同處理對(duì)下層土壤有效磷含量降低有一定效果，這可能與玉米根系根層分布吸收土壤磷素有關(guān)。

生物炭作為一種土壤調(diào)理劑，施用量并不是越多越有利于作物生長(zhǎng)，余端等研究表明適量的秸稈生物炭添加量（4%～8%）有助于小白菜生長(zhǎng)發(fā)育，而較高的添加量（12%～16%）反而有抑制作用[26-27]，本研究結(jié)論與之一致，生物炭施用量增加，糯玉米株高、莖粗呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

本次試驗(yàn)研究表明，土壤各土層有效磷含量隨著生物炭用量的增加表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，這與邱嶺軍等的研究結(jié)論[28]相反，可能是由于本次試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有施加任何肥料，前茬收獲后磷素未被利用，同時(shí)磷素向下淋洗，積累在90～120 cm土層當(dāng)中，也可能是由于添加生物炭影響了有效磷的轉(zhuǎn)化，生物炭呈堿性，會(huì)加強(qiáng)土壤有機(jī)磷的礦化作用，從而使土壤有效磷含量增加。同時(shí)較低的生物炭用量更能有效降低土壤有效磷含量，這與曾愛(ài)等研究結(jié)果[29]一致。此次試驗(yàn)得出0.5%～2.0%生物炭施用量種植填閑糯玉米對(duì)阻控磷素的淋失問(wèn)題效果較好，從設(shè)施土壤磷素含量變化情況來(lái)看，0.5%～1.0%生物炭施用水平可以更好地降低設(shè)施土壤總磷含量，1.0%生物炭水平施用下種植填閑糯玉米對(duì)減少有效磷向下運(yùn)移效果最為明顯，這與翁福軍的研究結(jié)論[30]一致。

隨著生物炭用量的增加，株高、莖粗均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，C3處理株高最大，為272.0 cm，葉綠素相對(duì)含量隨著作物生長(zhǎng)發(fā)育較生長(zhǎng)前期均有所增加。填閑糯玉米總干物質(zhì)量和吸磷量均出現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)，其中C3處理總干物質(zhì)量最大，為8 972.49 kg/hm2，吸磷量則是C2處理較好，為42.43 kg/hm2。土壤總磷和有效磷含量均有所降低，其中C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%。>30～60、>60～90、>90～120 cm 土層中，均是C3處理降低最為明顯。各個(gè)土層有效磷含量較表層降低最多的是C3處理，降低了土壤磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，在本試驗(yàn)條件下得出0.5%～2.0%生物炭施用量種植填閑糯玉米對(duì)解決土壤磷素面源污染問(wèn)題效果較好。

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