生物炭添加对不同磷肥用量条件下新疆棉田磷素状况及棉花产量的影响

张 楠，张 凯，袁 芳，马 超，盛建东，张文太

（新疆农业大学 草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

棉花是我国重要的经济作物[1]。国家统计局2018年数据显示，新疆棉花种植面积249万hm2，占全国棉花种植面积的74.3%。总产量达511.1万t，占全国棉花总产比例超过83.8%，单产2.05 t/hm2，远高于全国平均水平。研究报道，新疆磷肥施用量由1979年的 8.3 kg/hm2增加至 2012 年的 95.5 kg/hm2，并以递增率7.7%的趋势逐年上升[2]。由于新疆棉田土壤磷素固持严重，磷肥当季利用率一般只有10%～25%[3]，过量施用磷肥不仅造成资源浪费，还可能产生环境污染的风险。因此，如何提高磷肥利用率，减少化学磷肥用量，是实现新疆棉田可持续发展的关键。

生物炭被广泛应用于土壤改良领域。研究表明，生物炭可以有效改良土壤结构、提高保肥保水能力[4]和增加作物产量[5]。另外，生物炭自身携带较高含量的有效磷组分[6]，可以提高土壤磷素有效性和促进植物对磷素的吸收利用[7]。

因此，本试验研究了不同磷肥用量条件下，生物炭添加对棉田土壤速效磷、植株磷吸收和分配、籽棉产量和构成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影响，旨在为新疆棉田化学磷肥减量施用和磷肥利用率提高提供科技支撑。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4月至10月在新疆阜康进行。本研究选取新疆棉花种植区阜康市彭家湾村冰湖三队（88°0'44.30″E,44°10'21.05″N），所在地区属于温带大陆性干旱半干旱气候，日照时间长、昼夜温差大，年均气温6.6℃，年均降雨量20 mm，年均无霜期在174 d左右。试验区土壤质地为壤土，基本理化性状（见表1）。

表1 土壤的基本理化性状Table 1 Soil basic physical and chemical properties

1.2 试验设计

为明确不同磷肥用量条件下生物炭添加对棉田磷素利用和棉花产量的影响，本研究以当地测土配方施肥磷肥推荐用量 (150 kg/hm2P2O5)为上限，设置了 0、50、100 和 150 kg /hm2

P2O5(MAP0、MAP50、MAP100 和 MAP150) 4个磷肥用量处理(磷酸一铵)，每个磷肥用量处理下设对照(CK)和生物炭添加处理(BC, 生物炭用量为4 500 kg/hm2)，每个处理4个重复，共32个小区，小区面积4 m×5 m；棉花采取当地膜下滴灌种植模式，一膜一带2行种植，棉花株距15 cm。棉田磷肥采用磷酸一铵(云南常青树化工有限公司，N含量12%，P2O5含量61%)、氮肥采用尿素(新疆鸿基焦化有限责任公司，N含量 46.2%)，施氮量为250 kg/hm2N（尿素与磷酸一铵中氮的总和）和钾肥采用农用硫酸钾(新疆新雅泰化工有限公司，K2O含量51%)，施用量为30 kg/hm2K2O ，棉花种植前，将生物炭施入土壤，翻耕混匀（翻耕深度为20～30 cm），作为生物炭处理。栽培棉花品种为‘新陆早6号’；栽培过程中，滴施氮、磷、钾肥，在棉花各生育时期分6次随水滴施，如表2所示，其他田间管理和农艺措施均与新疆棉田普遍采用的模式保持一致。

表2 棉田灌水时间及灌水量Table 2 Irrigation time and amount in cotton field

1.3 样品采集及测定

1.3.1 土壤 2019年，在棉花的蕾期(7月22日)、花铃期(8月9日)、吐絮期(9月17日)，采样0～10 cm和10～20 cm土层土壤，去除植物残根，取回土样，风干过筛，用于土壤速效磷的测定，土壤速效磷的测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法。

1.3.2 植物 同时，在每小区分别选取长势均匀的棉花3株，将植株各器官分开，洗净，在105℃的烘箱中杀青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，称重并计算棉花各器官干物质量。将植物样品粉碎，采用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定棉花不同器官的含磷量。

2019年10月6日进行棉花测产，在各试验小区随机设置1个面积为1 m2的样方，记录该样方内的棉花株数，并统计每株棉花上的铃数和单铃重，总产量=单位面积株数×单株铃数×单铃重。

1.4 数据处理

磷肥利用率采用以下公式计算：

磷肥利用率（REP，%）=(施磷区作物累积吸磷量-不施磷区作物累积吸磷量)/施磷区磷肥用量×100

磷肥累积利用率（PVE，%）=施磷处理的植株累积吸磷量/施磷量×100

磷肥农学效率(AE, kg/kg)=(施磷区籽棉的产量-不施磷区籽棉产量)/施磷区磷肥用量

磷肥偏生产力(PEP, kg/kg)=施磷区籽棉产量/施磷区磷肥用量

各处理间土壤速效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累积吸收量、产量及构成均采用双因素方差分析，多重比较采用Duncan法。数据整理所用软件为 Microsoft Office Excel 2010，数据分析软件为SPSS20.0，作图软件为Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 生物炭对棉花不同生育时期土壤速效磷的影响

在棉花不同生育时期，随施磷量增加，土壤速效磷表现为逐渐增加，或先增加后降低的趋势；添加生物炭时，棉花不同生育时期总体表现为随施磷量增加而先增加后平稳，或略有降低趋势。在蕾期，0～10 cm土层土壤速效磷在各处理间无显著差异；在花铃期MAP100、MAP150处理、吐絮期MAP150（10～20 cm土层）及吐絮期MAP100（0～10 cm土层）处理，生物炭添加显著增加了土壤速效磷含量（图1）。

图1 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花不同生育时期土壤速效磷的影响Fig. 1 Effect of biochar addition on soil Olsen-P at different growth stages of cotton under different phosphorus fertilizer rates

2.2 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田植株各器官生物量的影响

棉花不同生育时期各器官生物量总体表现为随施磷量增加而增加，或先增加后降低的趋势。添加生物炭处理显著提高了蕾期的根（MAP0、MAP50、MAP100、MAP150处理）、茎（MAP100处理）生物量；花铃期的茎（MAP150处理）、叶（MAP100、MAP150处 理）、 铃（MAP100、MAP150处理）生物量；吐絮期的根（MAP100处理）、茎（MAP50、MAP100、MAP150处理）、叶（MAP150处理）、铃壳（MAP50处理）、絮（MAP50、MAP100、MAP150处理）、棉籽（MAP50、MAP100处理）生物量（表3）。

表3 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田植株各器官生物量的影响Table 3 Effects of biochar addition on the biomass of cotton plant organs under different phosphorus fertilization rates g/株

2.3 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田植株各器官含磷量的影响

棉花不同生育时期各器官含磷量总体表现为随施磷量增加而下降，或先增加后降低的趋势。添加生物炭处理提高了蕾期的根（MAP0处理）、茎（MAP50处理）、叶（MAP0、MAP100、MAP150处理）、蕾（MAP0、MAP100、MAP150处理）含 磷 量； 花 铃 期 的 根（MAP100、MAP150处理）、茎（MAP50处理）、叶（MAP0、MAP50、MAP100、MAP150处理）、铃（MAP0处理）含磷量；吐絮期的根（MAP50、MAP100、MAP150处理）、茎（MAP100、MAP150处理）、叶（MAP150处理）、铃壳（MAP50、MAP100处理）、絮（MAP100处理）、棉籽（MAP150处理）含磷量（表4）。

表4 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田植株各器官含磷量的影响Table 4 Effect of biochar addition on phosphorus content of cotton plant organs under different phosphorus fertilization rates g/kg

2.4 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花各生育时期累积吸磷量的影响

随生长时间延长，棉花累积吸磷量呈升高趋势，且棉花各生育时期累积吸磷量（未添加生物炭和添加生物炭处理）均表现出随磷肥用量增加而先增加后降低趋势。在花铃期MAP0处理，添加生物炭显著提高了植株吸磷量。在吐絮期，添加生物炭对植株累积吸磷量无显著影响（图2）。

图2 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花不同生育时期累积吸磷量的影响Fig. 2 Effect of biochar addition on accumulated phosphorus uptake of cotton at different growth stages under different phosphorus fertilization rates

2.5 生物炭添加对不同施磷用量条件下棉花各器官磷素分配的影响

在蕾期 MAP0、MAP50、MAP100和 花铃期MAP0、MAP50、MAP100处理，生物炭添加处理的植株营养器官（根、茎和叶）磷素分配比例高于未添加生物炭的处理；而在吐絮期，添加生物炭处理植株生殖器官（籽和絮）磷素分配比例高于未添加生物炭处理。

图3 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花各器官磷素分配的影响Fig. 3 Effect of biochar addition on phosphorus distribution in cotton organs under different phosphorus fertilization rates

2.6 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花产量构成的影响

5 336.55 kg/hm2。各处理棉田的籽棉产量、单铃重和单株铃数无显著差异。收获密度随施磷量的增加而增加；在MAP50和MAP100处理，生物炭添加显著提高了棉花收获密度（见表5）。

表5 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉花产量构成的影响Table 5 Effects of biochar addition on yield components of cotton under different phosphorus fertilization rates

2.7 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田磷肥利用率的影响

不添加生物炭和添加生物炭处理，磷肥利用率均随磷肥用量增加呈现先增高后降低的趋势，在MAP100+CK（不添加生物炭）和MAP100+BC（添加生物炭）处理时最高，分别为32.97%和33.15%。不添加生物炭和添加生物炭处理，磷肥累积利用率、农学效率和偏生产力随着施磷量增加呈现递减趋势，且在MAP50+CK（不添加生物炭）和MAP0+BC（添加生物炭）处理时最高（表6）。

表6 生物炭对不同施磷条件下棉田磷肥利用率的影响Table 6 Effect of biochar addition on phosphorus fertilizer use efficiency in cotton field under different phosphorus fertilization rates

2.8 生物炭添加对不同施磷条件下棉田磷素收支平衡的影响

在未添加生物炭和添加生物炭处理，棉田磷素盈余整体表现为随施磷量的增加逐渐增加的趋势，在MAP100+CK和MAP100+BC处理时，磷素盈余基本达到平衡，分别为 -5.31 kg 和 -9.09 kg/hm2P2O5。

表7 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田磷素收支平衡的影响Table 7 Effect of biochar addition on phosphorus balance in cotton field under different phosphorus fertiliation rates

3 讨论

3.1 生物炭添加对不同磷肥用量条件下棉田土壤速效磷的影响

本研究结果表明，随施磷量的增加土壤速效磷含量逐渐增加，这与杜会英等[8]研究结果基本一致，可能是由于施用磷肥能使微生物快速吸收利用和同化土壤中的磷，从而直接补充土壤有效磷[9]。本研究发现，在MAP100处理，添加生物炭显著提高了土壤速效磷含量，可能是由于生物炭作为营养元素的缓释载体与磷肥配施可有效减少土壤对磷肥的固定，提高磷肥的有效性[10]。生物炭处理下土壤速效磷含量整体表现为BC＞CK，这可能是由于生物炭本身富有磷素，且具有巨大的比表面积，可对土壤溶液中的磷素起到吸附、缓释的作用[10]；另外，生物炭也可能通过提高土壤解磷菌数量及磷酸酶的活性，即通过生物因素使土壤有机磷矿化速率提高[11]。

3.2 生物炭添加对不同磷肥用量条件下植株累积吸磷量和磷分配的影响

随施磷量的增加，整个生育时期植株累积吸磷量表现出增加的趋势，且蕾期和花铃期生殖器官占比低于营养器官，到吐絮期磷素由营养生长向生殖生长转移。这可能是因为在棉花生长初期，磷肥施用促进了根系生长，使棉花磷吸收量增大，到棉花生长中后期，叶片等营养器官生产的碳水化合物输送给铃，再运输到位于籽表皮正在伸长和增厚的纤维细胞中，以促进纤维的生长，使生殖器官磷素分配比例逐渐升高[12]。在吐絮期时，植株累积吸磷量和生殖器官磷素分配占比在MAP100处理最高，这可能是因为适度的施磷促进了棉花生长[13]，有利于棉花生殖生长相对提前，导致棉花开花结铃提前，将更多磷素的分配到生殖器官（蕾、花、铃）；但过量施磷可能会抑制棉花根系生长[14]，从而抑制整株的磷素吸收[15]，且磷素水平过高时，棉花植株细胞中原生质胶体的水合程度和细胞结构的充水度提高，原生质胶体保持水分的能力增强，细胞水分损失减少[16-20]，植物的营养生长时期相对延长，导致磷素在生殖器官中的分配比例降低[21]。本研究发现添加生物炭处理植株累积吸磷量和吐絮期生殖器官占比整体表现为BC>CK，这与王典[22]研究结果一致。这可能是因为添加生物炭一方面能改善土壤结构，增加棉花根系的总根长、根体积和根干质量，提高棉花根系总吸收面积和活跃吸收面积[23]，另一方面促进土壤微生物生长，释放土壤和生物炭中所含磷元素，增加植株磷素吸收和吐絮期营养器官磷素向生殖器官转移，提高籽棉产量[24]。

3.3 生物炭添加对不同磷肥用量条件下籽棉产量和磷肥利用效率的影响

磷肥用量是影响棉花产量的重要因素。本研究结果表明随施磷量增加棉花产量逐渐增加，这与庞保刚等[25]研究结果基本一致。添加生物炭处理整体上提高了籽棉产量，且在MAP100处理提高了籽棉产量，这与陈新等[26]研究结果一致。因为生物炭具备强大的比表面积及微孔结构，可以增强土壤水分渗透性能，吸附和缓释土壤溶液离子，通过促进土壤的微生物活性活化土壤养分[24]，提高土壤速效磷含量，增加植株累积吸磷量，最终提高作物产量。而过多磷肥施用不利于土壤速效磷含量提高，且降低籽棉吸磷量，使其产量降低。本研究表明，在MAP50和MAP100处理，生物炭添加提高了收获株数，这可能是因为生物炭添加改善了土壤理化性质，提高了棉花出苗率和成活率；而单位面积收获株数会影响棉花冠层结构和产量[27]，即收获株数增加，群体叶面积增加，群体光合效率提高，有利于高产的形成。

磷肥利用率的高低和土壤磷盈亏值是衡量磷肥施用是否合理的一项重要指标[28-29]。本研究发现棉花磷肥利用率随施磷量的增加表现为先升高后降低的趋势，在MAP100处理时，磷肥利用效率为 32.97%， 磷 素 盈 余为 -5.31 kg/hm2P2O5，而在MAP150处理时，磷肥利用效率仅为17.35%，磷 素 盈 余 为 61.83 kg/hm2P2O5， 表 明 合 理 施 用 磷肥才能提高作物磷肥利用率，维持土壤磷盈亏平衡[30]。添加生物炭处理，磷肥利用率随施磷量的增加表现为先升高后降低的趋势[31]，在MAP100处理时，磷肥利用效率为33.15%，磷素盈余为-9.09 kg/hm2P2O5，在MAP150处理时，磷肥利用效率为18.14%，磷素盈余为 44.44 kg/hm2P2O5。这可能是因为生物炭中含有磷素导致磷肥利用率略有降低，而添加生物炭促进了植株磷吸收，导致磷素盈余量略低。综合棉田磷肥利用率和磷素平衡，在合理磷肥用量条件下，添加生物炭有利于土壤磷素高效利用和棉田磷素收支平衡的维持。

4 结论

综上，生物炭添加可提高土壤磷素，促进苗期植株磷吸收，在较低化学磷肥用量条件下保持棉田高产和磷肥高效利用。因此，在新疆棉田的磷素管理中，应注意配合生物炭进行磷肥施用，在保证棉花产量的基础上，适度降低化学磷肥用量，实现新疆棉田磷素可持续管理。