施用生物炭對甘蔗土壤化學性質及氮損失的影響

廖 芬，桂 杰，楊 柳，李 強，Muhammad Anas，李楊瑞

（1.廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室/農業部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西大學農學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著對作物產量的需求，化學肥料的施用越來越多，特別是氮化肥，據統計，我國的氮肥消耗量占到世界總量的1/3［1］。在甘蔗生產上也存在氮肥的過量施用問題，我國甘蔗氮肥年施用量大概為51.2萬噸，而收獲的氮量僅為7.5萬噸，氮利用率（NUE）不到15%［2-3］。氮肥的過量施用不僅造成氮肥利用率低，甘蔗生產成本增加，而且會導致糖分下降［4］，從而降低甘蔗生產效益。此外，過量施氮肥還是地下水硝酸鹽超標、地表水富營養化和溫室氣體排放等環境問題愈發嚴重的重要原因［5-6］。

生物炭因其獨特的多孔結構，且富含有機碳，近年來引起很多研究學者的關注，很多研究表明，生物炭單獨施用，或是與礦質肥料、堆肥等有機肥混施能促進作物生長，糧食產量倍增［7］，這種增產的效應可能與生物炭能改善土壤理化性質，影響土壤肥力有關。Singh等［8］的研究表明，在沙壤土中加入山核桃殼制作的生物炭不僅能提高土壤pH值，增加土壤有機碳、Ca、K、Mn、P 等含量，還能減少土壤中Ca、Mn、P 等的淋失；Laird等［9］的研究發現，在施用有機肥的土壤中添加橡木和山核桃木制作的生物炭能減少氮和磷的淋失量。

目前，對于生物炭對甘蔗土壤中營養元素影響的研究并不多，楊柳等［10］、廖芬等［11］的研究表明，生物炭可以促進甘蔗葉片、根系的生長和氮素累積，這種效應是否與生物炭改良了土壤性質，提高土壤肥力有關，目前尚不了解。因此，本研究擬通過室內桶栽試驗，并結合15N示蹤方法，研究不同比例生物炭對甘蔗不同生長期土壤N、P、K、有機質含量和pH值、EC的影響，分析生物炭對甘蔗土壤這些化學指標的影響，以探明生物炭對甘蔗土壤營養元素損失的控制機理，為生物炭在甘蔗栽培上的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甘蔗品種為新臺糖22號（ROC22），蔗種采收后切取10cm長度單芽莖段，清水浸泡12h，然后泡在2%的2-苯并咪唑甲基氨基甲酸酯（2-benzo imidazole methyl carbamate）中滅菌30min，沙培，室溫條件（25±1℃）催芽，待芽長到3cm后轉至孵育好的土壤中，每桶種一株，移栽后每三天澆水一次。

1.2 試驗土壤性質

土壤為廣西大學農學院甘蔗試驗田地表20cm表土，屬于富含鐵的赤紅壤；電導率44.12mV，總C含量0.52%，有機質含量為13.8g.kg-1，堿解氮（N）86.67mg.kg-1，含磷 （P）31mg.kg-1，含鉀（K）129.33mg.kg-1。土壤以風干后過1cm篩網，然后裝入直徑40cm×高40cm的塑料桶中，裝土量為30kg/桶，裝土深度30cm，然后澆透水保證桶中土壤水分達平衡。

1.3 試驗生物炭理化性質

本試驗用的生物炭為木薯莖桿生物炭，用傳統窖燒方式制備，生物炭的總碳含量為67.4%，總氮含量為5.43g·kg-1。

1.4 實驗設計

桶栽試驗于2014年2月至2015年2月在廣西大學農學院甘蔗試驗基地的溫室大棚進行。生物炭提前一天與土壤混合孵育，共設三個施用量：0kg/桶，相當于施炭0t·ha-1（C 0）作為對照；0.5kg/桶，相當于施炭10t·ha-1（C 10）；1.0kg/桶，相當于施炭20t·ha-1（C 20），每個處理6個重復。

肥料氮選用氮15（15N）標記尿素，15N豐度10.18%，氮含量46%。每桶施尿素3.0g（相當于234kg純N·ha-1），施P肥 3.0g（相當于450kg P2O5·ha-1），施K肥2.0g（相當于225kg K2O·ha-1）。所有肥料只施用一次。

分別于移栽后苗期（移栽后4個月，4M）、伸長期（移栽后7個月，7M）和成熟期（移栽后12個月，12M）三個時期采集土壤樣品，風干后粉碎過80目篩，用于測定土壤15N豐度、總氮、總磷、總鉀、pH值、有機質含量和電導率。

1.5 指標測定

15N豐度測定采用同位素質譜分析儀（Thermo Fisher，Waltham，MA，USA）測定。總磷（TP）的測定采用HClO4—H2SO4法，總鉀（TK）測定采用NaOH熔融法—火焰光度法，有機質（OM）含量采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測定［12］。

pH值的測定參考Nelson等的方法［13］，稱取生物炭5.00g，加入1mol/L的KCl溶液25mL，25℃條件下震蕩器震蕩5min，然后靜置30min，用pH計測定pH值。電導率（EC）的測定方法：稱取樣品5.00g，加入25mL水，振蕩5min，過濾到干燥三角瓶中，濾液經電導儀測定得到電導度（dS·m-1），記下讀數。

氮素殘留率、損失率和回收率根據Min［14］公式計算。

1.6 數據統計

所有數據由Excel 2007和SPSS 19.0軟件等進行處理和統計，顯著性檢測采用LSD檢驗方法，顯著性差異水平為p≤0.05，所有數據三個重復。

2 結果與分析

2.1 生物炭對甘蔗土壤N、P、K含量的影響

從圖1可看出，生物炭施用后，甘蔗土壤中的N含量因不同生長期表現不同。苗期時土壤中的N顯著高于對照，C10（0.33%）和C20（0.43%）處理分別比對照（0.32%）增加了4.17和33.33個百分點，伸長期時與對照相差不大，成熟期時C10（0.33%）處理的比對照（0.36%）減少了8.33個百分點，C20（0.42%）處理的比對照（0.36%）增加了16.67個百分點，但均未達到顯著差異水平，說明生物炭對土壤中N殘留的促進作用主要在苗期。

圖2顯示了生物炭施用后對土壤中P保留的影響。從圖2看，生物炭施用后，不同時期生物炭的效應不同，苗期時是C20＞C10＞C0，伸長期時 C20、C0＞C10，而成熟期時C10＞C20＞C0。苗期和成熟期時土壤中的P顯著高于對照，苗期C10和C20處理分別比對照增加了13.196%和51.33%，成熟期時分別增加了61.67%和30.39%，伸長期C10處理比對照顯著減少了40.72%，C20處理的略低于對照，說明生物炭主要促進生長前期和后期P在土壤中的保留。

圖1 施用生物炭對土壤全N的影響

圖2 施用生物炭對土壤P的影響

圖3顯示了生物炭施用后對土壤中K保留的影響。從圖3看，生物炭減少了苗期和伸長期土壤中K的含量，特別是苗期，生物炭施用后土壤中K含量顯著低于對照，苗期C10和C20處理分別比對照減少了16.12%和21.85%，伸長期分別減少了9.14%和15.02%，這種抑制作用直到成熟期才減緩，成熟期時生物炭處理的土壤中K的含量已與對照相差不大，C20處理的還略高于對照，說明生物炭施用會減少甘蔗生長前中期土壤中K，但隨著甘蔗生育期的推進K流失得到緩解。

2.2 生物炭對甘蔗土壤有機質（OM）含量的影響

圖4顯示了生物炭施用后對土壤中OM含量的影響。從圖4看，苗期生物炭不同施用量對甘蔗苗期土壤中OM含量無顯著差異，但C20處理顯著增加了伸長期和成熟期土壤中的OM含量，C20處理后，伸長期和成熟期OM含量分別顯著高于對照C0。生物炭施用后，各生育期土壤中OM含量大小表現如下：苗期＞伸長期和成熟期，生物炭施用量對土壤中OM含量的影響如下：C20＞C10和C0。可見生物炭施用可以顯著增加生長中后期（伸長期和成熟期）土壤中OM的含量。

圖3 施用生物炭對土壤K的影響

圖4 施用生物炭對土壤有機質含量的影響

2.3 生物炭對土壤pH值和電導率（EC）的影響

土壤酸堿度（pH值）影響著植物自身生長，也影響土壤各種礦質元素的溶解性和有效性，從而影響植物對各種礦質元素的吸收利用。施用生物炭對土壤中pH值的影響見圖5。不同生長期生物炭對土壤pH值的影響不同，苗期時不同生物炭處理后土壤pH值在5.53～5.89之間，呈弱酸性，C10和C20分別比對照增加了4.33%和6.79%；伸長期時不同生物炭處理后土壤pH值在6.06～6.34之間，C10和C20分別比對照增加了1.65%和13.20%；到成熟期時土壤pH值在6.60～6.68之間，C10和C20分別比對照增加了0.05%和4.20%。統計結果表明生物炭施用后，pH值在各生育期的表現如下：成熟期＞伸長期＞苗期，不同生物炭施用量之間差異顯著，表現為：C20＞C10＞C0。可見生物炭可以顯著提高土壤的pH值。

圖5 施用生物炭對土壤pH值的影響

電導率反映了土壤中各種陰、陽鹽分離子的總含量，電導率可以為判定土壤中各類離子是否限制植物生長提供參考，土壤不同的水分、溫度、有機質含量、組織結構及營養等因素均會對EC造成影響。施用生物炭對甘蔗土壤的電導率影響見圖6，從圖6可以看出，苗期時不同生物炭施用后，土壤中EC數值在44.33～47.50m/s之間，生物炭處理略高于對照，伸長期時土壤中EC數值在31.53～34.97m/s之間，成熟期時下降到19.07～25.70m/s之間。可見隨生育期推進，EC顯著降低，但生物炭施用對EC無顯著影響。

2.4 土壤各理化指標相關性分析

圖6 施用生物炭對土壤EC的影響

為更好地分析生物炭對土壤各指標之間的關系，本研究對土壤各指標進行相關分析，結果見表1。相關性分析發現，施用生物炭后，不同生長期土壤各性狀指標的相關性相差較大。在分蘗期，N與P有極顯著的正相關關系（0.929），而K與N、P之間有顯著的負相差關系，相關系數分別為-0.697和-0.736；pH值與N、P含量顯著正相關關系，相關系數分別為0.711和0.850，但與K則表現為極顯著的負相關關系（-0.852）。伸長期時，有機質與P呈顯著負相關關系（-0.688）；pH值與K則表現為顯著的負相關關系（-0.790）。成熟期時，有機質（OM）與K表現為顯著的負相關關系（-0.722），pH值與土壤各主要營養元素之間無顯著的相關關系。EC除成熟期與K呈顯著負相關關系外（-0.787），分蘗期與伸長期則與土壤的主要營養元素之間無顯著的相關關系。

表1 生物炭處理下土壤性狀各指標的相關性分析

2.5 生物炭對土壤中氮素保留率、損失率和回收率的影響

從圖7看，生物炭施用后，顯著提高了分蘗期土壤中N的保留率，C10處理后N保留率從51.15%提高到了53.52%，增加了2.37個百分點；C20處理則提高到68.74%，增加了17.59個百分點，相應地減少了N損失率，從48.85%減少到31.26%。生物炭對各生育期土壤氮的回收率無顯著影響，在苗期生物炭處理的N回收率提高了0.6～0.98個百分點，伸長期提高了7.48～7.91個百分點，成熟期降低了4.35～11.01個百分點，但均未達顯著差異水平。

圖7 生物炭對土壤氮素保留率、損失率和回收率的影響

3 討論與結論

生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑主要得益于以下幾個方面：首先，生物炭作物緩沖載體，可以吸附養分，減少淋失從而提高土壤肥力，然后再緩釋供給植物所需［15］。第二是生物炭可以改善土壤結構，利于根系生長，增加根系周邊微生物活性，促進營養元素特別是氮素營養的利用率［16-17］。第三是改善了土壤的pH值和陽離子交換量，促進有效營養成分的釋放，利于植物吸收［18-19］。

本研究結果顯示，生物炭施用可以促進N、P、K和有機質在土壤中的滯留，提高土壤的pH值，這與前人研究結果相似。劉瑋晶等［20］的研究表明，生物炭添加后，提高了黃棕壤對氮的吸附，氮素滯留量增加了5%～15%，氮素大部分滯留在土壤表面的5～7cm處。張晗芝等［21］、Van Zwieten等［22］的研究表明，生物炭可以提高土壤的全氮和有機質含量。高海英等［15］研究表明，生物炭可以顯著提高土壤有機碳含量，提高土壤pH值、陽離子交換量、土壤速效磷、速效鉀和礦質態氮含量，增強土壤保肥能力。本研究發現，生物炭施用后，土壤的pH值和有機質含量與N、P含量有顯著的正相關關系，而與全K含量有顯著負相關關系，說明生物炭對土壤N、P保留率的促進效應可能在于提高了pH值和有機質含量。

本試驗是在桶栽條件下進行的，今后仍需開展大田試驗進一步驗證試驗結果，并研究生物炭對土壤中不同形態氮、速效P和速效K流失及保留的影響，才能更好更全面地評判生物炭對甘蔗土壤的理化性質、肥力保持等方面的影響。