炭基土壤改良劑對白漿土中碳氮含量的影響

徐紅濤　代琳　高敬堯　孫巖　馮露　孟雨田　王宏燕

摘要：通過大田試驗研究炭基土壤改良劑的不同施入量（0、10、20、30 thm2）對旱作農田土壤碳、氮含量的影響。結果表明，炭基土壤改良劑可有效提高土壤有機質、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮的含量，且隨著施入量的增加而提高。與CK相比，處理組土壤有機質含量提高319%～2593%，土壤全氮含量提高220%～1618%，土壤微生物生物量碳含量提高1923%～7393%，微生物生物量氮含量提高2494%～8951%，且均在施入30 thm2炭基土壤改良劑時達到最大值。因此，添加炭基土壤改良劑具有提高土壤有機質及碳、氮的含量、提升土壤養分持續供給的效用。炭基土壤改良劑的推薦用量為20 thm2。

關鍵詞：炭基土壤改良劑；白漿土；碳；氮；微生物生物量碳；微生物生物量氮

中圖分類號： S1562文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0281-04

收稿日期：2016-06-07

基金項目：黑龍江省科技計劃（編號：GA10B502）；東北農業大學博士后科研基金（編號：2012RCB95）。

作者簡介：徐紅濤（1990—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，從事農業生態學及土壤改良研究。E-mail：1395407787@qqcom。

通信作者：王宏燕，博士，教授，從事農業生態學研究。E-mail：why220@126com。

生物質炭（biochar）是指將生物質原料（農作物秸稈、木材、畜禽糞便、生活垃圾等）在限氧或缺氧條件下經高溫熱裂解所產生的一類具有高度芳香化、含碳豐富、穩定的固態物質1]。生物質炭特殊的理化性質具有提高土壤的固碳減排能力2-3]、提高土壤肥力4-5]和改良不良土壤等特性6-8]。目前，全球學者對于生物質炭作為土壤改良劑及固碳劑的研究相繼展開，逐漸拉開了生物質炭相關研究的序幕。

碳、氮作為土壤中重要的組成部分，對整個農田生態系統具有重要的影響作用。土壤碳、氮含量既是土壤質量的核心，也是評價土壤地力的重要指標。土壤中碳、氮的協調作用以及碳、氮庫的穩定對于農業穩產增產以及農田系統穩定具有重要的意義9]。氮是作物生長發育的必需營養元素，參與作物新陳代謝的所有過程。氮素化肥利用率低是一個世界難題，國際上氮肥的作物利用率約為33%10]，我國氮肥的作物利用率平均約為35%，損失率約為45%11]，淋溶作用是土壤氮素損失的主要途徑12]，可引起湖泊、河流和地下水的污染，導致水體富營養化。因此，如何提高氮肥利用率、減少氮素損失是目前亟待解決的問題。

目前，關于炭基土壤改良劑改良土壤的研究大多為模擬試驗或短期的盆栽小型試驗，針對大田的長期定位試驗較少。本研究通過2年的田間定位試驗，探討以生物質炭為基質的炭基土壤改良劑的施入對農田土壤碳、氮動態變化的影響，以期為提高炭基土壤改良劑作為白漿土田間肥料的利用效率及土壤改良劑的推廣應用提供理論參考依據。

1材料與方法

11試驗區概況

試驗區位于黑龍江省農墾總局紅興隆管理局曙光農場，地理坐標為東經130°17′～130°39′、北緯46°13′～46°23′。農場屬寒溫帶大陸性季風氣候，氣候四季分明，冬長夏短。年平均氣溫36 ℃，年平均降水量5234 mm，土壤類型為典型的東北地區崗地白漿土。

12試驗材料

121供試土壤

供試土壤為典型的東北地區崗地白漿土，其中0～20 cm為耕層土壤，21～40 cm為白漿層，40 cm以下為沉積層和母質層。土壤理化性質的具體信息如表1所示。

123大田作物

2年試驗選用的玉米品種均為黑龍江墾區玉米主要的栽培品種，即德美亞1號，購自黑龍江省墾豐種業有限公司。玉米大田施肥量為200 kghm2底肥（尿素）、150 kghm2二銨、50 kghm2鉀肥，120 kghm2追肥（尿素）。采取大壟雙行種植，行距60 cm。分別于2014年5月6日、2015年5月10日足墑播種玉米，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，按高產田水平進行管理，分別于2014年10月9日、2015年10月6日收獲。

13試驗設計

本試驗自2014年開始進行定位試驗，自2014年4月播種前通過旋耕機將炭基土壤改良劑一次性深翻施入白漿土中，深度約為20 cm，為達到數據更加準確和監測、取樣方便，每個處理3次重復；每個小區面積為30 m2，尺寸為5 m×6 m；小區周邊種植同樣品種玉米，以去除邊際影響。生物質炭基土壤改良劑試驗設4個處理，施用量分別為0、10、20、30 thm2（分別標記為CK、G1、G2、G3）。分別于2014年6月8日（苗期）、7月10日（拔節期）、8月2日（灌漿期）、9月25日（成熟期），2015年6月10日（苗期）、7月14日（拔節期）、8月5日（灌漿期）、9月27日（成熟期），用分層土鉆采集0～10、11～20、21～30 cm土壤樣品，取約100 g鮮土于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量碳、氮含量的測定，其余土樣于陰涼處風干后粉碎過篩，用于測定其他指標。

14測定指標及方法

土壤的基本理化性質參照《土壤農化分析》常規方法測定，其中土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定；土壤微生物生物量碳、氮含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定13]。

15數據處理

本試驗所測數據分別采用Office 2007、SPSS 170和OriginPro 90進行處理、統計分析、制作圖表。

2結果與分析

21炭基土壤改良劑對白漿土土壤有機質含量和全氮含量的影響

211炭基土壤改良劑對白漿土土壤有機質含量的影響endprint

由圖1可知，添加炭基土壤改良劑的處理對土壤有機質含量的影響較大。隨著炭基土壤改良劑施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土層，2014年施生物質炭基土壤改良劑處理的土壤有機質含量分別比CK增加974%～2436%、319%～2243%、1323%～2533%，2015年施生物質炭基土壤改良劑處理的土壤有機質含量分別比CK增加 669%～2297%、365%～1428%、1021%～2593%。這是因為炭基土壤改良劑中含有大量的有機物，施入后使土壤有機質積累量明顯增加；同時，施用土壤改良劑打破了原有的碳氮關系，為作物與土壤微生物提供了足夠的營養元素，促進了土壤微生物對根茬的降解，提高了作物根茬在土壤中的殘留量，從而提高了土壤中有機質的含量。同一處理的土壤有機質含量在0～10、11～20 cm土層均明顯高于 21～30 cm 土層，其含量表現為0～10 cm土層>11～20 cm土層>21～30 cm土層，說明土層深度也會對土壤有機質含量產生影響，即同一處理的土壤有機質含量隨土層深度的增加而減少。

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212炭基土壤改良劑對白漿土土壤全氮含量的影響

由圖2可知，添加炭基土壤改良劑的處理對土壤全氮含量有較大的影響，隨著炭基土壤改良劑施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土層，2014年施用生物質炭基土壤改良劑處理的土壤全氮含量分別比CK增加382%～1450%、1092%～1618%、795%～1477%，2015年施用生物質炭基土壤改良劑處理的土壤全氮含量分別比CK增加 313%～1172%、342%～1026%、220%～1319%。土壤全氮含量在21～30 cm土層明顯低于0～10、11～20 cm土層土壤，21～30 cm土層土壤全氮含量小于 10 mgkg，這是由于21～30 cm土層土壤為白漿層，土壤過于緊實，通水通氣性極差，養分極度匱乏所致。

213炭基土壤改良劑對白漿土土壤碳氮比的影響

由圖3可知，與CK相比，施用炭基土壤改良劑不同程度上提高了各層土壤的碳氮比。在0～10、11～20、21～30 cm土層，2014年施生物質炭基土壤改良劑處理的土壤碳氮比分別比CK增加571%～861%、084%～1362%、498%～920%，2015年施生物質炭基土壤改良劑處理的土壤碳氮比分別比CK增加346%%～1168%、022%～365%、784%～1126%。

22炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量碳、氮含量的影響

221炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量碳含量的影響

土壤微生物是土壤營養物質循環的重要參與者，土壤微生物量是活性的營養庫14]。其中，土壤微生物量碳是土壤有機質中最活躍、最易變化的部分，是土壤生物肥力的重要標志15]。土壤微生物量反映了土壤的同化和礦化能力，是土壤活性的標志。微生物對有機碳的利用率是反映土壤質量的重要特性16]。利用率越高，維持相同微生物量所需的能源越少，說明土壤環境有利于土壤微生物的生長，土壤質量較高。

由圖4可知，添加炭基土壤改良劑的處理明顯提高土壤微生物量碳的含量，土壤微生物量碳含量變幅較大，2014年土壤微生物量碳含量變化范圍為26758～68286 mgkg，2015年土壤微生物量碳含量變化范圍為27027～62835 mgkg，這表明不同處理對土壤微生物量碳含量的變化影響較大。2015年，與CK相比，炭基土壤改良劑處理的土壤微生物量碳含量提高2129%～7393%。土壤微生物量碳含量在玉米生長全過程期間整體變化為6—7月急劇上升達到最大值，8—9月緩慢下降，總體呈現先上升后下降的趨勢，呈倒“V”形。

2014年農田土壤微生物炭基土壤改良劑處理的土壤微生物量碳含量與CK相比提高4920%～12018%，尤其在6月炭基土壤改良劑G3處理與CK相比提高12018%。與2014年相比，2015年炭基土壤改良劑對土壤微生物量碳的作用有所下降，但整體趨勢和效果相同，說明炭基土壤改良劑對土壤微生物量的作用具有持續性。

222炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量氮含量的影響

由圖5可知，土壤微生物量氮含量變幅較大。土壤微生物量氮含量在玉米生長全過程期間呈現先上升后下降的趨勢，與土壤微生物量碳含量的變化趨勢相同。添加炭基土壤改良劑的處理顯著提高了土壤微生物量氮的含量，且在G3處理下達到最大值。2014年土壤微生物量氮含量為4050～12107 mgkg，與CK相比，炭基土壤改良劑處理下提高2494%～8951%，且G3處理的土壤微生物量氮含量與CK存在顯著差異（P<005）。2015年土壤微生物量氮含量為4011～9919 mgkg，與CK相比，炭基土壤改良劑處理下提高2552%～7649%，且G3處理的土壤微生物量氮含量與CK差異顯著（P<005）。與2014年相比，2015年炭基土壤改良劑對土壤微生物量氮的作用有所下降，但整體趨勢相同，說明炭基土壤改良劑對于土壤微生物量氮的作用具有持續性。其中，2015年土壤微生物量氮含量與2014年相同處理條件下相比下降幅度較大，可能是因為經過一個作物生長季，炭基土壤改良劑內的養分經過作物吸收以及雨水淋溶等影響，比第1年施入土壤時有所降低，可提供于微生物生長的養分比第1年有所減少。

3討論與結論

農業土壤氮肥利用率低會造成資源浪費、大氣污染、地下水富營養化和增加農業生產成本等問題17-18]，提高氮肥的利用效率是當前農業和環境研究的熱點之一。本研究結果表明，施用炭基土壤改良劑可明顯提高土壤有機質和全氮的含量，這與前人的研究結果19-20]基本一致。原因是炭基土壤改良劑能為固氮菌提供適宜的生境和豐富的碳源，刺激固氮細菌的活性，有利于固氮菌更好地發揮固氮功效21]。有研究結果表明，當生物炭添加量≥2%時，旱地土壤全氮含量隨生物炭添加量的增加而增大，減少了氮素的淋失22]。本研究結果顯示，在0～10、11～20 cm土層中，土壤全氮和有機質的含量均在炭基土壤改良劑最大施用量（30 thm2）時達到最大值。endprint

土壤微生物碳含量在土壤中的絕對數量不大，一般為土壤有機碳的1%～5%23]，本研究的結果與之相符。土壤微生物碳含量變幅較大，變化范圍為110～2 240 kghm2，且與土壤有機質含量呈正相關24]，我國土壤微生物生物量碳含量變幅為42～2 046 kghm2，占土壤有機碳含量的2%～4%25]，本研究的結果與之基本相符。土壤氮素主要集中在耕層，其中930%～970%以有機氮的形勢存在。土壤微生物氮含量一般占土壤全氮含量的10%～50%，與土壤水解性氮含量相一致。土壤微生物氮含量與微生物碳含量呈高度正相關，土壤微生物量的碳氮比（50～70）低于土壤有機質的碳氮比（100～150），這一點也說明土壤微生物氮是植物有效氮的重要儲備26]，本研究中土壤微生物量的碳氮比為61～72，與之基本一致。

炭基土壤改良劑施入土壤對土壤有機質含量的影響較大，土壤有機質含量隨著炭基土壤改良劑施入量的增加而增大，說明炭基土壤改良劑可以有效提高土壤肥力，進而改良不良土壤。炭基土壤改良劑施入土壤能在一定程度上改善土壤的碳氮比，提高氮素綜合利用效果。綜合生產成本及作用效果等因素，建議北方旱作農田炭基土壤改良劑的最佳施用量為20 thm2。

炭基土壤改良劑對土壤碳、氮的長期作用機理尚不明確，同時受制炭工藝、原料來源、供試作物、土壤類型、炭基土壤改良劑配方等因素的影響，今后對不同類型土壤、不同種類的供試作物、不同種類炭基土壤改良劑及施入量應建立有針對性的數據庫，做到有的放矢，提高效率。

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