腐植酸和生物炭配施对饲用甜高粱生长与土壤磷素吸收状况的影响

刘畅 贺浩强 王茜 李晓寒 岳彪辉 普红青 袁义丽 桂枝 卢树昌

摘    要：采用腐植酸和生物炭两种调理剂配合施用，共设空白对照、生物炭、腐植酸、腐植酸+生物炭、腐植酸+1/2生物炭、1/2腐植酸+生物炭等6个处理，研究两种调理剂配施对甜高粱生长和土壤磷素吸收状况的影响。结果表明，单施腐植酸和生物炭有利于饲用甜高粱拔节期的生长，对于饲用甜高粱抽穗期，腐植酸和生物炭处理配合施用效果较好，各处理中以1/2腐植酸+生物炭处理效果最佳，能促进高粱茎叶对土壤磷素吸收，提高磷素利用率，减少磷素环境风险。

关键词：腐植酸;生物炭;高磷土壤;吸收

中图分类号： S514        文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.07.015

Abstract： This experiment used humic acid and biochar two conditioning agents in combination with six treatments including blank control， biochar， humic acid， humic acid + biochar， humic acid + 1/2 biochar， 1/2 humic acid + biochar. The effects of two conditioning agents on the growth of sweet sorghum and soil phosphorus uptake were studied. The results showed that the application of humic acid and biochar alone was beneficial to the growth of sorghum in the elongation stage， and the effect of humic acid and biochar treatment was better in the heading stage of sorghum growth. The treatment with 1/2 humic acid + biochar was the best in all treatments. It could promote the absorption of phosphorus in soil by sorghum stems and leaves， increase the utilization of phosphorus and reduce the environmental risk of phosphorus.

Key words： humic acid;biochar;high phosphorus soil;absorption

磷在植物體内会影响新陈代谢和信息传递，并参与细胞结构的组成，它是植物生长发育所必需的营养元素之一。农户为了高产，向土壤中施入磷肥，磷素在土壤中富集，从20世纪70年代末开始，中国农田土壤的磷素平衡由亏缺演变至目前是世界上磷素盈余最为严重的国家之一[1]，土壤磷素含量过高会使植物叶片中无机磷大量积累，使植物光合速率降低[2]，同时磷素被固定在土壤中，降低了土壤磷素利用率[3]，尤其在设施菜田中这种现象更为严重。石宁等[4]调查山东设施菜田土壤显示，设施菜田耕层土壤有效磷含量达到了345 mg·kg-1。当磷在土壤中的吸附累积量超过了土壤本身磷饱和程度，在大水漫灌或夏季雨季下极易产生淋失，造成设施菜田磷面源污染[5-6]。生物炭（Biochar）是在低氧和缺氧条件下，将农作物秸秆、木质物质、禽畜粪便和其他材料等有机物质经过高温热解而形成的产物[7-8]。研究表明，生物炭的施用能促进作物根系生长，并能使作物产量提高，粮食品质得到改善[9-11]。腐植酸是一类成分复杂的天然有机高分子混合物，需要通过微生物将动植物残体和微生物细胞等分解和转化，并经一系列地球化学过程形成和积累而成[12-13]。大量研究证实，腐植酸可以改善土壤结构、提高土壤肥力、影响植物根系生长及其对养分的吸收，从而对植物生理产生有利的影响，促进作物生长[14-17]。基于以上研究，本试验以大生物量饲用甜高粱为供试作物，设置生物炭与腐植酸2种调理剂不同配比，来探究对设施高磷土壤种植下甜高粱生长与吸收状况的影响，旨在为控制设施菜田磷环境风险提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试作物：饲用甜高粱，品种为甜杂2号，生育期为130～140 d。

供试调理剂：腐植酸，草本生物炭（水稻秸秆炭）。

供试土壤：来自天津市武清区大孟庄镇后幼庄村集约化设施菜田。棚龄在10年以上，土壤质地为中壤，养分投入偏高，土壤磷含量过高，远远超过土壤磷的风险临界值（50 mg·kg-1）[18]，土壤磷环境风险很高（表1）。

1.2 试验处理

将土壤样品自然风干后过5 mm筛，每盆土3 kg（盆规格：高15 cm，口径21 cm）。试验共设6个处理，每个处理3个重复，分别为T1 空白对照、T2 生物炭（30 g·盆-1）、T3 腐植酸（1.875 g·盆-1）、T4 腐植酸+生物炭（1.875 +30.0 g·盆-1）、T5 腐植酸+1/2生物炭（1.875 +15.0 g·盆-1）、T6 1/2腐植酸+生物炭（0.938+ 30.0 g·盆-1）。每盆定植2株。

试验种植时间为2018年5—11月。饲用甜高粱种植期间每隔2 d灌水1次，每盆每次400～500 mL。同时饲用甜高粱生长期间进行长势调查。

1.3 测试方法

株高、茎粗：用卷尺测定株高、用游标卡尺测定茎粗。

叶绿素含量：采用SPAD-502型叶绿素仪测定。

光合速率：采用CI-340便携式光合仪测定。

叶面积：量取饲用甜高粱叶片长度和宽度（垂直主叶脉的最大距离）采用长宽系数法计算[19]。

干生物量：收获后，将饲用甜高粱根、茎、叶和穗各部位分开，置于烘箱105 ℃杀青30 min后，在80 ℃下烘干至恒质量，测定干生物量。

植株吸磷量：将饲用甜高粱植株各部位样品烘干后经粉碎过筛，利用浓硫酸-H2O2法消解后，按钼黄比色法测定出各部位全磷含量[20]，计算植株各部位吸磷量。

试验数据采用Excel 2007方法进行处理，采用DPS7.05软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 腐植酸和生物炭配合处理对饲用甜高粱长势的影响

由表2和表3可知，拔节期饲用甜高粱长势中，T2株高、茎粗均显著高于T1，较T1分别高28.8%和27.0%，施用调理剂处理中，T2、T3、T4、T6株高茎粗均没有显著差异，但显著高于T5处理。叶面积T2显著高于T1，达24.4%，而T5显著低于其他处理。叶绿素含量各处理较T1无显著差异。光合速率T3最大，为41.00 μmol·m-2·s-1，且显著高于其他处理。调理剂处理中长势指标叶面积和光合速率、叶绿素等得到改善，有利于整体长势增强，进而有利于养分的吸收。从综合来看，T2、T3可以促进饲用甜高粱此时期长势。

饲用甜高粱抽穗开花期长势中，T6株高最高，为141.50 cm，但各处理无显著差异。T6茎粗最大，较T1高24.4%，且显著高于其他处理。T3、T6叶面积显著高于T1，其他处理较T1无显著差异。T3、T5叶绿素含量显著高于T1，其他处理较T1均无显著差异。光合速率T2显著低于T1，其他处理较T1无显著差异。总体来看，T3、T5、T6对饲用甜高粱抽穗开花期长势较好。

2.2 腐植酸和生物炭配合处理对饲用甜高粱生物量的影响

由图1可知，腐植酸和生物炭不同配比各处理对于饲用甜高粱总干生物量效果影响不明显，除T3显著低于T1外，其他处理均与T1无显著差异，各处理效果相对较好的是T6。

2.3 腐植酸和生物炭配合处理对饲用甜高粱磷素吸收与土壤有效磷变化的影响

2.3.1 腐植酸和生物炭配合处理对饲用甜高粱磷素吸收的影响分析 由表4可知，施用调理剂各处理饲用甜高粱根部吸磷量显著低于T1，茎部吸磷量相反，其中T3茎部吸磷量较T1显著增加高达118.2%，说明施用调理剂抑制了根部磷素吸收，促进了茎部磷素吸收。饲用甜高粱叶片吸磷量表现为T6显著高于其他处理，较T1增加58.0%。饲用甜高粱穗吸磷量各处理间无显著差异。由图2可知，T1高粱根吸磷量占植株总吸磷量的百分比较其他处理高，说明腐植酸和生物炭配施可以使磷素由地下部向高粱茎、叶、穗轉移，减少磷在根中的积累，提高土壤中磷素的利用率，其中效果较好的是T6。

2.3.2 腐植酸和生物炭配合处理对土壤有效磷含量的影响分析 由图3可知，腐植酸和生物炭不同配比各处理中T6土壤有效磷含量高于其他处理，并显著高于T1，T4相较于其他腐植酸和生物炭施用的处理土壤有效磷含量最低，但与T1无明显差异。3 结论与讨论

饲用甜高粱长势中，拔节期株高T2处理显著高于T1，抽穗开花期与T1无显著差异，这与张伟明[21]的研究结果一致;拔节期茎粗和叶面积以T2和T3效果较好，抽穗开花期T4效果较明显，从高粱茎粗和叶面积可以看出，单施生物炭和腐植酸对于饲用甜高粱生长前期效果较显著，但到饲用甜高粱生长后期，腐植酸和生物炭配合施用发挥了较好作用;饲用甜高粱生长期间，T3拔节期光合速率增长显著，抽穗期叶绿素含量也显著高于对照，可能是由于腐植酸的施用增加了细胞活性，促进了细胞膜养分吸收，提高了作物的酶活性，从而增强了植物光合活性，此结果与张水勤等[14]研究基本一致。从饲用甜高粱生物量来看，腐植酸和生物炭不同配比各处理效果均不显著，可能是由于盆栽条件限制，影响了饲用甜高粱生长，从而对其干生物量造成影响，还需进行下一步研究。

从饲用甜高粱各部位吸磷量来看，腐植酸和生物炭不同配比各处理对高粱茎叶生长效果较显著，分别以T3和T6效果最佳，促进了高粱茎叶对于土壤中磷素的吸收，可能由于腐植酸和生物炭的施入刺激作物茎叶中参与养分转化和运输的重要酶类，促进作物的养分吸收[22]。腐植酸和生物炭的施用对于饲用甜高粱根和穗部各处理的效果则不太明显。从各部位吸磷量占总吸磷量的百分比看，T6处理可以减少磷素在根部积累。而对于土壤有效磷含量影响来看，本试验结果表明，施用腐植酸和生物炭各处理中T6有效磷含量最高，T4有效磷含量最低。结合饲用甜高粱各部位吸磷量和土壤有效磷含量来看，T6促进了饲用甜高粱对磷素的吸收，同时提高了土壤有效磷含量，可能是因为腐植酸根据自身结构对磷素具有活化作用，且能够与土壤中其他离子结合来提高土壤磷素有效性[23]，促进作物对磷素的吸收，而生物炭由于具有发达的孔隙结构和吸附力，可以吸附土壤中的磷素，减少土壤磷素流失[24]。腐植酸和生物炭配合施用既能促进作物对磷素的吸收，提高土壤磷素利用率，又能提高土壤有效磷含量来减少磷肥投入，并吸附住土壤磷素防止流失，来达到控制磷素环境风险的目的。

总体上看，本研究单施腐植酸和生物炭有利于饲用甜高粱前期生长，二者配合施用有利于饲用甜高粱生长，并能促进茎叶对土壤磷素的吸收，提高磷素利用率，可减少磷素环境风险，其中以处理T6（1/2腐植酸+生物炭）处理效果最佳。但是该试验时间仅一茬，筛选出试验材料最佳配比仍需进一步加以研究。

参考文献：

[1]肖建中，卢树昌.菜田土肥水高效综合管理技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]孔东星，张民，孙娅婷，等.控释磷酸二铵中磷素对大豆生长效应的影响[J].作物杂志，2006， 22（6）：16-19.

[3]卢树昌，翁福军，王瑞，等.不同处理对设施根结线虫控制和土壤氮磷环境风险的影响[J].北方园艺，2016（4）：160-162.

[4]石宁，李彦，井永苹，等.长期施肥对设施菜田土壤氮、磷时空变化及流失风险的影响[J].农业环境科学学报，2018，37（11）：2434-2442.

[5]DEJAGER P C，CLAASSENS A S. Long-term phosphorus desorption kinetics of an acid sand clay soil from Mpumalanga， South Africa[J].Communications in soil science and plant analysis， 2005，36（1/2/3）：309-319.

[6]项大力，楊学云，孙本华，等.灌溉水平对土磷素淋失的影响[J].植物营养与肥料学报，2010， 16（1）：112-117.

[7]XU G， LU Y，SUN J， et al. Recent advances in biochar applications in agricultural soils： Benefits and environmental implications[J].Clean-soil， air， water，2012，40（10）：1093-1098.

[8]翁福军，卢树昌.生物炭在农业领域应用的研究进展与前景[J].北方园艺，2015（8）：199-203.

[9]ABIVEN S， HUND A， MARTINSEN V， et al. Biochar amendment increases maize root surface areas and branching： A shovelomics study in Zambia[J].Plant and soil，2015，395（1）：1-11.

[10]OLMO M， ALBURQUERQUE J A， BARRON V，et al.Wheat growth and yield responses to biochar addition under Mediterranean climate conditions[J].Biology and fertility of soils，

2014，50（8）： 1177-1187.

[11]余慧敏，郭熙.生物炭与生物炭基肥利用研究进展[J].天津农业科学，2018，24（12）：82-86.

[12]STEVENSON F J. Humus chemistry：genesis，composition，

reactions[M].New Jersey：John wiley& sons inc，1994.

[13]陈静，黄占斌.腐植酸在土壤修复中的作用[J].腐植酸，2014（4）：30-34，65.

[14]张水勤，袁亮，林治安，等.腐植酸促进植物生长的机理研究进展[J].植物营养与肥料学报， 2017，23（4）：1065-1076.

[15]PICCOLO A，NARDI S，CONCHERI G.Structural charac-

teristics of humic substances as related to nitrate uptake and growth regulation in plant systems[J]. Soil biology and biochemistry，

1992， 24（4）：373-380.

[16]CANELLAS L P，OLIVARES F L，OKOROKOVA-FAQANHA

A L，et al.Humic acids isolated from earthworm compost enhance root elongation，lateral root emergence， and plasma membrane H+ATPase activity in maize roots[J].Plant physiology，2002，130（4）：1951-1957.

[17]CANELLAS L P， PICCOLO A， DOBBSS L B， et al.Chemical composition and bioactivity properties of size-fractions separated from a vennicompost humic acid[J]. Chemosphere，2010，78（4）：457-466.

[18]卢树昌，陈清，张福锁，等.河北果园主分布区土壤磷素投入特点及磷负荷风险分析[J].中国农业科学，2008（10）：3149-3157.

[19]崔凤娟，李岩，王振国，等.种植密度对高粱群体生理指标及产量影响[J].中国农学通报，2018， 34（8）：9-14.

[20]鲍士旦.土壤农化分析[M].第3版.北京：中国农业出版社，2000.

[21]张伟明.生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用[D].沈阳：沈阳农业大学，2012.

[22]VACCARO S， ERTANI A， NEBBIOSO A， et al. Humic substances stunulate maize nitrogen assimilation and amino acid metabolism at physiological and molecular level[J]. Chemical

&biological technologies in agriculture， 2015， 2（1）： 1-12.

[23]HUA Q X， LI J Y， ZHOU J M.Enhancement of phosphorus solubility by humic substances in ferrosols[J].Pedosphere，

2008，18（4）：533-538.

[24]MORALES M， COMERFORD N， GUERRINI I， et al. Sorption and desorption of phosphate on biochar and biochar-soil mixtures[J].Soil use manage， 2013， 29： 306-314.