生物炭施用對土壤氮素及玉米植株吸氮量的影響*

王 娟，孫旭光，張 君

（南陽師范學院水資源與環境工程學院，河南 南陽 473061）

生物炭是由枯枝、枯葉、作物秸稈等農業廢棄物及動物尸體在絕對無氧或低氧條件下所產生的高含碳量固體微粒[1]。由于其具有弱堿性、疏松多孔的特點，使得其具有較好的吸收性，因此能夠儲存水和營養物質，提高土壤中的有機質含量。生物炭中的孔隙和表層也可以為微生物提供生長條件，增加土壤微生物的數量和活力。因此，近年來生物炭在農業、環保等方面的應用越來越受到重視。

土壤中的生物炭通過微生物的分解后，被釋放入土壤，促進了土壤有機物質的分解、營養的循環，成為土壤的一個重要的指標[2]。因此，營養物質的循環系統是一個非常重要的因素，其活力依賴于微生物活性、微生物活力以及養分的循環系統。

目前，生物炭對土壤酶活性的影響研究結論較少。大多數研究集中在碳氮物質循環中涉及的幾種酶上，受到土壤種類、生物炭表面結構及添加劑用量的綜合影響而復雜變化[3-5]。由于其化學結構及特性，生物炭在糧食生產中的用途十分廣泛，如利用生物碳來改善土壤理化性質，施用后，可改善土壤酸堿度；有利于土壤中的重金屬吸收[6-7]；提高土壤通透性，減少土壤容重和土壤的質量[8-9]；增加土壤離子交換量，提高土壤中有機物及有機碳濃度[10]；調節土壤脲酶、過氧化氫酶等的含量，提高微生物種群數量[11]。生物炭可以修復土壤，又能夠起到施肥效果，促使作物生長。生物炭可提高土壤鉀和其他微量元素的含量。生物炭施入土壤后，能夠提高玉米種子的萌發率、提高玉米植株的生物量，進而有效增加作物產量[12-13]。因此，本研究以玉米秸稈生物炭為試驗材料，探究生物炭施用對土壤氮素及玉米植株吸氮量的影響，為作物氮素的吸收提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生物炭為河南三利新能源公司產品，利用玉米秸稈在400～500 ℃高溫下熱解4 h制取，生物炭的基本理化性質分別為：pH=8.2、全碳31.07%、全氮（N）0.45%、全磷（P2O5）0.75%、全鉀（K2O）4.6%、比表面積26.9 m2/g、孔徑2.14 nm、灰分含量24.3%。

供試作物：玉米品種為鄭單958。

1.2 試驗設計

本研究共設5個處理，分別為：不施生物炭對照組（CK），生物炭處理濃度：30 g/kg（BC1）、60 g/kg（BC2）、90 g/kg（BC3）、120 g/kg（BC4），選用內徑為30 cm，高度20 cm的盆缽，每盆裝經5 mm孔徑過篩的風干土5 kg，復合肥一次性基施2 g/kg。在本次試驗土壤處理工作開始前，澆水達到田間土壤持水量80%左右。玉米種子置25 ℃溫水浸泡24 h后于2021年3月20日進行播種，每盆播8粒種子，播種一周后每盆定苗4株。取樣測定土壤氮轉化及理化指標。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集

于玉米生長30 d后采集土壤樣品。將樣本分為兩份，一份在樣品盤上鋪成薄層，置于透氣、陰涼處，防止日光照射。將風干后的土樣進行研磨，過孔徑為0.149 mm的細篩后將土壤樣本篩入貯存袋中；另一份鮮樣冷凍保存，用于檢測土壤酶的活性。

1.3.2 玉米氮素含量測定

于玉米生長30 d后各處理采集2株植株，將植株按葉片、莖稈、苞葉、莖軸、玉米籽粒等分離，將表面浮塵清洗干凈后在烘箱105 ℃的溫度條件下殺青30 min，以去除雜物和細菌，再80 ℃烘干直至恒重，用電子天平稱量玉米葉片、莖稈等干物質重。將植物樣品碾碎后，用H2SO4-H2O2方法進行消煮，用AA3雙流路流速測定系統測定氮濃度。

1.3.3 玉米干物質量測定

于玉米生長30 d后各處理隨機選取2株植株，分地上部和地下部將表面浮塵清洗干凈后在烘箱105 ℃的溫度條件下殺青30 min，去除雜物和細菌80 ℃烘干直至恒重，用天平稱量各器官干物質重。

1.3.4 土壤理化性質測定方法

利用水浸提電勢測定土壤pH，浸提劑與土壤比例為2.5∶1；利用重鉻酸鹽測定土壤中的有機物；采用堿解-漫射儀測定土壤的堿解氮含量；采用氫氧化鈉溶液浸提-氧化銻的方法對高效磷進行分析；利用NH4OAc溶液萃取和火焰分光光度計，對有效鉀進行分析。

1.3.5 土壤酶活性測定方法

1.3.5.1 土壤脲酶活性

土壤脲酶用水楊酸鈉比色法進行比較測定：取5 g冷凍保存的土壤，添加2.5 mL、0.08 mol/L的尿素溶液，再添加20 mL、pH為10的硼酸緩沖液，37 ℃培養2 h。培養結束后添加30 mL1 mol/L氯化鉀溶液和0.01 mol/L鹽酸溶液的混合溶液，均勻過濾。利用水楊酸鈉與氫氧化鈉的混合溶液進行比色，以每克土壤2 h內所生成的NH4+-N濃度來表示，單位為mg/g[3]。

1.3.5.2 土壤過氧化氫酶活性

利用滴定法來檢驗過氧化氫酶：首先在2 g土樣中加入40 mL蒸餾水和0.3% H2O2溶液5 mL，振蕩后加入1.5 mol/LH2SO4溶液5 mL立即停止反應，用濃度為0.02 mol/L的KMnO4溶液對殘留的H2O2溶液進行滴定。土壤過氧化氫酶活性可以通過每克干土所消耗的KMnO4溶液的毫升數表示，單位為mL/g[3]。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤養分的影響

對已經培養了30 d的盆栽土壤進行養分測定（見表1），與CK相比，BC4處理pH顯著提高，提高了0.64，施用生物有機碳處理的植物有機質含量增加范圍為12.9%～35.8%；施用生物炭可以提高土壤中銨態氮含量，以BC3處理較CK相比，銨態氮含量顯著增加。施用生物炭后，各處理與CK 相比，硝態氮含量有不同程度的降低；但施用生物炭各處理土壤全氮含量與CK差異不顯著。

表1 生物炭對土壤氮素含量的影響

2.2 不同處理對土壤酶活性的影響

生物炭具有特殊的理化性質，加入后土壤理化性質有所改變，同時也對土壤中的酶活力產生影響。由圖1可以看出，不同濃度的生物碳對土壤中的酶活力均有一定的提升作用。其中脲酶活性在BC3處理中達到最高值，與BC2和BC4處理差異不顯著，與CK處理比較，則顯著增加了28.4%；施用生物炭對土壤中過氧化氫酶的影響較小，各處理與CK相比差異不明顯（圖2）。

圖1 施用生物炭對土壤脲酶活性的影響

圖2 施用生物炭對土壤過氧化氫酶活性的影響

2.3 不同處理對玉米干物質量的影響

不同處理對玉米干物質量產生的影響（圖3）表明：地上部和地下部玉米干物質量隨著生物炭施用量的增加而呈上升態勢，植株干物質量的活性在BC3處理中達到了最高。不同生物炭處理之間地上部玉米干物質積累量差異不顯著，但與CK處理相比，生物炭處理增加了地上部干物質量。玉米地下部，BC3與BC2和BC4處理差異顯著，BC3與CK處理相比，顯著增加105.3%。

圖3 施用生物炭對玉米干物質量的影響

2.4 不同處理對玉米植株氮素吸收量的影響

由生物炭對玉米植株氮素吸收量的影響（表2）可知，玉米氮素吸收量隨著生物炭施用量的增加呈現增加趨勢。玉米地上部，氮素的含量在BC3處理中達到最高水平，BC3處理與BC2、BC4處理的差異不顯著，BC3處理與CK處理相比玉米地上部氮素吸收量略有提升；玉米地下部，氮素吸收量在BC3處理中達到峰值，而BC3處理與BC2、BC4的處理差異顯著，BC2、BC3、BC4處理與CK處理相比氮素吸收量均有大幅提升。

表2 施用生物炭對玉米各器官氮素吸收量的影響

3 討論

近年來，關于施用生物炭對土壤理化性質影響的研究受到了研究者的廣泛重視，因為生物炭的多孔特性可截留大量營養物質，施用后可緩解土壤養分流失。本實驗結果表明，施用生物炭土壤pH和養分濃度都有所提高，主要由于原生炭的灰分中含有大量的弱堿性化合物，如碳酸鹽（CaCO3和MgCO3）和有機酸根（-COO-）等，在施用后提高了土壤鹽基飽和度，因而提高了土壤的pH。

3.1 生物炭對土壤酶活性的影響

實驗結果表明，通過一次性施炭能夠改善土壤脲酶和過氧化氫酶活性，土壤酶活性與土壤肥力水平呈正相關。脲酶作為一種重要的水解酶，參與了土壤氮素的循環，而過氧化氫酶的活性則能反應土壤的氧化與腐熟程度[14]。

施入生物炭后，土壤脲酶的活性得到了顯著的提高。有研究表明，生物炭可有效地吸附植物根中的反應基質，從而促進酶的活力；但是由于生物炭成分及其對有機物吸收的特殊性，其對酶活力的影響也不是單一的，土壤酶活性變化的程度與其本身特性、特性及添加量有關[15]。本研究結果顯示：生物炭施用量30～120 g/kg時，土壤中的脲酶、過氧化氫酶活力都有顯著提高，且隨著施用劑量的增大呈上升的趨勢。在一定程度上，利用生物炭能促進微生物的增殖，并提高過氧化氫酶和脲酶的活性；另一方面脲酶促進尿素水解產生NH4+，施用生物炭可以對NH4+進行吸收，進而加速NH4+的消耗。在施用生物炭后，土壤磷酸鹽的含量降低13.5%～19.4%，這與土壤的pH呈負相關。這是因為經生物炭中和后的土壤pH升高，使酸性磷酸酶活力下降。

前人研究結果表明，生物炭與化肥配合施用可以顯著提高土壤脲酶和過氧化氫酶的活力，并與氮肥協同作用促進了土壤微生物的生長，進而增強土壤酶活性[14]，而本實驗結果也驗證了這一理論。

3.2 生物炭對玉米植株干物質量的影響

配施生物炭可以提高玉米干物質重，且隨著生物炭的施入量增加出現上升態勢。合理使用生物炭可有效提高玉米全株干物質積累量。在玉米產量構成中，大部分來自地上部干物質積累，而對其它營養器官貯藏物料的運輸，又具有十分關鍵的意義。本研究中各生物炭處理均提高了干物質運輸率、轉運率以及對籽粒干物積累貢獻率，從而提高了籽粒重量比，為后來玉米生產率的進一步提高，打下了物質基礎。特別是BC3處理干物質量明顯提高，這對籽粒形成及增產必不可少[16]。

3.3 生物炭對玉米各器官氮素吸收量的影響

土壤全氮和硝態氮含量隨著生物炭的施用濃度的增加先升高后降低，土壤中銨態氮含量與生物炭施用量成反比關系，這與先前研究結論一致。通過適度的氮肥與合理生物炭配施，能夠提高作物根際區土壤中有效氮的供給水平。呂貝貝[17]等實驗結果表明，施用生物碳與氮素可以提高土壤中全氮和堿解氮含量。其主要的作用有，一是由于生物碳具有良好的吸附性，可以幫助吸收和固定土壤和化肥中的氮，進而顯著降低了氮素流失，而且可以增加可供使用的營養元素的含量；二是由于生物炭的多孔性，對于進入生物炭中的氮素能延遲釋放，并延長化肥有效期，從而為植物提供生長周期所需要的養分；再者，利用生物炭可以增加土壤的含水量和孔隙，增加土壤的透氣性，從而增加微生物的活力，抑制氮類有機物的抗硝化作用，降低N2的產生與釋放，從而使土壤中的全氮含量明顯提高。其對土壤中銨態氮含量的影響主要原因有：（1）利用生物碳直接吸附苯酚（對硝化作用有一定的抑制作用）。（2）生物炭由于加大了土壤氨氧化細菌的含量，也間接加快了NH4+催化氧化的速度[18]。

4 小結

生物炭能夠有效改善土壤pH，配施生物炭可以提高玉米干物質重，且隨著生物炭的施入量增加出現上升態勢。通過適度的氮肥與合理生物炭配施，能夠提高作物根際區土壤中有效氮的供給水平，促進玉米對氮素的吸收。在生物炭處理達到90 g/kg時，對提高土壤酶活性、玉米干物質量、玉米植株氮素吸收量等方面效果最顯著。