腐植酸和生物炭配施對飼用甜高粱生長與土壤磷素吸收狀況的影響

劉暢 賀浩強 王茜 李曉寒 岳彪輝 普紅青 袁義麗 桂枝 盧樹昌

摘? ? 要：采用腐植酸和生物炭兩種調理劑配合施用，共設空白對照、生物炭、腐植酸、腐植酸+生物炭、腐植酸+1/2生物炭、1/2腐植酸+生物炭等6個處理，研究兩種調理劑配施對甜高粱生長和土壤磷素吸收狀況的影響。結果表明，單施腐植酸和生物炭有利于飼用甜高粱拔節期的生長，對于飼用甜高粱抽穗期，腐植酸和生物炭處理配合施用效果較好，各處理中以1/2腐植酸+生物炭處理效果最佳，能促進高粱莖葉對土壤磷素吸收，提高磷素利用率，減少磷素環境風險。

關鍵詞：腐植酸;生物炭;高磷土壤;吸收

中圖分類號： S514? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.07.015

Abstract： This experiment used humic acid and biochar two conditioning agents in combination with six treatments including blank control， biochar， humic acid， humic acid + biochar， humic acid + 1/2 biochar， 1/2 humic acid + biochar. The effects of two conditioning agents on the growth of sweet sorghum and soil phosphorus uptake were studied. The results showed that the application of humic acid and biochar alone was beneficial to the growth of sorghum in the elongation stage， and the effect of humic acid and biochar treatment was better in the heading stage of sorghum growth. The treatment with 1/2 humic acid + biochar was the best in all treatments. It could promote the absorption of phosphorus in soil by sorghum stems and leaves， increase the utilization of phosphorus and reduce the environmental risk of phosphorus.

Key words： humic acid;biochar;high phosphorus soil;absorption

磷在植物體內會影響新陳代謝和信息傳遞，并參與細胞結構的組成，它是植物生長發育所必需的營養元素之一。農戶為了高產，向土壤中施入磷肥，磷素在土壤中富集，從20世紀70年代末開始，中國農田土壤的磷素平衡由虧缺演變至目前是世界上磷素盈余最為嚴重的國家之一[1]，土壤磷素含量過高會使植物葉片中無機磷大量積累，使植物光合速率降低[2]，同時磷素被固定在土壤中，降低了土壤磷素利用率[3]，尤其在設施菜田中這種現象更為嚴重。石寧等[4]調查山東設施菜田土壤顯示，設施菜田耕層土壤有效磷含量達到了345 mg·kg-1。當磷在土壤中的吸附累積量超過了土壤本身磷飽和程度，在大水漫灌或夏季雨季下極易產生淋失，造成設施菜田磷面源污染[5-6]。生物炭（Biochar）是在低氧和缺氧條件下，將農作物秸稈、木質物質、禽畜糞便和其他材料等有機物質經過高溫熱解而形成的產物[7-8]。研究表明，生物炭的施用能促進作物根系生長，并能使作物產量提高，糧食品質得到改善[9-11]。腐植酸是一類成分復雜的天然有機高分子混合物，需要通過微生物將動植物殘體和微生物細胞等分解和轉化，并經一系列地球化學過程形成和積累而成[12-13]。大量研究證實，腐植酸可以改善土壤結構、提高土壤肥力、影響植物根系生長及其對養分的吸收，從而對植物生理產生有利的影響，促進作物生長[14-17]。基于以上研究，本試驗以大生物量飼用甜高粱為供試作物，設置生物炭與腐植酸2種調理劑不同配比，來探究對設施高磷土壤種植下甜高粱生長與吸收狀況的影響，旨在為控制設施菜田磷環境風險提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試作物：飼用甜高粱，品種為甜雜2號，生育期為130～140 d。

供試調理劑：腐植酸，草本生物炭（水稻秸稈炭）。

供試土壤：來自天津市武清區大孟莊鎮后幼莊村集約化設施菜田。棚齡在10年以上，土壤質地為中壤，養分投入偏高，土壤磷含量過高，遠遠超過土壤磷的風險臨界值（50 mg·kg-1）[18]，土壤磷環境風險很高（表1）。

1.2 試驗處理

將土壤樣品自然風干后過5 mm篩，每盆土3 kg（盆規格：高15 cm，口徑21 cm）。試驗共設6個處理，每個處理3個重復，分別為T1 空白對照、T2 生物炭（30 g·盆-1）、T3 腐植酸（1.875 g·盆-1）、T4 腐植酸+生物炭（1.875 +30.0 g·盆-1）、T5 腐植酸+1/2生物炭（1.875 +15.0 g·盆-1）、T6 1/2腐植酸+生物炭（0.938+ 30.0 g·盆-1）。每盆定植2株。

試驗種植時間為2018年5—11月。飼用甜高粱種植期間每隔2 d灌水1次，每盆每次400～500 mL。同時飼用甜高粱生長期間進行長勢調查。

1.3 測試方法

株高、莖粗：用卷尺測定株高、用游標卡尺測定莖粗。

葉綠素含量：采用SPAD-502型葉綠素儀測定。

光合速率：采用CI-340便攜式光合儀測定。

葉面積：量取飼用甜高粱葉片長度和寬度（垂直主葉脈的最大距離）采用長寬系數法計算[19]。

干生物量：收獲后，將飼用甜高粱根、莖、葉和穗各部位分開，置于烘箱105 ℃殺青30 min后，在80 ℃下烘干至恒質量，測定干生物量。

植株吸磷量：將飼用甜高粱植株各部位樣品烘干后經粉碎過篩，利用濃硫酸-H2O2法消解后，按鉬黃比色法測定出各部位全磷含量[20]，計算植株各部位吸磷量。

試驗數據采用Excel 2007方法進行處理，采用DPS7.05軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 腐植酸和生物炭配合處理對飼用甜高粱長勢的影響

由表2和表3可知，拔節期飼用甜高粱長勢中，T2株高、莖粗均顯著高于T1，較T1分別高28.8%和27.0%，施用調理劑處理中，T2、T3、T4、T6株高莖粗均沒有顯著差異，但顯著高于T5處理。葉面積T2顯著高于T1，達24.4%，而T5顯著低于其他處理。葉綠素含量各處理較T1無顯著差異。光合速率T3最大，為41.00 μmol·m-2·s-1，且顯著高于其他處理。調理劑處理中長勢指標葉面積和光合速率、葉綠素等得到改善，有利于整體長勢增強，進而有利于養分的吸收。從綜合來看，T2、T3可以促進飼用甜高粱此時期長勢。

飼用甜高粱抽穗開花期長勢中，T6株高最高，為141.50 cm，但各處理無顯著差異。T6莖粗最大，較T1高24.4%，且顯著高于其他處理。T3、T6葉面積顯著高于T1，其他處理較T1無顯著差異。T3、T5葉綠素含量顯著高于T1，其他處理較T1均無顯著差異。光合速率T2顯著低于T1，其他處理較T1無顯著差異。總體來看，T3、T5、T6對飼用甜高粱抽穗開花期長勢較好。

2.2 腐植酸和生物炭配合處理對飼用甜高粱生物量的影響

由圖1可知，腐植酸和生物炭不同配比各處理對于飼用甜高粱總干生物量效果影響不明顯，除T3顯著低于T1外，其他處理均與T1無顯著差異，各處理效果相對較好的是T6。

2.3 腐植酸和生物炭配合處理對飼用甜高粱磷素吸收與土壤有效磷變化的影響

2.3.1 腐植酸和生物炭配合處理對飼用甜高粱磷素吸收的影響分析 由表4可知，施用調理劑各處理飼用甜高粱根部吸磷量顯著低于T1，莖部吸磷量相反，其中T3莖部吸磷量較T1顯著增加高達118.2%，說明施用調理劑抑制了根部磷素吸收，促進了莖部磷素吸收。飼用甜高粱葉片吸磷量表現為T6顯著高于其他處理，較T1增加58.0%。飼用甜高粱穗吸磷量各處理間無顯著差異。由圖2可知，T1高粱根吸磷量占植株總吸磷量的百分比較其他處理高，說明腐植酸和生物炭配施可以使磷素由地下部向高粱莖、葉、穗轉移，減少磷在根中的積累，提高土壤中磷素的利用率，其中效果較好的是T6。

2.3.2 腐植酸和生物炭配合處理對土壤有效磷含量的影響分析 由圖3可知，腐植酸和生物炭不同配比各處理中T6土壤有效磷含量高于其他處理，并顯著高于T1，T4相較于其他腐植酸和生物炭施用的處理土壤有效磷含量最低，但與T1無明顯差異。3 結論與討論

飼用甜高粱長勢中，拔節期株高T2處理顯著高于T1，抽穗開花期與T1無顯著差異，這與張偉明[21]的研究結果一致;拔節期莖粗和葉面積以T2和T3效果較好，抽穗開花期T4效果較明顯，從高粱莖粗和葉面積可以看出，單施生物炭和腐植酸對于飼用甜高粱生長前期效果較顯著，但到飼用甜高粱生長后期，腐植酸和生物炭配合施用發揮了較好作用;飼用甜高粱生長期間，T3拔節期光合速率增長顯著，抽穗期葉綠素含量也顯著高于對照，可能是由于腐植酸的施用增加了細胞活性，促進了細胞膜養分吸收，提高了作物的酶活性，從而增強了植物光合活性，此結果與張水勤等[14]研究基本一致。從飼用甜高粱生物量來看，腐植酸和生物炭不同配比各處理效果均不顯著，可能是由于盆栽條件限制，影響了飼用甜高粱生長，從而對其干生物量造成影響，還需進行下一步研究。

從飼用甜高粱各部位吸磷量來看，腐植酸和生物炭不同配比各處理對高粱莖葉生長效果較顯著，分別以T3和T6效果最佳，促進了高粱莖葉對于土壤中磷素的吸收，可能由于腐植酸和生物炭的施入刺激作物莖葉中參與養分轉化和運輸的重要酶類，促進作物的養分吸收[22]。腐植酸和生物炭的施用對于飼用甜高粱根和穗部各處理的效果則不太明顯。從各部位吸磷量占總吸磷量的百分比看，T6處理可以減少磷素在根部積累。而對于土壤有效磷含量影響來看，本試驗結果表明，施用腐植酸和生物炭各處理中T6有效磷含量最高，T4有效磷含量最低。結合飼用甜高粱各部位吸磷量和土壤有效磷含量來看，T6促進了飼用甜高粱對磷素的吸收，同時提高了土壤有效磷含量，可能是因為腐植酸根據自身結構對磷素具有活化作用，且能夠與土壤中其他離子結合來提高土壤磷素有效性[23]，促進作物對磷素的吸收，而生物炭由于具有發達的孔隙結構和吸附力，可以吸附土壤中的磷素，減少土壤磷素流失[24]。腐植酸和生物炭配合施用既能促進作物對磷素的吸收，提高土壤磷素利用率，又能提高土壤有效磷含量來減少磷肥投入，并吸附住土壤磷素防止流失，來達到控制磷素環境風險的目的。

總體上看，本研究單施腐植酸和生物炭有利于飼用甜高粱前期生長，二者配合施用有利于飼用甜高粱生長，并能促進莖葉對土壤磷素的吸收，提高磷素利用率，可減少磷素環境風險，其中以處理T6（1/2腐植酸+生物炭）處理效果最佳。但是該試驗時間僅一茬，篩選出試驗材料最佳配比仍需進一步加以研究。

參考文獻：

[1]肖建中，盧樹昌.菜田土肥水高效綜合管理技術與應用[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]孔東星，張民，孫婭婷，等.控釋磷酸二銨中磷素對大豆生長效應的影響[J].作物雜志，2006， 22（6）：16-19.

[3]盧樹昌，翁福軍，王瑞，等.不同處理對設施根結線蟲控制和土壤氮磷環境風險的影響[J].北方園藝，2016（4）：160-162.

[4]石寧，李彥，井永蘋，等.長期施肥對設施菜田土壤氮、磷時空變化及流失風險的影響[J].農業環境科學學報，2018，37（11）：2434-2442.

[5]DEJAGER P C，CLAASSENS A S. Long-term phosphorus desorption kinetics of an acid sand clay soil from Mpumalanga， South Africa[J].Communications in soil science and plant analysis， 2005，36（1/2/3）：309-319.

[6]項大力，楊學云，孫本華，等.灌溉水平對土磷素淋失的影響[J].植物營養與肥料學報，2010， 16（1）：112-117.

[7]XU G， LU Y，SUN J， et al. Recent advances in biochar applications in agricultural soils： Benefits and environmental implications[J].Clean-soil， air， water，2012，40（10）：1093-1098.

[8]翁福軍，盧樹昌.生物炭在農業領域應用的研究進展與前景[J].北方園藝，2015（8）：199-203.

[9]ABIVEN S， HUND A， MARTINSEN V， et al. Biochar amendment increases maize root surface areas and branching： A shovelomics study in Zambia[J].Plant and soil，2015，395（1）：1-11.

[10]OLMO M， ALBURQUERQUE J A， BARRON V，et al.Wheat growth and yield responses to biochar addition under Mediterranean climate conditions[J].Biology and fertility of soils，

2014，50（8）： 1177-1187.

[11]余慧敏，郭熙.生物炭與生物炭基肥利用研究進展[J].天津農業科學，2018，24（12）：82-86.

[12]STEVENSON F J. Humus chemistry：genesis，composition，

reactions[M].New Jersey：John wiley& sons inc，1994.

[13]陳靜，黃占斌.腐植酸在土壤修復中的作用[J].腐植酸，2014（4）：30-34，65.

[14]張水勤，袁亮，林治安，等.腐植酸促進植物生長的機理研究進展[J].植物營養與肥料學報， 2017，23（4）：1065-1076.

[15]PICCOLO A，NARDI S，CONCHERI G.Structural charac-

teristics of humic substances as related to nitrate uptake and growth regulation in plant systems[J]. Soil biology and biochemistry，

1992， 24（4）：373-380.

[16]CANELLAS L P，OLIVARES F L，OKOROKOVA-FAQANHA

A L，et al.Humic acids isolated from earthworm compost enhance root elongation，lateral root emergence， and plasma membrane H+ATPase activity in maize roots[J].Plant physiology，2002，130（4）：1951-1957.

[17]CANELLAS L P， PICCOLO A， DOBBSS L B， et al.Chemical composition and bioactivity properties of size-fractions separated from a vennicompost humic acid[J]. Chemosphere，2010，78（4）：457-466.

[18]盧樹昌，陳清，張福鎖，等.河北果園主分布區土壤磷素投入特點及磷負荷風險分析[J].中國農業科學，2008（10）：3149-3157.

[19]崔鳳娟，李巖，王振國，等.種植密度對高粱群體生理指標及產量影響[J].中國農學通報，2018， 34（8）：9-14.

[20]鮑士旦.土壤農化分析[M].第3版.北京：中國農業出版社，2000.

[21]張偉明.生物炭的理化性質及其在作物生產上的應用[D].沈陽：沈陽農業大學，2012.

[22]VACCARO S， ERTANI A， NEBBIOSO A， et al. Humic substances stunulate maize nitrogen assimilation and amino acid metabolism at physiological and molecular level[J]. Chemical

&biological technologies in agriculture， 2015， 2（1）： 1-12.

[23]HUA Q X， LI J Y， ZHOU J M.Enhancement of phosphorus solubility by humic substances in ferrosols[J].Pedosphere，

2008，18（4）：533-538.

[24]MORALES M， COMERFORD N， GUERRINI I， et al. Sorption and desorption of phosphate on biochar and biochar-soil mixtures[J].Soil use manage， 2013， 29： 306-314.