生物碳对土壤磷素和棉花养分吸收的影响

苏 倩, 侯振安, 赵 靓, 茹思博, 翟 勇, 董天宇

(石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆石河子 832003)

生物碳会直接影响土壤的结构、 通透性和孔隙度，进而影响土壤的呼吸作用、 保水能力、 土壤微生物以及养分状况[14]。制备生物碳的原料和热解温度都会影响其基本性质和应用效果，通常热解温度越高其稳定性越强[15]。新疆是我国最大的商品棉生产基地，棉花秸秆资源丰富，但关于棉花秸秆制备生物碳及其热解温度对土壤磷素及作物磷素吸收的影响研究还很少。本研究以棉花秸秆为原料，研究不同热解温度生物碳和磷肥配施对棉花生长以及磷素吸收利用的影响，以期为生物碳的合理利用和提高磷素利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

研究采用温室盆栽试验，磷肥(P2O5)用量设三个水平，为0、 0.25、 0.5 g/kg(分别以P0、 P1、 P2表示)。生物碳设置四个处理： 分别为450℃生物碳(BC 450)、 600℃生物碳(BC 600)和750℃生物碳(BC 750); 同时，以空白土壤为对照(CK)。生物碳的施用量均为1%(占干土重)。试验采用完全随机区组试验设计，共12个处理，每个处理重复3次。

1.3 样品采集与测定

试验结束后采集棉花植株样，将棉花植株自基部剪下，用去离子水洗净后分成茎、 叶、 蕾铃三部分，烘干后称重，测定全氮、 磷和钾含量。采集0—50 cm土壤样品，以10 cm为一层，分5层采集，采集后混合各层土壤样品，风干碾碎过筛后，测定混合土样的水溶性磷、 速效磷及全磷含量。

植物样品粉碎过筛后，经H2SO4-H2O2消煮，采用奈氏比色法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量[17]。土壤水溶性磷浸提水土比为5 ∶1，25℃恒温振荡1 h后，高速离心10 min (4000 r/min)，0.45 μm滤膜抽滤，钼锑抗比色法测定; 速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定; 全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定[17]。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤磷素含量的影响

2.1.1 水溶性磷 表1表明， 2011和2012年试验结束后，在不施磷肥条件下(P0)，第一年(2011)试验结束后各生物碳处理土壤水溶性磷含量差异不大; 但第二年(2012)施用生物碳处理均显著高于对照(CK)，三个施用生物碳处理土壤水溶性磷含量表现为BC600>BC750> BC450。中等施磷量下(P1)，第一年仅BC750处理土壤水溶性磷含量显著高于CK，BC450和BC600处理与CK无明显差异; 第二年施用生物碳处理均显著高于CK，BC450、 BC600和BC750处理土壤水溶性磷含量分别较CK增加了78%、 56%和107%。高施磷量下(P2)，第一年BC600和BC750处理土壤水溶性磷含量显著高于CK，但BC450与CK差异不显著; 第二年不同生物碳处理间土壤水溶性磷含量与中等施磷量下(P1)相似，BC450、 BC600和BC750处理分别较CK增加了42%、 37%和77%。

从两年的两因素方差分析结果来看，磷肥、 生物碳及二者交互作用对土壤水溶性磷含量的影响均达到显著或极显著水平。总体上，土壤水溶性磷含量随施磷量的增加而显著提高。不同生物碳处理土壤水溶性磷含量则表现为随着生物碳热解温度的提高和施用年限的增加而增加; 且生物碳与磷肥配施优于生物碳单独施用。

2.1.2 速效磷 土壤速效磷含量主要受施磷量的影响，随着施磷量的增加土壤速效磷含量显著提高; 而施用生物碳对土壤速效磷含量的影响相对较小(表1)。从不同施磷水平下，各生物碳处理土壤速效磷含量的两年试验结果来看，仅BC600处理土壤速效磷含量显著高于CK，而BC450和BC750均与CK差异不大。

表1 不同处理对土壤磷含量的影响

2.2 不同处理对棉花干物重的影响

表2表明，2011年除磷肥处理对棉花茎和叶的干物质重影响不显著外，磷肥、 生物碳及二者交互作用对棉花各器官及总干物质重的影响均达到极显著水平。2012年磷肥和生物碳处理对棉花茎和总干物质重影响显著，但对叶和蕾铃的干物质重影响不显著。

在P0条件下，2011年施用生物碳对棉花干物质重影响显著，其中茎的干物质重为BC600处理最高，蕾铃和总干物质重整体表现为： BC750、 BC600>BC450>CK。2012年仅BC750处理棉花总干物质重显著高于CK，其他处理间差异均不显著。

在P1和P2条件下，2011年施用生物碳处理棉花茎、 叶、 蕾铃和总干物质重均显著高于CK，三种施用生物碳处理(BC450、 BC600和BC750)棉花总干重总体表现为随着生物碳热解温度的增加而增加; 但2012年施用生物碳处理棉花总干重均与CK无显著差异。

表2 2011年和2012年不同处理对棉花植株干物质重的影响 (g/pot)

2.3 不同处理对棉花养分吸收的影响

2.3.1 氮素吸收 2011年两因素方差分析结果表明施磷量(F=3.96，P<0.05)和生物碳(F=12.68，P<0.01)对棉花氮素吸收影响显著。总体上，棉花氮素吸收量随着施磷量的增加而增加。图1表明，在不施磷肥条件下(P0)，BC750处理棉花氮素吸收量最大， BC450和BC600处理棉花氮素吸收量与CK无显著差异; 中等施磷量下(P1)，三种类型生物碳棉花氮素吸收量均与对照无显著差异; 而高施磷量下(P2)，BC600和BC750处理棉花氮素吸收量均显著高于对照，表现为BC750、 BC600> BC450 > CK。

第二年(2012)两因素方差分析结果表明施磷量(F=99.85，P<0.01)和生物碳(F=45.19，P<0.01)对棉花氮素吸收的影响均达到了极显著水平。在P0条件下，三种类型生物碳棉花氮素吸收量均与对照无显著差异，但BC750处理棉花氮素吸收量显著高于BC450和BC600; 在P1条件下，BC600 和BC750处理棉花氮素吸收量最高，其次是CK，BC450最低; 在P2条件下，三种类型生物碳处理棉花氮素吸收量与CK无显著差异。

图1 不同处理棉花植株吸氮量Fig.1 N uptake of cotton under different treatments

2.3.2 磷素吸收 2011年两因素方差分析结果表明， 施磷量(F=52.38，P<0.01)和生物碳(F=20.21，P<0.01)对棉花磷素吸收影响极显著。总体上，棉花磷素吸收量随着施磷量的增加显著增加。图2显示， 在不施磷肥条件下(P0)，BC450处理棉花磷素吸收量与CK差异不大，BC600与BC750处理棉花磷素吸收量较CK分别增加了48%和40%; 中等施磷量下(P1)，三种类型生物碳棉花磷素吸收量均显著高于对照，BC450、 BC600和BC750较CK分别增加了18%、 26%和40%; 而高施磷量下(P2)，仅BC750处理棉花磷素吸收量显著高于CK，BC450和BC600处理均与CK差异不显著。

与第一年(2011)相似，第二年(2012)施磷量和生物碳对棉花磷素吸收的影响也均达到了极显著水平(P<0.01)。总体上，棉花磷素吸收量随着施磷量的增加显著增加; 不同生物碳处理表现为750BC> 600BC>450BC>CK。在P0条件下，仅BC750处理棉花磷素吸收量显著高于对照(CK)，BC450、 BC600与CK差异不显著; 在P1条件下，BC750处理棉花磷素吸收量最高，其次是BC600，分别较CK增加26%和15%，但BC450处理与CK差异不显著; 在P2条件下，BC450、 BC600和BC750均显著高于CK，分别较CK增加了18%、 22%和39%。

图2 不同处理棉花植株吸磷量Fig.2 P uptake of cotton under different treatments

图3 不同处理棉花植株吸钾量Fig.3 K uptake of cotton under different treatments

2012年不同处理对棉花钾素吸收的影响总体上与2011年相似。三种施磷水平下，施用生物碳处理棉花钾素吸收量均显著高于CK，但三种生物碳处理间存在差异。在不施磷肥(P0)和中等施磷量(P1)条件下，BC750棉花钾素吸收量最高，其次是BC600，BC450最低; 但在高施磷量下(P2)，三种类型生物碳处理棉花钾素吸收量无显著差异。

3 讨论与结论

根据本研究的两年结果来看，2012年棉花植株干物质重显著高于2011年，主要与棉花种植时间有关。2011年棉花于8月播种，12月收获，棉花生长阶段整体温度偏低，因此造成棉花生长缓慢，干物质重较低，从而影响了棉花植株对氮、 磷、 钾的吸收。

施用生物碳可以保持土壤肥力，改善土壤的化学、 生物和物理特性，并显著增加作物产量[27-29]。一般认为，生物碳对作物生长和产量的影响与生物碳的制备原料、 热解温度、 施用量和施用年限等有关，但大多数研究都认为生物碳可以提高作物的生物量和产量[30]。本研究连续两年试验结果表明在不同磷肥施用水平下，施用生物碳均可以促进棉花生长和磷素吸收，显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渗透压和水稻叶面积指数，提高氮、 磷的有效性，增加旱稻产量。Lehmann等[7]研究表明，在铁铝土和人为土壤中添加生物碳可以促进作物磷素养分的吸收，提高生物量。

本研究通过温室盆栽试验探讨了不同磷肥用量下三种热解温度(450℃、 600℃和750℃)棉秆生物碳对石灰性土壤磷素含量以及棉花生长和养分吸收的影响，结果表明施用生物碳可显著增加土壤水溶性磷、 速效磷和全磷含量，提高棉花生物量和养分吸收量，且生物碳的热解温度越高其促进作用越好。但由于试验研究条件与农田实际环境差异较大; 同时，试验中磷肥的施用量明显高于一般农田，因此，还需要进一步开展农田条件下，不同热解温度棉秆生物碳对土壤磷素和作物养分吸收影响的研究。

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