玉米秸稈生物炭對滇池流域大棚土壤磷素利用和小白菜生長的影響*

包 立 劉惠見 鄧 洪 黃維恒 張乃明? 董新星

（1 云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)），昆明 650201）

（2 云南省土壤資源利用與保護(hù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)），昆明 650201）

滇池流域是云南省居民最密集、人類活動最頻繁、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，是支撐昆明國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。近三十年來，隨著滇池流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市規(guī)模的急劇擴(kuò)大，入湖污染負(fù)荷不斷增大，導(dǎo)致滇池富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，水體功能受到極大損害。

磷是水環(huán)境必需的元素，也是湖泊生產(chǎn)力的限制因子之一［1-2］。一般而言，湖泊水體中的氮磷比（N/P）大于7時，磷成為湖泊富營養(yǎng)化的限制性營養(yǎng)元素，據(jù)資料統(tǒng)計［3］，滇池草海氮磷比為 16.2，外海北部為 19.3，中部為 21.8，南部為22.9，所以磷是滇池富營養(yǎng)化的限制性營養(yǎng)元素。因此，研究滇池流域磷素遷移規(guī)律對滇池治理與保護(hù)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

作物對磷肥的利用率很低，通常情況下，當(dāng)季作物僅有5%～15%，加上后效一般也不超過25%，所以約占施肥總量 75%～90%的磷滯留在土壤中。長期過量施用磷肥，導(dǎo)致農(nóng)田耕層土壤處于富磷狀態(tài)，從而可通過徑流等途徑加速磷向水體遷移。有研究估計，全世界每年大約有 300～400 萬t P2O5從土壤進(jìn)入水體［4］，這一情況主要集中發(fā)生在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如美國每年進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)的磷達(dá) 450萬kg［5］，又如在日本，水田中的磷排放量為0.3～8.4 kg hm-2a-1［6］。農(nóng)田磷素流失已成為全世界的一個公共問題。滇池流域是中國最大的磷礦區(qū)之一，流域土壤中全磷背景值較高，但此區(qū)域作物又常年出現(xiàn)缺磷癥狀，這是由土壤全磷中有效磷含量比例過低引起的。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，每年均產(chǎn)生大量的玉米秸稈等廢棄物，大部分被丟棄或焚燒，僅有小部分被利用。秸稈還田存在應(yīng)用地域狹窄、還田后負(fù)面效應(yīng)較大、缺少配套機(jī)械等問題，難以大面積推廣。如何將秸稈等“廢棄”資源返還給農(nóng)田，增加土壤輸入，改良土壤結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切需要解決的問題之一［7］。而生物質(zhì)炭化還田技術(shù)則在解決廢棄生物質(zhì)資源利用難題的同時克服了其他秸稈利用形式的缺陷，具有明顯的環(huán)境友好、可持續(xù)特點(diǎn)［8］。陳溫福院士［9］2006年率先提出“農(nóng)林廢棄物炭化還田技術(shù)”理念并開展相關(guān)科學(xué)研究工作，其團(tuán)隊(duì)研究證明生物質(zhì)直接炭化還田對作物生長、土壤蓄水保肥、提高肥料利用率、增產(chǎn)提質(zhì)等方面均具有重要作用［9］。生物質(zhì)直接炭化還田技術(shù)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)良性循環(huán)和增產(chǎn)增收均具有重要意義。生物炭對于小白菜氮素利用及排放的影響已有研究［10-13］，但是，在滇池流域種植面積很大的小白菜尚未見這方面的研究，尤其缺少針對大棚土壤生物炭添加對小白菜磷有效性的研究，因此，本研究擬通過原狀大棚土壤溫室盆栽試驗(yàn)，初步分析玉米秸稈生物炭對滇池流域大棚土壤中磷素利用及小白菜生長的影響，以評估玉米秸稈生物炭在大棚土壤改良中的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池流域涉及昆明市主城區(qū)（包括五華、盤龍、官渡、西山四區(qū)）、呈貢縣、晉寧縣和嵩明縣，流域面積2 920 km2，是云南省經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平最高的區(qū)域。

受地形、氣候、生物和地質(zhì)因素的綜合作用，滇池流域的土壤共有7類。紅壤為地帶性土壤，棕壤、黃壤屬垂直地帶性土壤，同時，還分布有水稻土、沼澤土、沖積土和紫色土等隱域性土壤。紅壤主要分布于山區(qū)和丘陵地區(qū)；水稻土主要分布于滇池湖濱地區(qū)、河流谷地和山區(qū)平壩；第三系紫色土主要分布于流域東南的侏羅系紅層地區(qū)。整個流域紅壤分布面積最廣，其次為水稻土。研究區(qū)氣候特點(diǎn)：春旱嚴(yán)重，夏無酷暑，秋涼少雨，冬無嚴(yán)寒，四季之分不顯著，氣候的地區(qū)性明顯。多年平均氣溫14.7°C，多年平均相對濕度74%，多年平均風(fēng)速2.2 m s-1，多年平均日照2 448.7 h，無霜期227 d。多年平均降水量935 mm，降水年內(nèi)分配不均，年際變化大。

1.2 供試材料

供試土壤：根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》［14］，在野外實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，遵循空間上均勻分布、典型性、代表性的原則，于滇池流域的大棚采集土壤樣品。土樣的采集遵循土壤學(xué)實(shí)驗(yàn)基本原理［14］，土樣取自全流域大棚種植區(qū)（棚齡2～20 a），于2014年6月至10月采基礎(chǔ)混合樣102個，土壤類型為水稻土。采樣深度為0～80 cm。采用隨機(jī)多點(diǎn)取樣，不同棚齡土樣均勻混合后作為供試大棚土壤樣品。土樣風(fēng)干去除石礫、有機(jī)殘體（包括作物根系）等非土壤物質(zhì)，以消除對元素測定的影響。風(fēng)干后土樣過1 mm、0.25 mm、0.149 mm篩后進(jìn)行基本性質(zhì)測定。供試大棚土壤為滇池流域土壤混合樣品，基本性質(zhì)如下（表1）：

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the test soil

供試生物炭：實(shí)驗(yàn)用生物炭為云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室利用玉米秸稈燒制而成，在高溫500℃部分缺氧條件下，持續(xù)熱解6 h而成黑色粉末，基本性質(zhì)如下（表2）：

表2 供試生物炭基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of the tested biochar

磷肥：購于滇池流域大棚周邊，成分為粒狀過磷酸鈣（一等品），TP（總磷，P2O5）≥44.0%。AP（有效磷，P2O5）≥42.0%。經(jīng)研究區(qū)現(xiàn)場調(diào)查、稱量、求平均值得到滇池流域大棚種植中普通過磷酸鈣施用量折合P2O5為99 kg hm-2。

小白菜：品種名為四季綠，植株小，葉色深綠，初期生長快，葉數(shù)多，生長期為40～50 d，屬于食用品種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大棚中進(jìn)行，在大棚中用單格種植箱（45 cm×32 cm×22 cm）種植小白菜，每個種植箱裝大棚土壤5 kg，種植小白菜8株。

生物炭對土壤磷素活化試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)5個生物炭添加梯度：0、2%、4%、8%、16%（質(zhì)量百分比，下同）。首先進(jìn)行5水平單因素實(shí)驗(yàn)，共5個處理，每個處理重復(fù)3次，通過計算有效磷在全磷中所占的比例確定添加不同量的生物炭對土壤磷素的活化效果。

生物炭對小白菜磷肥利用率影響試驗(yàn)：本試驗(yàn)為雙因素交叉分組有重復(fù)試驗(yàn)，生物炭添加梯度同上，共5個處理。設(shè)4個磷肥（普通過磷酸鈣）添加梯度：不施磷肥（CK）、1/3施肥（22 kg hm-2，以P2O5計，下同）、1/2施肥（33 kg hm-2）和常規(guī)施肥（66 kg hm-2）。氮肥用量折合純氮（N）為180 kg hm-2，鉀肥用量折合K2O為50 kg hm-2。共20個處理，每個處理重復(fù)3次。小白菜種植前測定各處理土壤中全磷（TP）和有效磷的含量，計算它們之間的比例。種植期內(nèi)收集種植箱內(nèi)的下滲水，記錄體積并測定滲濾液TP。在小白菜收獲后差減法計算單季小白菜種植試驗(yàn)磷肥利用率，統(tǒng)計結(jié)果按全年計算（按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣全年種植6季）。

生物炭對小白菜生長影響試驗(yàn)：本研究為單因素試驗(yàn)，生物炭添加量同上，共5個處理，每個處理重復(fù)3次，施肥水平為取樣區(qū)常規(guī)施肥量（氮肥用量折合純N為180 kg hm-2，磷肥用量折合P2O5為66 kg hm-2，鉀肥用量折合K2O為50 kg hm-2）。種植后3 d測定小白菜的發(fā)芽率和子葉展平率。小白菜生長的第10、20、30、40天（收獲）測定小白菜的株高、株重，分析生物炭對小白菜生長的影響及作用過程。小白菜收獲后按盆測定小白菜產(chǎn)量并折合成公頃產(chǎn)量，分析生物炭對小白菜產(chǎn)量的影響。

1.4 測定項(xiàng)目和方法

土壤全磷（TP）采用高氯酸-硫酸消煮—鉬銻抗比色紫外分光光度法測定；土壤有效磷（AP）采用碳酸氫鈉浸提—鉬藍(lán)比色紫外分光光度法測定；小白菜全磷含量采用釩鉬黃紫外分光光度法測定［14］，滲濾液總磷采用過硫酸鉀消解—紫外分光光度法［15］測定。

小白菜當(dāng)季磷肥利用率（%）=（處理小白菜養(yǎng)分吸收量-不施磷不施生物炭小白菜養(yǎng)分吸收量)/肥料中有效養(yǎng)分含量×100。

單次磷流失量=滲濾液TP含量×滲濾液體積。

單季磷流失量=種植期內(nèi)所有單次磷流失量加和。

1.5 數(shù)據(jù)處理

基本計算和圖表的繪制用Excel 2013完成；數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)現(xiàn)，生物炭添加量與施肥量無顯著互作效應(yīng)（磷肥利用率實(shí)驗(yàn)p=0.879 2，磷流失量實(shí)驗(yàn)p=0.825 5，均大于0.05），因此，常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0軟件完成，采用單因素方差分析（ANOVA）法進(jìn)行均值顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05），鄧肯（Duncan）法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭對大棚土壤有效磷活化的影響

在滇池流域，大棚土壤中雖然全磷含量高，但是有效磷所占比例不高，施肥時有效磷會迅速升高，但是肥料中的有效養(yǎng)分會迅速被作物利用或流失。如圖1所示，從采樣檢測結(jié)果來看，滇池流域大棚土壤平均全磷含量為1.571 g kg-1，平均有效磷含量為66.15 mg kg-1，有效磷含量僅占全磷的4.21%。添加生物炭能顯著增加大棚土壤有效磷在全磷中所占的比例，各處理之間的差異顯著。經(jīng)不同生物炭添加量處理后，有效磷含量分別為76.84、85.64、66.62、117.9 mg kg-1，所占比例分別提高至4.89%、5.45%、6.34%、7.50%，較不加生物炭的大棚土壤提高了16.15%、29.45%、50.59%、78.15%。

本研究表明施用生物炭能提高大棚土壤中有效磷含量，一是由于生物炭本身含有一定量的有效磷，二是生物炭改良了大棚土壤環(huán)境，優(yōu)化了解磷環(huán)境。這與其他研究成果一致：研究表明，在有外源磷的條件下，施入生物炭顯著提高了水稻土［16］、紅壤［17］和凍融期棕壤［18］中的有效磷含量，有效磷含量隨生物炭添加量的增加而增加；但是在褐土和潮土中的實(shí)驗(yàn)得到相反的結(jié)果［19］，這可能與土壤本身的pH有關(guān)，高pH下生物炭可能與磷素反應(yīng)生成難溶物。生物炭施入土壤后能明顯提高低肥力紅壤的有效磷含量，增加土壤保肥能力，改善植物生長環(huán)境［20］；施用竹炭顆粒的土壤，其理化性能得到了改良，有效磷含量也明顯提高［21］。

圖1 添加生物炭對大棚土壤有效磷比例的影響Fig 1 Effect of adding biochar on ratio of available phosphorus to total phosphorus in greenhouse soil

2.2 生物炭對大棚小白菜磷肥利用率及土壤磷素流失的影響

添加生物炭和施用磷肥均能顯著提高磷肥的利用率。如圖2所示，隨著生物炭添加量的增加，各施肥處理小白菜磷肥利用率有顯著提高，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；2%和4%的添加量效果差異顯著；當(dāng)生物炭添加量為8%時，添加生物炭的效果最好，當(dāng)生物炭添加量為16%時，小白菜磷肥利用率反而下降。添加生物炭對1/2施磷處理的效果顯著高于其他處理；不添加生物炭且1/2施肥時，小白菜磷肥利用率為14.77%，當(dāng)生物炭添加量為8%且1/2施肥時，小白菜磷肥利用率提高至31.21%，提高了1.11倍。

在滇池流域大棚土壤中，磷流失主要通過下滲的遷移。實(shí)驗(yàn)研究了滇池流域大棚土壤每年磷流失量，結(jié)果如圖3所示，磷肥使用量越大，磷素流失量越大。滇池流域大棚土壤未添加生物炭處理且磷肥施肥量為66 kg hm-2的磷流失量為698.8 g hm-2a-1；添加生物炭能有效減少大棚土壤磷的流失，隨著添加量的增加，磷流失量分別為603.7、513.8、387.4、456.8 g hm-2a-1，分別較未加生物炭大棚土壤降低12.47%、25.51%、43.83%、33.77%，添加生物炭量為8%時效果最好。

因此，滇池流域大棚土壤中添加8%的生物炭并進(jìn)行減半施肥最有利于磷肥的利用，小白菜磷肥利用率提高，也相對減少磷肥的損失，降低農(nóng)業(yè)磷素的非點(diǎn)源污染。農(nóng)田磷素流失危害很大，會嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本研究表明，添加秸稈生物炭可減少土壤磷素流失，改良土壤環(huán)境，這與前人的研究一致：在太湖流域水稻田［22］和小麥田［23］、云南洱海水稻田［24］、長春水稻田［25］、寧夏黃灌區(qū)稻田［26］、江西旱地紅壤［27］及蘋果園土壤［28］的研究中，生物炭配合減施化肥均能達(dá)到增產(chǎn)或不減產(chǎn)的條件下顯著降低農(nóng)田磷素流失風(fēng)險。本研究表明，8%生物炭添加量為最佳控制磷素流失添加量，也與他人研究結(jié)果［29］一致。

2.3 生物炭對大棚種植小白菜生長的影響

出苗率是種子破土出苗數(shù)和種子總數(shù)的百分比，直接反映播種后的成活比例；子葉展平率代表了成活幼苗的茁壯程度。試驗(yàn)測定了播種3 d后在大棚內(nèi)小白菜的出苗率和子葉展平率，結(jié)果如圖4所示，在對照大棚土壤中，小白菜的出苗率為74%，子葉展平率為76%。添加生物炭處理小白菜出苗率提高7%～9%，子葉展平率提高10%～12%，但各添加生物炭處理間差異不顯著。

添加生物炭能提高大棚土壤種植小白菜的株高，如圖5A所示，不同生物炭添加量對株高的影響不同，總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。未添加生物炭的小白菜株高為13.31 cm；當(dāng)生物炭添加量為2%時，小白菜株高顯著升高，2%和4%添加量之間差異不顯著；生物炭添加量為8%時株高達(dá)到最大值，為22.57 cm，較未添加生物炭提高了69.51%；當(dāng)生物炭添加量為16%時，株高反而有所降低。

如圖5B所示，從小白菜的生長周期來看，未添加生物炭處理的株高增加主要在10～20 d，以后增速變慢，添加生物炭以后，株高增加的時間延后。當(dāng)添加量為2%時，株高主要在10～30 d增長；當(dāng)添加量為4%時，株高主要在30～40 d增長，當(dāng)添加量為8%和16%的時候，株高在20～40 d顯著線性增長。

如圖6A所示，添加生物炭能顯著提高大棚土壤種植小白菜的株重，各處理間差異顯著。大棚土壤直接種植小白菜的株重為28.50 g。隨著生物炭添加量的增加，株重分別為33.73、38.88、48.95、44.19 g，生物炭添加量為8%時增加最多，較CK提高71.75%。

圖2 添加生物炭在不同施肥量條件下對大棚土壤小白菜磷肥利用率的影響Fig. 2 Effect of adding biochar on phosphate fertilizer utilization by bok choi in treatments different in fertilization rate

圖3 添加生物炭在不同施肥量條件下對大棚土壤磷流失量的影響Fig. 3 Effect of adding biochar on loss of phosphorus from greenhouse soil in treatments different in fertilization rate

如圖6B所示，在小白菜的生長周期中，未添加生物炭處理的株重增加主要出現(xiàn)在第10～30 d。添加生物炭能讓小白菜在30 d后株重持續(xù)顯著增加，10～30 d中，添加生物炭的處理增速反而不如未添加生物炭，但是在30～40 d，增速迅速增加，增長量分別為16.51%、22.19%、33.63%、28.05%，當(dāng)添加量為8%時，株重增加效果最好。

添加生物炭能顯著提高大棚土壤小白菜產(chǎn)量。如圖7所示，對照大棚土壤種植小白菜產(chǎn)量為17 055 kg hm-2，各生物炭處理的產(chǎn)量分別為19.23×103、19.97×103、22.49×103、20.42×103kg hm-2，8%生物炭添加量產(chǎn)量顯著高于其他處理，2%、4%、16%添加量之間差異不顯著。

隨著生物炭研究的不斷深入，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用也逐漸受到重視。本研究證明，添加生物炭能顯著提高大棚土壤中小白菜的生物量和產(chǎn)量，這與前人在中國其他農(nóng)產(chǎn)品上的研究結(jié)果一致，如在水稻、玉米、高梁、小麥、大豆、花生、豇豆、蘿卜、菠菜、西紅柿、辣椒等作物上均已有了生物炭促進(jìn)生長的證據(jù)［30-34］。然而，生物炭對作物生長的效應(yīng)并不一致。有學(xué)者［35］綜述了近年來生物炭對作物產(chǎn)量的影響，正負(fù)產(chǎn)量效應(yīng)均有出現(xiàn)，其中，50%產(chǎn)量增加，20%產(chǎn)量減少，30%無顯著影響。生物炭的材料來源、制備方式和當(dāng)?shù)赝寥李愋偷纫蛩鼐菓?yīng)用生物炭需要考慮的問題［36］。

圖4 添加生物炭對小白菜幼苗的影響Fig 4 Effects of adding biochar on growth of bok choi seedlings

圖5 添加生物炭對小白菜株高的影響Fig. 5 Effects of adding biochar on height of bok choi

圖6 添加生物炭對小白菜株重的影響Fig. 6 Effects of adding biochar on plant weight of bok choi

圖7 添加生物炭對小白菜產(chǎn)量的影響Fig. 7 Effects of adding biochar on yield of bok choi

生物炭是否需要連續(xù)施用、連續(xù)施用是否有累加效應(yīng)也是值得關(guān)注的問題。有研究表明，施用生物炭第1年未提高玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)效應(yīng)出現(xiàn)在第2年以后［37-38］。而本研究中，小白菜的生長時間較短，僅一個多月，且單季種植，未進(jìn)行連續(xù)栽培。所以，生物炭對小白菜增產(chǎn)是否存在時間的累加效應(yīng)尚待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

大棚土壤的小白菜磷肥利用率低，添加生物炭可提高大棚土壤有效磷占全磷的比例，提高作物小白菜磷肥利用率，其中，當(dāng)生物炭添加量為土壤質(zhì)量的8%時效果最好，在8%生物炭添加量情況下，當(dāng)施肥量為常規(guī)施肥的1/2（33 kg hm-2，P2O5）時，小白菜磷肥利用率為31.21%，較常規(guī)施肥不施生物炭的大棚土壤提高111.3%，當(dāng)施肥量為1/3（22 kg hm-2，P2O5）的時候，小白菜磷肥利用率與常規(guī)施肥時無顯著差異。提高小白菜磷肥利用率能降低大棚土壤磷流失量，當(dāng)生物炭添加量為8%時，大棚土壤磷流失量為387.4 g hm-2a-1，降低了43.83%。小白菜磷肥利用率的提高還能改善小白菜的生長狀況：出苗率提高7%～9%，子葉展平率提高10%～12%；當(dāng)生物炭添加量為8%時，株高提高69.51%，對株高的影響主要出現(xiàn)在種植的第20～40d；株重提高71.75%，對株重的影響主要出現(xiàn)在種植的第30～40d；小白菜最終產(chǎn)量提高31.87%。