生物炭的施入對玉米生物量和磷養分吸收的影響

葛春輝，張云舒，唐光木，徐萬里，姚紅宇

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】生物質炭是由有機廢棄物在缺氧條件下通過低溫熱解產生的一種富含有機質固態物質[1]，具有孔隙結構、比表面積大、生物化學穩定性高、吸附能力強等特點，在提高土壤質量、保持土壤養分、提高作物產量等方面發揮著重要作用[2]，近年來成為土壤學等領域研究的熱點。【前人研究進展】生物炭能改變土壤的pH、容重、孔隙度，保水能力等土壤特性[3]，增加作物對氮、磷、鉀養分的吸收[4]。生物質炭輸入對磷素養分轉化影響的研究多集中在酸性土壤。在酸性土壤上施用生物炭能顯著提高酸性土壤的 pH值[5-6]，增加土壤磷素的有效性，從而促進作物對磷的吸收，而對堿性石灰性土壤的研究較少，并且報道結論并不一致[7-8]。【本研究切入點】灰漠土是新疆典型的石灰性土壤，具有“廋、干、板”的特點，其肥料利用率低，尤其當季磷肥的利用效率僅為10%-20%[9]，而生物炭的應用對灰漠土中磷養分的影響需要深入探討。【擬解決的關鍵問題】因此，以玉米為供試作物，通過施用不同量的生物炭，研究不同氮肥條件下，生物炭對玉米生長、磷吸收狀況及磷肥利用的的影響，以期為生物質炭在灰漠土改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試土壤為灰漠土，采自新疆農業科學院灰漠土試驗基地，土壤樣品進行風干、混勻，過 5 mm土壤篩備用。制備棉稈炭所需的棉花秸，將其剪成 1 cm 左右的短節，先75℃烘干。將冷卻的棉秸稈放入鐵制容器中，將容器放入馬弗爐中，450℃的炭化 1 h，后迅速取出，冷卻后風干，粉碎研磨，過 0.25 mm篩備用。列出生物炭基本理化性質。表1

1.2 方 法

試驗設施氮量和棉稈炭用量兩因素，施氮量(N)設3個水平：0、150、200 mg/kg，分別以 N0、N150、N200表示；每個施氮水平下設 4 個棉稈炭用量，分別占土壤干重的 0.0%、0.5%、1.0% 和 2.0%，以BC0.0%、BC0.5%、BC1.0%、BC2.0%表示。每個處理施用等量的磷肥(75 mg/kg，P2O5計)，同時以不施氮肥、磷肥和棉稈炭為對照處理(CK)，試驗共13個處理，3次重復。玉米品種為新玉9號，每盆種植玉米3棵。 試驗開始時將每個處理對應的土壤和棉稈炭混合均勻裝于花盆中，每盆土重 10 kg，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，按0、150、200 mg/kg(純N計，風干土重)和 75 mg/kg(P2O5計，風干土重) 配成營養液，施肥比例按照基肥(60%)、追肥(40%)與灌溉水混勻施入[10]。

表1 灰漠土和生物炭的基本性質

Table 1 Basic properties of grey desert soil and biochar

PH有機質Organic matter(g/kg)堿解氮Hydrolyzable nitrogen(mg/kg)速效磷Available phosphorus(mg/kg)速效鉀Available potassiumm(g/kg)生物炭Biochar9.89516.4228.4815.7755.67灰漠土Grey desert soil8.1213.236.7811.60182.5

玉米收獲后，測定玉米的地上和地下生物量，測定玉米根、莖、葉、棒各部分的重量及其磷素含量，同時采集土壤樣品測定土壤樣品的全磷和速效磷含量，測定方法采用常規方法測定。計算玉米植株的磷肥利用率。

磷肥利用率(%)=(各處理磷素吸收總量-空白磷素吸收量)/施磷量×100%。

1.3 數據處理

采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0 進行數據處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭對玉米生物量的影響

不施氮肥的情況下，生物炭的加入對玉米地上部分的干物質積累量具有抑制作用，但差異不顯著(P>0.05)；施入生物炭，增加氮肥施入量，地上部分生物量表現為增加，中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高2.5%～6.3%的玉米地上部分生物量，但未達到顯著性差異(P>0.05)。而高劑量生物炭(2%)處理，N200與N150比較表現為顯著增加(P<0.05)，增幅達8.7%，與不施炭處理比較也達到顯著性差異(P<0.05)。圖1

不施氮肥的情況下，生物炭處理對玉米根系生長無明顯影響(P>0.05)；施入生物炭條件下，增加氮肥施入量，地下部分生物量表現為增加，其中N200處理與N150處理比較，地下生物量明顯增加(P<0.05)。圖2

圖1 地上部分生物量變化

Fig. 1 Changes of aboveground biomass

圖2 地下部分生物量變化

Fig. 2 Changes of Biomass of underground part

2.2 生物炭對根部磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下， 隨著生物炭的劑量增加，玉米的根部磷含量增加，其含量為0.286%～0.396%，生物炭的施入能明顯增加玉米根部磷含量(P<0.05)，但不同生物炭施入量處理間無明顯差異(P>0.05)；根部磷吸收總量隨炭施入量增加而顯著增加(P<0.05)，但生物炭處理間無明顯差異(P>0.05)。施氮條件下，根部磷含量和吸收磷總量較不施氮肥處理明顯下降(P<0.05)；隨著生物炭的施用量增加，根部磷含量表現為先增加后緩慢下降，其中N150條件下，0.5%生物炭處理中磷含量明顯高于較其他炭處理(P<0.05)，而吸收磷總量表現為隨著炭施用量的增加而增加，但不同施氮量處理間差異不明顯(P>0.05)。圖3,圖4

Fig.3 Change of Root phosphorus content

圖3 根部磷含量變化

圖4 根部磷吸收量變化

Fig.4 Changes in phosphorus uptake by roots

2.3 生物炭對玉米莖稈磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米的莖稈磷含量明顯增加(P<0.05)，其變化幅度為0.191%～0.252%；但總磷吸收量處理間無顯著差異(P>0.05)。在施氮肥條件下，莖稈磷含量較不施氮肥處理明顯下降(P<0.05)，降幅45.5%～52.3%；隨著生物炭施用量增加，莖稈磷含量增加，但處理間差異性不明顯(P>0.05)；莖稈磷吸收總量不同施N條件下，隨著炭使用量增加表現為先增加后下降，其中N150條件下，吸收磷總量表現為BC0.5%>BC1.0%>2.0%BC>BC0.0%，但處理間顯著性差異(P<0.05)；而N200條件下，吸磷總量表現為BC1.0%>BC0.5%>BC2.0%>BC0.0%，中量BC1.0%處理較其他處理達到顯著性差異(P<0.05)，其他無明顯差異(P>0.05)。圖5，圖6

圖5 莖稈磷含量變化

Fig.5 Change of Stem phosphorus content

圖6 莖稈磷吸收量變化

Fig.6 Changes in phosphorus uptake by stems

2.4 生物炭對玉米葉片磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米的葉片磷含量明顯增加(P<0.05)，其含量為0.131%～0.174%，吸收磷總量也隨炭施入量增加而增加。不同氮肥條件下，隨著生物炭的施用量增加，葉片量含量變化不同，其中N150條件下，隨不同劑量的生物炭的施入，葉片磷含增加，但間未達到顯著性差異(P>0.05)，而吸收磷總量表現為隨著炭施入量的增加先下降后上升，1.0%BC較不施炭處理和其他生物炭處理明顯下降(P<0.05)。但N200條件下，中高劑量(1.0%～2.0%)炭處理的葉片磷含量較不施炭處理明顯增加(P<0.05)；而吸收磷總量變化趨勢與N150處理類似，1.0%BC較不施炭處理和生物炭處理處理明顯下降(P<0.05)。圖7,圖8

2.5 生物炭對玉米籽粒磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，籽粒磷含量變化為0.301%～0.346%，中低劑量0.5%～1.0%的生物炭添加，表現對玉米籽粒磷增加，但未達到顯著性差異(P>0.05)，但高劑量(2%)炭添加對玉米籽粒吸收磷具有明顯的影響(P<0.05)。施氮肥條件下，1%～2%的BC施入能明顯提高玉米籽粒磷的含量(P<0.05)，不同氮施入量處理間無明顯差異(P>0.05)；而磷吸收總量表現為隨著生物炭施入量增加而明顯增加(P<0.05)，但不同N施入處理間無明顯差異(P>0.05)。圖9,圖10

Fig. 7 Change of Leaf phosphorus content

圖7 葉片磷含量變化

圖8 葉片磷吸收量變化

Fig. 8 Changes in phosphorus uptake by leafs

圖9 籽粒磷含量變化

Fig.9 Change of grain phosphorus content

2.6 生物炭對玉米單株吸收磷總量的影響

研究表明,在不施氮肥的條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米單株吸收磷增加，其吸收量為 0.145～0.168 g，處理間達到顯著性差異(P<0.05)；施氮肥條件下，較不施氮生物炭處理能明顯提高單株磷含量(P<0.05)，吸收磷總量增幅為117.8%～147.87%；中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)條件下，不同施氮量對單株磷含量影響不大(P>0.05)；高濃度生物炭(2.0%)條件下，N200處理較N150處理能顯著提高單株磷含量(P<0.05)；相同氮條件下，隨著生物炭使用量增加，單株磷吸收量增加，其中N150條件下，生物炭各處理間差異顯著P<0.05)。圖11

圖10 籽粒磷吸收量變化

Fig. 10 Changes in phosphorus uptake by grains

圖11 單株磷吸收量變化

Fig . 11 Changes in phosphorus uptake

2.7 生物炭對磷肥利用效率的影響

隨著生物炭增加，磷肥利用率增加其中無氮條件下，磷肥利用率變幅為 2.45%～4.36%，處理間無顯著性差異(P>0.05)；生物炭處理能明顯提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率變化幅度為20.73%～24.66%，相對于不施生物炭增幅為7.99%～30.76%；中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)條件下，不同氮肥處理間差異不明顯(P>0.05)；但高濃度生物炭處理(2%)，N200處理的磷肥利用率明顯高于N150處理(P<0.05)，增幅達12.60%。圖12

圖12 磷肥利用效率變化

Fig. 12 Change of phosphorus utilization efficiency

3 討 論

添加生物炭對作物產量的影響報道各異，許多研究均表明生物質炭具有很好的增產效果[11-12]。，也有抑制作用或無影響[13]，可能與生物炭來源不同，特性不同。生物炭單施，不同作物和不同土壤的影響作用也存在不同，而生物炭與肥料配施對作物生長和產量的提高具有較好地促進效果[10]。研究表明，不施氮肥的條件下，生物炭的加入對玉米干物質積累具有抑制作用；施入生物炭條件下，增加氮肥施入量，玉米生物量表現為增加，中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高玉米的地上部分生物量，增幅為4.5%～7.3%，但差異性不顯著(P>0.05)。而高劑量生物炭(2%)處理，結合氮肥的使用，較不施炭處理生物量明顯增加(P<0.05)。

生物炭含有大量的礦質營養元素，施入土壤后能夠明顯改善土壤養分狀況，施用生物質炭顯著提高土壤磷素含量及其有效性[14]。同時生物炭可以減少土壤對磷的吸附并增加土壤有效磷的含量，因此，在土壤磷肥肥效具有一定的應用潛力[15]。郎印海等[16]研究發現，柚子皮制備的生物質炭量的使用能降低土壤對磷的吸附量，還改變土壤磷的形態而增加土壤磷的有效性。巢軍委[17]與關連珠[18]研究認為生物炭能夠顯著提高水稻土的Olsen-P 含量和碳酸氫鈉無機磷及有機磷含量，從而提高磷肥的利用率。生物炭含有豐富的有機炭(SOC)，土壤微生物通過代謝生物炭中的活性有機碳，將難溶性磷酸鹽轉化成可溶性有效磷[19]，有研究認為生物炭能通過影響土壤堿性磷酸酶活性，從而改變土壤中磷的活性[20]，不同的使用量對土壤堿性磷酸酶活性影響不同[21]。生物質炭施用對磷素吸收有顯著影響，但其影響在不同作物間存在差異。 王冬冬等[22]研究認為基施生物質炭對菜用大豆降低了植株對磷的吸收。而徐琪等[23]卻認為生物炭對抽穗期小麥地上部氮、磷、鉀吸收沒有顯著影響。王典等[24]通過盆栽試驗發現添加生物質炭增加了油菜產量，但降低了油菜地上部氮和磷的濃度。而周加順等研究認為生物炭施用改變了作物對氮、磷和鉀等養分吸收及在各器官的分配，并提高了氮、磷、鉀的吸收量[4]。研究表明，在施氮肥條件下，能明顯提高根、莖稈、葉片、籽粒磷吸收總量(P<0.05)；且中高劑量生物量顯著高于對照，這與鄭琴在小麥上的研究結論類似[7]。隨著生物炭施入量的增加，單株磷吸收量隨之增加，與未添加生物炭比較，達到顯著性差異(P<0.05)；且生物炭處理的磷肥利用率變化幅度為20.73%～24.66%，相對于不施生物炭增幅達7.99%～30.76%，達到顯著性差異(P<0.05)。

4 結 論

在不施氮肥的條件下，生物炭對玉米干物質積累量具有抑制作用，但提高植株磷吸收總量；在施氮條件下，生物炭能明顯增加玉米的生物量(P<0.05)，顯著提高莖稈、葉片、籽粒磷吸收總量(P<0.05)，明顯降低根部磷吸收總量(P<0.05)；隨著炭施入量的增加，單株磷吸收量明顯增加(P<0.05)；生物炭處理能明顯提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率變幅為20.73%～24.66%，相對于不施炭增幅達7.99%～30.76%。生物炭與氮肥、磷肥配施能夠促進玉米生長，提升磷肥利用效率。