生物炭施用對設施菜地夏填閑糯玉米生長和土壤磷素吸收的影響

王大鳳 盧樹昌 王威

摘要：以糯玉米為供試作物，以草本生物炭為供試調理劑材料，設計6個不同生物炭用量，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%）處理，研究生物炭施用對夏填閑糯玉米生長與土壤磷素吸收的影響。結果表明，隨著生物炭用量的增加，株高、莖粗均呈現先增大后減小的趨勢，其中C4處理株高最大，為272.0 cm，葉綠素相對含量隨著作物生長發(fā)育較生長前期均有所增加。填閑糯玉米總干物質量和吸磷量均出現先增加后減小的特點，其中C3處理總干物質量最大，吸磷量則是C2處理較好。土壤總磷和有效磷含量均有所降低，其中C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%，其他土層中，均是C3處理降低最為明顯。表明，0.5%～2.0%生物炭施用量范圍種植填閑糯玉米對阻控磷素的淋失問題效果較好。

關鍵詞：設施土壤;填閑糯玉米;磷素吸收;生物炭

中圖分類號：S513.06 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）04-0068-05

收稿日期：2021-07-28

基金項目：天津市重點研發(fā)計劃科技支撐重點項目（編號：19YFZCSN00290）;國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0801006）。

作者簡介：王大鳳（1995—），女，天津人，碩士研究生，從事農田土壤與作物生長環(huán)境關系研究。E-mail：1340005705@qq.com。

通信作者：盧樹昌，博士，教授，從事農田土壤質量與植物營養(yǎng)的教學與科研工作。E-mail：lsc9707@163.com。

磷素不僅是設施作物生長的限制因子，也是造成設施土壤環(huán)境污染的重要因素之一[1-3]。在設施農業(yè)生產中，施用磷肥能更好地促進蔬菜作物生長，但是施入土壤中的磷素不能完全被蔬菜吸收利用，有研究表明，多數作物的當季磷肥利用率只有10%～20%[4]。越來越多的磷素累積在土壤中，極大地增加了磷素在土壤中的移動性和淋失風險[5-6]，造成面源污染。針對該問題有學者提出，種植夏季填閑作物可以提高磷素利用率。設施菜地夏季填閑作物一般選用根系發(fā)達、短期生物量大且具有較高氮磷吸收能力的作物[7-8]，如甜玉米、糯玉米、甜高粱等[9-11]。種植夏季填閑作物對0～30 cm淺層設施土壤中有效磷和水溶性磷具有良好的淋失阻控效果[12]。研究表明，深根系作物吸收來自深層土壤的磷素，在降低磷素損失方面，較從淺層土壤吸收相同量磷素控制風險效果更明顯[13-14]。解決設施土壤磷素累積問題的另一個途徑是施用土壤調理劑（如生物炭）。生物炭是不同來源有機物質（如作物秸稈、生活污泥和動物糞便等）在缺氧條件下通過較低溫度（≤700 ℃）熱裂解產生的一類含碳、穩(wěn)定、高度芳構化的碳質材料[15]。生物炭具有較大的比表面積、發(fā)達的孔隙結構、較高的陽離子交換量、能促進植物生長的特點[16-18]。生物炭可以用來提高土壤質量[19-21]，增加土壤中磷素的吸持能力[22]，減緩土壤中的養(yǎng)分釋放速度，同時還可以改變土壤的理化性質。梁錦秀等研究設計不同水平生物炭施用量對春小麥氮磷鉀吸收量的影響表明，施用生物炭18 000 kg/hm2處理下，植株磷素吸收量增加了3.1%～20.2%[23]。

目前，種植填閑作物減少土壤磷素損失具有一定的效果，生物炭作為土壤調理劑，研究多集中在土壤理化性狀改善方面，對影響土壤磷素吸收的生物炭用量的研究較少，缺乏對最佳施用量的深入探討?；诖?，本試驗提出采用填閑糯玉米與生物炭結合的方法，探究生物炭的最佳施用量，以期為控制設施土壤磷素面源污染、降低磷素環(huán)境風險提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村，該地屬于溫帶大陸性季風氣候，土壤質地為中壤，試驗土壤表層總磷含量為4.54 g/kg，有效磷含量為443.96 mg/kg，土壤磷含量處于豐富水平，土壤磷累積比較嚴重，加之灌水量大，存在磷淋洗環(huán)境風險。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試作物 試驗采用糯玉米為供試作物，品種為雪糯2號，經過前期夏季填閑作物種植密度試驗[24]篩選，采用10.5萬株/hm2（株行距為19 cm×50 cm）的種植密度進行種植最佳，生育期為90 d。

1.2.2 供試調理劑材料 草本生物炭由稻殼材料制作，pH值為10.47，有機碳含量為450 g/kg，購自天津亞德爾生物質科技股份有限公司。

1.3 試驗處理

試驗于2020年冬春茬番茄收獲后進行，按照生物炭的施用量共設計6個處理，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%），生物炭施用水平根據該試驗菜田每 667 m2 耕層土質量160 000 kg的百分率進行施用，然后將生物炭均勻撒施在土壤表面（0～20 cm），翻耕混勻。每個處理重復3次，試驗小區(qū)面積為 35.84 m2。試驗時間為2020年6—8月，6月初種植，8月中旬收獲測定鮮生物量，同時采集種植前和采收后的0～30、>30～60、>60～90、>90～120 cm土壤樣品，測定植株磷素和土壤磷素含量等指標。整個過程不施加任何肥料。

1.4 測試方法

1.4.1 長勢測定 每個試驗小區(qū)隨機選取3株長勢與小區(qū)糯玉米平均長勢一致的樣株進行測定。其中，株高為莖基部至頂葉高度，莖粗為第1節(jié)間中部莖的直徑（用游標卡尺測定），采用葉綠素儀測定葉綠素相對含量（SPAD值）。

1.4.2 干物質量測定 收獲時將小區(qū)糯玉米植株分部位稱質量，并隨機選取各處理中具有代表性的植株和根系（根系為0～20 cm土層深度），在烘箱內105 ℃下殺青1 h，然后75 ℃烘干至恒質量，計算含水量，進一步折算干物質量。

1.4.3 植物吸磷量測定 分別將糯玉米樣株地上部樣品與根部樣品烘干后粉碎過篩，經過濃硫酸-雙氧水法消解后，采用釩鉬黃比色法測定出各部位全磷含量，吸磷量為收獲植株的干物質量×含磷量。

1.4.4 土壤總磷、有效磷含量測定 采用濃硫酸-高氯酸消解，鉬藍比色法測定土壤總磷含量;采用碳酸氫鈉溶液浸提，鉬藍比色法測定土壤有效磷含量。

1.4.5 數據分析 采用Excel 2010進行數據處理，采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析，用Duncans新復極差法和LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理糯玉米長勢狀況

不同處理填閑糯玉米生長狀況長勢比較見表1。糯玉米生長中后期，株高隨著生物炭施用量的增加呈現先增大后減小的趨勢，其中C3處理株高最大，為272.0 cm，其次為C4處理，C1處理最小，為242.0 cm。填閑糯玉米生長前、中后期莖粗變化趨勢與株高變化趨勢大體一致，各處理之間沒有顯著差異。隨著糯玉米生長發(fā)育的影響，生長中后期葉綠素相對含量較生長前期均有增加。綜合來看C3、C4處理糯玉米長勢較好。

2.2 不同處理糯玉米干物質量狀況

由圖1可知，填閑糯玉米總干物質量隨著生物炭施用量的增加先增加后減少，各處理之間存在顯著性差異。C3處理達到最大值，為 8 972.49 kg/hm2，其次為C4處理，C6處理最小，其總干物質量為 3 105.12 kg/hm2。

各部位干物質量變化趨勢與總干物質量變化趨勢相同，均呈現先增加后減少的趨勢。其中地上部C3處理干物質量最大，為7 796.59 kg/hm2，其次為C4處理，為7 032.95 kg/hm2，與其他各處理差異顯著;地下部干物質量C3處理最大，為 1 175.89 kg/hm2，與其他處理差異顯著。綜合考慮較好處理為C3、C4處理。

2.3 不同處理糯玉米的磷素吸收狀況

不同處理填閑作物不同部位對土壤磷素吸收的影響見表2。填閑糯玉米總吸磷量隨著生物炭施用量的增加呈現先增大后減小的趨勢，且各處理之間差異顯著。地上部吸磷量明顯高于地下部吸磷量，糯玉米地上部吸磷量C2處理最大，為40.20 kg/hm2，C3處理次之，C6處理最小，為 10.81 kg/hm2，各處理之間差異顯著。地下部磷吸收量C3處理顯著高于其他處理，為3.79 kg/hm2。各處理對磷素總吸收量順序依次為C2>C3>C4>C5>C1>C6，綜合考慮C2、C3處理對磷素吸收最好。

2.4 不同處理對設施土壤磷素運移影響

2.4.1 設施土壤表層總磷含量狀況 由圖2可知，夏季填閑糯玉米不同生物炭施用量水平土壤總磷含量較種植前有所降低，降低率[指（種植前養(yǎng)分含量-種植后養(yǎng)分含量）/種植前養(yǎng)分含量，下同]為-0.1%～1.9%。種植后土壤總磷含量變化表現為 C2>C3>C4>C1>C5>C6，各個處理間差異不顯著。其中，C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，其次為C3處理，降低率為1.5%，說明C2、C3處理即0.5%～1.0%生物炭施用水平下可以更好地降低設施土壤總磷含量。

2.4.2 填閑糯玉米種植前后設施土壤各土層有效磷運移狀況 不同處理對設施土壤各土層有效磷含量的影響見圖3。種植填閑糯玉米對各土層土壤的有效磷含量有降低作用。與種植前相比，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%，C3處理次之。其他土層中，均是C3處理降低最為明顯，>30～60 cm土層中降低率C3處理達62.1%，>60～90 cm土層中C3處理降低率達72.8%，>90～120 cm土層中C3處理降低率為88.6%。種植后，各個處理>30～60、>60～90、>90～120 cm土層有效磷含量較0～30 cm土層均有顯著降低，其中>90～120 cm土層較0～30 cm土層降低率為 C3>C2>C4>C5>C6>C1，C3處理降低最多，為95.5%，其次為C2處理，降低了79.1%，C1處理降低最小，說明磷素向下移動的多，C6處理其次，可能是由于施加生物炭的量多，改善了土壤的通透性，進而磷素向下移動較多，造成設施土壤磷素淋洗。綜合來看，設施土壤休閑期間各土層有效磷淋洗嚴重，種植填閑糯玉米較種植前能降低各個土層有效磷含量，C2（0.5%）、C3（1.0%）處理能顯著降低設施土壤有效磷含量，降低土壤磷素環(huán)境風險。

3 討論與結論

設施菜地夏季休閑作物一般選用根系發(fā)達、短期生物量大且具有較高氮磷吸收能力的作物，劉晶淼等研究表明，玉米為深根作物，根長可達 230 cm[25]。本試驗中，糯玉米不同處理對下層土壤有效磷含量降低有一定效果，這可能與玉米根系根層分布吸收土壤磷素有關。

生物炭作為一種土壤調理劑，施用量并不是越多越有利于作物生長，余端等研究表明適量的秸稈生物炭添加量（4%～8%）有助于小白菜生長發(fā)育，而較高的添加量（12%～16%）反而有抑制作用[26-27]，本研究結論與之一致，生物炭施用量增加，糯玉米株高、莖粗呈現先增大后減小的趨勢。

本次試驗研究表明，土壤各土層有效磷含量隨著生物炭用量的增加表現出先降低后增加的趨勢，這與邱嶺軍等的研究結論[28]相反，可能是由于本次試驗過程中沒有施加任何肥料，前茬收獲后磷素未被利用，同時磷素向下淋洗，積累在90～120 cm土層當中，也可能是由于添加生物炭影響了有效磷的轉化，生物炭呈堿性，會加強土壤有機磷的礦化作用，從而使土壤有效磷含量增加。同時較低的生物炭用量更能有效降低土壤有效磷含量，這與曾愛等研究結果[29]一致。此次試驗得出0.5%～2.0%生物炭施用量種植填閑糯玉米對阻控磷素的淋失問題效果較好，從設施土壤磷素含量變化情況來看，0.5%～1.0%生物炭施用水平可以更好地降低設施土壤總磷含量，1.0%生物炭水平施用下種植填閑糯玉米對減少有效磷向下運移效果最為明顯，這與翁福軍的研究結論[30]一致。

隨著生物炭用量的增加，株高、莖粗均呈現先增大后減小的趨勢，C3處理株高最大，為272.0 cm，葉綠素相對含量隨著作物生長發(fā)育較生長前期均有所增加。填閑糯玉米總干物質量和吸磷量均出現先增加后減小的特點，其中C3處理總干物質量最大，為8 972.49 kg/hm2，吸磷量則是C2處理較好，為42.43 kg/hm2。土壤總磷和有效磷含量均有所降低，其中C2處理較種植前表層土壤總磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量，其中C2處理降低最多，降低率為21.6%。>30～60、>60～90、>90～120 cm 土層中，均是C3處理降低最為明顯。各個土層有效磷含量較表層降低最多的是C3處理，降低了土壤磷素環(huán)境風險。因此，在本試驗條件下得出0.5%～2.0%生物炭施用量種植填閑糯玉米對解決土壤磷素面源污染問題效果較好。

參考文獻：

[1]孔 碩，樊明壽，秦永林，等. 磷素營養(yǎng)診斷技術的發(fā)展及其在馬鈴薯生產中的應用前景[J]. 中國馬鈴薯，2019，33（5）：309-313.

[2]Gilbert N.Environment：the disappearing nutrient[J]. Nature，2009，461（7265）：716-718.

[3]韓張雄，董亞妮，王曦婕，等. 設施蔬菜地施用磷肥對土壤及環(huán)境中磷素積累的影響研究現狀[J]. 中國農業(yè)信息，2016（20）：70-72.

[4]馮 固.提高我國土壤-作物體系磷肥高效利用的途徑[J]. 磷肥與復肥，2021，36（2）：4.

[5]于群英，李孝良，陳世勇，等. 長期施肥對菜地土壤磷素積累的影響[J]. 華北農學報，2012，27（6）：196-201.

[6]魯艷紅，廖育林，聶 軍，等. 長期施肥紅壤性水稻土磷素演變特征及對磷盈虧的響應[J]. 土壤學報，2017，54（6）：1471-1485.

[7]康凌云.夏季填閑作物種植對設施菜田土壤氮素轉化及淋洗的影響[D]. 北京：中國農業(yè)大學，2017.

[8]田永強，高麗紅.填閑作物阻控設施菜田土壤功能衰退研究進展[J]. 中國蔬菜，2012（18）：26-35.

[9]郝曉然，彭亞靜，張麗娟，等. 根層調控措施對甜玉米—黃瓜設施蔬菜輪作體系土壤硝態(tài)氮的影響[J]. 中國農業(yè)科學，2015，48（12）：2390-2400.

[10]王大鳳，王思瑤，侯 琨，等. 夏填閑作物不同密度種植對設施土壤磷素的吸收與磷風險阻控[J]. 江蘇農業(yè)科學，2019，47（11）：286-289.

[11]尹 興，汪新穎，張麗娟，等. 填閑作物消減蔬菜生產棚室土壤硝態(tài)氮潛力研究[J]. 農業(yè)資源與環(huán)境學報，2015，32（3）：222-228.

[12]裴志強，盧樹昌，侯 琨，等. 基于不同夏填閑作物及種植密度的設施土壤磷素吸收與淋失阻控研究[J]. 環(huán)境污染與防治，2019，41（4）：398-401.

[13]姜春光，盧樹昌，陳 清.模擬不同降雨條件對日光溫室填閑作物糯玉米產量、根系生長及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 北方園藝，2011（17）：71-75.

[14]任智慧，李花粉，陳 清，等. 甜玉米填閑減緩菜田土壤硝酸鹽淋溶的研究[J]. 農業(yè)工程學報，2006，22（9）：245-249.

[15]郜禮陽，鄧金環(huán)，唐國強，等. 不同溫度桉樹葉生物炭對Cd2+的吸附特性及機制[J]. 中國環(huán)境科學，2018，38（3）：1001-1009.

[16]張登曉，高 雅，介紅彬，等. 生物質炭對農田土壤磷有效性的影響研究進展[J]. 河南農業(yè)大學學報，2021，55（2）：199-205，220.

[17]孫 雪.雞糞和豬糞生物質炭對土壤肥效及小白菜產量與品質的影響[D]. 南京：南京農業(yè)大學，2016.

[18]邱良祝，朱脩玥，馬 彪，等. 生物質炭熱解炭化條件及其性質的文獻分析[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2017，23（6）：1622-1630.

[19]黃 燕，黎珊珊，蔡凡凡，等. 生物質炭土壤調理劑的研究進展[J]. 土壤通報，2016，47（6）：1514-1520.

[20]Novak J M，Busscher W J，Laird D L，et al. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science，2009，174（2）：105-112.

[21]Novak J M，Lima L，Xing B S，et al. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and theireffects on a loamy sand[J]. Annals of Environmental Science，2009，3（11）：195-206.

[22]吳蔚君，徐云連，邢素林，等. 生物炭對土壤氮磷轉化和流失的影響[J]. 農學學報，2018，8（9）：20-26.

[23]梁錦秀，郭鑫年，任福聰，等. 生物炭對寧夏揚黃灌區(qū)春小麥產量及養(yǎng)分吸收利用的影響[J]. 寧夏農林科技，2018，59（10）：1-6.

[24]裴志強.夏填閑作物種植對集約化設施土壤氮磷養(yǎng)分及相關性狀影響研究[D]. 天津：天津農學院，2020.

[25]劉晶淼，安順清，廖榮偉，等. 玉米根系在土壤剖面中的分布研究[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2009，17（3）：517-521.

[26]余 端，馮牧野，李 燕，等. 秸稈生物炭對小白菜生長發(fā)育及土壤性質的影響[J]. 南方農業(yè)，2019，13（34）：45-47.

[27]劉曉宇，劉 楊，馮彥房，等. 水稻秸稈生物炭對漬害脅迫下稻麥輪作土壤的影響[J]. 江蘇農業(yè)科學，2021，49（5）：211-215.

[28]邱嶺軍，張 翔，李 亮，等. 生物炭施用量對土壤特性和煙葉產質量的影響[J]. 安徽農業(yè)科學，2020，48（18）：153-156.

[29]曾 愛，廖允成，張俊麗，等. 生物炭對塿土土壤含水量、有機碳及速效養(yǎng)分含量的影響[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（5）：1009-1015.

[30]翁福軍. 不同水氮條件下生物炭對設施土壤性狀及作物生長影響研究[D]. 天津：天津農學院，2016.

3638500338236