水肥管理及生物炭施用对作物产量和磷效率及磷淋失的影响*

卢慧宇，杜文婷，张弘 弢，徐佳星，韩 燕，郑景瑞，王仁杰，杨学云，张树兰

(西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与环境重点实验室 杨凌 712100)

磷素不仅是作物生长的限制因子，也是造成环境污染的重要因素之一[1-2]。生产磷肥所用的磷矿并非可再生资源，许多学者认为世界的磷矿资源即将耗竭[3]，但磷肥投入量仍逐年增加。据统计，我国农田磷肥投入量从1980年的273.3 万t 上升至2018年的728.0 万t，约增加166.4% (http：//www.stats.gov.cn/tjsj./ndsj/)。中国北方平原磷素盈余量为年均53 kg·hm−2，约是美国中西部地区的63 倍[4]。据报道陕西关中地区冬小麦(Triticum aestivum)、夏玉米(Zea mays)磷肥施用量过高的农户分别占58.1%和19.7%[5]，而磷肥利用率仅为7.0%～18.4%[6]。肥料利用率低不仅增加了农民的生产成本，而且造成了环境污染等一系列问题[7]。过去认为，北方土壤pH 较高、对磷的吸附能力强且土壤对磷的化学固定等作用使土壤磷素很难垂直向下移动，磷酸根在土体中浓度很低，磷素主要以难溶性化合物的形态存在，磷素没有淋失或磷素的淋失并不重要[8]； 但近年来，随着磷肥和有机肥长期过量施用，土壤耕层的磷素大量累积，若超过饱和吸附点时则会发生淋溶，尤其是在有机肥大量施用的情况下[9-11]。土壤中磷素淋失主要通过水分运动，在不合理的灌溉以及大量降雨时土壤水分达到饱和会发生淋溶损失[12]； 已有研究报道，随灌溉量的增加，淋溶到120 cm 土体以下的磷素随着增加[13]； 还有研究发现灌溉会引起中度活性磷向稳定性磷的转化，减少土壤磷素有效性，可以降低土壤磷流失风险[14]。在现有农户水肥管理模式下，减少灌溉量以及施肥量对北方冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量、磷利用效率以及磷素淋失有何影响，目前还鲜有报道。因此，探明合理的水肥管理对保证冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量、养分高效利用及维持农业可持续发展十分重要。

生物炭具有碳含量丰富、碱性、多孔性、吸附能力强等特性，能够提高土壤肥力，促进作物对养分的吸收，提高作物产量[15-16]。近年来，有关生物炭对作物产量和磷素淋失影响的研究逐渐增多，但研究结果不尽相同。如Uzoma 等[17]报道在沙质土壤中施用生物炭(15 t·hm−2和20 t·hm−2)玉米产量分别提高150%和98%。而Jeffery 等[18]报道在黏粒含量较高土壤中施用生物炭对作物没有增产作用。Laird等[19]报道，在添加猪粪的土壤中施用20 g·kg−1橡木(Quercus spp.)和山核桃(Carya cathayensis)混合生物炭后，可溶性全磷(TDP)的淋失量减少了69%。尹俊慧等[20]通过室内土柱模拟试验表明，竹炭对土壤磷素淋失的抑制作用显著优于木炭，而将木炭和竹炭以1∶1 的比例混施能够提高木炭对磷素淋失的抑制效果。但王承俊等[21]研究表明，在盐碱土中分别添加5%和10%的玉米秸秆生物炭后，全磷(TP)的淋失量却分别增加432%和438%。此外，生物炭对磷素淋失方面的影响还因土壤类型的不同而不同。如李江舟等[22]研究表明，在紫色土、赤红壤和黄棕壤中添加生物炭后，紫色土和赤红壤的磷素淋洗总量分别减少41%和32%，而黄棕壤磷素淋洗总量变化不明显。因此，施用生物炭的效应因环境条件和生物炭类型而变化。

褐土是我国半干旱、半湿润偏旱区的主要土壤类型，主要分布在山西、河北、山东、陕西等地区，占地面积约993 万hm2。冬小麦/夏玉米是该区主要的作物体系，但该作物体系也普遍存在施肥过量及由此导致的潜在磷素淋失的问题。目前，有关褐土区磷素淋失的研究多集中在探究施肥、灌溉、土壤深度[13，23]以及秸秆还田[24]等方面，施用生物炭对褐土区作物产量、磷利用率以及磷素淋溶损失鲜有报道。基于此，本试验利用田间渗漏池设施，研究控水控肥以及施用生物炭对冬小麦和夏玉米产量、磷利用率以及磷素淋失的影响，以期为褐土区农田土壤磷资源高效利用和阻控磷素淋溶损失提供科学依据。

1 材料与方法

试验于2016—2019年在国家黄土肥力和肥料效益监测基地进行，该基地位于陕西省杨凌农业高新技术产业示范区头道塬(34°17′N，108°00′E)，海拔534 m，年平均气温13 ℃，年平均降水量550～600 mm，主要集中在6—9月。供试土壤为 塿土(土垫旱耕人为土)，黄土母质。试验开始时0～20 cm 土层土壤含全氮0.612 g·kg−1、全磷0.446 g·kg−1和速效磷0.22 mg·kg−1，pH 8.44。

1.1 试验设计

冬小麦/夏玉米轮作试验在渗漏池进行，试验共设7 个处理： 1)习惯水肥1 处理(CP1)，施肥量和灌水量均为传统农户用量。2)灌水优化处理(CP1-W)，灌溉量视当年的降雨情况而定： 2016—2017年冬小麦季和夏玉米季，灌溉量在CP1 处理的基础上分别减少23.5%和21.7%； 2017—2018年冬小麦季和夏玉米季，灌溉量在CP1 处理的基础上分别减少20.0%和25.0%； 2018—2019年冬小麦季和夏玉米季，灌溉量在CP1 处理的基础上分别减少14.3%和25.0%。3)养分优化处理(CP1-F)，在CP1 处理的基础上施氮量减少28.6%，施磷量减少33.3%。4)水分养分优化处理(OPT)，灌溉量同CP1-W 处理，施肥量同CP1-F处理。5)水分养分优化+小麦秸秆生物炭处理(OPT+B)，在OPT 处理的基础上增施15 t·hm−2的小麦秸秆生物炭。6)习惯水肥2 处理(CP2)，施肥量与灌水量与CP1 相同，但渗漏池深度不同。7)习惯水肥+小麦秸秆生物炭处理(CP2+B)，在CP2 处理的基础上增施15 t·hm−2的小麦秸秆生物炭。习惯水肥处理中的施肥量参考该研究地区冬小麦/夏玉米体系农户施肥水平[1]。每个处理重复4 次。表1 为各处理施肥量、生物炭用量、灌水量以及渗漏池深度。试验所用氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)。试验期间小麦品种为‘小偃22’，玉米品种为‘郑单958’。试验所用生物炭为小麦秸秆生物炭，制备温度为550 ℃，有机质和全氮含量分别为249.0 g·kg−1和8.46 g·kg−1，pH 9.8。2016―2017年，冬小麦播种时间为2016年10月3日，收获时间为2017年6月2日； 夏玉米播种时间为2017年6月11日，收获时间为10月4日。2017―2018年，冬小麦播种时间为2017年10月6日，收获时间为2018年6月5日； 夏玉米播种时间为2018年6月8日，收获时间为10月5日。2018―2019年，冬小麦播种时间为2018年10月7日，收获时间为2019年6月7日； 夏玉米播种时间为2019年6月9日，收获时间为10月13日。生物炭于2016年、2017年冬小麦播前施用，氮磷肥于冬小麦播前或夏玉米六叶期施用。

1.2 样品采集与测定

在作物生长期间降雨或灌溉后采集渗滤液，并称量体积，取一定体积的样品在 4 ℃贮存，用于分析不同磷组分。2016—2017年共采集17 次样品，2017—2018年共采集11 次样品，2018—2019年共采集13 次样品。渗漏液全磷(TP)质量浓度采用过硫酸钾消解，钼酸铵分光光度法测定(700 nm波长)； 可溶性全磷(TDP)质量浓度，滤液经过0.45 μm 滤膜后，再用过硫酸钾消解，钼酸铵分光光度法测定(700 nm 波长)； 钼酸盐反应磷(MRP)质量浓度，滤液经过0.45 μm 滤膜后，直接用钼锑抗比色法测定(700 nm 波长)； 颗粒磷(PP)质量浓度由TP 与TDP 质量浓度差值求得； 可溶性有机磷(DOP)质量浓度由TDP 与MRP 质量浓度差值求得。作物成熟后，调查穗数和穗粒数，然后每个渗漏池全部收割，风干后称质量，脱粒计算籽粒产量，并测定千粒重。

式中： Y 为施磷处理作物籽粒产量，N 为磷肥用量，Ln为第n 次采集渗漏液量(mm)，Cn为第n 次淋失水样中的磷素质量浓度(mg·L−1)。

表1 2016―2019年不同处理灌水及氮磷肥和生物炭施用量Table 1 Application rates of water，fertilizer and biochar in different treatments during 2016―2019

1.3 数据处理与统计分析

所有数据均为4 个重复的均值，CP1、CP1-W、CP1-F 和OPT 处理采用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析，差异达显著水平(P<0.05)则进一步进行多重比较。CP2 与CP2+B 处理、OPT 与OPT+B 处理采用SPSS 18.0 软件独立样本T 检验进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 水肥管理和生物炭施用对冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量的影响

从3 个轮作年结果(图1)可知，冬小麦产量的变化范围为3099～6546 kg·hm−2，夏玉米产量的变化范围为 6779～15 732 kg·hm−2。与 CP1 处理相比，2016—2017年和2018—2019年CP1-W、CP1-F 和O P T 处理的冬小麦产量均无显著差异，而2017—2018年CP1-F 和OPT 处理冬小麦产量显著减少10.4%和14.8%。就3年均值而言，CP1-W、CP1-F和OPT 处理冬小麦产量均与对照相似。与CP2 处理相比，2016—2019年CP2+B 处理的冬小麦产量均无显著差异。在水分养分同时优化的基础上施用生物炭对冬小麦产量的影响结果不一致，其中2016—2017年，OPT+B 处理的冬小麦产量显著提高39.1%，而2017—2018年和2018—2019年，与OPT处理相比，OPT+B 处理的冬小麦产量均显著下降，降幅分别为19.0%和21.7%。就3年均值而言，在不同条件下施用生物炭对冬小麦产量均无显著影响。与CP1 处理相比，CP1-W、CP1-F 和OPT 处理的夏玉米产量无显著变化。CP2+B 处理2018年和3年均值的夏玉米产量较CP2 处理分别显著提高26.1%和21.7%，而OPT+B 处理夏玉米产量较OPT 处理无显著变化。与CP1 处理相比，CP1-W、CP1-F 和OPT处理2016—2017年和2017—2018年作物总产量均无显著差异，CP1-F 处理2018—2019年作物总产量与CP1 处理相似，而CP1-W 和OPT 处理作物总产量较CP1 处理显著下降。就3年均值而言，CP1-W、CP1-F 和OPT 处理作物总产量均与CP1 处理相似。与CP2 处理相比，CP2+B 处理2016—2017年和2017—2018年作物总产量显著提高，增幅分别为17.9%和17.8%，而2018—2019年作物总产量无显著变化。与 OPT 处理相比，OPT+B 处理 2016—2017年和2017—2018年作物总产量无显著变化，但2018—2019年OPT+B 处理作物总产量显著下降。就3年均值而言，不同水肥条件下施用生物炭对作物总产量也无显著影响。

2.2 水肥管理和生物炭施用对冬小麦/夏玉米轮作体系作物磷偏生产力的影响

3 个轮作年周年磷肥偏生产力的变化范围为54.2～142.2 kg·kg−1(图2)。与CP1 处理相比，每个轮作年CP1-W 处理的磷肥偏生产力均无显著变化，而CP1-F 和OPT 处理磷肥偏生产力均显著提高，其中CP1-F 处理增幅分别为68.8%、68.7%和70.7%，OPT处理增幅分别为45.8%、61.5%和60.6%。就3年均值而言，CP1-W 处理的磷肥偏生产力与CP1 处理相似，而CP1-F 和OPT 处理磷肥偏生产力较CP1 处理分别显著提高69.3%和56.4%。在3 个轮作年中，与CP2 处理相比，CP2+B 处理磷肥偏生产力分别显著提高47.3%、47.2%和35.2%。与OPT 处理相比，OPT+B 处理2016—2017年和2017—2018年磷肥偏生产力无显著变化，但2018—2019年OPT+B 处理磷肥偏生产力显著下降15.0%。就3年均值而言，在不同水肥条件下施用生物炭对磷肥偏生产力的影响不一致，即 CP2+B 处理磷肥偏生产力平均提高43.6%，而OPT+B 处理的磷肥偏生产力与OPT 处理相似。

2.3 水肥管理和生物炭施用对冬小麦/夏玉米轮作体系磷素淋失的影响

由图3 可知，在3 个轮作年中，与CP1 处理相比，CP1-W 和OPT处理的累积渗漏量均减少，CP1-F处理的累积渗漏量与CP1 处理相似。就3年均值而言，CP1处理与CP1-W、CP1-F 和OPT 处理累积渗漏量均相似。与CP2 处理相比，2016—2017年CP2+B 处理的累积渗漏量显著减少了30.6%，后2017—2018年和2018—2019年CP2+B 处理的累积渗漏量无显著变化。在水分养分同时优化的基础上施用生物炭对累积渗漏量的影响不一致，其中 2016—2017年和2018—2019年OPT+B 处理的累积渗漏量与OPT 处理相似，而2017—2018年OPT+B 处理的累积渗漏量较OPT 处理却显著增加。就3年均值而言，CP2+B处理的累积渗漏量较CP2 处理显著减少26.4%，而OPT+B 处理的累积渗漏量与OPT 处理相似。

由图4 可知，磷素淋失主要以可溶性磷为主，平均占TP 淋失量的66.3%，其中MRP 和DOP 平均各占34.9%和31.4%。2016—2019年，PP、MRP、DOP 和TP 淋失量分别为0.94～44.9 g·hm−2、2.8～32.3 g·hm−2、0.98～21.2 g·hm−2和 28.6～81.4 g·hm−2。2016—2017年CP1-W、CP1-F 和OPT 处理各形态磷素的淋失量与CP1 处理相似。2017—2018年CP1-W和OPT 处理的MRP 淋失量较CP1 处理分别显著减少62.8%和77.9%，CP1-F 处理各形态磷素均与CP1处理相似。2018—2019年，与CP1 处理相比，CP1-W处理除DOP 的淋失量显著减少44.7%，其他形态磷素淋失没有显著变化； CP1-F 处理各形态的磷素淋失量较CP1 处理无显著差异。与CP1 处理相比，OPT处理TP、DOP 和PP 的淋失量均显著减少，降幅分别为61.0%、40.7%和93.9%。就3年均值而言，CP1-W和CP1-F 处理各形态磷淋失量与CP1 处理相似，而OPT 处理的PP 淋失量显著减少58.4%。在3 个轮作年中，在习惯水肥的基础上施用生物炭(CP2+B)对各形态磷素淋失量均无显著影响。在水分养分同时优化的基础上施用生物炭对磷素的淋失量影响不一致，其中在2016—2017年，OPT+B 处理较OPT 处理TP、DOP 和PP 的淋失量分别显著减少62.4%、60.0%和57.1%； 2017—2018年，OPT+B 处理较OPT 处理TP 和 MRP 的淋失量却分别显著增加 44.1%和454.1%； 2018—2019年，与OPT 处理相比，OPT+B处理TP 和PP 的淋失量也分别显著增加68.6%和649.7%。就3年均值而言，在不同水肥条件下施用生物炭对各形态磷素淋失量均无显著影响。

3 讨论

本研究结果表明，冬小麦/夏玉米轮作体系在习惯水肥的基础上减水、减肥以及水肥同时优化对年均作物总产量无显著影响。说明研究区农户水肥过量施用现象严重，这与Ju 等[25]和刘小利等[26]的研究结果一致。本试验还发现，就3年均值而言在不同水肥条件下施用生物炭对作物总产量无显著影响，但是年际间变化不一致。以往有关生物炭对作物产量的影响结果也不一致，如Liu 等[27]对2013年以来发表的有关生物炭施用对作物产量影响的文章进行综合分析，发现生物炭施用量<30 t·hm−2时，作物产量平均提高11.0%； 当生物炭施用量>40 t·hm−2时，对作物产量无显著影响。这表明作物产量与生物炭的施用量并不呈正比。Jeffery 等[18]研究表明，在砂粒含量较高的土壤中施用生物炭显著提高了作物产量，而在黏粒含量较高的土壤中施用生物炭对作物产量无显著影响。可见生物炭对作物产量的作用受土壤类型、生物炭用量的影响。高海英等[28]在与本试验相同的土壤类型中肥料配施木炭生物炭后发现，小麦产量显著提高46.6%，这与本研究前两个轮作年的结果一致。而Asai 等[29]研究表明，单独使用生物炭后，作物无增产效应，甚至减产。施用生物炭作物增产主要与其影响了土壤理化性质，改善了作物生长发育状况有关，而施用生物炭后作物减产可能是由于生物炭本身碳素含量高[30]，矿质养分含量低，施入后会提高土壤C/N，降低土壤养分有效性[31]。

从本试验3 个轮作年结果可知，在习惯水肥基础上降低灌水量、减少施肥量，总磷(TP)的淋失量均减少； 就年平均结果而言，水肥优化处理颗粒磷的淋失量显著减少近60%。张翠荣等[32]在与本试验相同的土壤类型下进行土壤磷素淋溶试验也得出相同结果。这可能是养分淋失总量由渗漏液总体积和渗漏液中养分浓度决定，施肥量和灌溉量减少后，累积渗漏液量随之减少，磷淋失运输载体的数量和浓度均减少，导致磷素淋失量减少。本试验还发现，施用生物炭对磷素淋失量的影响结果不一致，即在习惯水肥的基础上施用生物炭对磷素的淋失量无显著影响，而在水分养分优化的基础上施用生物炭显著增加了2017—2019年TP 的淋失量，但从3年平均结果来看，在不同条件下施用生物炭对TP 的淋失量均无显著影响。Gao 等[33]综合分析了有关生物炭施用对土壤磷含量影响的研究发现，生物炭施用后提高了表层土壤有效磷的含量，可能会增加磷素淋失的可能性。Yao 等[34]研究表明，在沙壤中施用2%椒木生物炭后，淋溶液TP 浓度降低20.6%，但施用2%花生壳生物炭后，淋溶液中TP 浓度却增加39.1%。生物炭对磷淋失的影响可能取决于以下几方面： 1)生物炭本身有效磷的含量较高，施用后会直接增加土壤有效磷的含量[35]； 2)生物炭大多呈碱性，施入土壤后会显著增加土壤pH，随着pH 升高，土壤对的吸附量降低，从而增加土壤中磷的生物有效性[36]； 3)生物炭能够通过改变微生物群落结构和活性，从而促进难利用的磷素转化生成无机矿物质磷[37]； 4)生物炭表面的含氧官能团以及金属离子(Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+)可以通过配位交换和吸附作用保持PO34-，从而减少渗漏液中磷的浓度[38]。前3 个途径有利于增加土壤中磷的含量并促进磷素淋失，而后者有利于减少磷素淋失。因此，生物炭施用后，磷的淋失量主要取决于这两种作用的平衡。本试验中，在水分养分优化的基础上施用生物炭显著减少了2016—2017年TP、DOP、PP 的淋失量，这可能是生物炭对磷素的吸附作用占主导作用。此外，还有研究发现不同生物炭的用量会影响其对磷素淋失的效果，如李卓瑞等[39]报道，添加2%和4%的生物炭后，TP 的淋失量分别减少了26%和12%。其原因可能是，在施磷量相同的情况下，生物炭施用量越多，土壤中磷含量的累积量越多，从而增加了磷素的淋失量。

4 结论

3年冬小麦/夏玉米轮作试验表明，灌水量减少约20%、施肥量减少约30%或者灌水量和施肥量同时减少均可保证冬小麦、夏玉米及其周年总产量。同时，减少施肥量可以显著提高磷肥偏生产力。另外，降低灌水量、减少施肥量或者灌水量和施肥量同时减少均有减少磷素淋失的趋势，其中同时减少水肥可以显著降低颗粒磷的淋失量。今后需要加强推广、培训，引导农户合理施肥和灌水。在不同水肥条件下施用小麦秸秆生物炭对年均作物总产量及各形态磷素的淋失量无显著影响，但对磷肥偏生产力影响不一致。因此，今后需要进一步研究其他类型生物炭及其用量对褐土区冬小麦/夏玉米轮作体系的产量、养分效率及养分淋失的影响。