夏季设施菜田生物炭施用对填闲作物甜高粱磷素吸收及土壤碳磷形态的影响

郭蓉 霍志纯 林子欣 郭子韶 封力元 宋明萱 卢树昌

摘    要：针对集约化设施菜田夏季土壤磷素淋失严重的问题，本文研究了不同用量生物炭（0%，0.5%，2%，4%，8%）施用下填闲作物（甜高粱）对阻控和缓解磷淋失以及减少磷累积的规律。结果表明，2%生物炭处理更有利于甜高粱的生长，随着生物炭用量增加，饲用甜高粱生物量以及吸磷量均出现先增加后减小的特点。4%和8%处理显著增加了土壤有机碳含量，土壤溶解有机碳（DOC）和微生物量碳含量则是先增大后减小，峰值出现在2%处理，分别为639.32，237.42 mg·kg-1。种植甜高粱以后，土壤磷素水平显著降低，5%和2%处理全磷最多降低了1.9%，水溶性磷（0～30 cm）最多下降了50.8%，90～120 cm土层下降幅度最多达到了100%。因此，在本试验条件下得出，0.5%～2%生物炭施用水平为最佳用量范围，即添加12～48 t·hm-2最有利于阻控和缓解磷素的淋失。

关键词：生物炭;磷素吸收;碳磷形态;设施菜田;甜高粱

中图分类号：S514;S156       文献标识码：A      DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.07.015

Abstract： In order to solve the serious problem of phosphorus leaching from soil of vegetable fields under intensive facilities in summer， this paper studied different amounts of biochar 0%， 0.5%，2%，4%，8%. The application of catch crops （sweet sorghum， Sorghum bicolor （L.） Menoch） has the effect of preventing and alleviating phosphorus leaching loss and reducing phosphorus accumulation.The results showed that 2% treatment was more conducive to the growth of sweet sorghum. As the amount of biochar increased， the biomass of forage sweet sorghum and phosphorus uptake both increased first and then decreased. The 4% and 8% treatments significantly increased the soil organic carbon content， while the soil dissolved organic carbon （DOC） and microbial biomass carbon content first increased and then decreased. The peaks appeared in the 2% treatment， which were 639.32 mg·kg-1 and 237.42 mg·kg-1 respectively. After planting sweet sorghum， the soil phosphorus level was significantly reduced. the total phosphorus of 0.5% and 2% treatment was reduced by 1.9% at most， the water-soluble phosphorus（0-30cm） was decreased by 50.8% at most， and the soil layer of 90-120cm was decreased by 100% at most. Therefore， under the experimental conditions， the 0.5%-2% biochar application level is the best dosage range， that is， the addition of 12-48 t·hm-2 is most conducive to controlling and alleviating phosphorus leaching.

Key words： biochar; phosphorus absorption; carbon and phosphorus forms; facility vegetable field;sweet sorghum

集約化设施菜田的磷肥施用过量导致土壤磷过度累积，通过地表径流、侵蚀、淋溶和菜田排水等进入地表和地下水，从而给周边环境造成巨大威胁[1]。大量未被植物吸收和利用的养分残留在土壤中，造成土壤酸化、面源污染等环境生态污染问题[2-3]，同时过量的磷不利于设施土壤的再种植，对作物生长和养分吸收产生不好的影响[4]。夏季气温与降水的影响对于磷素淋失的问题更为显著[5]，降低磷素环境污染的关键在于减少土壤中残留的磷素数量，这就需要提高磷素的资源利用率，同时控制菜田土壤磷素积累，降低其移动性[6]。甜高粱（Sorghum bicolor （L.） Menoch）具有抗旱、耐涝、耐盐碱等特性，在全球大多数半干旱地区都可以生长，对土壤的适应能力极强，且甜高粱能充分利用土壤中被吸附固定的磷素，这样可以有效地改善磷的面源污染[7]。另外，生物炭具有碳含量丰富、碱性、多孔性、吸附能力强等特点，不仅可以提高土壤肥力，还对促进作物对养分的吸收，提高作物产量有重要作用[8]。David Laird等[9]报道，在土壤中施用20 g·kg-1橡木和山核桃混合生物炭后，溶解态总磷（TDP）的淋失量减少了69%，可以阻控和缓解磷的淋洗。考虑到填闲与生物炭施用在磷淋失与碳转化方面起到了重要有益作用，所以将二者结合是我们研究的主要方向。基于此，本文研究在填闲配合作用下生物炭最佳用量以及土壤碳磷转化规律，旨在为控制设施土壤磷素面源污染、降低磷环境风险与提升土壤质量提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试作物：‘甜杂2号饲用甜高粱，生育期135 d，种植密度为15万株·hm-2。

供试调理剂：木本生物炭（果木炭），含碳量60%。

供试土壤：天津北部典型集约化设施菜田，土壤类型为潮土，土壤质地为中壤，有效磷含量高，为588.57 mg·kg-1。

1.2 试验处理

在试验棚中设计5个处理，分别为C1（生物炭0%）、C2（生物炭0.5%，即12 t·hm-2）、C3（生物炭2%，即48 t·hm-2）、C4（生物炭4%，即96 t·hm-2）、C5（生物炭8%，即192 t·hm-2）。其中试验土壤耕层土重测算为2 400 t·hm-2，生物炭百分比是指生物炭用量占每公顷耕层（0～20 cm）土重百分率。试验时间为2020年6—8月，每个处理重复3次。试验小区面积40 m2。试验期间不施任何肥料，灌水采用常规管理，即播种后第2天灌出苗水，在甜高粱生长关键时期进行灌水，若有降水，则不进行灌水。

1.3 采样与分析方法

在试验开始后分别在生长前期与生长中期测定株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素相对含量、光合速率（前期调查日期为2020年7月10日，中期调查日期为2020年8月10日）。其中，株高用卷尺测量，茎粗用游标卡尺测定，叶长、叶宽用卷尺测量，用于计算叶面积（叶长×叶宽×0.75[10]），叶绿素相对含量用叶绿素仪测定，净光合速率用光合速率仪测定，叶绿素相对含量和净光合速率测定部位均为顶部倒三叶。

每个处理的同一土层取三钻土进行混合，共取4层，分别为0～30，30～60，60～90，90～120 cm。收获时，将试验小区甜高粱植株分为地上部与根部（根系为0～20 cm土层深度），分别称重，并随机抽取处理中具有代表性的植株和根系，测定含水量，以计算干物质量。

植株含磷量：分别将饲用甜高粱样株地上部样品与根部样品烘干后经粉碎过筛，利用浓硫酸-双氧水法消解后，用钒钼黄比色法测定出各部位全磷含量。

植物吸磷量：收获植株的干生物量×含磷量

土壤全磷含量：将土壤样品过筛，浓硫酸-高氯酸消解后，利用钼蓝比色法测定。土壤有效磷：碳酸氢钠溶液浸提，钼蓝比色法比色。土壤水溶性磷：氯化钙溶液浸提，钼蓝比色法比色;土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法。土壤溶解有机碳（DOC）和微生物量碳采用TOC仪测定。

试验数据采用WPS方法进行处理，采用SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对甜高粱长势影响

由表1可知，不同用量生物炭处理与对照相比，均对甜高粱的长势有不同程度影响。从株高看：C3>C5>C4>C2>C1，其中C3处理株高显著高于C1处理，C1、C2与其他处理株高差异显著;从茎粗看，C3、C4茎粗较好，均显著高于其他处理;从叶色值看，C1处理最好，C3、C2较好。从前期整体长势看，C3处理长势较好。

由表2可知，从株高看：C3>C4>C5>C2>C1，其中C3处理株高高于其他处理，各个处理间差异不显著;从茎粗看，C1茎粗显著高于其他处理，C3、C4的茎粗较好;从叶面积看，C2处理叶面积明显高于其他处理;从叶色值看，C1处理叶色值最大，C3处理次之，两者差异不显著;从光合速率看，C3处理有机物积累速率最高，C5次之。从中期整体长势来看，C3处理长势较好。

2.2 不同处理对生物量及磷素吸收影响

2.2.1 不同处理甜高粱生物量 从地上部分看，C3生物量明显高于其他处理，且总体趋势先增大后降低。根部状况与地上部状况类似，C3处理显著优于其他处理。从各处理总干物质量来看，C3>C2>C4>C5>C1，在甜高粱干物质量中，各个处理均为地上部干物质量占比最大，其平均占比为86.4%。综合考虑C3处理最优（图1）。

2.2.2 不同处理甜高粱吸磷状况 由表3可知，地下部（根系）吸磷量最大为C2，最小为C1，从大到小排列C2>C5>C3>C4>C1。而地上部吸磷量最高为C3，最低为C5，从高到低顺序为C3>C4>C2>C1>C5。总体趋势表现出先增加后减少特征，C3处理植株总吸磷量达最大，值为44.19 kg·hm-2。

2.3 不同处理对土壤碳磷形态转化影响

2.3.1 不同处理土壤碳形态

（1）不同处理对土壤有机碳影响

由图2可知，C2、C3、C4、C5处理均出现有机碳增加的现象，由大到小排列C5>C4>C3>C2>C1，其中C4、C5处理有机碳相比其他处理增加显著。

（2） 不同处理对土壤溶解有机碳含量影响

由图3可知，C3处理下土壤溶解有机碳含量最高，含量最低的为C1。总体趋势呈现先增高后降低的趋势，由大到小依次排列的顺序C3>C2>C4>C5>C1。其中甜高粱C3處理下的DOC值为639.32 mg·kg-1。

（3）不同处理对土壤微生物量碳含量影响

由图4可知，在种植饲用甜高粱后，土壤微生物碳的含量均比C1有显著性提高，且各处理差异显著，其中含量最多的为C3处理，含量最少的为C1处理。从大到小排序C3>C2>C4>C5>C1。C3处理微生物量碳达到了237.42 mg·kg-1。

2.3.2 不同处理对土壤磷形态转化影响

（1）不同处理土壤全磷含量

由图5可知，种植后土壤全磷较种植前有所降低，降低率在0.5%～1.9%。其中C3处理降低最多，为1.9%，其次是C2处理。减少量从大到小的顺序是C3>C2>C4>C5>C1。从土壤全磷来看处理效果最好的为C3，而处理效果最差的为C1。

（2）不同处理土壤有效磷含量

由图6可知，在种植饲用甜高粱后，土壤有效磷含量出现降低幅度最大的是C3处理，降幅最小的为C1，由大到小排列为C3>C2>C4>C5>C1。整体降幅程度呈现先增大后减小的趋势。除60～90 cm土层C1、C5和90～120 cm土层C1、C2外，其余处理土壤有效磷均出现不同幅度下降。

（3）不同处理土壤水溶性磷含量

由图7可知，从图中可以发现水溶性磷主要存在于0～60 cm土层中，种植饲用甜高粱后土壤中各层水溶性磷的含量在种植前后均有所下降，其中下降最多的为C3，其0～30 cm表层水溶性磷下降了50.8%。下降幅度最大的为90～120 cm土层，其下降幅度达到了100%。下降幅度最小的为C1，其0～30 cm土层的水溶性磷仅下降了12.0%，90～120 cm土层的下降幅度为78.7%。综合各层土壤中水溶性磷含量，在抑制水溶性磷累积和降低其层间运移的能力上，C3是最优处理。

3 结论与讨论

本试验得出在生物炭0.5%～2%水平下的土壤全磷C3处理降低最多，其次是C2处理;种植饲用甜高粱后，土壤有效磷含量出现降低幅度最大的是C3处理，这与翁福军[11]研究结论得出的范围一致。郭帅等[12]研究表明，1%生物炭最有利于土壤养分含量累积，土壤有效磷的增幅为15.5%，最佳用量在本试验范围内。黄雁飞等[13]研究，生物炭最佳施用量为4.5%时降幅最大，与本试验有明显不同，这可能与土壤质地、种植作物不同有关，其供试土壤类型为第四纪红土母质发育形成的潴育性水稻土，且种植作物为水稻。

土壤磷素水平与吴荣等[14]的研究结果不同，其最大影响因素可能是该试验地点长期进行定位试验，由于长期不同施肥方式下有效磷呈显著或极显著正相关，因此可以认为起始磷素的不同是由长期定位试验引起的。

生物炭作为土壤调理剂并不是越多越好，王浩[15]研究，高添加比例生物炭（3%和6%）时，高粱生长逐渐受到抑制，长势较差。这与本研究结果相符，生物炭在施加量不断增加的过程中土壤改善效果先增大后减少。

甜高粱生物炭0.5%的处理仅次于2%生物炭。生物炭0.5%～2%的生物炭处理下的土壤全磷和水溶性磷含量降低量均最大。从饲用甜高粱的生物量、吸磷量来看，C3处理较好，即2%生物炭施用水平下能更好地促进饲用甜高粱生长;从土壤碳素的角度来看，C3（2%）处理最好，微生物量碳及有机碳在几个处理里均处于较高水平，有机质较种植前增涨幅度最大。综合考虑植株生长以及阻控和缓解土壤磷的实际效果，生物炭最佳施用量范围为0.5%～2%（即12～48 t·hm-2）。

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