2018, Vol. 55
表1(Table 1)
2. 云南省土壤资源利用与保护创新团队(云南农业大学)，昆明 650201
滇池流域是云南省居民最密集、人类活动最频繁、经济最发达的地区，是支撑昆明国民经济建设和社会事业发展的基础。近三十年来，随着滇池流域经济快速发展和城市规模的急剧扩大，入湖污染负荷不断增大，导致滇池富营养化日趋严重，水体功能受到极大损害。
磷是水环境必需的元素，也是湖泊生产力的限制因子之一[1-2]。一般而言，湖泊水体中的氮磷比(N/P)大于7时，磷成为湖泊富营养化的限制性营养元素，据资料统计[3]，滇池草海氮磷比为16.2，外海北部为19.3，中部为21.8，南部为22.9，所以磷是滇池富营养化的限制性营养元素。因此，研究滇池流域磷素迁移规律对滇池治理与保护具有重要的科学意义和应用价值。
作物对磷肥的利用率很低，通常情况下，当季作物仅有5%~15%，加上后效一般也不超过25%，所以约占施肥总量75%~90%的磷滞留在土壤中。长期过量施用磷肥，导致农田耕层土壤处于富磷状态，从而可通过径流等途径加速磷向水体迁移。有研究估计，全世界每年大约有300~400万t P2O5从土壤进入水体[4]，这一情况主要集中发生在农业发达的国家，如美国每年进入水生态系统的磷达450万kg[5]，又如在日本，水田中的磷排放量为0.3~8.4 kg hm-2 a-1 [6]。农田磷素流失已成为全世界的一个公共问题。滇池流域是中国最大的磷矿区之一，流域土壤中全磷背景值较高，但此区域作物又常年出现缺磷症状，这是由土壤全磷中有效磷含量比例过低引起的。
农业生产上，每年均产生大量的玉米秸秆等废弃物，大部分被丢弃或焚烧，仅有小部分被利用。秸秆还田存在应用地域狭窄、还田后负面效应较大、缺少配套机械等问题，难以大面积推广。如何将秸秆等“废弃”资源返还给农田，增加土壤输入，改良土壤结构，是当前我国农业发展迫切需要解决的问题之一[7]。而生物质炭化还田技术则在解决废弃生物质资源利用难题的同时克服了其他秸秆利用形式的缺陷，具有明显的环境友好、可持续特点[8]。陈温福院士[9]2006年率先提出“农林废弃物炭化还田技术”理念并开展相关科学研究工作，其团队研究证明生物质直接炭化还田对作物生长、土壤蓄水保肥、提高肥料利用率、增产提质等方面均具有重要作用[9]。生物质直接炭化还田技术对农业可持续发展、实现农业生产良性循环和增产增收均具有重要意义。生物炭对于小白菜氮素利用及排放的影响已有研究[10-13]，但是，在滇池流域种植面积很大的小白菜尚未见这方面的研究，尤其缺少针对大棚土壤生物炭添加对小白菜磷有效性的研究，因此，本研究拟通过原状大棚土壤温室盆栽试验，初步分析玉米秸秆生物炭对滇池流域大棚土壤中磷素利用及小白菜生长的影响，以评估玉米秸秆生物炭在大棚土壤改良中的应用潜力。
1 材料与方法 1.1 研究区概况滇池流域涉及昆明市主城区(包括五华、盘龙、官渡、西山四区)、呈贡县、晋宁县和嵩明县，流域面积2 920 km2，是云南省经济和社会发展水平最高的区域。
受地形、气候、生物和地质因素的综合作用，滇池流域的土壤共有7类。红壤为地带性土壤，棕壤、黄壤属垂直地带性土壤，同时，还分布有水稻土、沼泽土、冲积土和紫色土等隐域性土壤。红壤主要分布于山区和丘陵地区；水稻土主要分布于滇池湖滨地区、河流谷地和山区平坝；第三系紫色土主要分布于流域东南的侏罗系红层地区。整个流域红壤分布面积最广，其次为水稻土。研究区气候特点：春旱严重，夏无酷暑，秋凉少雨，冬无严寒，四季之分不显著，气候的地区性明显。多年平均气温14.7℃，多年平均相对湿度74%，多年平均风速2.2 m s-1，多年平均日照2 448.7 h，无霜期227 d。多年平均降水量935 mm，降水年内分配不均，年际变化大。
1.2 供试材料供试土壤：根据《土壤农化分析》[14]，在野外实地考察的基础上，遵循空间上均匀分布、典型性、代表性的原则，于滇池流域的大棚采集土壤样品。土样的采集遵循土壤学实验基本原理[14]，土样取自全流域大棚种植区(棚龄2~20 a)，于2014年6月至10月采基础混合样102个，土壤类型为水稻土。采样深度为0~80 cm。采用随机多点取样，不同棚龄土样均匀混合后作为供试大棚土壤样品。土样风干去除石砾、有机残体(包括作物根系)等非土壤物质，以消除对元素测定的影响。风干后土样过1 mm、0.25 mm、0.149 mm筛后进行基本性质测定。供试大棚土壤为滇池流域土壤混合样品，基本性质如下(表 1)：
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表 1 供试土壤基本性质 Table 1 Basic properties of the test soil |
供试生物炭：实验用生物炭为云南省土壤培肥与污染修复工程实验室利用玉米秸秆烧制而成，在高温500℃部分缺氧条件下，持续热解6 h而成黑色粉末，基本性质如下(表 2)：
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表 2 供试生物炭基本性质 Table 2 Basic properties of the tested biochar |
磷肥：购于滇池流域大棚周边，成分为粒状过磷酸钙(一等品)，TP(总磷，P2O5)≥44.0%。AP(有效磷，P2O5)≥42.0%。经研究区现场调查、称量、求平均值得到滇池流域大棚种植中普通过磷酸钙施用量折合P2O5为99 kg hm-2。
小白菜：品种名为四季绿，植株小，叶色深绿，初期生长快，叶数多，生长期为40~50 d，属于食用品种。
1.3 试验设计试验在云南农业大学大棚中进行，在大棚中用单格种植箱(45 cm×32 cm×22 cm)种植小白菜，每个种植箱装大棚土壤5 kg，种植小白菜8株。
生物炭对土壤磷素活化试验：试验设5个生物炭添加梯度：0、2%、4%、8%、16%(质量百分比，下同)。首先进行5水平单因素实验，共5个处理，每个处理重复3次，通过计算有效磷在全磷中所占的比例确定添加不同量的生物炭对土壤磷素的活化效果。
生物炭对小白菜磷肥利用率影响试验：本试验为双因素交叉分组有重复试验，生物炭添加梯度同上，共5个处理。设4个磷肥(普通过磷酸钙)添加梯度：不施磷肥(CK)、1/3施肥(22 kg hm-2，以P2O5计，下同)、1/2施肥(33 kg hm-2)和常规施肥(66 kg hm-2)。氮肥用量折合纯氮(N)为180 kg hm-2，钾肥用量折合K2O为50 kg hm-2。共20个处理，每个处理重复3次。小白菜种植前测定各处理土壤中全磷(TP)和有效磷的含量，计算它们之间的比例。种植期内收集种植箱内的下渗水，记录体积并测定渗滤液TP。在小白菜收获后差减法计算单季小白菜种植试验磷肥利用率，统计结果按全年计算(按照当地习惯全年种植6季)。
生物炭对小白菜生长影响试验：本研究为单因素试验，生物炭添加量同上，共5个处理，每个处理重复3次，施肥水平为取样区常规施肥量(氮肥用量折合纯N为180 kg hm-2，磷肥用量折合P2O5为66 kg hm-2，钾肥用量折合K2O为50 kg hm-2)。种植后3 d测定小白菜的发芽率和子叶展平率。小白菜生长的第10、20、30、40天(收获)测定小白菜的株高、株重，分析生物炭对小白菜生长的影响及作用过程。小白菜收获后按盆测定小白菜产量并折合成公顷产量，分析生物炭对小白菜产量的影响。
1.4 测定项目和方法土壤全磷(TP)采用高氯酸-硫酸消煮—钼锑抗比色紫外分光光度法测定；土壤有效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提—钼蓝比色紫外分光光度法测定；小白菜全磷含量采用钒钼黄紫外分光光度法测定[14]，渗滤液总磷采用过硫酸钾消解—紫外分光光度法[15]测定。
小白菜当季磷肥利用率(%)=(处理小白菜养分吸收量-不施磷不施生物炭小白菜养分吸收量)/肥料中有效养分含量×100。
单次磷流失量=渗滤液TP含量×渗滤液体积。
单季磷流失量=种植期内所有单次磷流失量加和。
1.5 数据处理基本计算和图表的绘制用Excel 2013完成；数据进行预处理后发现，生物炭添加量与施肥量无显著互作效应(磷肥利用率实验p=0.879 2，磷流失量实验p=0.825 5，均大于0.05)，因此，常规数据统计分析采用SPSS 19.0软件完成，采用单因素方差分析(ANOVA)法进行均值显著性检验(p < 0.05)，邓肯(Duncan)法进行多重比较。
2 结果与讨论 2.1 生物炭对大棚土壤有效磷活化的影响在滇池流域，大棚土壤中虽然全磷含量高，但是有效磷所占比例不高，施肥时有效磷会迅速升高，但是肥料中的有效养分会迅速被作物利用或流失。如图 1所示，从采样检测结果来看，滇池流域大棚土壤平均全磷含量为1.571 g kg-1，平均有效磷含量为66.15 mg kg-1，有效磷含量仅占全磷的4.21%。添加生物炭能显著增加大棚土壤有效磷在全磷中所占的比例，各处理之间的差异显著。经不同生物炭添加量处理后，有效磷含量分别为76.84、85.64、66.62、117.9 mg kg-1，所占比例分别提高至4.89%、5.45%、6.34%、7.50%，较不加生物炭的大棚土壤提高了16.15%、29.45%、50.59%、78.15%。
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图 1 添加生物炭对大棚土壤有效磷比例的影响 Fig. 1 Effect of adding biochar on ratio of available phosphorus to total phosphorus in greenhouse soil 注：不同小写字母表示差异达5%显著水平。下同Note：Different lowercase letters mean significant difference at 5% level. The same below |
本研究表明施用生物炭能提高大棚土壤中有效磷含量，一是由于生物炭本身含有一定量的有效磷，二是生物炭改良了大棚土壤环境，优化了解磷环境。这与其他研究成果一致：研究表明，在有外源磷的条件下，施入生物炭显著提高了水稻土[16]、红壤[17]和冻融期棕壤[18]中的有效磷含量，有效磷含量随生物炭添加量的增加而增加；但是在褐土和潮土中的实验得到相反的结果[19]，这可能与土壤本身的pH有关，高pH下生物炭可能与磷素反应生成难溶物。生物炭施入土壤后能明显提高低肥力红壤的有效磷含量，增加土壤保肥能力，改善植物生长环境[20]；施用竹炭颗粒的土壤，其理化性能得到了改良，有效磷含量也明显提高[21]。
2.2 生物炭对大棚小白菜磷肥利用率及土壤磷素流失的影响添加生物炭和施用磷肥均能显著提高磷肥的利用率。如图 2所示，随着生物炭添加量的增加，各施肥处理小白菜磷肥利用率有显著提高，整体呈现先增大后减小的趋势；2%和4%的添加量效果差异显著；当生物炭添加量为8%时，添加生物炭的效果最好，当生物炭添加量为16%时，小白菜磷肥利用率反而下降。添加生物炭对1/2施磷处理的效果显著高于其他处理；不添加生物炭且1/2施肥时，小白菜磷肥利用率为14.77%，当生物炭添加量为8%且1/2施肥时，小白菜磷肥利用率提高至31.21%，提高了1.11倍。
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图 2 添加生物炭在不同施肥量条件下对大棚土壤小白菜磷肥利用率的影响 Fig. 2 Effect of adding biochar on phosphate fertilizer utilization by bok choi in treatments different in fertilization rate 注：图例表示磷肥施用量（P2O5，kg hm-2），不同小写字母表示相同施肥水平下不同生物炭添加量处理差异达5%显著水平。下同Note：The figure legend shows application rate of phosphate fertilizer (P2O5，kg hm-2), lowercase letters indicate significant difference at 5% level between treatments the same in fertilization rate, but different in biochar amendment rate. The same below |
在滇池流域大棚土壤中，磷流失主要通过下渗的迁移。实验研究了滇池流域大棚土壤每年磷流失量，结果如图 3所示，磷肥使用量越大，磷素流失量越大。滇池流域大棚土壤未添加生物炭处理且磷肥施肥量为66 kg hm-2的磷流失量为698.8 g hm-2 a-1；添加生物炭能有效减少大棚土壤磷的流失，随着添加量的增加，磷流失量分别为603.7、513.8、387.4、456.8 g hm-2 a-1，分别较未加生物炭大棚土壤降低12.47%、25.51%、43.83%、33.77%，添加生物炭量为8%时效果最好。
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图 3 添加生物炭在不同施肥量条件下对大棚土壤磷流失量的影响 Fig. 3 Effect of adding biochar on loss of phosphorus from greenhouse soil in treatments different in fertilization rate |
因此，滇池流域大棚土壤中添加8%的生物炭并进行减半施肥最有利于磷肥的利用，小白菜磷肥利用率提高，也相对减少磷肥的损失，降低农业磷素的非点源污染。农田磷素流失危害很大，会严重影响生态环境和农业生产。本研究表明，添加秸秆生物炭可减少土壤磷素流失，改良土壤环境，这与前人的研究一致：在太湖流域水稻田[22]和小麦田[23]、云南洱海水稻田[24]、长春水稻田[25]、宁夏黄灌区稻田[26]、江西旱地红壤[27]及苹果园土壤[28]的研究中，生物炭配合减施化肥均能达到增产或不减产的条件下显著降低农田磷素流失风险。本研究表明，8%生物炭添加量为最佳控制磷素流失添加量，也与他人研究结果[29]一致。
2.3 生物炭对大棚种植小白菜生长的影响出苗率是种子破土出苗数和种子总数的百分比，直接反映播种后的成活比例；子叶展平率代表了成活幼苗的茁壮程度。试验测定了播种3 d后在大棚内小白菜的出苗率和子叶展平率，结果如图 4所示，在对照大棚土壤中，小白菜的出苗率为74%，子叶展平率为76%。添加生物炭处理小白菜出苗率提高7%~9%，子叶展平率提高10%~12%，但各添加生物炭处理间差异不显著。
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图 4 添加生物炭对小白菜幼苗的影响 Fig. 4 Effects of adding biochar on growth of bok choi seedlings |
添加生物炭能提高大棚土壤种植小白菜的株高，如图 5A所示，不同生物炭添加量对株高的影响不同，总体呈现先增大后减小的趋势。未添加生物炭的小白菜株高为13.31 cm；当生物炭添加量为2%时，小白菜株高显著升高，2%和4%添加量之间差异不显著；生物炭添加量为8%时株高达到最大值，为22.57 cm，较未添加生物炭提高了69.51%；当生物炭添加量为16%时，株高反而有所降低。
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图 5 添加生物炭对小白菜株高的影响 Fig. 5 Effects of adding biochar on height of bok choi |
如图 5B所示，从小白菜的生长周期来看，未添加生物炭处理的株高增加主要在10~20 d，以后增速变慢，添加生物炭以后，株高增加的时间延后。当添加量为2%时，株高主要在10~30 d增长；当添加量为4%时，株高主要在30~40 d增长，当添加量为8%和16%的时候，株高在20~40 d显著线性增长。
如图 6A所示，添加生物炭能显著提高大棚土壤种植小白菜的株重，各处理间差异显著。大棚土壤直接种植小白菜的株重为28.50 g。随着生物炭添加量的增加，株重分别为33.73、38.88、48.95、44.19 g，生物炭添加量为8%时增加最多，较CK提高71.75%。
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图 6 添加生物炭对小白菜株重的影响 Fig. 6 Effects of adding biochar on plant weight of bok choi |
如图 6B所示，在小白菜的生长周期中，未添加生物炭处理的株重增加主要出现在第10~30 d。添加生物炭能让小白菜在30 d后株重持续显著增加，10~30 d中，添加生物炭的处理增速反而不如未添加生物炭，但是在30~40 d，增速迅速增加，增长量分别为16.51%、22.19%、33.63%、28.05%，当添加量为8%时，株重增加效果最好。
添加生物炭能显著提高大棚土壤小白菜产量。如图 7所示，对照大棚土壤种植小白菜产量为17 055 kg hm-2，各生物炭处理的产量分别为19.23×103、19.97×103、22.49×103、20.42×103 kg hm-2，8%生物炭添加量产量显著高于其他处理，2%、4%、16%添加量之间差异不显著。
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图 7 添加生物炭对小白菜产量的影响 Fig. 7 Effects of adding biochar on yield of bok choi |
随着生物炭研究的不断深入，生物炭在农业生产上的应用也逐渐受到重视。本研究证明，添加生物炭能显著提高大棚土壤中小白菜的生物量和产量，这与前人在中国其他农产品上的研究结果一致，如在水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、花生、豇豆、萝卜、菠菜、西红柿、辣椒等作物上均已有了生物炭促进生长的证据[30-34]。然而，生物炭对作物生长的效应并不一致。有学者[35]综述了近年来生物炭对作物产量的影响，正负产量效应均有出现，其中，50%产量增加，20%产量减少，30%无显著影响。生物炭的材料来源、制备方式和当地土壤类型等因素均是应用生物炭需要考虑的问题[36]。
生物炭是否需要连续施用、连续施用是否有累加效应也是值得关注的问题。有研究表明，施用生物炭第1年未提高玉米产量，增产效应出现在第2年以后[37-38]。而本研究中，小白菜的生长时间较短，仅一个多月，且单季种植，未进行连续栽培。所以，生物炭对小白菜增产是否存在时间的累加效应尚待进一步研究。
3 结论大棚土壤的小白菜磷肥利用率低，添加生物炭可提高大棚土壤有效磷占全磷的比例，提高作物小白菜磷肥利用率，其中，当生物炭添加量为土壤质量的8%时效果最好，在8%生物炭添加量情况下，当施肥量为常规施肥的1/2(33 kg hm-2，P2O5)时，小白菜磷肥利用率为31.21%，较常规施肥不施生物炭的大棚土壤提高111.3%，当施肥量为1/3(22 kg hm-2，P2O5)的时候，小白菜磷肥利用率与常规施肥时无显著差异。提高小白菜磷肥利用率能降低大棚土壤磷流失量，当生物炭添加量为8%时，大棚土壤磷流失量为387.4 g hm-2 a-1，降低了43.83%。小白菜磷肥利用率的提高还能改善小白菜的生长状况：出苗率提高7%~9%，子叶展平率提高10%~12%；当生物炭添加量为8%时，株高提高69.51%，对株高的影响主要出现在种植的第20~40d；株重提高71.75%，对株重的影响主要出现在种植的第30~40d；小白菜最终产量提高31.87%。
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2. Yunnan Soil Resources Utilization and Protection Innovation Team(Yunnan Agricultural University), Kunming 650201, China