生物質炭對貴州黃壤朝天椒減氮的生物效應及氮肥利用率的影響*

張 萌 魏全全 肖厚軍 趙 歡 芶久蘭

（貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴陽 550006）

氮素是作物產量形成和品質提高的重要元素，合理的氮肥施用是作物優質高產的關鍵措施之一［1］。然而，氮肥利用率偏低仍是制約我國氮肥利用的主要限制因素。據2013年《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》顯示，目前三大糧食作物氮肥當季利用率平均為33%，盡管較測土配方施肥補貼項目實施前（2005年）提高了5個百分點，但仍然處于較低的水平，還有較大的提升空間［2］。與此同時，農業部在《全國農業可持續發展規劃（2015—2030年）》中明確提出了“十三五”規劃內化肥施用量零增長的目標［3］，因此，如何實現化肥減施條件下的肥料利用率提升成為當前我國農業發展亟待解決的問題，這也是保障我國農業土壤和生態環境可持續發展的重要任務之一。

農作物秸稈作為一種寶貴的資源，含有豐富的有機質、纖維素、粗蛋白、粗脂肪和氮、磷、鉀等各種營養成分，經過高溫炭化后制成的生物質炭，不僅可以穩定地將碳元素固定長達數百年，而且應用于農業生產后在改善土壤理化性質［4］、減少土壤養分轉化與損失［5］以及提高肥料利用率［6］等方面均表現出明顯的優越性。目前，生物質炭在農業生產中的應用效果已在多種作物上有所報道，例如，Liang等［7］研究發現混合施用稻殼和椰子殼生物質炭可提升小麥和玉米產量4.0%～7.2%；Wang等［8］對海棠的盆栽試驗發現，生物質炭的添加不僅可顯著提高海棠葉片葉綠素含量，而且可顯著降低胞間CO2濃度，增強氣孔導度和光和效率；Major等［9］則通過4年連續田間試驗表明，生物質炭的添加可使玉米產量連續增產3年，但是對大豆無顯著性影響；此外，Jeffery等［10］采用整合分析法（Meta-analysis）對生物質炭的增產效果分析發現，生物質炭的添加可使作物平均增產10%左右；而肖婧等［11］也通過Meta-analysis法整合分析了97篇生物質炭施用與土壤改良、作物生長有關的相對獨立研究，結果表明生物質炭自身特性對作物產量影響顯著，增產范圍在9.2%～26.6%之間。由此可見，生物質炭的問世與應用不僅可最大限度地實現秸稈養分高效利用，也能夠成為改良土壤環境、提升農作物產量和品質、實現化肥減施增效的一項重要技術手段［12］。

朝天椒是貴州遵義的傳統種植作物，同時也是貴州山地特色農業的主要經濟作物之一，貴州現已成為集種植面積、加工規模和市場占有率均屬全國第一的辣椒種植大?。?3］。然而，由于辣椒常年連作栽培以及“重氮肥、輕磷鉀肥”等現象的存在，導致貴州黃壤耕地質量和氮肥利用效率持續降低［14］。近年來，基于氮肥減量化和氮肥有機替代的研究已逐漸成為研究熱點，生物質炭配施化肥成為氮肥減量技術之一［15-16］。然而，目前關于生物質炭的研究主要集中在同等施肥量條件下生物質炭增施后的作用效果上［17］，針對生物質炭替代化學氮肥的研究相對較少，而基于短期條件下生物質炭究竟能否用于化學氮肥替代、替代量有多少等問題的探討也缺乏足夠實踐驗證。因此，本研究以貴州朝天椒‘艷椒425’為研究對象，從產量、品質、養分吸收及肥料利用率方面來研究生物質炭對化學氮肥的替代效應，進而綜合評估生物質炭的氮肥替代能力，為貴州山區朝天椒氮肥減施增效技術提供技術支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2017年4—10月在貴州省遵義市播州區石板鎮（106°43′0″E，27°31′29″N，海拔885 m）進行。供試土壤為貴州典型地帶性黃壤，其基礎理化性質為：pH 6.03，有機質 26.80 g?kg-1，全氮2.17 g?kg-1，有效磷48.60 mg?kg-1，速效鉀175.0 mg?kg-1。供試肥料包括：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O 50%）；供試生物質炭為玉米秸稈炭，炭化溫度450℃，其基本理化性質為：pH 7.95，總碳350.2 g?kg-1，總氮12.63 g?kg-1，有效氮2.01 g?kg-1，總磷1.92 g?kg-1，總鉀47.48 g?kg-1；供試朝天椒品種為“艷椒425”，由重慶科光種苗有限公司生產。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理，分別為：（1）CK：不施氮肥，只施用磷、鉀肥，P2O5和K2O用量分別為150 kg?hm-2和270 kg?hm-2；（2）CF100B0：常規施肥，N、P2O5、K2O施用量分別為300、150、270 kg?hm-2；（3）CF90B10：常規施肥施氮90%+生物質炭氮10%（15 t?hm-2）；（4）CF85B15：常規施肥施氮85%+生物質炭氮15%（22.5 t?hm-2）；（5）CF80B20：常規施肥施氮80%+生物質炭氮20%（30 t?hm-2）。各處理具體肥料和生物質炭施用量見表1。辣椒移栽前先將生物質炭均勻撒施于土壤表層，用鋤頭翻耕混勻，然后將所有肥料混勻后一次性均勻施用。辣椒種植采用“單壟雙行”的栽培方式，單壟1.2 m，辣椒幼苗在起壟覆膜10 d后進行移栽，移栽密度為每公頃5.70萬株。各處理設3次重復，隨機區組排列，試驗小區面積為20 m2。其他田間管理與農民習慣保持一致。

1.3 測定項目和分析方法

辣椒收獲前，每個小區采集6株長勢相對一致的辣椒植株，用于分析植株養分指標與品質指標。辣椒植株分莖稈、葉片和果實3部分，分別于105℃殺青30 min后，于60℃恒溫烘干稱量。然后將植物樣品磨碎過篩后，采用H2SO4-H2O2聯合消煮，凱氏定氮儀（Foss 2200，瑞典）測定全氮含量，并計算植株氮素積累量［18］。同時，取部分辣椒果實鮮樣用于測定品質指標，包括硝酸鹽、Vc、還原糖和游離氨基酸，測定方法參照文獻［18］。辣椒產量經過分批采收后于收獲期計算辣椒的最終產量。

表1 不同施肥處理的肥料和生物質炭施用量Table 1 Application rates of fertilizer and biochar relative to treatment

1.4 數據處理

各相關參數的計算公式如下：

植株氮素積累量（kg?hm-2）=植株N含量（%）×生物量（kg?hm-2）/100；

氮肥偏生產力（PFPN，kg?kg-1）=施氮處理辣椒產量/施氮量；

氮肥農學效率（AEN，kg?kg-1）=（施氮處理辣椒產量-不施氮處理辣椒產量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（REN，%）＝（施氮處理地上部吸氮總量-不施氮處理地上部吸氮總量）/施氮量×100%；

以上公式中辣椒產量均按照干椒產量計算。

試驗數據均采用Excel 2003軟件進行計算處理，利用DPS軟件進行統計分析，采用Origin 8.0軟件作圖，差異顯著分析用最小顯著差異（LSD）法進行分析，顯著水平為0.05。

2 結 果

2.1 生物質炭與氮肥減量配施對朝天椒產量的影響

圖1顯示了生物質炭替代化學氮肥對朝天椒鮮椒和干椒產量的影響。就鮮椒產量而言，與常規施肥CF100B0處理相比，僅CF90B10處理實現增產，增幅為7.3%，但差異未達顯著水平；CF85B15和CF80B20處理均出現減產，減產幅度分別為1.8%和7.8%。干椒產量變化趨勢與鮮椒產量類似，與常規施肥CF100B0處理相比較，僅CF90B10處理增產2.5%，CF85B15和CF80B20處理則分別減產5.7%和10.0%。

2.2 生物質炭與氮肥減量配施對朝天椒品質的影響

從朝天椒果實品質指標來看（表2），生物質炭與化學氮肥配施可顯著影響朝天椒果實的硝酸鹽和Vc含量，但對還原糖和游離氨基酸含量無影響。從硝酸鹽含量來看，與CK處理相比，常規施肥CF100B0處理的硝酸鹽含量顯著提高了3.1%，而CF90B10、CF85B15和CF80B20處理則顯著降低了朝天椒果實中硝酸鹽含量，且三者較CF100B0處理相比分別下降8.9%、5.2%和4.8%，且顯著低于CK處理。從Vc含量來看，與CK處理相比較，常規施肥CF100B0及生物質炭替代氮肥處理均可顯著提高朝天椒果實中的Vc含量，增幅為3.5%～24.9%，依次表現為：CF90B10＞CF100B0＞CF85B15＞CF80B20＞CK，以CF90B10處理的Vc含量最高，達到111.5 mg?100 g-1，且顯著高于其他處理，CF85B15和CF80B20處理的Vc含量則較CF100B0處理分別降低了4.9%和9.1%。

圖1 不同施肥處理的朝天椒產量Fig.1 Yield of pod pepper relative to treatment

表2 不同施肥處理的朝天椒果實品質Table 2 Quality of pod pepper relative to treatment

2.3 生物質炭與氮肥減量配施對朝天椒氮素積累的影響

圖2顯示了生物質炭替代化學氮肥對朝天椒各器官氮素積累的影響。從莖桿氮素積累看，與常規施肥CF100B0處理相比，CF90B10、CF85B15和CF80B20處理的莖桿氮素積累量分別提高了25.2%、12.8%和1.9%，其中，CF90B10和CF85B15處理增加顯著；從葉片氮素積累看，與常規施肥CF100B0處理相比，生物質炭與氮肥配施處理的葉片氮素積累均出現顯著降低，CF90B10、CF85B15和CF80B20處理較CF100B0處理分別降低了22.4%、14.3%和28.3%；從果實氮素積累看，與常規施肥CF100B0處理相比，CF90B10處理的氮素積累量僅提高了1.4%，但兩者無顯著差異，CF85B15和CF80B20處理的氮素積累則顯著降低，降幅分別為12.2%和16.4%。

2.4 生物質炭與氮肥減量配施對朝天椒氮肥利用率的影響

由表3可看出，不同施肥處理的氮肥利用率存在明顯差異。從偏生產力看，與常規施肥CF100B0處理相比，生物質炭與氮肥配施處理的PFPN提高了2.08～2.62 kg?kg-1，其中CF90B10處理的偏生產力最高，且顯著高于CF100B0處理，而CF85B15和CF80B20處理則與CF100B0處理無差異。從農學效率看，CF90B10處理最高（7.70 kg?kg-1），但與CF100B0和CF85B15處理間無差異，CF80B20的AEN最低，僅為5.73 kg?kg-1，顯著低于CF90B10處理。從表觀利用率看，各施肥處理的REN大小依次為：CF90B10＞CF100B0＞CF85B15＞CF80B20，其中，CF90B10處理的REN最高（40.9%），較CF100B0處理提高了4.45個百分點，且顯著高于其他處理，CF80B20處理的REN最低，僅為24.9%。

圖2 不同施肥處理的氮素積累量Fig.2 N accumulation in various parts of the pod pepper plant relative to treatment

表3 不同施肥處理的氮肥利用率Table 3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency of pod pepper relative to treatment

3 討 論

貴州山地農業作物秸稈資源非常豐富，但是秸稈還田率并不高，其主要原因一方面是由于貴州山地農業土地分散，無法使用大型機械，從而導致秸稈不能就地粉碎還田；另一方面，貴州山區屬于典型的雨養農業區，降雨分配極不均勻，因此，即便秸稈粉碎還田后，也會由于缺水而導致秸稈無法及時分解和有效利用［19］。秸稈炭化制成的生物質炭，不僅可解決農作物秸稈綜合利用的問題，而且可用來實現化肥有機替代，是一項符合貴州山地農業實際需求的重要技術措施。本研究中，與常規施肥CF100B0處理相比，CF90B10處理的鮮椒和干椒產量分別提高了7.3%和2.5%，而CF85B15和CF80B20處理則出現略微減產，但與CF100B0處理相比差異不明顯，這說明在當前試驗條件下，用生物質炭替代10%～20%化學氮肥具有一定的可行性。生物質炭替代化學氮肥增產或穩產的主要原因一方面是生物質炭本身含有豐富的氮素（總氮含量在1.0～78 g?kg-1）［20］，盡管這些氮素并非均是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可替代部分化學氮肥［21］；另一方面，生物質炭除了含有氮、磷、鉀等大量元素外，還富含鈣、鎂、鋅等多種礦質養分，有利于多養分的平衡供應［22］，因此可以保證作物實現增產或穩產。而生物質炭替代化學氮肥15%和20%（CF85B15和CF80B20）處理的朝天椒產量出現略微減產，分析其主要原因可能是，大量生物質炭施入導致土壤可溶性有機碳含量增加，從而加劇了土壤微生物與作物根系對氮素的競爭［23］，而且過高的生物質炭可導致次生根總根長和生物量明顯增加，需要消耗大量的光合產物，故而導致產量出現下降［24］。

研究發現，生物質炭的施用可以改善作物品質［25］，本研究結果與前人研究結果類似。本研究中，施用生物質炭替代化學氮肥使朝天椒的硝酸鹽含量降低了4.8%～8.9%，同時使朝天椒Vc含量提高了3.5%～24.8%，這可能是由于生物質炭抑制了向的轉化速率，避免作物在短期內吸收過多的氮素而造成硝酸鹽積累［26］，而生物質炭中較高的鉀素含量以及鈣、錳、鋅等多種微量元素能夠促進相關酶在植株體內的合成，均有利于改善朝天椒的品質［27］。

從本研究結果看，與常規施肥CF100B0處理相比，生物質炭替代氮肥處理使氮肥偏生產力提高了2.08～2.62 kg?kg-1，而且CF90B10處理的AEN和REN均為最高，分別為7.70 kg?kg-1和40.3%，說明適量生物質炭可替代化學氮肥并明顯提高氮肥利用率。分析原因可能包括：首先，貴州黃壤黏粒含量高、土壤較為緊實，當生物質炭施入土壤后與供試土壤形成炭-土雙層結構，不僅能夠提高土壤孔隙結構和水分傳導孔隙度，而且可以增加上層土壤的蓄水能力和下層土壤的持水性能，改善作物根系的水肥生長環境［4,28］；其次，由于生物質炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙和較高的離子交換量、羧基、羥基等官能團，能夠提高對和的吸附固持作用，減少了氮素的流失［29］，而被生物質炭吸附的氮素又可以被再次釋放，形成可供植物吸收利用的有效態氮，從而提高氮素利用率［30］；第三，生物質炭的施用在改變土壤理化性質的同時，還直接或間接地提高了與土壤氮素轉化有關的酶活性、氨氧化細菌豐度與活性等，從而提高了氮素的生物有效性［31］。但是，生物質炭替代化學氮肥比例過高則會使氮肥利用率出現降低，可能原因包括：一方面施用生物質炭后的短時間內，土壤自身碳礦化速率加劇，進而導致土壤碳含量激增，當土壤中現有的含氮素物質不足以維持平衡時，土壤中的固氮菌就會固定更多的氮素，進而加劇了土壤微生物與作物對氮素的競爭［21,32］；另一方面，隨著生物質炭施用量的增加，進一步提高了土壤pH，從而促進了NH3揮發［33-34］。

4 結 論

與常規施肥處理相比，生物質炭替代化學氮肥10%（CF90B10處理）可使朝天椒產量提高7.3%，氮肥表觀利用率提升4.45個百分點，并且可明顯改善朝天椒品質，但生物質炭替代化學氮肥比例過高（CF85B15和CF80B20）則會有減產風險，因此，在短期條件下，利用生物質炭替代10%的化學氮肥來實現貴州黃壤朝天椒氮肥減施增效具有一定的可行性，但是，由于生物質炭對土壤環境及作物生長的影響是一個長期積累的過程，本研究下階段將會進一步研究生物質炭替代化學氮肥的長期效應，以期為氮肥有機替代及氮肥減施增效技術提供更為可靠的技術支撐。