夏季設(shè)施菜田生物炭施用對填閑作物甜高粱磷素吸收及土壤碳磷形態(tài)的影響

郭蓉 霍志純 林子欣 郭子韶 封力元 宋明萱 盧樹昌

摘 ? ?要：針對集約化設(shè)施菜田夏季土壤磷素淋失嚴(yán)重的問題，本文研究了不同用量生物炭（0%，0.5%，2%，4%，8%）施用下填閑作物（甜高粱）對阻控和緩解磷淋失以及減少磷累積的規(guī)律。結(jié)果表明，2%生物炭處理更有利于甜高粱的生長，隨著生物炭用量增加，飼用甜高粱生物量以及吸磷量均出現(xiàn)先增加后減小的特點。4%和8%處理顯著增加了土壤有機碳含量，土壤溶解有機碳（DOC）和微生物量碳含量則是先增大后減小，峰值出現(xiàn)在2%處理，分別為639.32，237.42 mg·kg-1。種植甜高粱以后，土壤磷素水平顯著降低，5%和2%處理全磷最多降低了1.9%，水溶性磷（0～30 cm）最多下降了50.8%，90～120 cm土層下降幅度最多達到了100%。因此，在本試驗條件下得出，0.5%～2%生物炭施用水平為最佳用量范圍，即添加12～48 t·hm-2最有利于阻控和緩解磷素的淋失。

關(guān)鍵詞：生物炭;磷素吸收;碳磷形態(tài);設(shè)施菜田;甜高粱

中圖分類號：S514;S156 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.07.015

Abstract： In order to solve the serious problem of phosphorus leaching from soil of vegetable fields under intensive facilities in summer， this paper studied different amounts of biochar 0%， 0.5%，2%，4%，8%. The application of catch crops （sweet sorghum， Sorghum bicolor （L.） Menoch） has the effect of preventing and alleviating phosphorus leaching loss and reducing phosphorus accumulation.The results showed that 2% treatment was more conducive to the growth of sweet sorghum. As the amount of biochar increased， the biomass of forage sweet sorghum and phosphorus uptake both increased first and then decreased. The 4% and 8% treatments significantly increased the soil organic carbon content， while the soil dissolved organic carbon （DOC） and microbial biomass carbon content first increased and then decreased. The peaks appeared in the 2% treatment， which were 639.32 mg·kg-1 and 237.42 mg·kg-1 respectively. After planting sweet sorghum， the soil phosphorus level was significantly reduced. the total phosphorus of 0.5% and 2% treatment was reduced by 1.9% at most， the water-soluble phosphorus（0-30cm） was decreased by 50.8% at most， and the soil layer of 90-120cm was decreased by 100% at most. Therefore， under the experimental conditions， the 0.5%-2% biochar application level is the best dosage range， that is， the addition of 12-48 t·hm-2 is most conducive to controlling and alleviating phosphorus leaching.

Key words： biochar; phosphorus absorption; carbon and phosphorus forms; facility vegetable field;sweet sorghum

集約化設(shè)施菜田的磷肥施用過量導(dǎo)致土壤磷過度累積，通過地表徑流、侵蝕、淋溶和菜田排水等進入地表和地下水，從而給周邊環(huán)境造成巨大威脅[1]。大量未被植物吸收和利用的養(yǎng)分殘留在土壤中，造成土壤酸化、面源污染等環(huán)境生態(tài)污染問題[2-3]，同時過量的磷不利于設(shè)施土壤的再種植，對作物生長和養(yǎng)分吸收產(chǎn)生不好的影響[4]。夏季氣溫與降水的影響對于磷素淋失的問題更為顯著[5]，降低磷素環(huán)境污染的關(guān)鍵在于減少土壤中殘留的磷素數(shù)量，這就需要提高磷素的資源利用率，同時控制菜田土壤磷素積累，降低其移動性[6]。甜高粱（Sorghum bicolor （L.） Menoch）具有抗旱、耐澇、耐鹽堿等特性，在全球大多數(shù)半干旱地區(qū)都可以生長，對土壤的適應(yīng)能力極強，且甜高粱能充分利用土壤中被吸附固定的磷素，這樣可以有效地改善磷的面源污染[7]。另外，生物炭具有碳含量豐富、堿性、多孔性、吸附能力強等特點，不僅可以提高土壤肥力，還對促進作物對養(yǎng)分的吸收，提高作物產(chǎn)量有重要作用[8]。David Laird等[9]報道，在土壤中施用20 g·kg-1橡木和山核桃混合生物炭后，溶解態(tài)總磷（TDP）的淋失量減少了69%，可以阻控和緩解磷的淋洗。考慮到填閑與生物炭施用在磷淋失與碳轉(zhuǎn)化方面起到了重要有益作用，所以將二者結(jié)合是我們研究的主要方向。基于此，本文研究在填閑配合作用下生物炭最佳用量以及土壤碳磷轉(zhuǎn)化規(guī)律，旨在為控制設(shè)施土壤磷素面源污染、降低磷環(huán)境風(fēng)險與提升土壤質(zhì)量提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試作物：‘甜雜2號飼用甜高粱，生育期135 d，種植密度為15萬株·hm-2。

供試調(diào)理劑：木本生物炭（果木炭），含碳量60%。

供試土壤：天津北部典型集約化設(shè)施菜田，土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為中壤，有效磷含量高，為588.57 mg·kg-1。

1.2 試驗處理

在試驗棚中設(shè)計5個處理，分別為C1（生物炭0%）、C2（生物炭0.5%，即12 t·hm-2）、C3（生物炭2%，即48 t·hm-2）、C4（生物炭4%，即96 t·hm-2）、C5（生物炭8%，即192 t·hm-2）。其中試驗土壤耕層土重測算為2 400 t·hm-2，生物炭百分比是指生物炭用量占每公頃耕層（0～20 cm）土重百分率。試驗時間為2020年6—8月，每個處理重復(fù)3次。試驗小區(qū)面積40 m2。試驗期間不施任何肥料，灌水采用常規(guī)管理，即播種后第2天灌出苗水，在甜高粱生長關(guān)鍵時期進行灌水，若有降水，則不進行灌水。

1.3 采樣與分析方法

在試驗開始后分別在生長前期與生長中期測定株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素相對含量、光合速率（前期調(diào)查日期為2020年7月10日，中期調(diào)查日期為2020年8月10日）。其中，株高用卷尺測量，莖粗用游標(biāo)卡尺測定，葉長、葉寬用卷尺測量，用于計算葉面積（葉長×葉寬×0.75[10]），葉綠素相對含量用葉綠素儀測定，凈光合速率用光合速率儀測定，葉綠素相對含量和凈光合速率測定部位均為頂部倒三葉。

每個處理的同一土層取三鉆土進行混合，共取4層，分別為0～30，30～60，60～90，90～120 cm。收獲時，將試驗小區(qū)甜高粱植株分為地上部與根部（根系為0～20 cm土層深度），分別稱重，并隨機抽取處理中具有代表性的植株和根系，測定含水量，以計算干物質(zhì)量。

植株含磷量：分別將飼用甜高粱樣株地上部樣品與根部樣品烘干后經(jīng)粉碎過篩，利用濃硫酸-雙氧水法消解后，用釩鉬黃比色法測定出各部位全磷含量。

植物吸磷量：收獲植株的干生物量×含磷量

土壤全磷含量：將土壤樣品過篩，濃硫酸-高氯酸消解后，利用鉬藍(lán)比色法測定。土壤有效磷：碳酸氫鈉溶液浸提，鉬藍(lán)比色法比色。土壤水溶性磷：氯化鈣溶液浸提，鉬藍(lán)比色法比色;土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法。土壤溶解有機碳（DOC）和微生物量碳采用TOC儀測定。

試驗數(shù)據(jù)采用WPS方法進行處理，采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對甜高粱長勢影響

由表1可知，不同用量生物炭處理與對照相比，均對甜高粱的長勢有不同程度影響。從株高看：C3>C5>C4>C2>C1，其中C3處理株高顯著高于C1處理，C1、C2與其他處理株高差異顯著;從莖粗看，C3、C4莖粗較好，均顯著高于其他處理;從葉色值看，C1處理最好，C3、C2較好。從前期整體長勢看，C3處理長勢較好。

由表2可知，從株高看：C3>C4>C5>C2>C1，其中C3處理株高高于其他處理，各個處理間差異不顯著;從莖粗看，C1莖粗顯著高于其他處理，C3、C4的莖粗較好;從葉面積看，C2處理葉面積明顯高于其他處理;從葉色值看，C1處理葉色值最大，C3處理次之，兩者差異不顯著;從光合速率看，C3處理有機物積累速率最高，C5次之。從中期整體長勢來看，C3處理長勢較好。

2.2 不同處理對生物量及磷素吸收影響

2.2.1 不同處理甜高粱生物量 從地上部分看，C3生物量明顯高于其他處理，且總體趨勢先增大后降低。根部狀況與地上部狀況類似，C3處理顯著優(yōu)于其他處理。從各處理總干物質(zhì)量來看，C3>C2>C4>C5>C1，在甜高粱干物質(zhì)量中，各個處理均為地上部干物質(zhì)量占比最大，其平均占比為86.4%。綜合考慮C3處理最優(yōu)（圖1）。

2.2.2 不同處理甜高粱吸磷狀況 由表3可知，地下部（根系）吸磷量最大為C2，最小為C1，從大到小排列C2>C5>C3>C4>C1。而地上部吸磷量最高為C3，最低為C5，從高到低順序為C3>C4>C2>C1>C5。總體趨勢表現(xiàn)出先增加后減少特征，C3處理植株總吸磷量達最大，值為44.19 kg·hm-2。

2.3 不同處理對土壤碳磷形態(tài)轉(zhuǎn)化影響

2.3.1 不同處理土壤碳形態(tài)

（1）不同處理對土壤有機碳影響

由圖2可知，C2、C3、C4、C5處理均出現(xiàn)有機碳增加的現(xiàn)象，由大到小排列C5>C4>C3>C2>C1，其中C4、C5處理有機碳相比其他處理增加顯著。

（2） 不同處理對土壤溶解有機碳含量影響

由圖3可知，C3處理下土壤溶解有機碳含量最高，含量最低的為C1。總體趨勢呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，由大到小依次排列的順序C3>C2>C4>C5>C1。其中甜高粱C3處理下的DOC值為639.32 mg·kg-1。

（3）不同處理對土壤微生物量碳含量影響

由圖4可知，在種植飼用甜高粱后，土壤微生物碳的含量均比C1有顯著性提高，且各處理差異顯著，其中含量最多的為C3處理，含量最少的為C1處理。從大到小排序C3>C2>C4>C5>C1。C3處理微生物量碳達到了237.42 mg·kg-1。

2.3.2 不同處理對土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化影響

（1）不同處理土壤全磷含量

由圖5可知，種植后土壤全磷較種植前有所降低，降低率在0.5%～1.9%。其中C3處理降低最多，為1.9%，其次是C2處理。減少量從大到小的順序是C3>C2>C4>C5>C1。從土壤全磷來看處理效果最好的為C3，而處理效果最差的為C1。

（2）不同處理土壤有效磷含量

由圖6可知，在種植飼用甜高粱后，土壤有效磷含量出現(xiàn)降低幅度最大的是C3處理，降幅最小的為C1，由大到小排列為C3>C2>C4>C5>C1。整體降幅程度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。除60～90 cm土層C1、C5和90～120 cm土層C1、C2外，其余處理土壤有效磷均出現(xiàn)不同幅度下降。

（3）不同處理土壤水溶性磷含量

由圖7可知，從圖中可以發(fā)現(xiàn)水溶性磷主要存在于0～60 cm土層中，種植飼用甜高粱后土壤中各層水溶性磷的含量在種植前后均有所下降，其中下降最多的為C3，其0～30 cm表層水溶性磷下降了50.8%。下降幅度最大的為90～120 cm土層，其下降幅度達到了100%。下降幅度最小的為C1，其0～30 cm土層的水溶性磷僅下降了12.0%，90～120 cm土層的下降幅度為78.7%。綜合各層土壤中水溶性磷含量，在抑制水溶性磷累積和降低其層間運移的能力上，C3是最優(yōu)處理。

3 結(jié)論與討論

本試驗得出在生物炭0.5%～2%水平下的土壤全磷C3處理降低最多，其次是C2處理;種植飼用甜高粱后，土壤有效磷含量出現(xiàn)降低幅度最大的是C3處理，這與翁福軍[11]研究結(jié)論得出的范圍一致。郭帥等[12]研究表明，1%生物炭最有利于土壤養(yǎng)分含量累積，土壤有效磷的增幅為15.5%，最佳用量在本試驗范圍內(nèi)。黃雁飛等[13]研究，生物炭最佳施用量為4.5%時降幅最大，與本試驗有明顯不同，這可能與土壤質(zhì)地、種植作物不同有關(guān)，其供試土壤類型為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育形成的潴育性水稻土，且種植作物為水稻。

土壤磷素水平與吳榮等[14]的研究結(jié)果不同，其最大影響因素可能是該試驗地點長期進行定位試驗，由于長期不同施肥方式下有效磷呈顯著或極顯著正相關(guān)，因此可以認(rèn)為起始磷素的不同是由長期定位試驗引起的。

生物炭作為土壤調(diào)理劑并不是越多越好，王浩[15]研究，高添加比例生物炭（3%和6%）時，高粱生長逐漸受到抑制，長勢較差。這與本研究結(jié)果相符，生物炭在施加量不斷增加的過程中土壤改善效果先增大后減少。

甜高粱生物炭0.5%的處理僅次于2%生物炭。生物炭0.5%～2%的生物炭處理下的土壤全磷和水溶性磷含量降低量均最大。從飼用甜高粱的生物量、吸磷量來看，C3處理較好，即2%生物炭施用水平下能更好地促進飼用甜高粱生長;從土壤碳素的角度來看，C3（2%）處理最好，微生物量碳及有機碳在幾個處理里均處于較高水平，有機質(zhì)較種植前增漲幅度最大。綜合考慮植株生長以及阻控和緩解土壤磷的實際效果，生物炭最佳施用量范圍為0.5%～2%（即12～48 t·hm-2）。

參考文獻：

[1] 莊遠(yuǎn)紅. 蔬菜地土壤磷素狀況及其淋失風(fēng)險研究[D]. 福州： 福建農(nóng)林大學(xué)， 2006.

[2] 李建軍， 李玉慶. 農(nóng)田面源污染現(xiàn)狀及研究進展[J]. 中國科技信息， 2017（19）： 65-67.

[3] GUO J H， LIU X J， ZHANG Y， et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science， 2010， 327（5968）： 1008-1010.

[4] 李志偉. 氮磷過量對植物生長的影響及有機肥的調(diào)控作用[D]. 保定： 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2010.

[5] 姜佳燕， 吳穎琦， 顧國平， 等. 亞熱帶低丘區(qū)氮磷流失濃度和化學(xué)形態(tài)的季節(jié)性變化特點[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2020（2）： 159-161， 165.

[6] 嚴(yán)正娟. 施用糞肥對設(shè)施菜田土壤磷素形態(tài)與移動性的影響[D]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2015.

[7] 王亞麒， 袁玲. 甜高粱、高丹草和拉巴豆對難溶性磷的活化與吸收[J]. 草業(yè)學(xué)報， 2019， 28（10）： 33-43.

[8] 盧慧宇， 杜文婷， 張弘弢， 等. 水肥管理及生物炭施用對作物產(chǎn)量和磷效率及磷淋失的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報（中英文）， 2021， 29（1）： 187-196.

[9] LAIRD D， FLEMING P， WANG B Q， et al. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma， 2010， 158（3/4）： 436-442.

[10] 崔鳳娟， 李巖， 王振國， 等. 種植密度對高粱群體生理指標(biāo)及產(chǎn)量影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報， 2018， 34（8）： 9-14.

[11] 翁福軍. 不同水氮條件下生物炭對設(shè)施土壤性狀及作物生長影響研究[D]. 天津： 天津農(nóng)學(xué)院， 2016.

[12] 郭帥， 楊梢娜， 黃芳晨， 等. 不同生物炭配比對小青菜生長及土壤改良效果的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2020， 61（7）： 1295-1297.

[13] 黃雁飛， 陳桂芬， 熊柳梅， 等. 不同作物秸稈生物炭對水稻鎘吸收的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報， 2020， 33（10）： 2364-2369.

[14] 吳榮， 劉善江， 孫昊， 等. 長期定位不同施肥方式對土壤肥力和微生物的影響[J]. 中國土壤與肥料， 2020（4）： 12-18.

[15] 王浩. 不同水分條件下生物炭對土壤特性和高粱生長的影響[D]. 太原： 山西大學(xué)， 2015.