生物炭對作物氮肥利用率影響的整合分析

夏浩，張夢陽，劉波，李宇軒，叢銘，布麥熱姆·熱則克，姜存倉2

1. 華中農業大學資源與環境學院/微量元素研究中心，武漢 430070；2. 石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，石河子 832000

近年來，我國氮肥施用量逐漸增加，其消費量占全球氮肥消費的25%[1]。多數研究表明我國農田土壤的氮肥施用量很高，但氮肥利用率僅為30%～50%，顯著低于世界上發達國家[2-3]；并且氮肥長期施用方法不當、施用比例不合理，會造成水體富營養化、土壤酸化等一系列生態環境問題[4]。過量施肥還會導致土壤酸化，產量降低，抑制農作物對土壤氮素營養的吸收，從而導致氮肥的利用效率降低[5]。

目前生物炭在改良土壤環境、促進作物生長方面發揮著重要作用[6-7]。生物炭是指農林廢棄物在厭氧條件下低溫熱解形成的一類高度芳香化難溶性的產物，在土壤中可以長期存留，不易發生分解[8]。生物炭具有特殊的理化性質，一般為堿性，孔隙結構發達，比表面積大，對土壤重金屬具有較強的吸附能力[9-10]。生物炭與化肥配施可延緩養分釋放，促進作物對養分的吸收，降低化肥的損失[11]。朱盼等[12]研究表明，與常規施肥相比，添加生物炭后煙草的株高、莖粗等農藝性狀及生物量有顯著增加。但也有相關研究發現施用生物炭會導致水稻、小麥減產[13-14]。俞映倞等[15]發現施用生物炭后小白菜的生物量有明顯提升，氮素累積量也有顯著提高。Xia等[16]研究結果表明在生物炭處理下苗期玉米的氮肥利用率有明顯提高。方明等[17]發現在不同類型土壤上施用生物炭有明顯差異，在紅壤上施用生物炭后小白菜的氮素吸收效率提高了44.0%～59.0%，而在潮土上施用生物炭后小白菜的氮素吸收效率降低了64.7%～74.5%，生物量也出現明顯降低。此外，相關研究表明，隨著生物炭用量增加，煙草的氮肥利用率呈現先增加后降低的趨勢[18]。李靜靜等[19]也發現在低氮施肥條件下(22.5 kg/hm2)，生物炭對氮肥利用率提升的效果較為明顯，且低水平生物炭(2.4 t/hm2)的促進效果會更好。生物炭對作物氮肥利用率的影響受到諸多因素影響，例如生物炭的pH、含氮量、施用量以及原材料、氮肥施用量、作物類型以及土壤養分等。

目前我國關于生物炭對氮肥利用率影響的研究主要基于某一個或幾個特定的區域進行，未綜合考慮土壤理化性質、當地氣候條件以及生物炭材料等因素。為系統認識施用生物炭對氮肥利用率的影響，本研究采用整合分析(Meta-analysis)的方法[20]系統比較不同施用條件(地域差異、生物炭的性質、土壤的理化性質、氮肥添加量等因素)下氮肥配施生物炭的氮肥利用率增效效果，為提升經濟、環境和社會等綜合效益提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 數據獲取

通過搜索文獻數據庫(中國知網、萬方、Web of Science)，檢索施用生物質炭對植物氮肥利用率影響的相關文獻。設置檢索關鍵詞主要包括:生物質炭/生物炭(biochar/black carbon)、氮肥利用率(nitrogen use efficiency/nitrogen utilization efficiency)，篩選出2000-2020年符合以下基本要求的文獻：(1)試驗類型分為大田試驗和盆栽試驗；(2)每個試驗必須有處理組和對照組[21]，處理組為常規施肥+生物炭處理，對照組為常規施肥處理；(3)試驗數據必須含有標準差或標準誤；(4)處理組和對照組除生物炭處理外，其他試驗條件均一致；(5)研究中要求試驗處理重復至少3組[22]；(6)試驗場所的土壤和生物炭的基本性質均明確；(7)若文獻沒有明確規定，土層一般為耕作層(0～20 cm)[23]；(8)若文獻中基礎土壤的速效養分沒有測定，則用土壤全量養分反映土壤養分；(9)若土壤養分包含有機碳含量，則有機質含量=有機碳含量×1.724。基于以上篩選標準，截至2020-12-02，獲得33篇有效文獻，采集了170組數據。

1.2 數據庫建立與分類

將植物氮素吸收的影響因素分組，主要指標包括：地域、試驗類型、土壤性質(pH、速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質)、生物炭性質(pH、氮素含量、生物炭材料、施用量)、氮肥施用量以及作物種類等。

本研究將試驗地域分6個主要區域。表1為各個區域具體的文獻數量及試驗點位分布。土壤養分、試驗類型、生物炭性質等分類情況如表2所示。

表1 33篇有效文獻的分布區域及試驗點數Table 1 The distribution areas and experiment points of 33 valid literatures analyzed

表2 數據分類及依據Table 2 Data groups used in the Meta-analysis

1.3 數據分析

在搜集文獻數據時，采用GetData Graph Digitizer 2.24軟件對文中圖片進行數據提取。利用Excel 2013軟件建立數據庫，用R軟件中Meta包的隨機效應模型對原始數據實現Meta分析。文獻中數據標準誤(SE)和標準差(SD)的轉化如公式(1)所示：

(1)

式(1)中，n是指試驗的重復次數。

在分析過程中，為了消除不同試驗點的氣候、降雨等外界因素的影響，用lnR作為效應值來評估指標[24]，計算公式為:

lnR=ln(NUE(NPK+Biochar))-ln(NUE(NPK))

(2)

式(2)中，R為相應比；NUE(NPK+Biochar)為處理組作物氮肥利用率的平均值；NUE(NPK)為對照組作物氮肥利用率的平均值。

為更直觀地觀察生物炭對作物氮肥利用率的影響效果，需將lnR轉化為氮肥利用的增效率(Z)：

Z=(R-1)×100%

(3)

若Z的95%置信區間跨過橫坐標原點，則說明施用生物炭對NUE的差異顯著，反之95%置信區間與0重疊，則說明施用生物炭對NUE無影響[25]。

2 結果與分析

2.1 地域對氮肥利用率增效作用的影響

國外地區僅有2篇文獻符合要求，因此不納入本節討論。我國土壤耕地面積廣，不同地域的土壤質地、理化性質差異很大，生物炭改良效果也會有很大差別。不同地域下NPK+BC和NPK處理下作物氮肥利用率如圖1A所示，在不添加生物炭情況下，東北地區的氮肥利用率最高，達到了42.66%，其次是華北地區達到39.75%，最低的是華東、南方以及西北地區氮肥利用率約為30%。施用生物炭對作物氮肥利用率的增幅效果如圖1B所示，總體來說NPK+BC較NPK處理下作物的氮肥利用率提高4.76%。從各個區域氮肥利用率提高效果來看，南方地區生物炭的增加效果最為明顯，提高了11.73%，其次是東北、華東和西北地區，分別提高了6.56%、6.39%和6.07%。與NPK處理比較，華北地區施用生物炭對氮肥利用率的增加效果不顯著(圖1B)。這可能是由于南方土壤地區高溫多雨，土壤淋溶作用強烈，導致土壤養分貧瘠，添加生物炭后效果更加顯著。

圖1 不同地域下單施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)氮肥利用率的差異(A) 以及生物炭對氮肥利用率的增長幅度(B)Fig.1 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar in different regions(A) and the increment of NUE by applying biochar(B)

2.2 生物炭及氮肥用量對氮肥利用率增效作用的影響

不同生物炭施用量對作物氮肥利用率的增幅見圖2，氮肥利用率隨著生物炭施用量的增加呈下降的趨勢。當生物炭施用量≤1%，生物炭的增效作用最明顯，氮肥利用率提高了3.43%；而施用生物炭用量>1%對氮肥利用率的促進效果反而不顯著。這可能是一方面由于高添加量的生物炭會吸附土壤中的氮素營養，另一方面是土壤碳氮比過高，引起土壤中有效氮的生物固定。生物炭的氮肥利用率增效作用隨著施氮量的增加呈現降低的趨勢，在氮肥施用量≤120 kg/hm2時，生物炭的氮肥利用率的增幅最高，達到10.73%；而當氮肥施用量>120 kg/hm2時，生物炭的氮肥利用率的增幅降為2.33%～7.87% 。

圖2 不同的生物炭以及氮肥添加水平下對氮肥利用率的增長幅度Fig.2 Increment of NUE under different levels of biochar and nitrogen fertilizer

2.3 試驗類型以及作物種類對氮肥利用率增效作用的影響

從圖3A可見，僅施用氮肥情況下經濟作物的氮肥利用率為19.90%，糧食作物的氮肥利用率達到27.44%。生物炭的增幅如圖3B所示，結果顯示，NPK+BC較NPK處理下經濟作物的氮肥利用率提高了3.70%。糧食作物較經濟作物的氮肥利用率提升更為顯著，氮肥利用率提升了5.71%(圖3B)。這可能是由于追求經濟效益，經濟作物生長過程施用了過多氮肥，造成氮肥利用率偏低。

目前探究生物炭對作物氮肥利用率影響的試驗類型主要是田間試驗和盆栽試驗。從圖3A可見，在NPK處理下，盆栽試驗的氮肥利用率為24.89%，而大田試驗的氮肥利用率34.50%。從整合分析中發現(圖3B)，施用生物炭處理后大田試驗和盆栽試驗的氮肥利用率分別提高9.66%和2.55%，且大田試驗中施用生物炭后氮肥利用率的增效作用更為明顯。

圖3 不同作物種類及試驗類型下單施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)氮肥利用率的差異(A)以及氮肥利用率的增長幅度(B)Fig.3 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar under different crop typesand types of experiments(A) and the increment of NUE(B)

2.4 生物炭性質對氮肥利用率增效作用的影響

生物炭自身理化性質的差異，也是影響氮素利用率增幅的重要因素之一。從圖4可見，不同材料生物炭對作物氮肥利用率的增效作用不同，相較于NPK處理，添加木質材料、秸稈材料、殼渣材料制備的生物炭氮肥利用率分別提高了7.99%、6.83%、1.12%，這可能是由于不同材料制備的生物炭在養分、pH方面存在差異。本研究發現當生物炭含氮量和pH越高，生物炭對氮肥利用率的增幅作用越明顯。當生物炭的含氮量>2%，生物炭對氮肥利用率的增幅為19.43%，pH為9～10時生物炭的增效作用最明顯，生物炭對氮肥利用率的增幅為5.01%。

圖4 不同性質的生物炭對氮肥利用率的增長幅度Fig.4 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar under different properties of biochar

2.5 土壤養分對氮肥利用率增效作用的影響

圖5 不同土壤養分狀態下單施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)的氮肥利用率(A) 以及生物炭對氮肥利用率的增長幅度(B)Fig.5 The NUE between NPK and NPK+Biochar in different basic soil nutrient status(A) and the increment of NUE by applying biochar (B)

3 討 論

通過整合分析研究了影響生物炭提高作物氮肥利用率的因素，結果表明，我國南方地區施用生物炭對作物氮肥利用率的提升效果最明顯，這可能是因為南方地區的土壤類型主要屬于酸性紅壤，紅壤地區高溫多雨，土壤淋溶作用強烈，酸脅迫嚴重、肥力低下導致當地作物的氮肥利用率不高[26-27]。在土壤pH偏酸，有機質、速效氮含量較低時，添加生物炭對作物氮肥利用率的提升效果十分明顯。由于生物炭表面具有豐富的堿性官能團，施入土壤后pH顯著升高[28-29]。研究發現，施用生物炭對紅壤和磚紅壤具有積極的改土培肥效果，增加土壤養分、改善土壤微生物群落，對作物具有顯著的增產效應[30-31]。當有機質含量>30 g/kg、速效氮含量>120 mg/kg時，生物炭的增效作用明顯降低，這可能是由于在肥力較高的土壤，施用生物炭破壞了土壤的碳氮平衡，引起土壤中“爭氮效應”的發生。我國西北、華東和東北地區生物炭的增效作用較南方地區有明顯降低，可能是由于這些地區的土壤養分相對于南方地區較為肥沃，因此，外源添加的生物炭在生產當季沒有顯著的增效作用[32]。

生物炭對于作物的養分吸收效率與外界氮肥、生物炭的施用量有很大的關系[33-35]。整合分析發現，低投入量的生物炭有利于提高作物的氮肥利用率，隨著生物炭施用量的增加，作物的氮肥利用率反而降低。王悅滿等[36]研究也發現，施用3%的水熱裂解生物炭顯著抑制了水稻產量，對氮肥利用率和農學效率產生了消極影響。這可能是由于生物炭具有豐富的比表面積和孔隙結構，較高的施炭量吸附了一部分養分，從而在一定程度上抑制了根系的養分吸收[37]。此外，氮肥利用率的降低也可能與生物炭的成分有關，在長期雨水淋洗條件下，土壤中生物炭釋放的這些有機物質會影響氮礦化和微生物活性，會對作物生長產生不利影響[38-39]。有研究表明氮素是影響作物的產量以及品質形成的重要因子，適量的氮肥可促進作物對氮素的吸收和利用，過量施氮會引起無機氮在土壤中累積，降低肥料利用率，增加氮素面源污染的潛在風險[40-41]。相關研究表明，隨著施氮水平的提高，水稻植株氮素累積量迅速增加，但施氮量超過225 kg/hm2后，多數水稻品種的氮素吸收量不再增加[42]。肖小軍等[43]研究發現，施氮量對早稻氮肥吸收以及利用效率具有顯著影響。隨著施氮量的增加，總吸氮量表現出增加的趨勢，但當氮肥投入量達到210 kg/hm2時，氮肥利用率顯著低于其他施氮量處理。因此，在研究生物炭提高作物氮肥利用率的同時，應考慮氮肥的施用量，維持土壤氮素平衡，充分考慮土壤殘留氮的后效，降低氮肥施用量，以免造成浪費，增大面源污染潛在風險。

根據整合分析結果，我們發現糧食作物施用生物炭對氮肥利用率的增效作用高于經濟作物(圖3)。閆湘[44]調查發現我國不同作物氮肥施用水平中，糧食作物施用量最低，平均為245.1 kg/hm2，而蔬菜作物、果樹施用量達到了573、724.5 kg/hm2，是糧食作物的2～7倍，這也直接導致經濟作物的氮肥利用率較低。這可能是由于經濟作物帶來的效益高，為了保持高產量，農戶投入較多的肥料。盆栽試驗和大田試驗主要用于模擬植物生長環境，盆栽試驗條件易于控制，試驗結果較好，而大田試驗更加貼近實際情況，能更真實反映試驗結果。研究表明大田試驗中生物炭的增效作用明顯高于盆栽試驗。這可能是由于盆栽試驗與大田試驗在土壤通透性上存在差異，土壤通透性是保持土壤空氣質量、維持土壤肥力不可缺少的條件，而盆栽試驗由于土壤底部完全密閉，從而抑制了作物根系的伸長[45]。

目前，生物炭對氮素利用率的研究大多是針對單一的生物質材料，缺少不同生物炭效果之間的比較[46]。本研究整合分析結果發現，生物炭的增效作用表現為：木質材料>秸稈材料>殼渣材料。殼渣材料對生物炭氮肥利用率的提升效果不明顯，這可能是因為殼渣類材料比表面積大，能提供較多的吸附位點，對土壤氮素養分吸收能力較強[47]。生物炭自身的含氮量對土壤速效氮含量有促進作用，本研究發現當生物炭含氮量>2%時，生物炭的增效作用達到了19.43%。生物炭的pH值越高，對作物氮肥利用率的促進作用越明顯。這可能是由于我國土壤大多數呈酸性或者弱酸性，該地區土壤貧瘠，供氮能力弱，施用生物炭可以明顯提高土壤的pH值，緩解鋁毒、酸毒脅迫，從而提高作物的氮肥利用率[48]。

因此，在選擇生物炭提高作物氮肥利用率時，應盡可能選擇pH較低、養分貧瘠的地區,生物炭對氮肥利用率的提升效果最好。此外，我們要充分考慮生物炭的特性、施用量等因素以達到更好提升作物氮肥利用率的效果。