夏季設(shè)施菜田生物炭施用對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(diǎn)。4%和8%處理顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，土壤溶解有機(jī)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(dá)到了100%。因此，在本試驗(yàn)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(hào)：S514;S156 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)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(shí)過量的磷不利于設(shè)施土壤的再種植，對(duì)作物生長(zhǎng)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(duì)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?cái)?shù)量，這就需要提高磷素的資源利用率，同時(shí)控制菜田土壤磷素積累，降低其移動(dòng)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(zhǎng)，對(duì)土壤的適應(yīng)能力極強(qiáng)，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(qiáng)等特點(diǎn)，不僅可以提高土壤肥力，還對(duì)促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高作物產(chǎn)量有重要作用[8]。David Laird等[9]報(bào)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?？紤]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?；诖?，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(xiǎn)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(hào)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(yàn)處理

在試驗(yàn)棚中設(shè)計(jì)5個(gè)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(yàn)土壤耕層土重測(cè)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(yàn)時(shí)間為2020年6—8月，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)小區(qū)面積40 m2。試驗(yàn)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(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行灌水，若有降水，則不進(jìn)行灌水。

1.3 采樣與分析方法

在試驗(yàn)開始后分別在生長(zhǎng)前期與生長(zhǎng)中期測(cè)定株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬、葉綠素相對(duì)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(cè)量，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)定，葉長(zhǎng)、葉寬用卷尺測(cè)量，用于計(jì)算葉面積（葉長(zhǎng)×葉寬×0.75[10]），葉綠素相對(duì)含量用葉綠素儀測(cè)定，凈光合速率用光合速率儀測(cè)定，葉綠素相對(duì)含量和凈光合速率測(cè)定部位均為頂部倒三葉。

每個(gè)處理的同一土層取三鉆土進(jìn)行混合，共取4層，分別為0～30，30～60，60～90，90～120 cm。收獲時(shí)，將試驗(yàn)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(jī)抽取處理中具有代表性的植株和根系，測(cè)定含水量，以計(jì)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(cè)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(cè)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(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法。土壤溶解有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳采用TOC儀測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS方法進(jìn)行處理，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)甜高粱長(zhǎng)勢(shì)影響

由表1可知，不同用量生物炭處理與對(duì)照相比，均對(duì)甜高粱的長(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng)勢(shì)看，C3處理長(zhǎng)勢(shì)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(gè)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(jī)物積累速率最高，C5次之。從中期整體長(zhǎng)勢(shì)來看，C3處理長(zhǎng)勢(shì)較好。

2.2 不同處理對(duì)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(shì)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(gè)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?yàn)镃3>C4>C2>C1>C5?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)出先增加后減少特征，C3處理植株總吸磷量達(dá)最大，值為44.19 kg·hm-2。

2.3 不同處理對(duì)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(duì)土壤有機(jī)碳影響

由圖2可知，C2、C3、C4、C5處理均出現(xiàn)有機(jī)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(jī)碳相比其他處理增加顯著。

（2） 不同處理對(duì)土壤溶解有機(jī)碳含量影響

由圖3可知，C3處理下土壤溶解有機(jī)碳含量最高，含量最低的為C1?？傮w趨勢(shì)呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，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(duì)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(dá)到了237.42 mg·kg-1。

2.3.2 不同處理對(duì)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(shì)。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(dá)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(yùn)移的能力上，C3是最優(yōu)處理。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)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(yàn)范圍內(nèi)。黃雁飛等[13]研究，生物炭最佳施用量為4.5%時(shí)降幅最大，與本試驗(yàn)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(yàn)地點(diǎn)長(zhǎng)期進(jìn)行定位試驗(yàn)，由于長(zhǎng)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(zhǎng)期定位試驗(yàn)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(shí)，高粱生長(zhǎng)逐漸受到抑制，長(zhǎng)勢(shì)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(jìn)飼用甜高粱生長(zhǎng);從土壤碳素的角度來看，C3（2%）處理最好，微生物量碳及有機(jī)碳在幾個(gè)處理里均處于較高水平，有機(jī)質(zhì)較種植前增漲幅度最大。綜合考慮植株生長(zhǎng)以及阻控和緩解土壤磷的實(shí)際效果，生物炭最佳施用量范圍為0.5%～2%（即12～48 t·hm-2）。

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