生物炭对M9T337 苹果幼苗生长和磷素吸收及损失的影响*

主春福，刘晶晶，刘春铃，张学林，王 菲，彭 静，葛顺峰

（1 沂水县农业农村局，山东276400）（2 山东农业大学园艺科学与工程学院，作物生物学国家重点实验室）

磷是苹果生长发育所必需的营养元素。目前，苹果生产中过量施磷的现象普遍存在，尤其是山东省苹果主产区，磷肥投入量已高达676.17 kg/hm2[1]。磷施入后极易被土壤固定，从而导致有效性降低，当季利用率仅有5%～25%[2-4]。土壤中未被利用的磷会随灌溉和降雨产生的径流流失，造成水体富营养化[5]。因此，提高磷肥利用率，减少磷素损失，是苹果产业绿色高质量发展的必然要求。

近年来，越来越多的研究者发现生物炭在提高土壤质量和固碳减排方面有着巨大的应用前景，这引起了全球农学家、环境学家和土壤学家越来越多的关注[6-7]。生物炭除了能够改良土壤、促进作物生长和提高产量外[8]，在减少养分损失方面也具有积极效应。李卓瑞等[9]和李江舟等[10]运用室内模拟土柱淋溶试验发现，生物炭显著降低了菜地土壤和植烟土壤淋溶液中磷的含量，有效降低了土壤磷的淋失风险。潘复燕等[11]在冬小麦上的研究发现，施用生物炭显著降低了径流和渗漏液中全磷浓度，磷流失量减少了26%～46%。刘玉学等[12]研究表明，生物炭可以有效增加植株体内有效磷的综合供给，原因在于生物炭能够调节土壤pH 值，使磷与金属络合物之间产生相互吸附，减少土壤对磷的固定，增强土壤中磷的转化率，提高土壤磷的有效性。生物炭对植物生长发育和磷吸收利用的研究多集中在大田作物，在苹果上的研究相对缺乏。因此，本文研究了不同用量生物炭对M9T337 苹果砧木幼苗生长、根际酸性磷酸酶活性和有效磷含量、磷吸收、土壤磷残留和磷损失的影响，以期为苹果园磷肥管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在山东农业大学试验站（泰安）进行。盆栽试验的土壤来自于山东省栖霞市观里镇苹果园，有机质含量1.05%，碱解氮含量86.37 mg/kg，速效磷含量38.97 mg/kg，速效钾含量156.38 mg/kg，pH值6.24。生物炭为稻壳在350 ℃高温下热解而来。

1.2 试验处理

试验设4 个处理：①T1，盆土生物炭添加量为15 g/kg；②T2，盆土生物炭添加量为30 g/kg；③T3，盆土生物炭添加量为60 g/kg；④CK（对照），盆土不添加生物炭。盆直径30 cm，高45 cm，每盆装土15 kg，施入尿素7.92 g、过磷酸钙28.13 g、硫酸钾9.0 g，肥料、生物炭与土混匀后装盆。3 月29 日栽植苹果苗，每盆1 株，1 盆为1 次重复，9 次重复。

1.3 测定指标及其方法

9 月3 日取样，每个处理各选取5 株长势较一致的M9T337 幼苗测定相关指标。

（1）植株生物量。将植株冲洗干净后，解析为根、茎和叶3 部分，在105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重后，用百分之一天平进行称重。

（2）根系形态指标和根系活力。各处理选取3株幼苗根系，冲洗干净后，用透射扫描仪（ESPON Perfection V750）进行根系扫描，应用WinRHIZO根系分析软件分析根系形态指标，包括根系总长度、根尖数量和总表面积；根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定[13]，以单位鲜样质量根系还原的TTC 量表示。

（3）根际土壤酸性磷酸酶活性和速效磷含量。小心从盆中取出苹果苗，轻轻摇动根系，清除黏附在根系上的较大土壤颗粒，然后用细毛刷轻刷吸附在根系表面的土壤即为根际土，根际土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[13]，以1g 土壤样品24 h 释放酚的mg 数表示；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaCO3浸提，钼锑抗比色法测定[13]。

（4）植株磷含量、磷累积量和磷肥利用率。植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定[13]；植株磷累积量等于各器官干物质量与磷含量之积的总和。

磷肥利用率（%）＝［（施磷植株吸磷量－不施磷植株吸磷量）／施磷量］×100

1.4 数据统计分析

用Microsoft Excel 2010和SPSS 21.0等软件进行数据的统计分析，利用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加量对M9T337 幼苗生物量的影响

由图1 可见，生物炭添加量显著影响了M9T337幼苗各器官的生物量。随着生物炭用量的增加，M9T337 幼苗根、茎、叶和整株生物量呈先升高后降低的趋势，均以添加量为30 g/kg 处理（T2）达到最大，较CK 分别提高了59.02%、21.55%、45.37%、33.12%。可见，土壤中添加适量生物炭可以促进M9T337 幼苗的生长，尤其是根系。

图1 不同生物炭添加量M9T337 幼苗根茎叶的生物量

2.2 生物炭添加量对M9T337 幼苗磷累积量的影响

从图2 可以看出，随着生物炭用量的逐渐增加，M9T337 幼苗的磷累积量呈先升高后降低的趋势，添加量为30 g/kg 处理（T2）达到最高（59.55 mg/株），较CK（47.79 mg/株）提高了24.61%。

图2 不同生物炭添加量M9T337 幼苗磷累积量

2.3 生物炭添加量对M9T337 幼苗根系形态和活力的影响

从表1 可以看出，生物炭添加量显著影响了M9T337 幼苗根系的生长发育。随着生物炭用量的增加，植株根系长度、根尖数、总表面积均先升高后降低，添加量为30 g/kg 处理（T2）最大，分别较CK 提高了67.69%、73.07%、50.43%。生物炭也显著影响了根系活力，根系活力最高的是添加量为30 g/kg 处理（T2），为82.17 μg·h-1·g-1，较CK 提高了72.19%；其次是添加量为60 g/kg 处理（T3），添加量为15 g/kg 处理（T1）居第3。

表1 不同生物炭添加量M9T337 幼苗根系形态和活力

2.4 生物炭添加量对M9T337 幼苗根际土壤酸性磷酸酶活性及速效磷含量的影响

从图3 可以看出，施用生物炭显著提高了幼苗根际土壤酸性磷酸酶活性和速效磷含量。添加量为30 g/kg 处理（T2）根际土壤酸性磷酸酶活性最高，是CK 的1.34 倍，其次是添加量为60 g/kg 处理（T3）和添加量为15 g/kg 处理（T1），二者间差异不显著。根际土壤速效磷含量的变化趋势与酸性磷酸酶活性相同，根际土壤速效磷含量最高的是添加量为30 g/kg 处理（T2），是CK 的1.38 倍。

图3 不同生物炭添加量M9T337 幼苗根际土壤酸性磷酸酶活性和速效磷含量

2.5 不同生物炭添加量对M9T337 幼苗磷肥利用率、残留率和损失率的影响

从图4 可以看出，磷肥利用率和残留率均以30 g/kg 处理（T2）最高，为13.63%和54.36%，分别比CK 提高了24.61%和38.39%；其次是60 g/kg 处理（T3）；15 g/kg 处理（T1）居第3。磷肥损失率趋势则相反，以30 g/kg处理（T2）最低，仅为32.01%，比CK 降低了35.70%。

图4 不同生物炭添加量M9T337 幼苗磷肥利用率、残留率和损失率

3 讨论与结论

根系是植物生长发育的基础，理想的根系形态和根系活力对养分吸收具有重要意义，对植物的生长发育起着重要作用。Van Zwieten 等[8]和Olmo 等[14]研究均表明，合理施用生物炭通过改善土壤物理结构显著促进了根系生长发育。本研究结果也表明，生物炭促进了根系生长，显著提高了幼苗各项根系形态指标和根系活力。高量生物炭处理（T3）下幼苗生物量与磷肥利用率与T2 处理相比均降低，说明生物炭的添加对幼苗生长和磷素吸收利用存在明显的剂量效应，超过一定用量后效果不再明显，可能的原因在于生物炭用量过高后，对氮磷等养分的吸附能力太强，影响了养分的有效性[15]。

酸性磷酸酶是促进土壤内部磷素快速转化的一种酶，是影响土壤中磷素转化及生物利用有效性的重要因素[16]。George 等[17]和战厚强等[18]的研究均表明，酸性磷酸酶活性与土壤速效磷含量之间呈极显著正相关。本研究表明，生物炭显著提高了根际土壤酸性磷酸酶活性和速效磷含量，与前人研究结果一致[8,14]。研究发现，生物炭能够起到磷肥缓释的效果[19]，满足了植株生长后期对磷的需求，本试验中添加生物炭处理M9T337 幼苗磷素积累量和生长量的显著提高也验证了此结论。与对照相比，添加生物炭处理有效提高了磷肥残留率，减少了磷肥损失率。原因在于生物炭对磷的吸附固定，降低了土壤液相中速效磷含量，进而减少了磷淋失风险[9,12]。而且，生物炭还可以影响土壤微生物群落结构和微生物活性[20]，未被根系吸收的磷可转化为微生物磷，从而有效减少无机磷的淋失[11]。综上，生物炭在提高苹果磷肥利用效率、减少磷损失方面具有显著效果，在苹果园土壤改良和养分管理上具有广阔的应用前景。