生物炭的施入對(duì)玉米生物量和磷養(yǎng)分吸收的影響

葛春輝，張?jiān)剖?，唐光木，徐萬里，姚紅宇

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】生物質(zhì)炭是由有機(jī)廢棄物在缺氧條件下通過低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一種富含有機(jī)質(zhì)固態(tài)物質(zhì)[1]，具有孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、生物化學(xué)穩(wěn)定性高、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在提高土壤質(zhì)量、保持土壤養(yǎng)分、提高作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用[2]，近年來成為土壤學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭能改變土壤的pH、容重、孔隙度，保水能力等土壤特性[3]，增加作物對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收[4]。生物質(zhì)炭輸入對(duì)磷素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化影響的研究多集中在酸性土壤。在酸性土壤上施用生物炭能顯著提高酸性土壤的 pH值[5-6]，增加土壤磷素的有效性，從而促進(jìn)作物對(duì)磷的吸收，而對(duì)堿性石灰性土壤的研究較少，并且報(bào)道結(jié)論并不一致[7-8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】灰漠土是新疆典型的石灰性土壤，具有“廋、干、板”的特點(diǎn)，其肥料利用率低，尤其當(dāng)季磷肥的利用效率僅為10%-20%[9]，而生物炭的應(yīng)用對(duì)灰漠土中磷養(yǎng)分的影響需要深入探討?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，以玉米為供試作物，通過施用不同量的生物炭，研究不同氮肥條件下，生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)、磷吸收狀況及磷肥利用的的影響，以期為生物質(zhì)炭在灰漠土改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試土壤為灰漠土，采自新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院灰漠土試驗(yàn)基地，土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干、混勻，過 5 mm土壤篩備用。制備棉稈炭所需的棉花秸，將其剪成 1 cm 左右的短節(jié)，先75℃烘干。將冷卻的棉秸稈放入鐵制容器中，將容器放入馬弗爐中，450℃的炭化 1 h，后迅速取出，冷卻后風(fēng)干，粉碎研磨，過 0.25 mm篩備用。列出生物炭基本理化性質(zhì)。表1

1.2 方 法

試驗(yàn)設(shè)施氮量和棉稈炭用量?jī)梢蛩?，施氮?N)設(shè)3個(gè)水平：0、150、200 mg/kg，分別以 N0、N150、N200表示；每個(gè)施氮水平下設(shè) 4 個(gè)棉稈炭用量，分別占土壤干重的 0.0%、0.5%、1.0% 和 2.0%，以BC0.0%、BC0.5%、BC1.0%、BC2.0%表示。每個(gè)處理施用等量的磷肥(75 mg/kg，P2O5計(jì))，同時(shí)以不施氮肥、磷肥和棉稈炭為對(duì)照處理(CK)，試驗(yàn)共13個(gè)處理，3次重復(fù)。玉米品種為新玉9號(hào)，每盆種植玉米3棵。 試驗(yàn)開始時(shí)將每個(gè)處理對(duì)應(yīng)的土壤和棉稈炭混合均勻裝于花盆中，每盆土重 10 kg，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，按0、150、200 mg/kg(純N計(jì)，風(fēng)干土重)和 75 mg/kg(P2O5計(jì)，風(fēng)干土重) 配成營(yíng)養(yǎng)液，施肥比例按照基肥(60%)、追肥(40%)與灌溉水混勻施入[10]。

表1 灰漠土和生物炭的基本性質(zhì)

Table 1 Basic properties of grey desert soil and biochar

PH有機(jī)質(zhì)Organic matter(g/kg)堿解氮Hydrolyzable nitrogen(mg/kg)速效磷Available phosphorus(mg/kg)速效鉀Available potassiumm(g/kg)生物炭Biochar9.89516.4228.4815.7755.67灰漠土Grey desert soil8.1213.236.7811.60182.5

玉米收獲后，測(cè)定玉米的地上和地下生物量，測(cè)定玉米根、莖、葉、棒各部分的重量及其磷素含量，同時(shí)采集土壤樣品測(cè)定土壤樣品的全磷和速效磷含量，測(cè)定方法采用常規(guī)方法測(cè)定。計(jì)算玉米植株的磷肥利用率。

磷肥利用率(%)=(各處理磷素吸收總量-空白磷素吸收量)/施磷量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)玉米生物量的影響

不施氮肥的情況下，生物炭的加入對(duì)玉米地上部分的干物質(zhì)積累量具有抑制作用，但差異不顯著(P>0.05)；施入生物炭，增加氮肥施入量，地上部分生物量表現(xiàn)為增加，中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高2.5%～6.3%的玉米地上部分生物量，但未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)。而高劑量生物炭(2%)處理，N200與N150比較表現(xiàn)為顯著增加(P<0.05)，增幅達(dá)8.7%，與不施炭處理比較也達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。圖1

不施氮肥的情況下，生物炭處理對(duì)玉米根系生長(zhǎng)無明顯影響(P>0.05)；施入生物炭條件下，增加氮肥施入量，地下部分生物量表現(xiàn)為增加，其中N200處理與N150處理比較，地下生物量明顯增加(P<0.05)。圖2

圖1 地上部分生物量變化

Fig. 1 Changes of aboveground biomass

圖2 地下部分生物量變化

Fig. 2 Changes of Biomass of underground part

2.2 生物炭對(duì)根部磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下， 隨著生物炭的劑量增加，玉米的根部磷含量增加，其含量為0.286%～0.396%，生物炭的施入能明顯增加玉米根部磷含量(P<0.05)，但不同生物炭施入量處理間無明顯差異(P>0.05)；根部磷吸收總量隨炭施入量增加而顯著增加(P<0.05)，但生物炭處理間無明顯差異(P>0.05)。施氮條件下，根部磷含量和吸收磷總量較不施氮肥處理明顯下降(P<0.05)；隨著生物炭的施用量增加，根部磷含量表現(xiàn)為先增加后緩慢下降，其中N150條件下，0.5%生物炭處理中磷含量明顯高于較其他炭處理(P<0.05)，而吸收磷總量表現(xiàn)為隨著炭施用量的增加而增加，但不同施氮量處理間差異不明顯(P>0.05)。圖3,圖4

Fig.3 Change of Root phosphorus content

圖3 根部磷含量變化

圖4 根部磷吸收量變化

Fig.4 Changes in phosphorus uptake by roots

2.3 生物炭對(duì)玉米莖稈磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米的莖稈磷含量明顯增加(P<0.05)，其變化幅度為0.191%～0.252%；但總磷吸收量處理間無顯著差異(P>0.05)。在施氮肥條件下，莖稈磷含量較不施氮肥處理明顯下降(P<0.05)，降幅45.5%～52.3%；隨著生物炭施用量增加，莖稈磷含量增加，但處理間差異性不明顯(P>0.05)；莖稈磷吸收總量不同施N條件下，隨著炭使用量增加表現(xiàn)為先增加后下降，其中N150條件下，吸收磷總量表現(xiàn)為BC0.5%>BC1.0%>2.0%BC>BC0.0%，但處理間顯著性差異(P<0.05)；而N200條件下，吸磷總量表現(xiàn)為BC1.0%>BC0.5%>BC2.0%>BC0.0%，中量BC1.0%處理較其他處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)，其他無明顯差異(P>0.05)。圖5，圖6

圖5 莖稈磷含量變化

Fig.5 Change of Stem phosphorus content

圖6 莖稈磷吸收量變化

Fig.6 Changes in phosphorus uptake by stems

2.4 生物炭對(duì)玉米葉片磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米的葉片磷含量明顯增加(P<0.05)，其含量為0.131%～0.174%，吸收磷總量也隨炭施入量增加而增加。不同氮肥條件下，隨著生物炭的施用量增加，葉片量含量變化不同，其中N150條件下，隨不同劑量的生物炭的施入，葉片磷含增加，但間未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)，而吸收磷總量表現(xiàn)為隨著炭施入量的增加先下降后上升，1.0%BC較不施炭處理和其他生物炭處理明顯下降(P<0.05)。但N200條件下，中高劑量(1.0%～2.0%)炭處理的葉片磷含量較不施炭處理明顯增加(P<0.05)；而吸收磷總量變化趨勢(shì)與N150處理類似，1.0%BC較不施炭處理和生物炭處理處理明顯下降(P<0.05)。圖7,圖8

2.5 生物炭對(duì)玉米籽粒磷吸收的影響

研究表明,在不施氮肥條件下，隨著生物炭的劑量增加，籽粒磷含量變化為0.301%～0.346%，中低劑量0.5%～1.0%的生物炭添加，表現(xiàn)對(duì)玉米籽粒磷增加，但未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)，但高劑量(2%)炭添加對(duì)玉米籽粒吸收磷具有明顯的影響(P<0.05)。施氮肥條件下，1%～2%的BC施入能明顯提高玉米籽粒磷的含量(P<0.05)，不同氮施入量處理間無明顯差異(P>0.05)；而磷吸收總量表現(xiàn)為隨著生物炭施入量增加而明顯增加(P<0.05)，但不同N施入處理間無明顯差異(P>0.05)。圖9,圖10

Fig. 7 Change of Leaf phosphorus content

圖7 葉片磷含量變化

圖8 葉片磷吸收量變化

Fig. 8 Changes in phosphorus uptake by leafs

圖9 籽粒磷含量變化

Fig.9 Change of grain phosphorus content

2.6 生物炭對(duì)玉米單株吸收磷總量的影響

研究表明,在不施氮肥的條件下，隨著生物炭的劑量增加，玉米單株吸收磷增加，其吸收量為 0.145～0.168 g，處理間達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；施氮肥條件下，較不施氮生物炭處理能明顯提高單株磷含量(P<0.05)，吸收磷總量增幅為117.8%～147.87%；中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)條件下，不同施氮量對(duì)單株磷含量影響不大(P>0.05)；高濃度生物炭(2.0%)條件下，N200處理較N150處理能顯著提高單株磷含量(P<0.05)；相同氮條件下，隨著生物炭使用量增加，單株磷吸收量增加，其中N150條件下，生物炭各處理間差異顯著P<0.05)。圖11

圖10 籽粒磷吸收量變化

Fig. 10 Changes in phosphorus uptake by grains

圖11 單株磷吸收量變化

Fig . 11 Changes in phosphorus uptake

2.7 生物炭對(duì)磷肥利用效率的影響

隨著生物炭增加，磷肥利用率增加其中無氮條件下，磷肥利用率變幅為 2.45%～4.36%，處理間無顯著性差異(P>0.05)；生物炭處理能明顯提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率變化幅度為20.73%～24.66%，相對(duì)于不施生物炭增幅為7.99%～30.76%；中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)條件下，不同氮肥處理間差異不明顯(P>0.05)；但高濃度生物炭處理(2%)，N200處理的磷肥利用率明顯高于N150處理(P<0.05)，增幅達(dá)12.60%。圖12

圖12 磷肥利用效率變化

Fig. 12 Change of phosphorus utilization efficiency

3 討 論

添加生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響報(bào)道各異，許多研究均表明生物質(zhì)炭具有很好的增產(chǎn)效果[11-12]。，也有抑制作用或無影響[13]，可能與生物炭來源不同，特性不同。生物炭單施，不同作物和不同土壤的影響作用也存在不同，而生物炭與肥料配施對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高具有較好地促進(jìn)效果[10]。研究表明，不施氮肥的條件下，生物炭的加入對(duì)玉米干物質(zhì)積累具有抑制作用；施入生物炭條件下，增加氮肥施入量，玉米生物量表現(xiàn)為增加，中低濃度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高玉米的地上部分生物量，增幅為4.5%～7.3%，但差異性不顯著(P>0.05)。而高劑量生物炭(2%)處理，結(jié)合氮肥的使用，較不施炭處理生物量明顯增加(P<0.05)。

生物炭含有大量的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，施入土壤后能夠明顯改善土壤養(yǎng)分狀況，施用生物質(zhì)炭顯著提高土壤磷素含量及其有效性[14]。同時(shí)生物炭可以減少土壤對(duì)磷的吸附并增加土壤有效磷的含量，因此，在土壤磷肥肥效具有一定的應(yīng)用潛力[15]。郎印海等[16]研究發(fā)現(xiàn)，柚子皮制備的生物質(zhì)炭量的使用能降低土壤對(duì)磷的吸附量，還改變土壤磷的形態(tài)而增加土壤磷的有效性。巢軍委[17]與關(guān)連珠[18]研究認(rèn)為生物炭能夠顯著提高水稻土的Olsen-P 含量和碳酸氫鈉無機(jī)磷及有機(jī)磷含量，從而提高磷肥的利用率。生物炭含有豐富的有機(jī)炭(SOC)，土壤微生物通過代謝生物炭中的活性有機(jī)碳，將難溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)化成可溶性有效磷[19]，有研究認(rèn)為生物炭能通過影響土壤堿性磷酸酶活性，從而改變土壤中磷的活性[20]，不同的使用量對(duì)土壤堿性磷酸酶活性影響不同[21]。生物質(zhì)炭施用對(duì)磷素吸收有顯著影響，但其影響在不同作物間存在差異。 王冬冬等[22]研究認(rèn)為基施生物質(zhì)炭對(duì)菜用大豆降低了植株對(duì)磷的吸收。而徐琪等[23]卻認(rèn)為生物炭對(duì)抽穗期小麥地上部氮、磷、鉀吸收沒有顯著影響。王典等[24]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭增加了油菜產(chǎn)量，但降低了油菜地上部氮和磷的濃度。而周加順等研究認(rèn)為生物炭施用改變了作物對(duì)氮、磷和鉀等養(yǎng)分吸收及在各器官的分配，并提高了氮、磷、鉀的吸收量[4]。研究表明，在施氮肥條件下，能明顯提高根、莖稈、葉片、籽粒磷吸收總量(P<0.05)；且中高劑量生物量顯著高于對(duì)照，這與鄭琴在小麥上的研究結(jié)論類似[7]。隨著生物炭施入量的增加，單株磷吸收量隨之增加，與未添加生物炭比較，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；且生物炭處理的磷肥利用率變化幅度為20.73%～24.66%，相對(duì)于不施生物炭增幅達(dá)7.99%～30.76%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

4 結(jié) 論

在不施氮肥的條件下，生物炭對(duì)玉米干物質(zhì)積累量具有抑制作用，但提高植株磷吸收總量；在施氮條件下，生物炭能明顯增加玉米的生物量(P<0.05)，顯著提高莖稈、葉片、籽粒磷吸收總量(P<0.05)，明顯降低根部磷吸收總量(P<0.05)；隨著炭施入量的增加，單株磷吸收量明顯增加(P<0.05)；生物炭處理能明顯提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率變幅為20.73%～24.66%，相對(duì)于不施炭增幅達(dá)7.99%～30.76%。生物炭與氮肥、磷肥配施能夠促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，提升磷肥利用效率。