高氮土壤下腐植酸與不同量生物炭配施對甜高粱生長及氮素吸收影響研究

趙思文，王茜，裴志強(qiáng)，王媛媛，譚芳，談光野，王琪，溫玉鑫，盧樹昌

高氮土壤下腐植酸與不同量生物炭配施對甜高粱生長及氮素吸收影響研究

趙思文，王茜，裴志強(qiáng)，王媛媛，譚芳，談光野，王琪，溫玉鑫，盧樹昌通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384）

本試驗(yàn)采用生物炭和腐植酸兩種調(diào)理劑配合施用，共設(shè)5個(gè)處理，除一個(gè)空白處理外，其他處理的腐植酸施用量不變，生物炭添加量分別占土重的0.25%、0.50%、0.75%、1.00%。結(jié)果表明：腐植酸施用量不變時(shí)，添加0.25%～0.75%生物炭有利于甜高粱的生長，而添加0.25%生物炭有利于甜高粱干生物量增加，促進(jìn)甜高粱對于土壤中氮素的吸收，提高氮素利用率。

腐植酸；生物炭；甜高粱；氮素

腐植酸是一類成分復(fù)雜的天然有機(jī)高分子混合物，是通過微生物將動(dòng)植物殘?bào)w和微生物細(xì)胞等分解和轉(zhuǎn)化，并經(jīng)一系列地球化學(xué)過程形成和積累而成[1-3]。生物炭（biochar）是在低氧或缺氧條件下，將有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過高溫?zé)峤舛纬傻漠a(chǎn)物[4-6]。生物炭對土壤起到一定調(diào)控作用，對于提高土壤結(jié)構(gòu)和性能有積極的促進(jìn)作用[7-8]。氮素是促進(jìn)植物生長發(fā)育的重要元素[9]，直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[10-11]。農(nóng)戶為了獲得更好的效益，向土壤中施入大量氮肥，中國農(nóng)作物氮肥施用量占世界氮肥總用量的32%，位列世界第一[12-13]。氮肥的過量施入造成了負(fù)面的環(huán)境問題，例如氮肥的流失造成溫室氣體的加劇以及土壤質(zhì)量的退化[14-15]，同時(shí)也會(huì)使作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降?；谝陨涎芯?，本試驗(yàn)以腐植酸和生物炭為試驗(yàn)材料，甜高粱為供試作物，研究高氮土壤下腐植酸與不同量生物炭配施對甜高粱生長及氮素吸收的影響，旨在為改善設(shè)施土壤氮素環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物：甜高粱，品種為‘甜雜2號(hào)’。

供試調(diào)理劑：腐植酸，草本生物炭（秸稈炭）

供試土壤：來自天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村集約化設(shè)施菜田。該區(qū)棚齡大部分在10年以上，養(yǎng)分投入偏高，土壤氮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高。土壤基本理化性質(zhì)：全氮含量2.46 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量32.91 g/kg，有效磷含量371.15 mg/kg，pH為7.07，含鹽量4.53 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將土壤樣品自然風(fēng)干后過5 mm篩，每盆土重3 kg（盆規(guī)格：高15 cm，口徑21 cm），分設(shè)5個(gè)處理，除空白處理外，其他處理腐植酸施用量均為0.938 g/盆，生物炭添加量如表1所示，每處理3次重復(fù)。

表1 各處理生物炭施用量

指標(biāo)T1T2T3T4T5 土重比/%0.001.000.750.500.25 施用量/g·盆-10.030.022.515.07.5

甜高粱種植時(shí)間為2018年5—11月，每盆定植2株，每隔2 d灌水1次，每盆每次400～500 mL。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

對甜高粱生長前、后期進(jìn)行長勢調(diào)查，用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測定甜高粱株高、莖粗；采用長寬系數(shù)法[16]測定葉片葉面積，用卷尺量取甜高粱葉片長度和寬度（垂直主葉脈的最大距離），用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

葉面積＝0.75×長×寬 （1）

采用SPAD-502型葉綠素儀測定甜高粱葉片的葉綠素含量（SPAD值）；采用CI-340便攜式光合儀測定光合速率。

甜高粱收獲后，將甜高粱根、莖、葉和穗各部位分開，置于烘箱105 ℃殺青30 min后，在80 ℃下烘干至恒重，測定干生物量。將高粱植株各部位樣品烘干后經(jīng)粉碎過篩，利用濃硫酸-H2O2法消解后用凱氏定氮儀測定出各部位全氮含量[17]，采用公式（2）計(jì)算植株各部位吸氮量。

吸氮量＝干生物量×全氮含量 （2）

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用DPS7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸和生物炭配合施用對甜高粱長勢和生物量的影響

2.1.1 腐植酸和生物炭配合施用對甜高粱長勢的影響

不同處理甜高粱前期長勢如表2所示。施用腐植酸和生物炭處理甜高粱株高、莖粗、葉面積較T1均無顯著差異。葉綠素含量除T5顯著高于T1外，其他處理較T1無顯著差異；T3光合速率顯著高于其他處理。說明T3和T5對甜高粱前期長勢較好。

不同處理甜高粱后期長勢如表3所示。各處理甜高粱株高和葉面積無顯著差異。T2、T4、T5甜高粱莖粗顯著高于T1，較T1分別高24.0%、17.8%、17.1%，T3與T1無顯著差異。T3葉綠素含量顯著高于T1，其他處理較T1無顯著差異。T4光合速率顯著低于T1，其他處理與T1無顯著差異。說明T2、T4、T5可促進(jìn)甜高粱后期莖粗生長，T3可增加甜高粱后期葉綠素含量，延長植株生長周期。

表2 不同處理下甜高粱前期長勢狀況

處理株高/cm莖粗/cm葉面積/cm2葉綠素含量/SPAD光合速率/μmol?m-2·s-1 T1100.00±3.00a1.05±0.06a 267.06±6.88ab 34.35±0.20bc27.58±1.63b T2104.42±8.09a1.19±0.14a 304.38±55.34a31.88±3.28c30.05±1.70b T3100.63±8.13a1.18±0.06a 306.38±54.94a 37.85±2.15ab37.83±7.53a T4 105.00±15.00a1.22±0.37a213.56±0.00b 37.25±0.55ab29.40±4.10b T5101.25±2.75a1.24±0.16a 333.34±31.09a39.33±2.63a22.88±1.38b

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平。下同

表3 不同處理下甜高粱后期長勢狀況

處理株高/cm莖粗/cm葉面積/cm2葉綠素含量/SPAD光合速率/μmol?m-2·s-1 T1128.75±4.75a1.29±0.08b404.16±29.16a 37.95±0.95bc32.88±5.63a T2141.50±7.50a1.60±0.07a463.41±35.53a 42.28±0.33ab 28.13±5.23ab T3141.63±6.38a1.31±0.04b439.31±30.94a44.10±1.00a 25.15±10.80ab T4 134.00±16.00a1.52±0.01a472.31±82.32a36.55±5.15c18.00±3.00b T5124.88±0.88a1.51±0.07a409.69±31.69a 38.80±2.30bc 27.50±9.85ab

2.1.2 腐植酸和生物炭配合施用對甜高粱生物量的影響

由圖1可知，從各處理總干生物量來看，T5＞T3＞T2＞T1＞T4，說明T2、T3、T5可以提高甜高粱的總干生物量，其中T5的總干生物量比T1高13.4%。在甜高粱干生物量中，各處理均為莖部干生物量占比最大，T4、T5的根干生物量大于T1，有利于甜高粱根的生長。

圖1 不同處理下甜高粱植株干生物量

2.2 腐植酸和生物炭配合施用對甜高粱氮素吸收的影響

由圖2可得，各處理甜高粱根部吸氮量較T1均無顯著差異；各處理甜高粱莖部吸氮量除T5顯著低于T1外，其他處理較T1差異均不顯著，其中T3效果相對較好；各處理甜高粱葉吸氮量顯著高于T1，其中效果最顯著的是T5；而對于甜高粱穗吸氮量，各處理較T1均無顯著差異。

圖2 不同處理下甜高粱各部位吸氮量

由圖3可得，T1中甜高粱根和莖的吸氮量占植株總吸氮量的比例與其他處理相比較高，而葉的吸氮量與其他處理相比較低，T5處理甜高粱葉吸氮量占植株總吸氮量的比例最高。說明腐植酸和生物炭配施可促使氮素向地上部轉(zhuǎn)移，減少了氮在根和土壤中的積累。

圖3 不同處理下甜高粱各部位吸氮量占植株總吸氮量百分比

3 討論與結(jié)論

生物炭因其具有多孔結(jié)構(gòu)和比表面積大等特征，可改善土壤的物理性狀，從而改善作物的生長環(huán)境，促進(jìn)作物生長[18]。腐植酸中含有大量可提高土壤肥力和增加土壤養(yǎng)分有效性的元素，能夠促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸和生物炭配合施用可以提高甜高粱的莖粗、葉綠素含量和光合速率。而在南江寬等[20]的研究中發(fā)現(xiàn)，施用適量秸稈生物炭能夠減輕作物所受的干旱脅迫，促進(jìn)甜高粱生長，但過量施用會(huì)抑制甜高粱生長。本試驗(yàn)通過對生物炭施用量的設(shè)計(jì)與研究，得出添加0.25%～0.75%生物炭利于甜高粱生長；周勁松等[21]通過溫室培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭能夠提高水稻苗期的株高和生物量。本研究中發(fā)現(xiàn)，腐植酸和生物炭的配合施用能提高甜高粱的干生物量，以添加0.25%生物炭效果最好。

作物光合產(chǎn)物的基礎(chǔ)是氮素吸收。有研究表明[22]，腐植酸可以通過對硝酸鹽的吸收、同化和轉(zhuǎn)移的影響來促進(jìn)植物對氮的吸收，同時(shí)還能與土壤和肥料中的養(yǎng)分發(fā)生作用使其形態(tài)轉(zhuǎn)化，提高養(yǎng)分中氮素的利用效率。程效義等[23]研究表明，施用生物炭能夠促進(jìn)玉米對氮素的吸收，提高玉米產(chǎn)量。本試驗(yàn)表明，同時(shí)施用腐植酸和生物炭能夠促進(jìn)植物對氮素的吸收，提高土壤中氮素的利用率，與上述研究結(jié)果相同。對各部位吸氮量占植株總吸氮量比例分析發(fā)現(xiàn)，腐植酸和生物炭配施還能促使氮素向地上部轉(zhuǎn)移，減少了氮在根和土壤中的積累，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以添加0.25%生物炭效果最好。

本研究表明，腐植酸和生物炭的配合施用可以促進(jìn)甜高粱的生長和氮素的吸收，在腐植酸施用量不變的情況下，添加0.25%生物炭效果最好。

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Effects of humic acid and different amounts of biochar on the growth and nitrogen uptake of sweet sorghum in high nitrogen soil

ZHAO Si-wen, WANG Xi, PEI Zhi-qiang, WANG Yuan-yuan, TAN Fang, TAN Guang-ye, WANG Qi, WEN Yu-xin, LU Shu-changCorresponding Author

（College of Aronomy and Resources Enviroment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

This test used biochar and humic acid two conditioning agents in combination.There were five treatments in this experiment. Except for one blank treatment, the other applied humic acid application amount was unchanged, and the amounts of biochar added were 0.25%、0.50%、0.75% and 1.00% of soil weight respectively. The results showed that 0.25%～0.75% biochar was beneficial to the growth of sweet sorghum. 0.25% biochar was beneficial to the increase of the biomass of sweet sorghum. It could promote the absorption of nitrogen in the soil and improve the nitrogen utilization rate by sweet sorghum.

humic acid; biochar; sweet sorghum; nitrogen

1008-5394（2019）04-0005-04

10.19640/j.cnki.jtau.2019.04.002

S514；S156.2

A

2019-03-25

天津市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810061064）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0801006）

趙思文（1997-），女，本科在讀，從事農(nóng)田土壤與作物生長環(huán)境關(guān)系方面研究。E-mail: 1250604110@qq.com。

盧樹昌（1970-），男， 教授，博士，從事農(nóng)田土壤質(zhì)量與植物營養(yǎng)的教學(xué)與科研工作。E-mail：lsc9707@163.com。

責(zé)任編輯：宗淑萍