生物炭的施入对玉米生物量和磷养分吸收的影响

葛春辉，张云舒，唐光木，徐万里，姚红宇

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】生物质炭是由有机废弃物在缺氧条件下通过低温热解产生的一种富含有机质固态物质[1]，具有孔隙结构、比表面积大、生物化学稳定性高、吸附能力强等特点，在提高土壤质量、保持土壤养分、提高作物产量等方面发挥着重要作用[2]，近年来成为土壤学等领域研究的热点。【前人研究进展】生物炭能改变土壤的pH、容重、孔隙度，保水能力等土壤特性[3]，增加作物对氮、磷、钾养分的吸收[4]。生物质炭输入对磷素养分转化影响的研究多集中在酸性土壤。在酸性土壤上施用生物炭能显著提高酸性土壤的 pH值[5-6]，增加土壤磷素的有效性，从而促进作物对磷的吸收，而对碱性石灰性土壤的研究较少，并且报道结论并不一致[7-8]。【本研究切入点】灰漠土是新疆典型的石灰性土壤，具有“廋、干、板”的特点，其肥料利用率低，尤其当季磷肥的利用效率仅为10%-20%[9]，而生物炭的应用对灰漠土中磷养分的影响需要深入探讨。【拟解决的关键问题】因此，以玉米为供试作物，通过施用不同量的生物炭，研究不同氮肥条件下，生物炭对玉米生长、磷吸收状况及磷肥利用的的影响，以期为生物质炭在灰漠土改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试土壤为灰漠土，采自新疆农业科学院灰漠土试验基地，土壤样品进行风干、混匀，过 5 mm土壤筛备用。制备棉秆炭所需的棉花秸，将其剪成 1 cm 左右的短节，先75℃烘干。将冷却的棉秸秆放入铁制容器中，将容器放入马弗炉中，450℃的炭化 1 h，后迅速取出，冷却后风干，粉碎研磨，过 0.25 mm筛备用。列出生物炭基本理化性质。表1

1.2 方 法

试验设施氮量和棉秆炭用量两因素，施氮量(N)设3个水平：0、150、200 mg/kg，分别以 N0、N150、N200表示；每个施氮水平下设 4 个棉秆炭用量，分别占土壤干重的 0.0%、0.5%、1.0% 和 2.0%，以BC0.0%、BC0.5%、BC1.0%、BC2.0%表示。每个处理施用等量的磷肥(75 mg/kg，P2O5计)，同时以不施氮肥、磷肥和棉秆炭为对照处理(CK)，试验共13个处理，3次重复。玉米品种为新玉9号，每盆种植玉米3棵。 试验开始时将每个处理对应的土壤和棉秆炭混合均匀装于花盆中，每盆土重 10 kg，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，按0、150、200 mg/kg(纯N计，风干土重)和 75 mg/kg(P2O5计，风干土重) 配成营养液，施肥比例按照基肥(60%)、追肥(40%)与灌溉水混匀施入[10]。

表1 灰漠土和生物炭的基本性质

Table 1 Basic properties of grey desert soil and biochar

PH有机质Organic matter(g/kg)碱解氮Hydrolyzable nitrogen(mg/kg)速效磷Available phosphorus(mg/kg)速效钾Available potassiumm(g/kg)生物炭Biochar9.89516.4228.4815.7755.67灰漠土Grey desert soil8.1213.236.7811.60182.5

玉米收获后，测定玉米的地上和地下生物量，测定玉米根、茎、叶、棒各部分的重量及其磷素含量，同时采集土壤样品测定土壤样品的全磷和速效磷含量，测定方法采用常规方法测定。计算玉米植株的磷肥利用率。

磷肥利用率(%)=(各处理磷素吸收总量-空白磷素吸收量)/施磷量×100%。

1.3 数据处理

采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0 进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对玉米生物量的影响

不施氮肥的情况下，生物炭的加入对玉米地上部分的干物质积累量具有抑制作用，但差异不显著(P>0.05)；施入生物炭，增加氮肥施入量，地上部分生物量表现为增加，中低浓度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高2.5%～6.3%的玉米地上部分生物量，但未达到显著性差异(P>0.05)。而高剂量生物炭(2%)处理，N200与N150比较表现为显著增加(P<0.05)，增幅达8.7%，与不施炭处理比较也达到显著性差异(P<0.05)。图1

不施氮肥的情况下，生物炭处理对玉米根系生长无明显影响(P>0.05)；施入生物炭条件下，增加氮肥施入量，地下部分生物量表现为增加，其中N200处理与N150处理比较，地下生物量明显增加(P<0.05)。图2

图1 地上部分生物量变化

Fig. 1 Changes of aboveground biomass

图2 地下部分生物量变化

Fig. 2 Changes of Biomass of underground part

2.2 生物炭对根部磷吸收的影响

研究表明,在不施氮肥条件下， 随着生物炭的剂量增加，玉米的根部磷含量增加，其含量为0.286%～0.396%，生物炭的施入能明显增加玉米根部磷含量(P<0.05)，但不同生物炭施入量处理间无明显差异(P>0.05)；根部磷吸收总量随炭施入量增加而显著增加(P<0.05)，但生物炭处理间无明显差异(P>0.05)。施氮条件下，根部磷含量和吸收磷总量较不施氮肥处理明显下降(P<0.05)；随着生物炭的施用量增加，根部磷含量表现为先增加后缓慢下降，其中N150条件下，0.5%生物炭处理中磷含量明显高于较其他炭处理(P<0.05)，而吸收磷总量表现为随着炭施用量的增加而增加，但不同施氮量处理间差异不明显(P>0.05)。图3,图4

Fig.3 Change of Root phosphorus content

图3 根部磷含量变化

图4 根部磷吸收量变化

Fig.4 Changes in phosphorus uptake by roots

2.3 生物炭对玉米茎秆磷吸收的影响

研究表明,在不施氮肥条件下，随着生物炭的剂量增加，玉米的茎秆磷含量明显增加(P<0.05)，其变化幅度为0.191%～0.252%；但总磷吸收量处理间无显著差异(P>0.05)。在施氮肥条件下，茎秆磷含量较不施氮肥处理明显下降(P<0.05)，降幅45.5%～52.3%；随着生物炭施用量增加，茎秆磷含量增加，但处理间差异性不明显(P>0.05)；茎秆磷吸收总量不同施N条件下，随着炭使用量增加表现为先增加后下降，其中N150条件下，吸收磷总量表现为BC0.5%>BC1.0%>2.0%BC>BC0.0%，但处理间显著性差异(P<0.05)；而N200条件下，吸磷总量表现为BC1.0%>BC0.5%>BC2.0%>BC0.0%，中量BC1.0%处理较其他处理达到显著性差异(P<0.05)，其他无明显差异(P>0.05)。图5，图6

图5 茎秆磷含量变化

Fig.5 Change of Stem phosphorus content

图6 茎秆磷吸收量变化

Fig.6 Changes in phosphorus uptake by stems

2.4 生物炭对玉米叶片磷吸收的影响

研究表明,在不施氮肥条件下，随着生物炭的剂量增加，玉米的叶片磷含量明显增加(P<0.05)，其含量为0.131%～0.174%，吸收磷总量也随炭施入量增加而增加。不同氮肥条件下，随着生物炭的施用量增加，叶片量含量变化不同，其中N150条件下，随不同剂量的生物炭的施入，叶片磷含增加，但间未达到显著性差异(P>0.05)，而吸收磷总量表现为随着炭施入量的增加先下降后上升，1.0%BC较不施炭处理和其他生物炭处理明显下降(P<0.05)。但N200条件下，中高剂量(1.0%～2.0%)炭处理的叶片磷含量较不施炭处理明显增加(P<0.05)；而吸收磷总量变化趋势与N150处理类似，1.0%BC较不施炭处理和生物炭处理处理明显下降(P<0.05)。图7,图8

2.5 生物炭对玉米籽粒磷吸收的影响

研究表明,在不施氮肥条件下，随着生物炭的剂量增加，籽粒磷含量变化为0.301%～0.346%，中低剂量0.5%～1.0%的生物炭添加，表现对玉米籽粒磷增加，但未达到显著性差异(P>0.05)，但高剂量(2%)炭添加对玉米籽粒吸收磷具有明显的影响(P<0.05)。施氮肥条件下，1%～2%的BC施入能明显提高玉米籽粒磷的含量(P<0.05)，不同氮施入量处理间无明显差异(P>0.05)；而磷吸收总量表现为随着生物炭施入量增加而明显增加(P<0.05)，但不同N施入处理间无明显差异(P>0.05)。图9,图10

Fig. 7 Change of Leaf phosphorus content

图7 叶片磷含量变化

图8 叶片磷吸收量变化

Fig. 8 Changes in phosphorus uptake by leafs

图9 籽粒磷含量变化

Fig.9 Change of grain phosphorus content

2.6 生物炭对玉米单株吸收磷总量的影响

研究表明,在不施氮肥的条件下，随着生物炭的剂量增加，玉米单株吸收磷增加，其吸收量为 0.145～0.168 g，处理间达到显著性差异(P<0.05)；施氮肥条件下，较不施氮生物炭处理能明显提高单株磷含量(P<0.05)，吸收磷总量增幅为117.8%～147.87%；中低浓度生物炭(0.5%～1.0%)条件下，不同施氮量对单株磷含量影响不大(P>0.05)；高浓度生物炭(2.0%)条件下，N200处理较N150处理能显著提高单株磷含量(P<0.05)；相同氮条件下，随着生物炭使用量增加，单株磷吸收量增加，其中N150条件下，生物炭各处理间差异显著P<0.05)。图11

图10 籽粒磷吸收量变化

Fig. 10 Changes in phosphorus uptake by grains

图11 单株磷吸收量变化

Fig . 11 Changes in phosphorus uptake

2.7 生物炭对磷肥利用效率的影响

随着生物炭增加，磷肥利用率增加其中无氮条件下，磷肥利用率变幅为 2.45%～4.36%，处理间无显著性差异(P>0.05)；生物炭处理能明显提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率变化幅度为20.73%～24.66%，相对于不施生物炭增幅为7.99%～30.76%；中低浓度生物炭(0.5%～1.0%)条件下，不同氮肥处理间差异不明显(P>0.05)；但高浓度生物炭处理(2%)，N200处理的磷肥利用率明显高于N150处理(P<0.05)，增幅达12.60%。图12

图12 磷肥利用效率变化

Fig. 12 Change of phosphorus utilization efficiency

3 讨 论

添加生物炭对作物产量的影响报道各异，许多研究均表明生物质炭具有很好的增产效果[11-12]。，也有抑制作用或无影响[13]，可能与生物炭来源不同，特性不同。生物炭单施，不同作物和不同土壤的影响作用也存在不同，而生物炭与肥料配施对作物生长和产量的提高具有较好地促进效果[10]。研究表明，不施氮肥的条件下，生物炭的加入对玉米干物质积累具有抑制作用；施入生物炭条件下，增加氮肥施入量，玉米生物量表现为增加，中低浓度生物炭(0.5%～1.0%)的施入可提高玉米的地上部分生物量，增幅为4.5%～7.3%，但差异性不显著(P>0.05)。而高剂量生物炭(2%)处理，结合氮肥的使用，较不施炭处理生物量明显增加(P<0.05)。

生物炭含有大量的矿质营养元素，施入土壤后能够明显改善土壤养分状况，施用生物质炭显著提高土壤磷素含量及其有效性[14]。同时生物炭可以减少土壤对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应用潜力[15]。郎印海等[16]研究发现，柚子皮制备的生物质炭量的使用能降低土壤对磷的吸附量，还改变土壤磷的形态而增加土壤磷的有效性。巢军委[17]与关连珠[18]研究认为生物炭能够显著提高水稻土的Olsen-P 含量和碳酸氢钠无机磷及有机磷含量，从而提高磷肥的利用率。生物炭含有丰富的有机炭(SOC)，土壤微生物通过代谢生物炭中的活性有机碳，将难溶性磷酸盐转化成可溶性有效磷[19]，有研究认为生物炭能通过影响土壤碱性磷酸酶活性，从而改变土壤中磷的活性[20]，不同的使用量对土壤碱性磷酸酶活性影响不同[21]。生物质炭施用对磷素吸收有显著影响，但其影响在不同作物间存在差异。 王冬冬等[22]研究认为基施生物质炭对菜用大豆降低了植株对磷的吸收。而徐琪等[23]却认为生物炭对抽穗期小麦地上部氮、磷、钾吸收没有显著影响。王典等[24]通过盆栽试验发现添加生物质炭增加了油菜产量，但降低了油菜地上部氮和磷的浓度。而周加顺等研究认为生物炭施用改变了作物对氮、磷和钾等养分吸收及在各器官的分配，并提高了氮、磷、钾的吸收量[4]。研究表明，在施氮肥条件下，能明显提高根、茎秆、叶片、籽粒磷吸收总量(P<0.05)；且中高剂量生物量显著高于对照，这与郑琴在小麦上的研究结论类似[7]。随着生物炭施入量的增加，单株磷吸收量随之增加，与未添加生物炭比较，达到显著性差异(P<0.05)；且生物炭处理的磷肥利用率变化幅度为20.73%～24.66%，相对于不施生物炭增幅达7.99%～30.76%，达到显著性差异(P<0.05)。

4 结 论

在不施氮肥的条件下，生物炭对玉米干物质积累量具有抑制作用，但提高植株磷吸收总量；在施氮条件下，生物炭能明显增加玉米的生物量(P<0.05)，显著提高茎秆、叶片、籽粒磷吸收总量(P<0.05)，明显降低根部磷吸收总量(P<0.05)；随着炭施入量的增加，单株磷吸收量明显增加(P<0.05)；生物炭处理能明显提高磷肥利用效率(P<0.05)，利用效率变幅为20.73%～24.66%，相对于不施炭增幅达7.99%～30.76%。生物炭与氮肥、磷肥配施能够促进玉米生长，提升磷肥利用效率。