王大凤 卢树昌 王威

摘要：以糯玉米为供试作物，以草本生物炭为供试调理剂材料，设计6个不同生物炭用量，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%）处理，研究生物炭施用对夏填闲糯玉米生长与土壤磷素吸收的影响。结果表明，随着生物炭用量的增加，株高、茎粗均呈现先增大后减小的趋势，其中C4处理株高最大，为272.0 cm，叶绿素相对含量随着作物生长发育较生长前期均有所增加。填闲糯玉米总干物质量和吸磷量均出现先增加后减小的特点，其中C3处理总干物质量最大，吸磷量则是C2处理较好。土壤总磷和有效磷含量均有所降低，其中C2处理较种植前表层土壤总磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量处理均能降低0～30 cm土层的有效磷含量，其中C2处理降低最多，降低率为21.6%，其他土层中，均是C3处理降低最为明显。表明，0.5%～2.0%生物炭施用量范围种植填闲糯玉米对阻控磷素的淋失问题效果较好。

关键词：设施土壤;填闲糯玉米;磷素吸收;生物炭

中图分类号：S513.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）04-0068-05

收稿日期：2021-07-28

基金项目：天津市重点研发计划科技支撑重点项目（编号：19YFZCSN00290）;国家重点研发计划（编号：2016YFD0801006）。

作者简介：王大凤（1995—），女，天津人，硕士研究生，从事农田土壤与作物生长环境关系研究。E-mail：1340005705@qq.com。

通信作者：卢树昌，博士，教授，从事农田土壤质量与植物营养的教学与科研工作。E-mail：lsc9707@163.com。

磷素不仅是设施作物生长的限制因子，也是造成设施土壤环境污染的重要因素之一[1-3]。在设施农业生产中，施用磷肥能更好地促进蔬菜作物生长，但是施入土壤中的磷素不能完全被蔬菜吸收利用，有研究表明，多数作物的当季磷肥利用率只有10%～20%[4]。越来越多的磷素累积在土壤中，极大地增加了磷素在土壤中的移动性和淋失风险[5-6]，造成面源污染。针对该问题有学者提出，种植夏季填闲作物可以提高磷素利用率。设施菜地夏季填闲作物一般选用根系发达、短期生物量大且具有较高氮磷吸收能力的作物[7-8]，如甜玉米、糯玉米、甜高粱等[9-11]。种植夏季填闲作物对0～30 cm浅层设施土壤中有效磷和水溶性磷具有良好的淋失阻控效果[12]。研究表明，深根系作物吸收来自深层土壤的磷素，在降低磷素损失方面，较从浅层土壤吸收相同量磷素控制風险效果更明显[13-14]。解决设施土壤磷素累积问题的另一个途径是施用土壤调理剂（如生物炭）。生物炭是不同来源有机物质（如作物秸秆、生活污泥和动物粪便等）在缺氧条件下通过较低温度（≤700 ℃）热裂解产生的一类含碳、稳定、高度芳构化的碳质材料[15]。生物炭具有较大的比表面积、发达的孔隙结构、较高的阳离子交换量、能促进植物生长的特点[16-18]。生物炭可以用来提高土壤质量[19-21]，增加土壤中磷素的吸持能力[22]，减缓土壤中的养分释放速度，同时还可以改变土壤的理化性质。梁锦秀等研究设计不同水平生物炭施用量对春小麦氮磷钾吸收量的影响表明，施用生物炭18 000 kg/hm2处理下，植株磷素吸收量增加了3.1%～20.2%[23]。

目前，种植填闲作物减少土壤磷素损失具有一定的效果，生物炭作为土壤调理剂，研究多集中在土壤理化性状改善方面，对影响土壤磷素吸收的生物炭用量的研究较少，缺乏对最佳施用量的深入探讨。基于此，本试验提出采用填闲糯玉米与生物炭结合的方法，探究生物炭的最佳施用量，以期为控制设施土壤磷素面源污染、降低磷素环境风险提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市武清区大孟庄镇后幼庄村，该地属于温带大陆性季风气候，土壤质地为中壤，试验土壤表层总磷含量为4.54 g/kg，有效磷含量为443.96 mg/kg，土壤磷含量处于丰富水平，土壤磷累积比较严重，加之灌水量大，存在磷淋洗环境风险。

1.2 试验材料

1.2.1 供试作物 试验采用糯玉米为供试作物，品种为雪糯2号，经过前期夏季填闲作物种植密度试验[24]筛选，采用10.5万株/hm2（株行距为19 cm×50 cm）的种植密度进行种植最佳，生育期为90 d。

1.2.2 供试调理剂材料 草本生物炭由稻壳材料制作，pH值为10.47，有机碳含量为450 g/kg，购自天津亚德尔生物质科技股份有限公司。

1.3 试验处理

试验于2020年冬春茬番茄收获后进行，按照生物炭的施用量共设计6个处理，即C1（0%）、C2（0.5%）、C3（1.0%）、C4（2.0%）、C5（4.0%）、C6（8.0%），生物炭施用水平根据该试验菜田每 667 m2 耕层土质量160 000 kg的百分率进行施用，然后将生物炭均匀撒施在土壤表面（0～20 cm），翻耕混匀。每个处理重复3次，试验小区面积为 35.84 m2。试验时间为2020年6—8月，6月初种植，8月中旬收获测定鲜生物量，同时采集种植前和采收后的0～30、>30～60、>60～90、>90～120 cm土壤样品，测定植株磷素和土壤磷素含量等指标。整个过程不施加任何肥料。

1.4 测试方法

1.4.1 长势测定 每个试验小区随机选取3株长势与小区糯玉米平均长势一致的样株进行测定。其中，株高为茎基部至顶叶高度，茎粗为第1节间中部茎的直径（用游标卡尺测定），采用叶绿素仪测定叶绿素相对含量（SPAD值）。

1.4.2 干物质量测定 收获时将小区糯玉米植株分部位称质量，并随机选取各处理中具有代表性的植株和根系（根系为0～20 cm土层深度），在烘箱内105 ℃下杀青1 h，然后75 ℃烘干至恒质量，计算含水量，进一步折算干物质量。

1.4.3 植物吸磷量测定 分别将糯玉米样株地上部样品与根部样品烘干后粉碎过筛，经过浓硫酸-双氧水法消解后，采用钒钼黄比色法测定出各部位全磷含量，吸磷量为收获植株的干物质量×含磷量。

1.4.4 土壤总磷、有效磷含量测定 采用浓硫酸-高氯酸消解，钼蓝比色法测定土壤总磷含量;采用碳酸氢钠溶液浸提，钼蓝比色法测定土壤有效磷含量。

1.4.5 数据分析 采用Excel 2010进行数据处理，采用SPSS 23.0软件进行统计分析，用Duncans新复极差法和LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理糯玉米长势状况

不同处理填闲糯玉米生长状况长势比较见表1。糯玉米生长中后期，株高随着生物炭施用量的增加呈现先增大后减小的趋势，其中C3处理株高最大，为272.0 cm，其次为C4处理，C1处理最小，为242.0 cm。填闲糯玉米生长前、中后期茎粗变化趋势与株高变化趋势大体一致，各处理之间没有显著差异。随着糯玉米生长发育的影响，生长中后期叶绿素相对含量较生长前期均有增加。综合来看C3、C4处理糯玉米长势较好。

2.2 不同处理糯玉米干物质量状况

由图1可知，填闲糯玉米总干物质量随着生物炭施用量的增加先增加后减少，各处理之间存在显著性差异。C3处理达到最大值，为 8 972.49 kg/hm2，其次为C4处理，C6处理最小，其总干物质量为 3 105.12 kg/hm2。

各部位干物质量变化趋势与总干物质量变化趋势相同，均呈现先增加后减少的趋势。其中地上部C3处理干物质量最大，为7 796.59 kg/hm2，其次为C4处理，为7 032.95 kg/hm2，与其他各处理差异显著;地下部干物质量C3处理最大，为 1 175.89 kg/hm2，与其他处理差异显著。综合考虑较好处理为C3、C4处理。

2.3 不同处理糯玉米的磷素吸收状况

不同处理填闲作物不同部位对土壤磷素吸收的影响见表2。填闲糯玉米总吸磷量随着生物炭施用量的增加呈现先增大后减小的趋势，且各处理之间差异显著。地上部吸磷量明显高于地下部吸磷量，糯玉米地上部吸磷量C2处理最大，为40.20 kg/hm2，C3处理次之，C6处理最小，为 10.81 kg/hm2，各处理之间差异显著。地下部磷吸收量C3处理显著高于其他处理，为3.79 kg/hm2。各处理对磷素总吸收量顺序依次为C2>C3>C4>C5>C1>C6，综合考虑C2、C3处理对磷素吸收最好。

2.4 不同处理对设施土壤磷素运移影响

2.4.1 设施土壤表层总磷含量状况 由图2可知，夏季填闲糯玉米不同生物炭施用量水平土壤总磷含量较种植前有所降低，降低率[指（种植前养分含量-种植后养分含量）/种植前养分含量，下同]为-0.1%～1.9%。种植后土壤总磷含量变化表现为 C2>C3>C4>C1>C5>C6，各个处理间差异不显著。其中，C2处理较种植前表层土壤总磷含量降低最多，降低了1.9%，其次为C3处理，降低率为1.5%，说明C2、C3处理即0.5%～1.0%生物炭施用水平下可以更好地降低设施土壤总磷含量。

2.4.2 填闲糯玉米种植前后设施土壤各土层有效磷运移状况 不同处理对设施土壤各土层有效磷含量的影响见图3。种植填闲糯玉米对各土层土壤的有效磷含量有降低作用。与种植前相比，不同生物炭施用量处理均能降低0～30 cm土层的有效磷含量，其中C2处理降低最多，降低率为21.6%，C3处理次之。其他土层中，均是C3处理降低最为明显，>30～60 cm土层中降低率C3处理达62.1%，>60～90 cm土层中C3处理降低率达72.8%，>90～120 cm土层中C3处理降低率为88.6%。种植后，各个处理>30～60、>60～90、>90～120 cm土层有效磷含量较0～30 cm土层均有显著降低，其中>90～120 cm土层较0～30 cm土层降低率为 C3>C2>C4>C5>C6>C1，C3处理降低最多，为95.5%，其次为C2处理，降低了79.1%，C1处理降低最小，说明磷素向下移动的多，C6处理其次，可能是由于施加生物炭的量多，改善了土壤的通透性，进而磷素向下移动较多，造成设施土壤磷素淋洗。综合来看，设施土壤休闲期间各土层有效磷淋洗严重，种植填闲糯玉米较种植前能降低各个土层有效磷含量，C2（0.5%）、C3（1.0%）处理能显著降低设施土壤有效磷含量，降低土壤磷素环境风险。

3 讨论与结论

设施菜地夏季休闲作物一般选用根系发达、短期生物量大且具有较高氮磷吸收能力的作物，刘晶淼等研究表明，玉米为深根作物，根长可达 230 cm[25]。本试验中，糯玉米不同处理对下层土壤有效磷含量降低有一定效果，这可能与玉米根系根層分布吸收土壤磷素有关。

生物炭作为一种土壤调理剂，施用量并不是越多越有利于作物生长，余端等研究表明适量的秸秆生物炭添加量（4%～8%）有助于小白菜生长发育，而较高的添加量（12%～16%）反而有抑制作用[26-27]，本研究结论与之一致，生物炭施用量增加，糯玉米株高、茎粗呈现先增大后减小的趋势。

本次试验研究表明，土壤各土层有效磷含量随着生物炭用量的增加表现出先降低后增加的趋势，这与邱岭军等的研究结论[28]相反，可能是由于本次试验过程中没有施加任何肥料，前茬收获后磷素未被利用，同时磷素向下淋洗，积累在90～120 cm土层当中，也可能是由于添加生物炭影响了有效磷的转化，生物炭呈碱性，会加强土壤有机磷的矿化作用，从而使土壤有效磷含量增加。同时较低的生物炭用量更能有效降低土壤有效磷含量，这与曾爱等研究结果[29]一致。此次试验得出0.5%～2.0%生物炭施用量种植填闲糯玉米对阻控磷素的淋失问题效果较好，从设施土壤磷素含量变化情况来看，0.5%～1.0%生物炭施用水平可以更好地降低设施土壤总磷含量，1.0%生物炭水平施用下种植填闲糯玉米对减少有效磷向下运移效果最为明显，这与翁福军的研究结论[30]一致。

随着生物炭用量的增加，株高、茎粗均呈现先增大后减小的趋势，C3处理株高最大，为272.0 cm，叶绿素相对含量随着作物生长发育较生长前期均有所增加。填闲糯玉米总干物质量和吸磷量均出现先增加后减小的特点，其中C3处理总干物质量最大，为8 972.49 kg/hm2，吸磷量则是C2处理较好，为42.43 kg/hm2。土壤总磷和有效磷含量均有所降低，其中C2处理较种植前表层土壤总磷含量降低最多，降低了1.9%，不同生物炭施用量处理均能降低0～30 cm土层的有效磷含量，其中C2处理降低最多，降低率为21.6%。>30～60、>60～90、>90～120 cm 土层中，均是C3处理降低最为明显。各个土层有效磷含量较表层降低最多的是C3处理，降低了土壤磷素环境风险。因此，在本试验条件下得出0.5%～2.0%生物炭施用量种植填闲糯玉米对解决土壤磷素面源污染问题效果较好。

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