減氮配施生物炭對花生—油菜輪作系統土壤肥力和花生產量與氮素利用的影響

趙耀東 侯江濤

摘要：探明氮肥減量配施生物炭對花生—油菜輪作系統土壤肥力和花生生長發育的影響，為氮肥減量增效背景下生物炭的合理施入提供理論依據。2020—2022年，以花生—油菜輪作系統為研究對象，設置不施肥（CK）、常規施肥（CF）、減氮15%+5.28 t/hm2生物炭（RN15B）、減氮30%+10.56 t/hm2生物炭（RN30B）、減氮45%+15.84 t/hm2生物炭（RN45B）、減氮60%+21.12 t/hm2生物炭（RN60B）6個處理，研究不同減氮配施生物炭處理對土壤養分含量、酶活性及花生產量、品質和氮素利用效率的影響。結果表明，與CK、CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理均可提高土壤養分含量、酶活性及花生產量、品質和氮素利用效率。其中，與CF處理相比，RN45B處理速效氮、有機質含量分別顯著提高10.23%、13.80%，RN60B處理速效磷、速效鉀含量分別顯著提高11.20%、17.89%，pH值均無顯著差異；RN45B處理脲酶活性顯著提高12.04%，RN60B處理蔗糖酶、堿性磷酸酶活性分別顯著提高11.89%、16.28%，RN30B處理過氧化氫酶活性顯著提高7.64%；RN45B處理花生產量、百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率分別顯著提高14.22%、17.33%、7.66%、6.89%、8.55%；RN45B處理花生含油率、油酸含量、亞油酸含量分別提高3.99%、5.19%、3.90%，油酸含量顯著提高，油亞比均無顯著差異；RN45B處理氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率分別顯著提高7.00%、14.21%、60.23%、11.43%。相關性分析表明，花生產量、品質及土壤養分含量與土壤酶活性變化密切相關。綜上，適量減氮配施生物炭能夠提高土壤肥力，促進花生生長發育，提升氮肥利用效率。

關鍵詞：施肥；生物炭；花生；土壤肥力；產量；品質；氮素利用效率

中圖分類號：S565.206；S344.1? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0081-07

化肥在保障我國糧食安全和農產品持續供給中伴有重要角色，據相關部門統計，截至2020年底，我國化肥使用量達5 250.9萬t，是世界上化肥使用最多的國家，且化肥利用率遠低于發達國家，對我國自然環境保護和綠色食品發展帶來了巨大挑戰［1-3］。花生是河南省重要油料與經濟作物，種植面積和產量均居全國第1位［4］。近年來，隨著農業供給側結構改革，花生產業迎來了新的發展機遇，而為提高花生產量和經濟效益，大量使用化肥，尤其是氮肥［5-6］。氮肥是花生生長必需的主要營養元素，在一定范圍內，氮肥施用量的提高能夠促進花生生長發育，提高花生產量［7-8］。但過量施用氮肥不僅造成氮素損失，環境污染加重，還易造成土壤結構失衡、肥力降低、土地生產力下降等問題，嚴重制約花生產業可持續發展［9-11］。因此，如何改進施氮措施，提高花生氮素利用效率，成為了未來花生產業健康持續發展的重要方向［12］。有研究表明，施氮時期、配施有機肥等措施是提升土壤肥力，促進作物生長發育及提高氮素利用效率的有效途徑［13-15］。袁光等的研究表明，減氮配施有機肥能夠明顯促進花生生長發育，增加地下部生物累積量，提高花生產量［16］。楊莉莉等的研究表明，有機肥替代部分化肥能夠顯著提高氮肥偏生產力、土壤酶活性以及作物產量［17］。劉中良等的研究表明，合理氮肥與有機肥比例能夠提高土壤養分含量、酶活性，降低作物硝酸鹽含量［18］。由此可見，氮肥減量與有機肥配施能夠對土壤肥力、作物成長發育及氮肥利用效率等產生不同的影響。

生物炭是由農作物秸稈等有機物在無氧或缺氧環境下高溫裂解生成的pH值高、碳穩定性與吸附力強的富碳物質，近年來，生物炭作為一種良好的土壤調理劑應用于各種農田［19-20］。有研究表明，生物炭施入土壤中能夠提高降低土壤容重，提高土壤肥力，改善土壤通風透氣狀況，有利于提升氮肥利用效率，促進作物生長發育［21-22］。因此，在氮肥減量增效的背景下，如何利用生物炭提高土壤肥力，提升氮肥利用率及花生氮素吸收等研究備受關注。近年來，氮肥減量配施生物炭對作物生長發育及土壤肥力的研究報道有很多［22-23］。關于氮肥減量配施生物炭對花生的研究也有部分報道，但主要集中在花生氮素吸收與利用及產量等方面［24-25］。關于探討氮肥減量配施不同比例生物炭對花生—油菜輪作田土壤養分、酶活性、花生產量、品質和氮素利用率的影響以及它們之間的關聯性變化，但目前缺乏系統性研究。為此，本研究通過田間定位試驗，研究不同氮肥減量與生物炭配施比例條件下花生—油菜輪作田土壤養分、酶活性、花生產量、品質及氮素利用率的變化特點，探討它們間的關聯性。找到適宜的配施比例，為氮肥減量增效背景下生物炭的合理施入提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年10月至2022年10月，在河南省商丘市睢陽區包公廟鎮朱樓村（115°52′E，35°84′N）進行，試驗點屬暖溫帶大陸季風性氣候，冬冷夏熱，四季分明。年均氣溫一般為13.5～14.5 ℃，年降水量一般為650～800 mm，年均日照時長約 2 200 h。供試土壤為黃潮土，土壤質地為中壤。試驗前土壤理化性質：堿解氮含量48.16 mg/kg，速效磷含量54.29 mg/kg，速效鉀含量112.82 mg/kg，有機質含量 10.60 g/kg，pH值為8.07。

1.2 供試材料

供試花生：冀花4號，由河北省農林科學院糧油作物研究所培育；供試油菜：中雙9號，由中國農業科學院油料作物研究所培育；供試化肥：純氮、過磷酸鈣（P2O5 16%）、硫酸鉀（K2O 50%）；供試生物炭：以油菜秸稈為原材料，在500 ℃厭氧高溫條件下燒制2 h而成，其養分含量為：N 4.26 g/kg、P2O5 3.82 g/kg、K2O 6.48 g/kg。

1.3 試驗設計

試驗按照等量施氮原則，設6個處理，分別為不施肥（CK）、常規施肥（CF）、減氮15%+5.28 t/hm2生物炭（RN15B）、減氮30%+10.56 t/hm2生物炭（RN30B）、減氮45%+15.84 t/hm2生物炭（RN45B）、減氮60%+21.12 t/hm2生物炭（RN60B）。其中，常規施肥處理化肥用量：純氮150 kg/hm2、過磷酸鈣600 kg/hm2、硫酸鉀150 kg/hm2。每個處理3次重復，隨機區組排列。小區面積42 m2，走道1 m，保護行3 m。花生生育期為6月15日至10月8日，種植密度約為15萬穴/hm2，行間距為60 cm。油菜生育期為11月1日至次年6月1日，直播，種植密度約為2.2 萬株/hm2。試驗中花生季進行減氮施肥處理，70%氮肥作為基肥施入，30%氮肥在花生結莢期進行追肥，磷肥與鉀肥均為基肥。花生季不進行特殊處理，按照當地常規種植。

1.4 樣品采集

土壤樣品采集：于2022年9月30日花生收獲前1周采集土壤樣品。利用專業螺旋土鉆及5點取樣法采集0～20 cm土樣，帶回實驗室后揀出雜物，自然風干，待用于土壤養分含量和土壤酶活性的測定。

植株樣品采集：于2022年9月30日花生收獲前1周采集花生莖葉、果殼和果仁，用于花生氮素吸收的測定。在花生收獲時，測定小區內花生產量，并在每個小區內采集連續10株花生用于花生品質和百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率和地上部生物量的測定。

1.5 測定項目與方法

土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量和pH值的測定分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉法、火焰光度法、重鉻酸鉀加熱法、水土比法［26］。土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性的測定分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法、磷酸苯二鈉比色法［27］。花生含油率、油酸含量、亞油酸含量均利用近紅外分析儀（Bruck Optics）進行測定。其中，油亞比=油酸含量/亞油酸含量。花生根、莖、葉、莢果含氮量均采用凱氏定氮法［26］。氮肥利用率計算公式如下：

氮素收獲指數=莢果氮素累積量/植株氮素累積量×100%；

氮肥偏生產力（kg/kg）＝施氮區莢果產量/施氮量；

氮肥農學效率（kg/kg）＝（施氮區莢果產量-對照區莢果產量）/施氮量；

氮肥利用率=（施氮區植株吸氮量－對照區植株吸氮量）/施氮量×100%。

1.6 數據分析

利用Excel 2018進行數據處理、計算與圖表制作，利用DPS 19.05進行數據差異顯著分析與相關性分析，利用CANOCO 5.0進行冗余（RDA）分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥減量配施生物炭對土壤養分含量和pH值的影響

由表1可知，不同減氮配施生物炭處理土壤養分含量和pH值存在明顯差異。與CK相比，不同施肥處理均可顯著提高土壤速效氮、速效磷、速效鉀和有機質含量，pH值也均不同程度地提高，但無顯著差異。而與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理均可不同程度地提高土壤速效養分、有機質含量及土壤pH值。其中，RN45B處理速效氮、有機質含量最高，較CF處理分別顯著提高10.23%、13.80%；其次是RN30B處理速效氮和RN60B處理有機質含量，顯著高于CF處理，而與RN45B處理相比均無顯著差異。RN60B處理速效磷、速效鉀含量均最高，較CF處理分別顯著提高11.20%、17.89%；其次是RN45B處理速效磷、速效鉀含量，顯著高于CF處理，而與RN60B處理相比均無顯著差異。不同施肥處理土壤pH值均無顯著變化。

2.2 氮肥減量配施生物炭對土壤酶活性的影響

由表2可知，不同減氮配施生物炭處理土壤酶活性存在顯著差異。與CK相比，不同施肥處理土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性均顯著提高。而與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理能夠不同程度地提高土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性。其中，RN45B處理脲酶活性最高，較CF處理顯著提高12.04%；其次是RN30B處理脲酶活性，顯著高于CF處理，而與RN45B處理相比無顯著差異。RN60B處理蔗糖酶、堿性磷酸酶活性最高，較CF處理分別顯著提高11.89%、16.28%；其次是RN45B處理蔗糖酶、堿性磷酸酶活性，顯著高于CF處理，而與RN60B處理相比均無顯著差異。RN30B處理過氧化氫酶活性最高，較CF處理顯著提高7.64%；其次是RN45B處理過氧化氫酶活性，顯著高于CF處理，而與其他施肥處理相比均無顯著差異。

2.3 氮肥減量配施生物炭對花生產量及構成因素的影響

由表3可知，不同減氮配施生物炭處理花生產量及構成因素存在顯著差異。與CK相比，不同施肥處理花生產量、百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率均不同程度提高。其中，不同減氮配施生物炭處理均顯著提高。而與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理花生產量、百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率也均不同程度提高。其中，RN45B 處理花生產量、百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率均最高，較CF處理分別顯著提高14.22%、17.33%、7.66%、6.89%、8.55%；其次是RN30B處理花生產量、百果質量、百仁質量、飽果率、出仁率。其中，與CF處理相比，RN30B處理花生產量、百果質量、百仁質量顯著提高，而與RN45B處理相比，RN30B處理除花生產量顯著降低外，其他指標均無顯著性差異。

2.4 氮肥減量配施生物炭對花生品質的影響

由表4可知，不同減氮配施生物炭處理花生各品質含量存在明顯差異。與CK相比，不同施肥處理花生含油率、油酸含量、亞油酸含量及油亞比均不同程度地提高。其中，油亞比均無顯著差異。與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理花生含油率、油酸含量、亞油酸含量均不同程度提高。其中，RN45B處理花生含油率、油酸含量、亞油酸含量較CF處理分別提高3.99%、5.19%、3.90%，油酸含量顯著提高，而含油率、亞油酸含量均無顯著性差異；其次是RN30B處理花生含油率、油酸含量、亞油酸含量，與CF、RN45B處理相比無顯著差異。不同施肥處理花生油亞比均無顯著性變化。

2.5 氮肥減量配施生物炭對花生氮素吸收的影響

由表5可知，不同減氮配施生物炭處理花生各部位對氮素的吸收存在較大差異。與CK相比，不同施肥處理根、莖、葉以及莢果含氮量均不同程度地提高。而與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理根、莖、葉以及莢果含氮量均不同程度地提高。其中，RN45B處理根、莢果含氮量較CF處理分別提高5.23%、3.77%，根含氮量顯著提高，而莢果含氮量無顯著差異；其次是RN30B處理根含氮量和 RN60B 處理莢果含氮量，與CF、RN45B處理相比無顯著差異。RN60B處理莖氮量最高，較CF處理顯著提高11.49%；其次是RN45B處理，顯著高于CF、RN15B處理，而與RN60B處理相比無顯著差異。RN30B處理葉含氮量最高，較CF處理顯著提高6.74%，其他處理間均無顯著差異。

2.6 氮肥減量配施生物炭對花生氮素利用效率的影響

由表6可知，不同減氮配施生物炭處理對花生氮素利用效率產生較大的差異。與CK相比，不同施肥處理氮素收獲指數顯著提高7.50%～15.03%。與CF處理相比，不同減氮配施生物炭處理均可提高氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率。其中，RN45B處理氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率均最高，較CF處理分別顯著提高7.00%、14.21%、60.33%、11.43%， 氮肥偏生產力、氮肥農學效率顯著高于其他減氮配施生物炭處理，而氮素收獲指數、氮肥利用率與其他處理相比均無顯著差異；其次是RN60B處理氮素收獲指數、氮肥利用率，顯著高于CF處理，而與RN45B處理相比均無顯著差異。氮素收獲指數、氮肥利用率整體表現均為RN45B>RN60B>RN30B>RN15B>CF；其次是RN30B處理氮肥偏生產力、氮肥農學效率，均顯著高于CF處理，顯著低于RN45B處理。氮肥偏生產力、氮肥農學效率整體表現為RN45B>RN30B>RN60B>RN15B>CF。

2.7 各指標間的相關性分析

通過花生產量及品質與土壤酶活性相關性分析結果可知，產量與土壤脲酶、過氧化氫酶活性呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶活性呈顯著正相關（P<0.05）；飽果率與土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性呈顯著正相關（P<0.05）；莢果出仁率與土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關（P<0.05）；花生含油率與土壤過氧化氫酶活性呈顯著正相關（P<0.05）；油亞比與土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性呈顯著正相關（P<0.05）；其他指標間也均呈正相關關系（表7）。為進一步分析土壤酶活性變化與土壤養分含量及pH值間的相關性，利用土壤酶活性與養分含量進行冗余（RDA）分析，結果見圖1。由圖1可知，土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性與土壤速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量和pH值均呈正相關關系，其中，pH值對土壤酶活性的影響明顯低于其他養分因子。而表征不同處理點的各種符號空間分布較為分散，表明不同減氮配施生物炭處理對土壤酶活性變化產生的影響不同。由此可見，土壤生物學活性的提高不僅有利提高保障土壤養分供應，還能夠提高作物對養分的吸收與利用。

3 討論

土壤養分是農作物根系獲取養分的直接來源，其含量直接影響作物養分吸收及生長發育［28］。土壤酶是土壤中具有生物催化能力的特殊蛋白質類化合物總稱，能夠催化土壤中大多數生化反應過程，主要來源于動植物殘體、微生物代謝產物等，是表征土壤生物學特性和土壤肥力的重要指標［29-30］。

有研究表明，配施生物炭能夠改善土壤特性，提高養分含量和生物學活性［20］。本研究結果表明，減氮配施生物炭有利于提高土壤養分含量、pH值及土壤酶活性。這與李玥等的研究［31］較為一致。pH值的提高是因為生物炭表面富含豐富的有機官能，能夠吸附土壤中的H+，進而提高土壤pH值。土壤養分含量及酶活性的提高可能是多方面影響，一是施入的生物炭含有大量的氮磷鉀及有機質，腐爛分解后能夠通過增加土壤酶數量提高酶活性；二是生物炭養分釋放速率較慢，能夠有效降低肥效損失；三是生物炭表面含有豐富的多孔結構，施入土壤后能夠有效改善土壤通風透氣狀況，提高微生物代謝活性，進而提高生物學活性以及養分分解與轉化效率［32-34］。

氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率是表征氮肥利用效率的定量指標，能夠從側面反映作物對氮肥的利用狀況［12］。本研究結果表明，與單施化肥相比，不同減氮配施生物炭處理均能夠提高氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率。其中，在施氮量相同的情況下，RN45B處理氮素利用效率表現突出。經分析，發現生物炭的大量施入在改善土壤透氣狀況、提高生物學活性及養分分解與轉化效率的前提下，有可能是生物炭能夠吸附土壤中不易被利用的無機氮，減少氮素損失，提高氮素利用效率。而RN45B處理氮素收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥利用率明顯高于RN60B處理，這可能是生物炭養分釋放速效較慢，無機氮肥減量過多土壤中氮素不能滿足花生需求所致，也可能是大量生物炭帶入的磷鉀元素致使土壤磷鉀含量過多，對根系吸收起到負面影響，進而影響到氮素利用。

本研究結果表明，與對照不施肥或單施化肥相比，氮肥減量配施生物炭能夠明顯提高花生產量及品質。其中，RN45B處理表現明顯優于其他減氮配施生物炭處理。分析認為，生物炭的施入在提高土壤肥力和生物學活性的同時，能夠帶入大量的磷鉀元素供花生吸收利用，能夠提高花生的磷、鉀吸收量與利用效率，進而促進炭花生生長發育，提高花生的產量及品質［35］。但生物炭并不是替代氮肥越多越好，雖然生物炭對土壤肥力具有明顯的促進作用，而生物炭養分釋放速率明顯低于無機肥，無機氮減量過多，生物炭釋放的速率不能滿足作物生長需要，且磷、鉀飽和或過多，同樣不利于花生根系對養分的吸收與利用，所以表現出RN60B處理產量、品質均弱于RN45B處理［36］。

在花生產量、品質及土壤養分與土壤酶活性的相關性分析中表明，土壤生物學活性的變化與土壤養分供應及作物對養分的吸收與利用密切相關。綜合來看，氮肥減量配施生物炭對土壤肥力、花生產量、品質及氮素利用效率的提高有明顯的促進作用，但生物炭替代氮肥比例產生的影響并不是越多越好。本研究關于氮肥減量配施生物炭對花生產量及品質方面的結論并不嚴謹，未能清晰配施生物炭帶入的磷鉀元素對花生生長發育的影響，需要進一步考慮氮肥減量與生物炭配施時磷鉀元素的攝入，提高磷鉀肥利用效率，避免磷鉀肥資源的浪費。

4 結論

與對照不施肥或單施化肥處理相比，不同減氮配施生物炭處理能夠提高土壤養分含量和酶活性，提升氮素利用效率，促進花生生長發育，進而提升花生產量及品質。在一定減氮范圍內，隨著生物炭比例的增加，土壤肥力、花生產量、品質及氮素利用效率逐漸提高。綜合土壤肥力、花生生長發育及氮素利用效率分析可知，減氮45%+15.84 t/hm2生物炭處理表現優于其他處理。

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