生物碳對土壤磷素和棉花養(yǎng)分吸收的影響

蘇 倩, 侯振安, 趙 靚, 茹思博, 翟 勇, 董天宇

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系，新疆石河子 832003)

生物碳會(huì)直接影響土壤的結(jié)構(gòu)、 通透性和孔隙度，進(jìn)而影響土壤的呼吸作用、 保水能力、 土壤微生物以及養(yǎng)分狀況[14]。制備生物碳的原料和熱解溫度都會(huì)影響其基本性質(zhì)和應(yīng)用效果，通常熱解溫度越高其穩(wěn)定性越強(qiáng)[15]。新疆是我國最大的商品棉生產(chǎn)基地，棉花秸稈資源豐富，但關(guān)于棉花秸稈制備生物碳及其熱解溫度對土壤磷素及作物磷素吸收的影響研究還很少。本研究以棉花秸稈為原料，研究不同熱解溫度生物碳和磷肥配施對棉花生長以及磷素吸收利用的影響，以期為生物碳的合理利用和提高磷素利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究采用溫室盆栽試驗(yàn)，磷肥(P2O5)用量設(shè)三個(gè)水平，為0、 0.25、 0.5 g/kg(分別以P0、 P1、 P2表示)。生物碳設(shè)置四個(gè)處理： 分別為450℃生物碳(BC 450)、 600℃生物碳(BC 600)和750℃生物碳(BC 750); 同時(shí)，以空白土壤為對照(CK)。生物碳的施用量均為1%(占干土重)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 樣品采集與測定

試驗(yàn)結(jié)束后采集棉花植株樣，將棉花植株自基部剪下，用去離子水洗凈后分成莖、 葉、 蕾鈴三部分，烘干后稱重，測定全氮、 磷和鉀含量。采集0—50 cm土壤樣品，以10 cm為一層，分5層采集，采集后混合各層土壤樣品，風(fēng)干碾碎過篩后，測定混合土樣的水溶性磷、 速效磷及全磷含量。

植物樣品粉碎過篩后，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，采用奈氏比色法測定全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量[17]。土壤水溶性磷浸提水土比為5 ∶1，25℃恒溫振蕩1 h后，高速離心10 min (4000 r/min)，0.45 μm濾膜抽濾，鉬銻抗比色法測定; 速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定; 全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤磷素含量的影響

2.1.1 水溶性磷 表1表明， 2011和2012年試驗(yàn)結(jié)束后，在不施磷肥條件下(P0)，第一年(2011)試驗(yàn)結(jié)束后各生物碳處理土壤水溶性磷含量差異不大; 但第二年(2012)施用生物碳處理均顯著高于對照(CK)，三個(gè)施用生物碳處理土壤水溶性磷含量表現(xiàn)為BC600>BC750> BC450。中等施磷量下(P1)，第一年僅BC750處理土壤水溶性磷含量顯著高于CK，BC450和BC600處理與CK無明顯差異; 第二年施用生物碳處理均顯著高于CK，BC450、 BC600和BC750處理土壤水溶性磷含量分別較CK增加了78%、 56%和107%。高施磷量下(P2)，第一年BC600和BC750處理土壤水溶性磷含量顯著高于CK，但BC450與CK差異不顯著; 第二年不同生物碳處理間土壤水溶性磷含量與中等施磷量下(P1)相似，BC450、 BC600和BC750處理分別較CK增加了42%、 37%和77%。

從兩年的兩因素方差分析結(jié)果來看，磷肥、 生物碳及二者交互作用對土壤水溶性磷含量的影響均達(dá)到顯著或極顯著水平。總體上，土壤水溶性磷含量隨施磷量的增加而顯著提高。不同生物碳處理土壤水溶性磷含量則表現(xiàn)為隨著生物碳熱解溫度的提高和施用年限的增加而增加; 且生物碳與磷肥配施優(yōu)于生物碳單獨(dú)施用。

2.1.2 速效磷 土壤速效磷含量主要受施磷量的影響，隨著施磷量的增加土壤速效磷含量顯著提高; 而施用生物碳對土壤速效磷含量的影響相對較小(表1)。從不同施磷水平下，各生物碳處理土壤速效磷含量的兩年試驗(yàn)結(jié)果來看，僅BC600處理土壤速效磷含量顯著高于CK，而BC450和BC750均與CK差異不大。

表1 不同處理對土壤磷含量的影響

2.2 不同處理對棉花干物重的影響

表2表明，2011年除磷肥處理對棉花莖和葉的干物質(zhì)重影響不顯著外，磷肥、 生物碳及二者交互作用對棉花各器官及總干物質(zhì)重的影響均達(dá)到極顯著水平。2012年磷肥和生物碳處理對棉花莖和總干物質(zhì)重影響顯著，但對葉和蕾鈴的干物質(zhì)重影響不顯著。

在P0條件下，2011年施用生物碳對棉花干物質(zhì)重影響顯著，其中莖的干物質(zhì)重為BC600處理最高，蕾鈴和總干物質(zhì)重整體表現(xiàn)為： BC750、 BC600>BC450>CK。2012年僅BC750處理棉花總干物質(zhì)重顯著高于CK，其他處理間差異均不顯著。

在P1和P2條件下，2011年施用生物碳處理棉花莖、 葉、 蕾鈴和總干物質(zhì)重均顯著高于CK，三種施用生物碳處理(BC450、 BC600和BC750)棉花總干重總體表現(xiàn)為隨著生物碳熱解溫度的增加而增加; 但2012年施用生物碳處理棉花總干重均與CK無顯著差異。

表2 2011年和2012年不同處理對棉花植株干物質(zhì)重的影響 (g/pot)

2.3 不同處理對棉花養(yǎng)分吸收的影響

2.3.1 氮素吸收 2011年兩因素方差分析結(jié)果表明施磷量(F=3.96，P<0.05)和生物碳(F=12.68，P<0.01)對棉花氮素吸收影響顯著。總體上，棉花氮素吸收量隨著施磷量的增加而增加。圖1表明，在不施磷肥條件下(P0)，BC750處理棉花氮素吸收量最大， BC450和BC600處理棉花氮素吸收量與CK無顯著差異; 中等施磷量下(P1)，三種類型生物碳棉花氮素吸收量均與對照無顯著差異; 而高施磷量下(P2)，BC600和BC750處理棉花氮素吸收量均顯著高于對照，表現(xiàn)為BC750、 BC600> BC450 > CK。

第二年(2012)兩因素方差分析結(jié)果表明施磷量(F=99.85，P<0.01)和生物碳(F=45.19，P<0.01)對棉花氮素吸收的影響均達(dá)到了極顯著水平。在P0條件下，三種類型生物碳棉花氮素吸收量均與對照無顯著差異，但BC750處理棉花氮素吸收量顯著高于BC450和BC600; 在P1條件下，BC600 和BC750處理棉花氮素吸收量最高，其次是CK，BC450最低; 在P2條件下，三種類型生物碳處理棉花氮素吸收量與CK無顯著差異。

圖1 不同處理棉花植株吸氮量Fig.1 N uptake of cotton under different treatments

2.3.2 磷素吸收 2011年兩因素方差分析結(jié)果表明， 施磷量(F=52.38，P<0.01)和生物碳(F=20.21，P<0.01)對棉花磷素吸收影響極顯著?？傮w上，棉花磷素吸收量隨著施磷量的增加顯著增加。圖2顯示， 在不施磷肥條件下(P0)，BC450處理棉花磷素吸收量與CK差異不大，BC600與BC750處理棉花磷素吸收量較CK分別增加了48%和40%; 中等施磷量下(P1)，三種類型生物碳棉花磷素吸收量均顯著高于對照，BC450、 BC600和BC750較CK分別增加了18%、 26%和40%; 而高施磷量下(P2)，僅BC750處理棉花磷素吸收量顯著高于CK，BC450和BC600處理均與CK差異不顯著。

與第一年(2011)相似，第二年(2012)施磷量和生物碳對棉花磷素吸收的影響也均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)?？傮w上，棉花磷素吸收量隨著施磷量的增加顯著增加; 不同生物碳處理表現(xiàn)為750BC> 600BC>450BC>CK。在P0條件下，僅BC750處理棉花磷素吸收量顯著高于對照(CK)，BC450、 BC600與CK差異不顯著; 在P1條件下，BC750處理棉花磷素吸收量最高，其次是BC600，分別較CK增加26%和15%，但BC450處理與CK差異不顯著; 在P2條件下，BC450、 BC600和BC750均顯著高于CK，分別較CK增加了18%、 22%和39%。

圖2 不同處理棉花植株吸磷量Fig.2 P uptake of cotton under different treatments

圖3 不同處理棉花植株吸鉀量Fig.3 K uptake of cotton under different treatments

2012年不同處理對棉花鉀素吸收的影響總體上與2011年相似。三種施磷水平下，施用生物碳處理棉花鉀素吸收量均顯著高于CK，但三種生物碳處理間存在差異。在不施磷肥(P0)和中等施磷量(P1)條件下，BC750棉花鉀素吸收量最高，其次是BC600，BC450最低; 但在高施磷量下(P2)，三種類型生物碳處理棉花鉀素吸收量無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

根據(jù)本研究的兩年結(jié)果來看，2012年棉花植株干物質(zhì)重顯著高于2011年，主要與棉花種植時(shí)間有關(guān)。2011年棉花于8月播種，12月收獲，棉花生長階段整體溫度偏低，因此造成棉花生長緩慢，干物質(zhì)重較低，從而影響了棉花植株對氮、 磷、 鉀的吸收。

施用生物碳可以保持土壤肥力，改善土壤的化學(xué)、 生物和物理特性，并顯著增加作物產(chǎn)量[27-29]。一般認(rèn)為，生物碳對作物生長和產(chǎn)量的影響與生物碳的制備原料、 熱解溫度、 施用量和施用年限等有關(guān)，但大多數(shù)研究都認(rèn)為生物碳可以提高作物的生物量和產(chǎn)量[30]。本研究連續(xù)兩年試驗(yàn)結(jié)果表明在不同磷肥施用水平下，施用生物碳均可以促進(jìn)棉花生長和磷素吸收，顯著提高棉花的生物量和磷素吸收量。Hidetoshi等[20]研究也表明，施用生物碳能改善土壤的滲透壓和水稻葉面積指數(shù)，提高氮、 磷的有效性，增加旱稻產(chǎn)量。Lehmann等[7]研究表明，在鐵鋁土和人為土壤中添加生物碳可以促進(jìn)作物磷素養(yǎng)分的吸收，提高生物量。

本研究通過溫室盆栽試驗(yàn)探討了不同磷肥用量下三種熱解溫度(450℃、 600℃和750℃)棉稈生物碳對石灰性土壤磷素含量以及棉花生長和養(yǎng)分吸收的影響，結(jié)果表明施用生物碳可顯著增加土壤水溶性磷、 速效磷和全磷含量，提高棉花生物量和養(yǎng)分吸收量，且生物碳的熱解溫度越高其促進(jìn)作用越好。但由于試驗(yàn)研究條件與農(nóng)田實(shí)際環(huán)境差異較大; 同時(shí)，試驗(yàn)中磷肥的施用量明顯高于一般農(nóng)田，因此，還需要進(jìn)一步開展農(nóng)田條件下，不同熱解溫度棉稈生物碳對土壤磷素和作物養(yǎng)分吸收影響的研究。

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