不同原料生物碳對滴灌棉花產量及土壤磷素利用率的影響

王 晶，侯振安

(石河子大學農學院資源與環境科學系，新疆石河子 832000)

【研究意義】磷是植物生長必需的營養元素，它 的主要來源是土壤。農業生產中，磷肥的當季利用率比較低，一般不會高于25%［1］。磷肥施入土壤后，大部分磷素經過一系列的過程轉化為易被土壤所吸附的難溶性磷酸鹽［6］。磷在土壤中的積累，不僅會降低磷肥利用率導致資源浪費，也會提高徑流中的磷濃度［7］，從而使水質惡化，成為農業面源污染的重要來源［8］。生物碳是由生物質材料(作物秸稈、木屑、畜禽糞便等)在限氧或無氧條件下，經過高溫裂解形成的具有發達孔隙結構、巨大比表面積的高碳多孔有機物質［1，2］，并且含有 N、P等多種作物所需的營養元素［3］。【前人研究進展】向土壤中施入生物碳可以實現碳封存，并增加土壤中有效磷含量，提高磷的有效性［4］。研究表明施用生物碳能夠改良土壤結構，提高保水保肥能力，并對增加土壤中植物可利用養分含量有一定作用［5］。近年來，國內外有關生物碳對作物生長及養分吸收利用的影響開展了大量研究，認為其特效及施用效果與生物碳的熱解條件以及其生物質原料的選擇等密切相關［9］。【本研究切入點】因此本研究利用棉花秸稈、玉米穗軸和雞糞為原料制備生物碳。【擬解決關鍵問題】探討不同生物碳對棉花生長及磷素吸收的影響，為生物碳的合理施用和提高磷素養分利用率提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年在石河子天業生態示范園進行。該區域為溫帶干旱區大陸性氣候，平均年降水量為210 mm，平均年蒸發量1660 mm。土壤類型為灌溉灰漠土，質地為重壤。耕層土壤基礎指標如下:有機質 9.44 g·kg－1，pH 8.02，堿解氮 77.63 mg·kg－1，速效磷 23.25 mg·kg－1，速效鉀 397 mg·kg－1。供試作物為棉花(品種為新陸早48號)。

分別以棉花秸稈、玉米穗軸和雞糞為原料，在70℃下烘干粉碎后，置于密閉鐵桶內，高溫限氧條件下，熱解碳化4 h制備得到生物碳。

1.2 試驗設置

研究采用田間小區試驗，試驗設置4個生物碳處理:對照、棉花秸稈生物碳處理、玉米穗軸生物碳處理和雞糞生物碳處理，分別用 CK，BC1，BC2，BC3表示。每個生物碳處理施磷量設置2個水平:0，175 kg·hm－2用P0和P1表示。共8個處理，每個處理重復3次。共24個試驗小區。試驗中3種生物碳的施用量均為2.25 t·hm－2，生物碳的施用量采用與當地秸稈還田等有機碳量施用的原則確定。3種生物碳在試驗開始前均勻撒施于地表后翻耕入土。試驗中氮肥為尿素，施用量為300 kg·hm－2，其中20%作基肥，與生物碳和棉花秸稈在播種前一次性施入;剩余作追肥，在棉花生長期間分5次隨水滴施。磷肥、鉀肥全部作基肥，鉀肥施用量為75 kg K2O·hm－2。

棉花采用覆膜栽培，1膜6行，行距配置為66+10 cm，株距為10 cm。灌溉方式為膜下滴灌，1膜3管，毛管間距為76 cm。棉花于4月26日播種，采用“干播濕出”的方式，播種后滴45 mm出苗水。全生育期共灌水9次，灌溉總量為520 mm，從蕾期開始至吐絮前結束。

1.3 樣品采集與分析

在棉花播種后 30、50、70、90、110、130 d 分別采集0～1 m(每20 cm作為1個土層)的土壤樣品，風干后碾磨過篩，測定土壤全磷、有效磷、水溶性磷含量。

于花鈴期采集植株樣品，105℃殺青，再于75℃烘干并稱重。對烘干的植株樣品進行粉碎并測定植株全磷含量。

2 結果與分析

2.1 不同生物碳的基本理化性質

棉花秸稈(BC1)、玉米穗軸(BC2)和雞糞生物碳(BC3)的電鏡掃描SEM圖像見圖1。從總體看，雞糞生物碳與其他兩種生物碳的物理特征差異較大。雞糞生物碳具有復雜的孔隙結構，平均粒徑最小，比表面積大灰分最多，有良好的表面特性(圖1 c)。棉花秸稈生物碳(圖1 a)和玉米穗軸生物碳(圖1 b)的粒徑較大，孔隙量以及表面附著的破碎顆粒較少。

圖1 棉花秸稈生物碳(a)、玉米穗軸生物碳(b)和雞糞生物碳(c)的電鏡掃描圖Fig.1 SEM picture of(a)cotton straw biochar，(b)corn cob biochar and(c)chicken manure biochar

表1 不同生物碳的基本性質Table 1 Basic properties of different biochar

由表1可知，雞糞生物碳全氮、全磷、有效磷、水溶性磷的含量均明顯高于棉花秸稈生物碳和玉米穗軸生物碳。但其pH卻明顯低于棉花秸稈和玉米穗軸生物碳。

2.2 不同生物碳對土壤全磷、有效磷和水溶性磷的影響

2.2.1 土壤全磷 如圖2所示，2個磷肥水平下，3個生物碳處理0～100 cm土壤全磷積累量均高于對照(CK)。在P0水平下，BC1、BC2、BC3分別較 CK增加3%，6%，9%。在 P1 水平下，BC1、BC2、BC3分別較CK增加8%，9%，12%，BC1和BC2之間差距較小。

圖2 不同生物碳處理土壤全磷含量Fig.2 Total P content in soil under different biochar treatments

2.2.2 土壤有效磷 從圖3可以看出，土壤有效磷含量隨生育期的變化而降低。隨著生育期苗期，P0水平下，BC1、BC2和BC3土壤有效磷含量較CK增加4%、8%、78%，成熟期，BC1和BC3土壤有效磷含量較CK增加20%、58%;BC2與CK無顯著差異。在P1水平下，BC1和BC3土壤有效磷含量較CK增加8%、7%;BC2與CK無顯著差異。成熟期，BC2和BC3有效磷含量分別較CK增加32%、35%;BC1與CK無顯著差異。

圖3 不同生物碳處理土壤有效磷含量Fig.3 Content of available P in soil under different biochar treatments

圖4 不同生物碳處理土壤水溶性磷含量Fig.4 Water soluble P content in soil under different biochar treatments

2.2.3 土壤水溶性磷 從圖4可以看出，生物碳施用初期(苗期)，P0條件下，BC3處理水溶性磷含量較CK高95%;而BC1、BC2處理與CK間無顯著差異。P1條件下，與CK相比BC3的施用使土壤水溶性磷提高21%。收獲期，P0條件下，與CK相比BC1、BC2和BC3處理土壤水溶性磷含量提高23%、27%、67%。而P1條件下，BC2、BC3處理土壤水溶性磷含量較CK高48%，88%;BC1處理與CK間無明顯差異。

2.3 不同生物碳對棉花干物質重的影響

從圖5可以看出，在不施磷(P0)和施磷(P1)條件下，3種生物碳處理，棉花整個生長周期內干物質積累明顯高于CK。在播種后前90 d(盛花期)BC1、BC2、BC3的干物質重與CK間均無明顯差異;盛花期后各處理干物質量迅速積累，且顯著高于CK。播種后120 d，在P0條件下，BC1、BC2和BC3處理棉花干物質積累較CK分別增加10%、11%和20%。在P1條件下，BC1、BC2和BC3處理棉花干物質積累較CK分別增加11%、11%和15%。3種生物碳對棉花干物質積累影響表現為:BC3＞BC1、BC2。

2.4 不同生物碳對棉花磷素吸收的影響

從圖6可以看出，在 P0水平下，BC1、BC2和BC3棉花磷素吸收量較CK分別增加了21%、21%、37%。在P1水平下，BC1、BC2和BC3棉花磷素吸收量較CK增加了22%、43%、63%。在2個施磷水平下，BC3處理磷素吸收量顯著高于BC1和BC2處理。

2.5 不同生物碳對產量的影響

表2可以看出，在P0條件下，各處理棉花單鈴重、籽棉產量均明顯高于對照;BC1、BC2、BC3棉花單鈴重較對照分別增加了2%、3%、3%;籽棉產量較對照分別增加4%、8%、11%;BC2和BC3棉花鈴數顯著高于對照，分別增加5%、8%，BC1與CK無顯著差異。在P1條件下，BC1、BC2、BC3棉花鈴數、單鈴重和籽棉產量均顯著高于對照;棉花結鈴數較對照分別增加4%、4%、6%;單鈴重較對照增加12%、12%、13%;棉花籽棉產量較對照增加17%、16%、20%。在 P 2個施磷水平下，CK、BC1、BC2、BC3 4個處理之間單株結鈴數之間以及棉籽產量之間的變化規律不同，磷肥和生物碳二者交互作用對結鈴數和產量影響均達到顯著水平，但對棉花單鈴重無顯著影響。

圖5 不同生物碳處理棉花干物質重Fig.5 Dry matter weight of cotton treated under different biochar treatments

圖6 不同生物碳處理棉花磷素吸收量Fig.6 P uptake of cotton under different biochar treatments

2.6 不同生物碳對磷利用率的影響

如圖7所示，BC1、BC2和BC3生物碳自身磷素利用率分別為126%、406%和136%。3種生物碳對土壤磷素表觀利用率的影響表現為BC2＞BC3、BC1。3種生物碳對磷肥表觀利用率的影響如圖所示，BC1、BC2和BC3的磷肥利用率顯著高于CK，較CK分別增加了28%、167%和202%。

3 討論

生物碳擁有大量孔隙以及巨大的表面積［11］。其表面的堿性基團能夠通過提高土壤pH，減少土壤對磷素的吸附，提高土壤有效磷含量，并可增強土壤對養分的保持能力［10］。從而提高土壤肥力以及作物對養分的利用效率，從而增加作物產量［12］。由于生物碳不易被分解，且能夠長時間存在于土壤中，因而能對作物產量產生持續性的積極效應［13］。不同類型生物碳在其結構和理化性質及養分含量等方面不同。

以棉花秸稈、玉米穗軸和雞糞為原料制備生物碳，探討不同施磷水平下不同原料生物碳的施用對棉花產量和磷素利用率的影響。發現3種生物碳的施用都能增加棉花的產量。有研究表明，生物碳處理可提高輪作小麥產量［14］。還有研究表明在農田中添加30 t·hm－2的生物碳時，玉米產量提高了150%［18］。唐光木等［16］在新疆地區種植玉米的灰漠土中添加生物碳，結果顯示生物碳的施用，使玉米產量有50%提高。有研究發現將牛糞生物碳施用于沙質土壤，并種植玉米，結果顯示，與對照相比玉米產量顯著提高［15］。這可能是因為生物碳施用有利于提高土壤有機質含量以及土壤有效磷含量［17］。在不施磷的條件下，雞糞生物碳處理棉花干物質顯著高于其他處理;而棉花秸稈和玉米穗軸生物碳處理對棉花產量增加量較小。原因可能是由于雞糞生物碳的理化性質與其他2種生物碳之間有著顯著差異，且磷含量顯著高于其他兩種生物碳。在施磷條件下，3種生物碳對棉花產量的增加量均大于不施磷處理;且棉花秸稈和玉米穗軸生物碳處理之間差異不明顯。

表2 不同生物碳處理棉花產量及其構成因子Table 2 Cotton yield and components under different biochar treatments

圖7 不同生物碳處理棉花磷肥利用率Fig.7 P utilization efficiency of cotton under different biochar treatments

研究結果表明在不同施磷水平下，3種生物碳的施用均可顯著提高土壤全磷及活性磷的含量，雞糞、玉米穗軸和棉花秸稈生物碳對土壤磷素的影響依次降低。可能是由于，施用生物碳能夠提高土壤有機質的含量，從而導致土壤磷組分的改變，其土壤磷轉化為可被植物利用的磷［20］。這主要由于生物碳自身含有磷素并且具有很強的吸附能力，它可以提高土壤中有效磷素的含量并減少磷素養分的淋洗損失［21］。靖彥等通過對生物碳的施用對旱地紅壤有效磷的影響發現，生物碳處理土壤有效磷明顯高于對照，其中以40 t·hm－2的施用量效果最為明顯［19］。3種生物碳均可促進棉花對磷素吸收，提高磷素利用率，其中雞糞生物碳影響效果最為突出。生物碳的施用可使穩定態的磷通過礦化分解轉化為具有高有效性的磷［4］。其中以雞糞生物碳的影響最大。可能是應為雞糞生物碳的平均粒徑分布最小，比表面積最大，灰分含量最高所造成的。

本研究表明在不同施磷條件下，3種生物碳處理均可提高棉花產量及磷素利用率，其中以雞糞生物碳處理的影響更明顯。為生物碳的選擇施用提供了一定理論依據。還需要對生物碳連續施用條件下，土壤水分養分的運移情況與作物生長、產量之間的關系進一步探究，從土壤肥力的角度評估生物碳還田對促進新疆棉花產業發展的意義。同時在大規模應用生物碳之前還要考慮它的成本與效益問題。

4 結論

棉花秸稈、玉米穗軸、雞糞生物碳的施用均可提高土壤中磷的含量以及棉花對磷素的利用效率。總體表現為雞糞生物碳＞玉米穗軸生物碳＞棉花秸稈生物碳。

3種生物碳的施用均能明顯增加棉花干物質重及產量，其中雞糞生物碳較棉花秸稈、玉米穗軸生物碳的影響的更為顯著。