生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤養(yǎng)分和肥力的影響

崔文芳，陳 靜，魯富寬，秦 麗，秦德志，王利平，高聚林

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

【研究意義】生物炭通常指農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒產(chǎn)生的富碳產(chǎn)物[1]，炭化后具有多微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，施入土壤后能夠降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)性。生物炭的高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)特征還使其具備了極強(qiáng)的吸附能力[2]，增加土壤有機(jī)碳庫存，可增加土壤中的有效水分、養(yǎng)分，提高土壤供氮能力[3]，改善根際土壤環(huán)境，提升肥料利用率，成為農(nóng)業(yè)中改善土壤狀況、節(jié)本增效的理想材料[4]。【前人研究進(jìn)展】戰(zhàn)秀梅等[5]通過 4 年連續(xù)定位試驗(yàn)，研究生物炭對棕壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳和全氮分別增加了27.6%和75.6%。史思偉[6]依托持續(xù)10年的生物炭的田間定位試驗(yàn)，認(rèn)為長期施用生物炭對土壤pH值沒有顯著影響，但容重降低2.2%～8.2%，土壤電導(dǎo)率降低1.5%～7.8%，土壤有機(jī)質(zhì) (SOM) 含量增加57.7%～123.1%，總氮含量提高11.3%～21.9%，有效磷含量顯著降低了23.1%～42.0% ，速效鉀含量上升了2.0%～23.1%。長期施用生物炭提升了土壤肥力，尤其是對土壤有機(jī)質(zhì)的提升有顯著效果。Zhang Q，Du Z等[7]研究表明，生物炭使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了，且達(dá)到了顯著性水平。生物炭的含碳量高，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定的保存在土壤中，有利于土壤中有機(jī)碳的累積。【本研究切入點(diǎn)】大量研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤本體有機(jī)質(zhì)存在激發(fā)效應(yīng)，尤其是負(fù)的激發(fā)效應(yīng)較多[8]，抑制了土壤本體有機(jī)碳的分解，減少了土壤碳輸出。以上研究結(jié)果均是單純施用生物炭，而未施行氮肥減量。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)是生物炭與氮肥減量調(diào)控措施相結(jié)合，旨在明確生物炭結(jié)合氮肥減量對土壤肥力和土壤質(zhì)量有何影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)敕勒川農(nóng)業(yè)博覽園(土默特右旗薩拉齊鎮(zhèn)北只圖村)進(jìn)行。試驗(yàn)地前茬是玉米，土質(zhì)是壤土，土壤有機(jī)質(zhì)24.65 g/kg，堿解氮41.56 mg/kg，速效磷8.19 mg/kg，速效鉀74.98 mg/kg。玉米秸稈生物炭由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供，熱解溫度為500～600 ℃，其性質(zhì)為：全碳42.5%，全氮8.9 g/kg，全磷3.8 g/kg，全鉀32.3 g/kg，速效磷120 mg/kg，速效鉀289 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，氮肥是主區(qū)，品種是副區(qū)。主處理為C0(CK，純N300 kg/hm2)、C1(生物炭3000 kg/hm2+純N300 kg/hm2)、C2(生物炭3000 kg/hm2+純N255 kg/hm2)、C3(生物炭3000 kg/hm2+純N210 kg/hm2)、C4(生物炭3000 kg/hm2+純N165 kg/hm2)，副處理為氮高效鄭單958(ZD)和氮低效農(nóng)華101(NH)品種。共10個(gè)處理，重復(fù)3次。試驗(yàn)小區(qū)寬6 m，長4 m，南北行向，株距20 cm，行距60 cm，9行種植，種植密度為5500株/667 m2。生物炭作為底肥施入，于播種前施用，先將肥料均勻撒于地表，再翻地，將其翻入耕層 15 cm 左右。氮肥尿素在拔節(jié)和大口期以3∶7比例追肥。磷、鉀肥作基肥一次性施入，P2O5為210 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2，N肥按3∶6∶1比例分別于拔節(jié)、大口期、灌漿期隨水追施。試驗(yàn)中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。

各品種于2019年4月27日播種；5月10日出苗；6月23日追拔節(jié)肥、灌第1水；7月13日大喇叭口期追肥、灌第2水；7月25日開花期灌第3水；8月12日灌第4水；灌水總量為750 m3/hm2，9月25日收獲。

1.3 測試指標(biāo)及方法

于玉米吐絲期采集0～20 cm土壤樣品，用于理化性質(zhì)指標(biāo)的測定。土壤基本生物化學(xué)性質(zhì)采用鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》中的方法[9]測試；土壤有機(jī)碳采用 K2Cr2O7氧化外加熱法測定；土壤全氮采用全自動凱氏定氮儀測定；于玉米生理成熟期后15 d，田間每小區(qū)選取無缺苗斷壟且長勢整齊的兩行實(shí)收，待果穗風(fēng)干后考種，逐穗測定穗粒數(shù)后全部脫粒，測定百粒重，并計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤肥力的影響

2.1.1 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 由表1可見，5個(gè)主處理中，僅C2與C0差異顯著，且C0處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于C2，而C0、C1、C3、C4間差異不顯著，說明該試驗(yàn)中，短期生物炭與氮肥減量調(diào)控未能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。副處理中，C3的兩個(gè)副處理氮高效品種ZD958顯著高于氮低效品種NH101，顯著高于NH101 2.48%，C1的兩個(gè)副處理與之相反。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C0NH的有機(jī)質(zhì)含量最高，與C0ZD、C1NH、C2ZD、C3ZD、CNH處理差異不顯著，其中C0ZD、C2ZD、C3ZD處理的有機(jī)質(zhì)含量均較高，表明生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，氮高效玉米根際土壤有機(jī)質(zhì)含量相對豐富。

表1 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

C/N又稱“碳氮比率”、“碳氮比值”。有機(jī)物質(zhì)中碳和氮含量的比例,以C/N表示。由于微生物分解有機(jī)質(zhì)時(shí)的最適宜的C/N比為25∶1，故土壤C/N比是相對穩(wěn)定的。具有高C/N比的有機(jī)殘?bào)w進(jìn)入土壤，會引起作物與微生物對有效氮的強(qiáng)烈競爭，本試驗(yàn)張，生物炭與氮肥減量調(diào)控后，各處理C/N仍低于25∶1，未因?yàn)樵鍪┥锾亢偷蕼p量使C/N超出適宜范圍。因此，從為土壤微生物提供適宜的C/N方面考慮，生物炭與氮肥減量調(diào)控措施是可行的。

2.1.2 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤全氮含量的影響 由表2可見，5個(gè)主處理中，C1與C3全氮含量較高，二者差異不顯著，且顯著高于C2、C4、C0，而C2、C4均高于C0，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C1與C3兩個(gè)主處理利于土壤全氮含量的積累，且生物炭與氮肥減量調(diào)控措施有利于土壤全氮的積累。副處理中，C0、C2、C3、C4的兩個(gè)副處理氮高效品種ZD958有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于氮低效品種NH101，C1的兩個(gè)副處理差異不顯著，說明該試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，氮高效與氮低效品種對于土壤全氮的積累方面存在差異，而氮高效玉米品種根際土壤全氮含量更為豐富。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C1ZD958、C3ZD958處理的全氮含量較高，分別顯著高于相應(yīng)處理的氮低效品種4.90%、8.15%，說明生物炭與氮肥減量調(diào)控下，氮高效品種根際土壤全氮含量更豐富。

表2 生物炭與氮肥減量對土壤全氮含量的影響

表3 生物炭與氮肥減量對土壤速效磷含量的影響

2.1.3 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤速效磷含量的影響 由表3可見，5個(gè)主處理均達(dá)到顯著差異，且C1、C2處理間差異不顯著，但顯著高于其他處理，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C1、C2處理利于土壤速效磷含量的積累，且生物炭與氮肥減量調(diào)控利于土壤速效磷的積累。副處理中，除了C3，其他主處理的相應(yīng)副處理中，均表現(xiàn)為氮高效品種ZD958速效磷含量顯著高于氮低效品種NH101。說明該試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，氮高效與氮低效品種根際土壤速效磷積累存在差異。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C2ZD958、C2NH101處理的速效磷含量較高，而C2主處理的ZD958的速效磷含量(39.90 g/kg)顯著高于氮低效品種NH101(17.71 g/kg) 125.30%，C1主處理的ZD958的速效磷含量(30.87 g/kg)顯著高于氮低效品種NH101(24.65 g/kg) 25.23%。說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控下，C1、C2處理利于土壤速效磷的積累，同時(shí)氮高效品種根際土壤速效磷含量較氮低效品種具有一定優(yōu)勢。

2.1.4 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤速效鉀含量的影響 由表4可見，5個(gè)主處理均達(dá)到顯著差異，且C2顯著高于其它處理，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C2處理利于土壤速效鉀含量的積累，且生物炭與氮肥減量調(diào)控利于土壤速效鉀的積累。副處理中，C2、C4的副處理氮高效品種ZD958速效鉀含量均顯著高于氮低效品種NH101。說明該試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，氮高效與氮低效品種對于土壤速效鉀的積累存在差異。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C2ZD958、C2NH101處理的速效鉀含量較高，而C2主處理的ZD958的速效鉀含量(251.19 g/kg)又顯著高于氮低效品種NH101(196.88 g/kg) 27.59%，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控下，C2處理利于土壤速效鉀的積累，同時(shí)氮高效品種根際土壤速效鉀含量較氮低效品種具有一定優(yōu)勢。

表4 生物炭與氮肥減量對土壤速效鉀含量的影響

表5 生物炭與氮肥減量對土壤pH的影響

2.1.5 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤pH的影響 由表5可見，主處理C0、C4的土壤pH值顯著高于C1、C2、C3處理，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C0、C4處理利于提高土壤pH值。副處理中，C3的副處理中氮高效品種ZD958根際土壤pH值高于氮低效品種NH101，C2與其相反。說明該試驗(yàn)設(shè)計(jì)使氮高效與氮低效品種根際土壤pH值產(chǎn)生差異。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C0ZD958、C0NH101、C4ZD958、C4NH101處理的土壤pH值提高較明顯，分別達(dá)到8.30、8.28、8.18、8.31，相互間差異均不顯著。

2.1.6 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤電導(dǎo)率的影響 由表6可見，5個(gè)主處理均達(dá)到顯著差異，且C2處理顯著高于其他處理，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C2處理利于提高土壤電導(dǎo)率，且生物炭與氮肥減量調(diào)控利于提高土壤電導(dǎo)率。副處理中，除了C0、C3，其他主處理的相應(yīng)副處理中，均表現(xiàn)為氮高效品種ZD958根際土壤電導(dǎo)率顯著高于氮低效品種NH101。說明該試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，生物炭與氮肥減量調(diào)控能提高氮高效玉米品種根際土壤電導(dǎo)率。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C2ZD958、C1ZD958處理的根際土壤電導(dǎo)率均較高，C2ZD958(990.63 μs)顯著高于C1ZD958(926.93 μs) 6.87%，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控下，C2處理利于提高土壤電導(dǎo)率，同時(shí)氮高效品種根際土壤電導(dǎo)率較氮低效品種具有一定優(yōu)勢。

表6 生物炭與氮肥減量對土壤電導(dǎo)率的影響

表7 生物炭與氮肥減量對土壤陽離子交換量的影響

2.1.7 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤陽離子交換量的影響 土壤膠體表面吸附陽離子與土壤溶液中的陽離子可相互交換的作用。對這種能相互交換的陽離子稱為交換性陽離子。陽離子交換量(CEC)可以反應(yīng)土壤的保肥力、供肥力、緩沖力，常被用來作為衡量土壤肥沃與否的重要指標(biāo)[10]。由于生物質(zhì)炭表面有很多的陰離子，所以無論添加到酸性土壤還是堿性土壤，都能夠提高土壤CEC[11]。CEC在10～20 cmol(+)/kg時(shí)土壤保肥能力中等，>20 cmol(+)/kg時(shí)土壤保肥能力強(qiáng)。

由表7可見，主處理C0、C1、C3、C4間差異不顯著，但高于C2處理，說明在生物炭與氮肥減量調(diào)控條件下，C2處理對于提高土壤陽離子交換量作用較弱，而C1、C3、C4有利于提高土壤陽離子交換量，提高土壤保肥能力。各副處理差異均不顯著。裂區(qū)設(shè)計(jì)的處理組合間比較，C2ZD958、C2NH101處理的根際土壤陽離子交換量低于其他處理，其它處理間差異不顯著。表明在生物炭與氮肥減量調(diào)控下，C2處理對于提高土壤陽離子交換量效果不顯著。陽離子交換作用是可逆的快速的，是等量電荷交換。

2.2 生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤質(zhì)量的影響

由表8可見，各處理的土壤質(zhì)量指數(shù)存在一定差異。5個(gè)主處理中，C2的土壤質(zhì)量指數(shù)最高，其次是C1，分別為0.746、0.643，這兩個(gè)處理分別是生物炭3000 kg/hm2與純N 300、255 kg/hm2配施，C0最低，C0是僅施用氮肥尿素處理，表明生物炭與氮肥減量調(diào)控措施能夠有效提升土壤質(zhì)量。副處理的表現(xiàn)為：C2ZD、C1ZD的土壤質(zhì)量指數(shù)較高，分別為0.950、0.701，與此同時(shí)，這兩個(gè)處理對應(yīng)的氮低效品種土壤質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)也較高，分別為0.542、0.584。說明C2、C1兩個(gè)處理對于提高土壤質(zhì)量具有一定效果。

表8 生物炭與氮肥減量對土壤質(zhì)量的影響

3 討 論

生物炭本身含有氮、磷、鉀等植物生長所需的各種養(yǎng)分元素，施入土壤中可以起到補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的作用，Singh 等[12]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 400 ℃與 550 ℃制備的生物炭能對土壤養(yǎng)分起到吸附、負(fù)載、釋放和增加緩釋效應(yīng)，也能截留土壤中的養(yǎng)分和延長養(yǎng)分在土壤中的停留時(shí)間。生物炭對土壤養(yǎng)分元素的緩釋效應(yīng)主要是由于其自身的理化性質(zhì)所決定的，生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積使它能夠吸收和容納大量的養(yǎng)分元素，其表面豐富的化學(xué)官能團(tuán)與養(yǎng)分離子之間相互作用，能夠吸附負(fù)載養(yǎng)分離子，因而能夠有效抑制淋溶、下滲等因素導(dǎo)致的養(yǎng)分損失，同時(shí)可以緩慢持續(xù)的釋放養(yǎng)分[13]，達(dá)到保持土壤養(yǎng)分的效果。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，施用生物炭可有效增加土壤全氮、速效磷、速效鉀含量，達(dá)到增加土壤養(yǎng)分提高土壤肥力的作用。

大量短期的室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)研究表明，施用生物炭可以增加土壤碳固定，提升土壤肥力[14]，關(guān)于生物炭的長期土壤肥力效應(yīng)，史思偉等[6]依托持續(xù)10年的生物炭的田間定位試驗(yàn)，研究了長期施用生物炭對土壤肥力狀況的影響。結(jié)果顯示，與對照相比，長期施用生物炭對土壤pH值沒有顯著影響，但容重降低了2.2%～8.2%，電導(dǎo)率降低了1.5%～7.8%，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加57.7%～123.1%，總氮含量提高11.3%～21.9%，總磷沒有顯著性變化。土壤有效磷含量顯著降低了23.1%～42.0%，速效鉀含量上升了2.0%～23.1%。總體而言，長期施用生物炭提升了土壤肥力，尤其是對土壤有機(jī)質(zhì)的提升有顯著的效果。施用生物炭土壤pH值略有提高，但是變化未達(dá)到顯著性差異水平，生物炭處理速效鉀的含量提升了20%～30%。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，生物炭與氮肥減量調(diào)控對土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量沒有顯著影響，但生物炭3000 kg/hm2與純N 300、255 kg/hm2配施利于土壤全氮、速效磷、速效鉀含量的積累，C1ZD958、C3ZD958的全氮含量分別顯著高于相應(yīng)處理的氮低效品種4.90%、8.15%，C2主處理的ZD958的速效磷含量顯著高于氮低效品種NH101 125.30%，C1主處理的ZD958的速效磷含量顯著高于氮低效品種NH101 25.23%； C2主處理的ZD958的速效鉀含量又顯著高于氮低效品種NH101 27.59%，施用生物炭后各處理電導(dǎo)率均顯著提高，C2處理提高最顯著，C2ZD958顯著高于C1ZD958 6.87%，生物炭與氮肥減量調(diào)控對提高土壤陽離子交換量效果不顯著。生物炭與氮肥減量調(diào)控措施能夠有效提升土壤質(zhì)量，C2、C1的土壤質(zhì)量指數(shù)最高。生物炭本身包含較高的全氮、全磷、全鉀、速效鉀，因此，施入土壤之后顯著增加了土壤速效鉀積累，這與本試驗(yàn)結(jié)果中各處理土壤速效鉀顯著高于對照一致。

史登林等[15]研究認(rèn)為，在貴州中等肥力黃壤稻田施行生物炭(5 t/hm2)與氮肥減量(20%，即施用120 kg/hm2)配施效果最好，袁晶晶[16]研究發(fā)現(xiàn)在河南濮陽地區(qū) 10 t/hm2的生物炭配施300 kg/hm2效果最佳，這可能是土壤肥力、土地利用方式不同所致。孟繁昊[17-18]研究推薦在種植玉米的沙壤土中生物炭(8 t/hm2)與氮肥(150 kg/hm2)配施效果最好，武沛然[19]推薦在種植甜菜的鹽堿地中施用生物炭替代10%的化學(xué)氮肥效果最佳，這可能是由于土壤類型、土壤肥力和耕作模式等不同所致。本試驗(yàn)的結(jié)果顯示，應(yīng)用于氮高效玉米品種，生物炭3 t/hm2與純N 300、255 kg/hm2配施效果最顯著，施行周期很短，但對土壤質(zhì)量具有一定提升效果，今后將開展連續(xù)多年的定點(diǎn)試驗(yàn)，對土壤肥力和土壤質(zhì)量的調(diào)控效果進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

C2的土壤質(zhì)量指數(shù)最高，其次是C1，分別為0.746、0.643，這兩個(gè)處理分別是生物炭3000 kg/hm2與純N 300、255 kg/hm2配施，C0最低，C0是僅施用氮肥尿素處理，表明生物炭與氮肥減量調(diào)控措施能夠有效提升土壤質(zhì)量。C2ZD、C1ZD的土壤質(zhì)量指數(shù)較高，分別為0.950、0.701，與此同時(shí)，這兩個(gè)處理對應(yīng)的氮低效品種土壤質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)也較高，分別為0.542、0.584。說明盡管短期采取生物炭與氮肥減量調(diào)控措施，但對土壤質(zhì)量提升仍有顯著效果，而生物炭3000 kg/hm2與純N 300、255 kg/hm2配施效果最顯著，可顯著改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)氮高效玉米的氮吸收，是玉米高產(chǎn)高效種植中減氮增效的可行管理措施。