生物炭對潮土氨揮發及小麥氮素吸收的影響

張水清 張 博， 岳 克 林 杉 黃紹敏，

（1河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070）

河南省是我國小麥主產區，2021 年該區小麥產量達3 802.81 萬噸，超過全國小麥總產量的1/4［1］。過量施用化肥是該區農田普遍存在的問題，且化肥施用量從1980 年到2007 年持續增加［2］。化肥施用過高會導致氮肥利用率較低，農田中的氮素通過氣態損失和氮淋溶等途徑進入環境，對大氣和水環境造成嚴重影響［3-4］。潮土是河南農田的典型土壤類型，占河南省耕地面積將近一半，潮土氨揮發是農田氮損失的主要形式之一，損失量最高可達施氮量的40%以上［5-6］。大量研究表明，農田管理措施和土壤性質等對土壤氨揮發影響顯著［7-8］。降低土壤氨揮發損失的途徑較多，例如改進施肥方式（深施覆土、溝施等），增施生物炭、硝化抑制劑或控釋劑等化學物質等［9-11］，上述管理措施均是通過影響氨揮發底物濃度和氨氣的吸附來降低土壤氨揮發。

生物炭是利用秸稈或其他廢棄物質在無氧條件下經高溫熱解得到的高含碳量、高度芳香化的固態有機物質［11］。生物炭因其特有結構而具有很強的吸附性，可吸附土壤中的礦質氮，進而有效減少土壤中氮的揮發損失［12］。近些年，關于生物炭的研究較多，如董玉兵等［13］研究表明，施用生物炭可以顯著降低水稻土氨揮發總量，與對照相比，氨揮發累積量減少了36.6%。Mandal 等［14］在林地土壤中的研究也得到了相似的結果。但也有研究表明施用生物炭會顯著提高土壤pH值，進而促進土壤氨揮發，如趙進等［15］發現，施用生物炭顯著提升了潮土氨揮發累積量，增幅達102%；聶新星等［16］研究表明，在湖北灰潮土上施用生物炭會降低土壤容重，增強土壤通氣性，進而增加土壤氨揮發。綜上，生物炭對土壤氨揮發的影響因土壤類型而異。

目前在河南潮土上開展的氨揮發研究，主要集中于水肥管理模式的優化改良方面［17-18］，關于生物炭對高pH值的鈣質潮土氨揮發影響的研究較少，該地區此類土壤條件是否適合添加生物炭以減少氨揮發尚不清楚。為此，本研究在國家土壤質量新鄉觀測實驗站內開展試驗，對河南潮土區小麥季土壤氨揮發進行定位監測，探討生物炭及其與化肥配施對小麥季土壤氨揮發、籽粒產量和氮肥吸收利用的影響，以期為通過生物炭合理施用以提高小麥產量和氮肥利用率，進而實現黃淮海地區農業的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在國家土壤質量新鄉觀測實驗站（35°0′N，113°43′E）內進行，實驗站位于河南省新鄉市平原示范區，該區年日照時數1 870 h，平均氣溫為14.5 ℃，年無霜期209 d，平均降雨量542.2 mm，主要集中在6～8月，為北溫帶大陸性季風氣候。典型種植制度為小麥-玉米一年兩熟制，土壤類型為潮土，是河南省面積最大的土壤類型，試驗區土壤砂粒、粉粒和黏粒分別占51.3%、29.1%和19.6%。試驗期間利用Watchdog2700小型氣象站（美國Spectrum 公司）測定氣溫和降雨量，結果見圖1。

圖1 試驗期間氣溫與降水量變化情況Fig.1 The variation of air temperature and rainfall during the test

1.2 試驗設計

試驗設不施肥（CK）、氮磷鉀化肥（NPK）、生物炭（BC）、化肥配施生物炭（BC+NPK）4 個處理，每處理3 次重復，小區面積2 m×2 m，用1 m 深的水泥板將各試驗小區隔開。試驗施用化肥分別為普通尿素（含氮量46.4%）、過磷酸鈣（含P2O5量12%）和氯化鉀（含K2O 量60%）。生物炭購于河南三利新能源公司，以花生殼為原料在500 ℃厭氧條件下制備而成，基本性質如下：pH 值9.16、含碳量717.60 g·kg-1、含氮量18.51 g·kg-1、碳氮比為38.8、含氫量26.11 g·kg-1、含氧量124.91 g·kg-1、含磷量1.76 g·kg-1、含鉀量5.35 g·kg-1，Cd、Pb、Cu、Zn 含量分別為8.75、17.63、24.75、52.79 mg·kg-1，比表面積5.08 m2·g-1、平均孔徑8.18 nm。施肥方案詳見表1。

表1 施肥方案Table 1 The fertilization strategies /（kg·hm-2）

試驗于2017年10月小麥播種季開始，小麥玉米輪作，本研究處于第2 季小麥試驗階段（2018 年10 月至2019 年6 月）。小麥品種為河南省農業科學院小麥研究所培育的鄭麥7698，播種行距為20 cm，播種量為195 kg·hm-2。玉米季施氮量為純氮225 kg·hm-2，基肥和大喇叭口期追肥之比為7∶3，磷鉀肥施用同小麥季一致。2018 年10 月20 日氮肥基肥及磷鉀肥一次撒施入土壤，人工翻地、整地后播種，施肥深度為5 cm。2019 年3 月8 日追肥，將剩余50%尿素溶水后澆施，灌水量為4 mm。生物炭于2017 年小麥季施入，2018 年小麥季未施用生物炭，旨在觀察生物炭后效。2018 年小麥季試驗前對土壤基本理化性質進行測定，結果如表2所示。

表2 土壤基礎理化性質（2018年10月）Table 2 Physicochemical properties of experiment soil （October 2018）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氨揮發及土壤指標的測定 土壤氨揮發采用通氣法進行測定［19］，收集裝置如圖2所示，用有機玻璃制作而成，內徑為15 cm，高度為30 cm。首先將該裝置插入土壤中2～3 cm，將2 cm 厚海綿浸潤15 mL 磷酸甘油溶液放在裝置中部，用來吸收土壤中揮發出的氨氣；另用海綿均勻浸潤30 mL 磷酸甘油溶液，用來隔絕外部可能產生影響的其他氣體成分；裝置頂部為塑料頂蓋，防止降水對測定結果的影響。

圖2 土壤氨揮發測定裝置Fig.2 Determination device of ammonia volatilization form soil in field

基肥期（2018 年10 月20 日至2019 年3 月7 日，下同）施肥后第1 周每天采集1 次樣品，第2～第3 周每周取樣2～3次，第4周及以后間隔1到2周采集1次，追肥期（2019 年3 月8 日至收獲，下同）施肥后第1 周采集3～4 次，之后1 周1 次到2 周1 次直至收獲。整個小麥生育期共取樣21 次，分別為2018 年10 月21 日、22 日、23 日、25 日、26 日、29 日，11 月2 日、9 日、15 日，12 月1 日；2019年1月2日，2月1日，3月7日、9日、12日、15日、20日、31 日，4 月17 日，5 月16 日、28 日。根據采樣計劃于每個采樣日上午9 點開始收集海綿，收集后立刻換上新海綿。同時采集土壤樣品，取裝置附近0～20 cm 土層土壤裝袋并置于-20 ℃冰箱冷凍待測。小麥基肥期土壤氨揮發累積量為2018 年10 月21 日到2019 年3 月7 日的氨揮發累積量，追肥期土壤氨揮發累積量為2019 年3 月8 日到2019 年5 月28 日的氨揮發累積量。小麥基肥期及追肥期氨揮發速率、銨態氮、硝態氮、土壤溫度、pH值等指標均為上述時期內測定。

土壤指標的測定方法參考《土壤農化分析》［20］。利用50 mL KCl 溶液（1 mol·L-1）浸提海綿吸收的NH3，土壤樣品使用KCl 溶液浸提，通過SAN++流動分析儀（荷蘭Skalar 公司）測定銨態氮及硝態氮濃度。土壤有機碳含量測定采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化法，全氮含量采用蒸餾-凱氏定氮法，有效磷含量使用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰光度計法進行測定，土壤pH 值在水土比2.5∶1震蕩后使用pH計測定。

1.3.2 植株樣品的測定 在2019 年5 月30 日小麥成熟期收集小麥樣品并進行樣品分析，同時采用常規方法測定每個小區籽粒產量及秸稈產量。其中小麥籽粒產量采用實收方法進行測定，對每個小區4 m2面積籽粒全部收獲后稱重，每小區取100 g進行烘干測定含水量，換算成13%含水量作為小麥籽粒產量。小麥籽粒及秸稈中全氮含量經濃硫酸及雙氧水消煮后采用凱氏定氮法測定［20］。

1.4 數據統計分析

使用SPSS 20 軟件進行方差分析，通過最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）進行差異性分析；使用Origin 9.0軟件繪圖。相關指標的計算公式如下：

式中，C 為海綿中銨態氮含量（NH4+-N，mg）；M為土壤氨揮發測定裝置的橫截面積，本研究中為0.017 7 m2；D為每次收集海綿樣品所間隔天數（d）。

式中，An為第n次收集時土壤氨揮發速率，Dn為第n次收集時間隔上次的天數。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤氨揮發速率的影響

不同處理對土壤氨揮發速率的影響如圖3 所示。在整個小麥生育期，CK 和BC 處理氨揮發速率相對穩定，平均速率在0.06 kg·hm-2·d-1左右，并且無顯著差異（P＞0.05）。而NPK 和BC+NPK 處理氨揮發速率變化較大，在基肥施入后2～3 d達到峰值，分別為0.86和1.25 kg·hm-2·d-1，差異顯著（P＜0.05）。之后氨揮發速率緩慢下降，但BC+NPK 處理高于NPK 處理，直到12 月初均降至CK 水平并保持穩定。在追肥期，NPK和BC+NPK 處理氨揮發速率仍有較大起伏，隨著采樣日期的推遲先緩慢上升，均在追肥后第7 天達到峰值，分別為0.96和1.07 kg·hm-2·d-1，無顯著差異（P＞0.05），到達峰值后氨揮發速率開始持續下降，在追肥后15 d降至CK水平。

圖3 監測期土壤氨揮發速率動態變化Fig.3 Temporal variation of ammonia volatilization flux during the monitoring period

2.2 生物炭對氨揮發累積量的影響

由表3 可知，在小麥基肥期，CK 處理土壤氨揮發累積量為6.32 kg·hm-2，增施生物炭（BC）較CK 處理增加了0.86 kg·hm-2；而NPK 和BC+NPK 處理氨揮發累積量分別為11.71 和12.35 kg·hm-2，占施氮量比例分別為14.19%和14.97%；生物炭的添加促進了土壤的氨揮發，在未施肥情況下添加生物炭使氨揮發累積量較CK 增加13.61%，而在施肥情況下添加生物炭使氨揮發累積量增加5.47%，但差異均不顯著（P＞0.05）。在小麥追肥期，CK 和BC 處理土壤氨揮發累積量分別為4.48 和4.04 kg·hm-2，較基肥期有所降低。而BC+NPK 和NPK 處理氨揮發累積量分別為13.25 和11.68 kg·hm-2，BC+NPK 較NPK 處理增加13.44%，但差異不顯著（P＞0.05），占施氮量比例分別為16.06%和13.92%。綜上，雖然生物炭和化肥對土壤氨揮發都有促進作用，但兩者交互作用不明顯。

表3 不同時期土壤氨揮發累積量和占施氮量比例Table 3 Cumulative NH3 volatilization （CAV） and proportion of N application in different periods

從整個生育期來看，CK 和BC 處理氨揮發累積量分別為10.80和11.22 kg·hm-2，無顯著差異（P＞0.05），BC 處理較CK 增加了3.89%。而NPK 和BC+NPK 處理氨揮發累積量分別為23.39 和25.60 kg·hm-2，占施氮量比例分別為14.18%和15.52%，與NPK 處理相比，BC+NPK 處理氨揮發累積量增加了9.45%，BC+NPK處理較NPK 顯著增加了小麥整個生育期氨揮發累積量（P＜0.05），占施氮量比例增加了1.34個百分點。同時僅BC+NPK 處理氨揮發累積量在基肥期低于追肥期，生物炭在追肥期促進氨揮發作用較強。

2.3 生物炭對土壤礦質氮含量的影響

土壤銨態氮含量整體受施肥影響顯著（圖4）。在基肥期，CK 和BC處理銨態氮含量基本無明顯變化，平均含量分別為4.13 和4.25 mg·kg-1，無顯著差異（P＞0.05）。而NPK 和BC+NPK 處理的銨態氮含量在施肥后短期內快速上升，在第3～第4天達到最高含量，分別為59.49和96.79 mg·kg-1，后者顯著高于前者（P＜0.05）。隨后土壤銨態氮含量迅速下降，但NPK 處理持續高于BC+NPK 處理，均在施肥后10 d降至CK 水平。在追肥期，CK 和BC處理銨態氮含量較基肥期略有增加，平均含量分別為5.38 和6.20 mg·kg-1。而NPK 和BC+NPK處理的銨態氮含量在追肥后第1 天即達到峰值，分別為40.00 和37.38 mg·kg-1，無明顯差異，并在3 月中旬降至較低水平，在4 月10 日穩定在CK 水平。整個小麥生育期，BC+NPK 處理的土壤銨態氮含量平均值為21.61 mg·kg-1，較NPK 處理（18.42 mg·kg-1）顯著增加17.29%（P＜0.05）。

圖4 監測期土壤銨態氮含量變化Fig.4 Temporal variation of soil NH4+-N contents during the monitoring period

監測期土壤硝態氮含量變化如圖5 所示。在整個監測期，CK 和BC處理硝態氮含量無明顯變化，平均含量分別為6.01 和5.34 mg·kg-1，低于施肥處理。隨著采樣日期的推遲，NPK 和BC+NPK 處理硝態氮含量在基肥期和追肥期均呈現出先上升再下降的趨勢，其中，基肥期在施肥后第20 天達到峰值，分別為61.42 和66.04 mg·kg-1，無明顯差異；追肥期在施肥后第12 天達到峰值，分別為41.30 和45.33 mg·kg-1，無顯著差異（P＞0.05），隨后緩慢下降，在收獲期降至CK 水平。整個小麥生育期，NPK 和BC+NPK 處理的土壤硝態氮含量平均值分別為26.93 和27.02 mg·kg-1，無顯著差異（P＞0.05）。

圖5 監測期土壤硝態氮含量變化Fig.5 Temporal variation of soil NO3- -N contents during the monitoring period

2.4 生物炭對土壤溫度的影響

監測期土壤溫度變化如圖6 所示，各處理間的變化趨勢基本一致，因基肥期主要處在秋冬季節，初始土壤溫度較高，從10 月底開始逐漸降低，到12 月初降至最低，在10 ℃以下。而追肥期溫度開始緩慢回升，在收獲期接近30 ℃。在基肥期，CK、BC、NPK 和BC+NPK 處理土壤日均溫度依次為16.16、16.33、15.95 和16.11 ℃，而在追肥期依次為24.53、25.03、22.63 和22.99 ℃。從整個生育期來看，CK、BC、NPK 和BC+NPK 處理土壤平均溫度分別為19.34、19.66、18.59 和18.89 ℃，其中BC 較CK，BC+NPK 較NPK 分別顯著提升0.32和0.30 ℃（P＜0.05）。

圖6 監測期土壤溫度變化Fig.6 Temporal variation of soil temperature during the monitoring period

2.5 生物炭對土壤pH值的影響

土壤pH 值變化如表4 所示，施肥導致土壤pH 值降低，CK 和BC 處理pH 值要顯著高于NPK 和BC+NPK處理（P＜0.05）。CK 和BC 處理土壤pH 值變化范圍分別為8.32～8.61 和8.36～8.63，均值分別為8.44 和8.49，BC 處理使土壤pH 值較CK 增加了0.05 個單位。而NPK 和BC+NPK 處理土壤pH 值變化范圍為8.07～8.28和8.09～8.46，均值為8.20和8.24，BC+NPK 處理使土壤pH 值較NPK 增加了0.04 個單位，但無顯著差異（P＞0.05）。

表4 土壤pH值變化情況Table 4 The changes in soil pH value

2.6 氨揮發速率與土壤理化性質的偏相關分析

土壤氨揮發速率受土壤理化性質影響較大（表5），氨揮發速率與土壤銨態氮含量呈極顯著正相關關系，而與硝態氮含量、土壤溫度、pH值之間的相關性均不顯著。

表5 氨揮發速率與土壤理化性質偏相關分析Table 5 Correlation analysis of NH3 volatilization rate and soil properties

2.7 生物炭對小麥產量和氮素吸收利用的影響

小麥籽粒產量、秸稈產量及產量尺度氨揮發累積量如圖7 所示。CK 處理小麥籽粒和秸稈產量分別為1.37 和2.95 t·hm-2，而BC 處理籽粒和秸稈產量分別為1.60 和3.35 t·hm-2，較CK 處理分別增產16.79%和13.56%，但未達到顯著水平（P＞0.05）。NPK處理籽粒和秸稈產量分別為4.37 和6.04 t·hm-2，而BC+NPK 處理分別為4.34和6.65 t·hm-2，較NPK 處理籽粒產量減產0.69%，但秸稈產量增產10.10%，均未達到顯著差異水平（P＞0.05）。4 個處理產量尺度氨揮發累積量無顯著差異（P＞0.05），CK 處理最高，為8.09 kg·t-1，BC處理為7.09 kg·t-1。施肥降低了產量尺度氨揮發累積量，其中NPK 處理為5.47 kg·t-1，而BC+NPK 處理為5.94 kg·t-1，較NPK處理增加了0.47 kg·t-1。

圖7 小麥產量及產量尺幅氨揮發情況Fig.7 Wheat yield and yield-scaled NH3 volatilization

小麥氮素吸收利用見表6。CK 處理地上部吸氮量為37.89 kg·hm-2，而BC 處理為40.21 kg·hm-2，較CK增加了6.12%，差異不顯著（P＞0.05）。施肥處理地上部吸氮量顯著高于不施肥處理（P＜0.05），其中NPK處理地上部吸氮量為98.60 kg·hm-2，而BC+NPK 處理為104.95 kg·hm-2，較NPK 處理增加6.44%，但兩個施肥處理之間差異不顯著（P＞0.05）。籽粒吸氮量間的差異與地上部吸氮量類似，BC+NPK 處理較NPK 增加了4.89%，BC較CK增加了13.28%。而各處理間秸稈吸氮量整體無顯著差異（P＞0.05），在8.74～16.63 kg·hm-2之間。

表6 生物炭對小麥氮素吸收的影響Table 6 Wheat N uptake and N fertilizer recovery efficiency/（kg·hm-2）

3 討論

3.1 生物炭的添加與土壤氨揮發的關系

生物炭對土壤氨揮發的影響受多種因素控制，如：生物炭本身的性質、試驗地氣候條件、土壤基本理化性質等。在本試驗中，花生殼生物炭與化肥配合施用促進了土壤氨揮發。與趙進等［15］的研究結果相似，即長期施用生物炭導致潮土氨揮發累積量增加102%。這主要是由于生物炭含有碳酸鹽和灰分、有較多的孔隙結構，且陽離子交換量和pH 值也較高，施入土壤后可以在短期內增加土壤pH 值，進而提高土壤氨揮發量［21-22］。本試驗所用生物炭pH 值為9.16，于2017 年10 月施入土壤，當季顯著提升了潮土pH 值0.25 個單位［7］，而本研究為試驗第3 季，生物炭提升土壤pH 值0.04～0.05 個單位，未達到顯著水平，可能與生物炭老化有關，但仍顯著增加土壤氨揮發累積量9.45%。Chen 等［23］研究表明，當土壤pH 值為7～8 時，生物炭對土壤銨態氮的吸附作用占據主導地位，進而減少氨揮發損失，而在堿性土壤中對pH值的提升會促進土壤氨揮發。本研究潮土pH 值大于8.2，較高的土壤及生物炭pH 值是本研究添加生物炭促進氨揮發的一個重要原因。

在施用氮磷鉀化肥條件下增施生物炭使氨揮發累積量較單施化肥增加了2.21 kg·hm-2，占施氮量比例增加了1.34 個百分點，明顯促進了土壤氨揮發。究其原因，主要是生物炭通過提高土壤銨態氮含量進而促進了土壤氨揮發。本試驗條件下，生物炭的添加增加了土壤銨態氮含量（圖4），NPK和BC+NPK處理的銨態氮含量在基肥施用后第3～第4 天達到峰值，分別為59.49 和96.79 mg·kg-1，BC+NPK 處理較NPK 提高了62.70%；整個小麥生育期21次取樣結果為BC+NPK處理土壤銨態氮含量（平均值21.61 mg·kg-1）較NPK處理提高了17.29%，且土壤銨態氮含量與氨揮發速率呈極顯著正相關關系（表6）。生物炭能夠提升土壤銨態氮含量的主要原因是，生物炭具有較大比表面積及豐富的孔隙結構和官能團，且含有大量負電荷，對銨態氮的吸附效果較好，生物炭對銨態氮的吸附量隨其施加量的增大呈增加趨勢，最大吸附量可達6.91 mg·g-1［24］。另外，本試驗中施用的生物炭含有1.8%的氮素，可能是促進土壤氨揮發增加的另一原因。

3.2 生物炭的添加與小麥氮素吸收的關系

在本試驗中，生物炭的添加未對小麥產量造成顯著影響，生物炭與化肥配合施用對小麥氮素吸收有一定的提升作用，生物炭的添加分別使小麥籽粒、秸稈及地上部吸氮量增加了4.89%、15.57 和6.44%。眾多研究表明，施用生物炭對作物產量無明顯提升作用［25-26］，生物炭添加對作物產量及氮素吸收的影響受到多種因素的制約，但一般認為生物炭會通過協調土壤理化性質進而影響作物生長及氮素吸收。謝迎新等［27］通過長期定位試驗發現，生物炭的添加提高了小麥產量、地上部生物量、葉面積指數以及葉綠素相對含量，進而促進了小麥對氮素的吸收。其重要原因之一是生物炭提高了小麥體內銨態氮含量［28］。施用生物炭增加了小麥氮素吸收利用的另一主要原因是生物炭比表面積大，且表面附著大量含氧官能團，能有效吸附土壤中礦質氮等營養元素［29］。前人研究發現，納米生物炭可以快速吸附銨態氮，在210 min 達到動態平衡，同時還可以在作物需求時解吸以供作物吸收利用，達到提高作物氮素吸收的效果［24，30-31］。本試驗中土壤銨態氮含量的增加可能是小麥氮素吸收略有提升的一個原因，后續需對生物炭提升小麥氮素吸收的機理做深入研究。

4 結論

本試驗條件下，NPK 處理小麥季土壤氨揮發累積量為23.39 kg·hm-2，BC+NPK 處理氨揮發累積量較NPK 處理增加了9.45%，其中在基肥期增加了5.47%，而在追肥期增加了13.44%。在不施肥條件下，添加生物炭使氨揮發累積量較對照增加3.89%。土壤氨揮發速率與土壤銨態氮含量呈顯著正相關關系，說明生物炭的添加通過提升土壤銨態氮含量進而增加了土壤氨揮發速率及累積量。生物炭的施用對小麥產量、氮素吸收提升效果不顯著。