不同原料生物碳对滴灌棉花产量及土壤磷素利用率的影响

王 晶，侯振安

(石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆石河子 832000)

【研究意义】磷是植物生长必需的营养元素，它 的主要来源是土壤。农业生产中，磷肥的当季利用率比较低，一般不会高于25%［1］。磷肥施入土壤后，大部分磷素经过一系列的过程转化为易被土壤所吸附的难溶性磷酸盐［6］。磷在土壤中的积累，不仅会降低磷肥利用率导致资源浪费，也会提高径流中的磷浓度［7］，从而使水质恶化，成为农业面源污染的重要来源［8］。生物碳是由生物质材料(作物秸秆、木屑、畜禽粪便等)在限氧或无氧条件下，经过高温裂解形成的具有发达孔隙结构、巨大比表面积的高碳多孔有机物质［1，2］，并且含有 N、P等多种作物所需的营养元素［3］。【前人研究进展】向土壤中施入生物碳可以实现碳封存，并增加土壤中有效磷含量，提高磷的有效性［4］。研究表明施用生物碳能够改良土壤结构，提高保水保肥能力，并对增加土壤中植物可利用养分含量有一定作用［5］。近年来，国内外有关生物碳对作物生长及养分吸收利用的影响开展了大量研究，认为其特效及施用效果与生物碳的热解条件以及其生物质原料的选择等密切相关［9］。【本研究切入点】因此本研究利用棉花秸秆、玉米穗轴和鸡粪为原料制备生物碳。【拟解决关键问题】探讨不同生物碳对棉花生长及磷素吸收的影响，为生物碳的合理施用和提高磷素养分利用率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年在石河子天业生态示范园进行。该区域为温带干旱区大陆性气候，平均年降水量为210 mm，平均年蒸发量1660 mm。土壤类型为灌溉灰漠土，质地为重壤。耕层土壤基础指标如下:有机质 9.44 g·kg－1，pH 8.02，碱解氮 77.63 mg·kg－1，速效磷 23.25 mg·kg－1，速效钾 397 mg·kg－1。供试作物为棉花(品种为新陆早48号)。

分别以棉花秸秆、玉米穗轴和鸡粪为原料，在70℃下烘干粉碎后，置于密闭铁桶内，高温限氧条件下，热解碳化4 h制备得到生物碳。

1.2 试验设置

研究采用田间小区试验，试验设置4个生物碳处理:对照、棉花秸秆生物碳处理、玉米穗轴生物碳处理和鸡粪生物碳处理，分别用 CK，BC1，BC2，BC3表示。每个生物碳处理施磷量设置2个水平:0，175 kg·hm－2用P0和P1表示。共8个处理，每个处理重复3次。共24个试验小区。试验中3种生物碳的施用量均为2.25 t·hm－2，生物碳的施用量采用与当地秸秆还田等有机碳量施用的原则确定。3种生物碳在试验开始前均匀撒施于地表后翻耕入土。试验中氮肥为尿素，施用量为300 kg·hm－2，其中20%作基肥，与生物碳和棉花秸秆在播种前一次性施入;剩余作追肥，在棉花生长期间分5次随水滴施。磷肥、钾肥全部作基肥，钾肥施用量为75 kg K2O·hm－2。

棉花采用覆膜栽培，1膜6行，行距配置为66+10 cm，株距为10 cm。灌溉方式为膜下滴灌，1膜3管，毛管间距为76 cm。棉花于4月26日播种，采用“干播湿出”的方式，播种后滴45 mm出苗水。全生育期共灌水9次，灌溉总量为520 mm，从蕾期开始至吐絮前结束。

1.3 样品采集与分析

在棉花播种后 30、50、70、90、110、130 d 分别采集0～1 m(每20 cm作为1个土层)的土壤样品，风干后碾磨过筛，测定土壤全磷、有效磷、水溶性磷含量。

于花铃期采集植株样品，105℃杀青，再于75℃烘干并称重。对烘干的植株样品进行粉碎并测定植株全磷含量。

2 结果与分析

2.1 不同生物碳的基本理化性质

棉花秸秆(BC1)、玉米穗轴(BC2)和鸡粪生物碳(BC3)的电镜扫描SEM图像见图1。从总体看，鸡粪生物碳与其他两种生物碳的物理特征差异较大。鸡粪生物碳具有复杂的孔隙结构，平均粒径最小，比表面积大灰分最多，有良好的表面特性(图1 c)。棉花秸秆生物碳(图1 a)和玉米穗轴生物碳(图1 b)的粒径较大，孔隙量以及表面附着的破碎颗粒较少。

图1 棉花秸秆生物碳(a)、玉米穗轴生物碳(b)和鸡粪生物碳(c)的电镜扫描图Fig.1 SEM picture of(a)cotton straw biochar，(b)corn cob biochar and(c)chicken manure biochar

表1 不同生物碳的基本性质Table 1 Basic properties of different biochar

由表1可知，鸡粪生物碳全氮、全磷、有效磷、水溶性磷的含量均明显高于棉花秸秆生物碳和玉米穗轴生物碳。但其pH却明显低于棉花秸秆和玉米穗轴生物碳。

2.2 不同生物碳对土壤全磷、有效磷和水溶性磷的影响

2.2.1 土壤全磷 如图2所示，2个磷肥水平下，3个生物碳处理0～100 cm土壤全磷积累量均高于对照(CK)。在P0水平下，BC1、BC2、BC3分别较 CK增加3%，6%，9%。在 P1 水平下，BC1、BC2、BC3分别较CK增加8%，9%，12%，BC1和BC2之间差距较小。

图2 不同生物碳处理土壤全磷含量Fig.2 Total P content in soil under different biochar treatments

2.2.2 土壤有效磷 从图3可以看出，土壤有效磷含量随生育期的变化而降低。随着生育期苗期，P0水平下，BC1、BC2和BC3土壤有效磷含量较CK增加4%、8%、78%，成熟期，BC1和BC3土壤有效磷含量较CK增加20%、58%;BC2与CK无显著差异。在P1水平下，BC1和BC3土壤有效磷含量较CK增加8%、7%;BC2与CK无显著差异。成熟期，BC2和BC3有效磷含量分别较CK增加32%、35%;BC1与CK无显著差异。

图3 不同生物碳处理土壤有效磷含量Fig.3 Content of available P in soil under different biochar treatments

图4 不同生物碳处理土壤水溶性磷含量Fig.4 Water soluble P content in soil under different biochar treatments

2.2.3 土壤水溶性磷 从图4可以看出，生物碳施用初期(苗期)，P0条件下，BC3处理水溶性磷含量较CK高95%;而BC1、BC2处理与CK间无显著差异。P1条件下，与CK相比BC3的施用使土壤水溶性磷提高21%。收获期，P0条件下，与CK相比BC1、BC2和BC3处理土壤水溶性磷含量提高23%、27%、67%。而P1条件下，BC2、BC3处理土壤水溶性磷含量较CK高48%，88%;BC1处理与CK间无明显差异。

2.3 不同生物碳对棉花干物质重的影响

从图5可以看出，在不施磷(P0)和施磷(P1)条件下，3种生物碳处理，棉花整个生长周期内干物质积累明显高于CK。在播种后前90 d(盛花期)BC1、BC2、BC3的干物质重与CK间均无明显差异;盛花期后各处理干物质量迅速积累，且显著高于CK。播种后120 d，在P0条件下，BC1、BC2和BC3处理棉花干物质积累较CK分别增加10%、11%和20%。在P1条件下，BC1、BC2和BC3处理棉花干物质积累较CK分别增加11%、11%和15%。3种生物碳对棉花干物质积累影响表现为:BC3＞BC1、BC2。

2.4 不同生物碳对棉花磷素吸收的影响

从图6可以看出，在 P0水平下，BC1、BC2和BC3棉花磷素吸收量较CK分别增加了21%、21%、37%。在P1水平下，BC1、BC2和BC3棉花磷素吸收量较CK增加了22%、43%、63%。在2个施磷水平下，BC3处理磷素吸收量显著高于BC1和BC2处理。

2.5 不同生物碳对产量的影响

表2可以看出，在P0条件下，各处理棉花单铃重、籽棉产量均明显高于对照;BC1、BC2、BC3棉花单铃重较对照分别增加了2%、3%、3%;籽棉产量较对照分别增加4%、8%、11%;BC2和BC3棉花铃数显著高于对照，分别增加5%、8%，BC1与CK无显著差异。在P1条件下，BC1、BC2、BC3棉花铃数、单铃重和籽棉产量均显著高于对照;棉花结铃数较对照分别增加4%、4%、6%;单铃重较对照增加12%、12%、13%;棉花籽棉产量较对照增加17%、16%、20%。在 P 2个施磷水平下，CK、BC1、BC2、BC3 4个处理之间单株结铃数之间以及棉籽产量之间的变化规律不同，磷肥和生物碳二者交互作用对结铃数和产量影响均达到显著水平，但对棉花单铃重无显著影响。

图5 不同生物碳处理棉花干物质重Fig.5 Dry matter weight of cotton treated under different biochar treatments

图6 不同生物碳处理棉花磷素吸收量Fig.6 P uptake of cotton under different biochar treatments

2.6 不同生物碳对磷利用率的影响

如图7所示，BC1、BC2和BC3生物碳自身磷素利用率分别为126%、406%和136%。3种生物碳对土壤磷素表观利用率的影响表现为BC2＞BC3、BC1。3种生物碳对磷肥表观利用率的影响如图所示，BC1、BC2和BC3的磷肥利用率显著高于CK，较CK分别增加了28%、167%和202%。

3 讨论

生物碳拥有大量孔隙以及巨大的表面积［11］。其表面的碱性基团能够通过提高土壤pH，减少土壤对磷素的吸附，提高土壤有效磷含量，并可增强土壤对养分的保持能力［10］。从而提高土壤肥力以及作物对养分的利用效率，从而增加作物产量［12］。由于生物碳不易被分解，且能够长时间存在于土壤中，因而能对作物产量产生持续性的积极效应［13］。不同类型生物碳在其结构和理化性质及养分含量等方面不同。

以棉花秸秆、玉米穗轴和鸡粪为原料制备生物碳，探讨不同施磷水平下不同原料生物碳的施用对棉花产量和磷素利用率的影响。发现3种生物碳的施用都能增加棉花的产量。有研究表明，生物碳处理可提高轮作小麦产量［14］。还有研究表明在农田中添加30 t·hm－2的生物碳时，玉米产量提高了150%［18］。唐光木等［16］在新疆地区种植玉米的灰漠土中添加生物碳，结果显示生物碳的施用，使玉米产量有50%提高。有研究发现将牛粪生物碳施用于沙质土壤，并种植玉米，结果显示，与对照相比玉米产量显著提高［15］。这可能是因为生物碳施用有利于提高土壤有机质含量以及土壤有效磷含量［17］。在不施磷的条件下，鸡粪生物碳处理棉花干物质显著高于其他处理;而棉花秸秆和玉米穗轴生物碳处理对棉花产量增加量较小。原因可能是由于鸡粪生物碳的理化性质与其他2种生物碳之间有着显著差异，且磷含量显著高于其他两种生物碳。在施磷条件下，3种生物碳对棉花产量的增加量均大于不施磷处理;且棉花秸秆和玉米穗轴生物碳处理之间差异不明显。

表2 不同生物碳处理棉花产量及其构成因子Table 2 Cotton yield and components under different biochar treatments

图7 不同生物碳处理棉花磷肥利用率Fig.7 P utilization efficiency of cotton under different biochar treatments

研究结果表明在不同施磷水平下，3种生物碳的施用均可显著提高土壤全磷及活性磷的含量，鸡粪、玉米穗轴和棉花秸秆生物碳对土壤磷素的影响依次降低。可能是由于，施用生物碳能够提高土壤有机质的含量，从而导致土壤磷组分的改变，其土壤磷转化为可被植物利用的磷［20］。这主要由于生物碳自身含有磷素并且具有很强的吸附能力，它可以提高土壤中有效磷素的含量并减少磷素养分的淋洗损失［21］。靖彦等通过对生物碳的施用对旱地红壤有效磷的影响发现，生物碳处理土壤有效磷明显高于对照，其中以40 t·hm－2的施用量效果最为明显［19］。3种生物碳均可促进棉花对磷素吸收，提高磷素利用率，其中鸡粪生物碳影响效果最为突出。生物碳的施用可使稳定态的磷通过矿化分解转化为具有高有效性的磷［4］。其中以鸡粪生物碳的影响最大。可能是应为鸡粪生物碳的平均粒径分布最小，比表面积最大，灰分含量最高所造成的。

本研究表明在不同施磷条件下，3种生物碳处理均可提高棉花产量及磷素利用率，其中以鸡粪生物碳处理的影响更明显。为生物碳的选择施用提供了一定理论依据。还需要对生物碳连续施用条件下，土壤水分养分的运移情况与作物生长、产量之间的关系进一步探究，从土壤肥力的角度评估生物碳还田对促进新疆棉花产业发展的意义。同时在大规模应用生物碳之前还要考虑它的成本与效益问题。

4 结论

棉花秸秆、玉米穗轴、鸡粪生物碳的施用均可提高土壤中磷的含量以及棉花对磷素的利用效率。总体表现为鸡粪生物碳＞玉米穗轴生物碳＞棉花秸秆生物碳。

3种生物碳的施用均能明显增加棉花干物质重及产量，其中鸡粪生物碳较棉花秸秆、玉米穗轴生物碳的影响的更为显著。