生物炭与氮肥减量调控对土壤养分和肥力的影响

崔文芳，陈 静，鲁富宽，秦 丽，秦德志，王利平，高聚林

(内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010019)

【研究意义】生物炭通常指农林废弃物等生物质在缺氧条件下不完全燃烧产生的富碳产物[1]，炭化后具有多微孔结构和较大的比表面积，施入土壤后能够降低土壤容重，改善土壤结构性。生物炭的高度羧酸酯化、芳香化结构特征还使其具备了极强的吸附能力[2]，增加土壤有机碳库存，可增加土壤中的有效水分、养分，提高土壤供氮能力[3]，改善根际土壤环境，提升肥料利用率，成为农业中改善土壤状况、节本增效的理想材料[4]。【前人研究进展】战秀梅等[5]通过 4 年连续定位试验，研究生物炭对棕壤理化性质的影响，结果表明，土壤有机碳和全氮分别增加了27.6%和75.6%。史思伟[6]依托持续10年的生物炭的田间定位试验，认为长期施用生物炭对土壤pH值没有显著影响，但容重降低2.2%～8.2%，土壤电导率降低1.5%～7.8%，土壤有机质 (SOM) 含量增加57.7%～123.1%，总氮含量提高11.3%～21.9%，有效磷含量显著降低了23.1%～42.0% ，速效钾含量上升了2.0%～23.1%。长期施用生物炭提升了土壤肥力，尤其是对土壤有机质的提升有显著效果。Zhang Q，Du Z等[7]研究表明，生物炭使土壤有机质含量提高了，且达到了显著性水平。生物炭的含碳量高，稳定性强，能够稳定的保存在土壤中，有利于土壤中有机碳的累积。【本研究切入点】大量研究发现，生物炭对土壤本体有机质存在激发效应，尤其是负的激发效应较多[8]，抑制了土壤本体有机碳的分解，减少了土壤碳输出。以上研究结果均是单纯施用生物炭，而未施行氮肥减量。【拟解决的关键问题】本试验是生物炭与氮肥减量调控措施相结合，旨在明确生物炭结合氮肥减量对土壤肥力和土壤质量有何影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年在内蒙古农业大学敕勒川农业博览园(土默特右旗萨拉齐镇北只图村)进行。试验地前茬是玉米，土质是壤土，土壤有机质24.65 g/kg，碱解氮41.56 mg/kg，速效磷8.19 mg/kg，速效钾74.98 mg/kg。玉米秸秆生物炭由辽宁金和福农业科技股份有限公司提供，热解温度为500～600 ℃，其性质为：全碳42.5%，全氮8.9 g/kg，全磷3.8 g/kg，全钾32.3 g/kg，速效磷120 mg/kg，速效钾289 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区试验设计，氮肥是主区，品种是副区。主处理为C0(CK，纯N300 kg/hm2)、C1(生物炭3000 kg/hm2+纯N300 kg/hm2)、C2(生物炭3000 kg/hm2+纯N255 kg/hm2)、C3(生物炭3000 kg/hm2+纯N210 kg/hm2)、C4(生物炭3000 kg/hm2+纯N165 kg/hm2)，副处理为氮高效郑单958(ZD)和氮低效农华101(NH)品种。共10个处理，重复3次。试验小区宽6 m，长4 m，南北行向，株距20 cm，行距60 cm，9行种植，种植密度为5500株/667 m2。生物炭作为底肥施入，于播种前施用，先将肥料均匀撒于地表，再翻地，将其翻入耕层 15 cm 左右。氮肥尿素在拔节和大口期以3∶7比例追肥。磷、钾肥作基肥一次性施入，P2O5为210 kg/hm2，K2O为90 kg/hm2，N肥按3∶6∶1比例分别于拔节、大口期、灌浆期随水追施。试验中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。

各品种于2019年4月27日播种；5月10日出苗；6月23日追拔节肥、灌第1水；7月13日大喇叭口期追肥、灌第2水；7月25日开花期灌第3水；8月12日灌第4水；灌水总量为750 m3/hm2，9月25日收获。

1.3 测试指标及方法

于玉米吐丝期采集0～20 cm土壤样品，用于理化性质指标的测定。土壤基本生物化学性质采用鲍士旦《土壤农化分析》中的方法[9]测试；土壤有机碳采用 K2Cr2O7氧化外加热法测定；土壤全氮采用全自动凯氏定氮仪测定；于玉米生理成熟期后15 d，田间每小区选取无缺苗断垄且长势整齐的两行实收，待果穗风干后考种，逐穗测定穗粒数后全部脱粒，测定百粒重，并计算籽粒产量。

2 结果与分析

2.1 生物炭与氮肥减量调控对土壤肥力的影响

2.1.1 生物炭与氮肥减量调控对土壤有机质含量的影响 由表1可见，5个主处理中，仅C2与C0差异显著，且C0处理有机质含量显著高于C2，而C0、C1、C3、C4间差异不显著，说明该试验中，短期生物炭与氮肥减量调控未能增加土壤有机质含量。副处理中，C3的两个副处理氮高效品种ZD958显著高于氮低效品种NH101，显著高于NH101 2.48%，C1的两个副处理与之相反。裂区设计的处理组合间比较，C0NH的有机质含量最高，与C0ZD、C1NH、C2ZD、C3ZD、CNH处理差异不显著，其中C0ZD、C2ZD、C3ZD处理的有机质含量均较高，表明生物炭与氮肥减量调控条件下，氮高效玉米根际土壤有机质含量相对丰富。

表1 生物炭与氮肥减量调控对土壤有机质含量的影响

C/N又称“碳氮比率”、“碳氮比值”。有机物质中碳和氮含量的比例,以C/N表示。由于微生物分解有机质时的最适宜的C/N比为25∶1，故土壤C/N比是相对稳定的。具有高C/N比的有机残体进入土壤，会引起作物与微生物对有效氮的强烈竞争，本试验张，生物炭与氮肥减量调控后，各处理C/N仍低于25∶1，未因为增施生物炭和氮肥减量使C/N超出适宜范围。因此，从为土壤微生物提供适宜的C/N方面考虑，生物炭与氮肥减量调控措施是可行的。

2.1.2 生物炭与氮肥减量调控对土壤全氮含量的影响 由表2可见，5个主处理中，C1与C3全氮含量较高，二者差异不显著，且显著高于C2、C4、C0，而C2、C4均高于C0，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C1与C3两个主处理利于土壤全氮含量的积累，且生物炭与氮肥减量调控措施有利于土壤全氮的积累。副处理中，C0、C2、C3、C4的两个副处理氮高效品种ZD958有机质含量均显著高于氮低效品种NH101，C1的两个副处理差异不显著，说明该试验设计中，氮高效与氮低效品种对于土壤全氮的积累方面存在差异，而氮高效玉米品种根际土壤全氮含量更为丰富。裂区设计的处理组合间比较，C1ZD958、C3ZD958处理的全氮含量较高，分别显著高于相应处理的氮低效品种4.90%、8.15%，说明生物炭与氮肥减量调控下，氮高效品种根际土壤全氮含量更丰富。

表2 生物炭与氮肥减量对土壤全氮含量的影响

表3 生物炭与氮肥减量对土壤速效磷含量的影响

2.1.3 生物炭与氮肥减量调控对土壤速效磷含量的影响 由表3可见，5个主处理均达到显著差异，且C1、C2处理间差异不显著，但显著高于其他处理，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C1、C2处理利于土壤速效磷含量的积累，且生物炭与氮肥减量调控利于土壤速效磷的积累。副处理中，除了C3，其他主处理的相应副处理中，均表现为氮高效品种ZD958速效磷含量显著高于氮低效品种NH101。说明该试验设计中，氮高效与氮低效品种根际土壤速效磷积累存在差异。裂区设计的处理组合间比较，C2ZD958、C2NH101处理的速效磷含量较高，而C2主处理的ZD958的速效磷含量(39.90 g/kg)显著高于氮低效品种NH101(17.71 g/kg) 125.30%，C1主处理的ZD958的速效磷含量(30.87 g/kg)显著高于氮低效品种NH101(24.65 g/kg) 25.23%。说明在生物炭与氮肥减量调控下，C1、C2处理利于土壤速效磷的积累，同时氮高效品种根际土壤速效磷含量较氮低效品种具有一定优势。

2.1.4 生物炭与氮肥减量调控对土壤速效钾含量的影响 由表4可见，5个主处理均达到显著差异，且C2显著高于其它处理，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C2处理利于土壤速效钾含量的积累，且生物炭与氮肥减量调控利于土壤速效钾的积累。副处理中，C2、C4的副处理氮高效品种ZD958速效钾含量均显著高于氮低效品种NH101。说明该试验设计中，氮高效与氮低效品种对于土壤速效钾的积累存在差异。裂区设计的处理组合间比较，C2ZD958、C2NH101处理的速效钾含量较高，而C2主处理的ZD958的速效钾含量(251.19 g/kg)又显著高于氮低效品种NH101(196.88 g/kg) 27.59%，说明在生物炭与氮肥减量调控下，C2处理利于土壤速效钾的积累，同时氮高效品种根际土壤速效钾含量较氮低效品种具有一定优势。

表4 生物炭与氮肥减量对土壤速效钾含量的影响

表5 生物炭与氮肥减量对土壤pH的影响

2.1.5 生物炭与氮肥减量调控对土壤pH的影响 由表5可见，主处理C0、C4的土壤pH值显著高于C1、C2、C3处理，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C0、C4处理利于提高土壤pH值。副处理中，C3的副处理中氮高效品种ZD958根际土壤pH值高于氮低效品种NH101，C2与其相反。说明该试验设计使氮高效与氮低效品种根际土壤pH值产生差异。裂区设计的处理组合间比较，C0ZD958、C0NH101、C4ZD958、C4NH101处理的土壤pH值提高较明显，分别达到8.30、8.28、8.18、8.31，相互间差异均不显著。

2.1.6 生物炭与氮肥减量调控对土壤电导率的影响 由表6可见，5个主处理均达到显著差异，且C2处理显著高于其他处理，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C2处理利于提高土壤电导率，且生物炭与氮肥减量调控利于提高土壤电导率。副处理中，除了C0、C3，其他主处理的相应副处理中，均表现为氮高效品种ZD958根际土壤电导率显著高于氮低效品种NH101。说明该试验设计中，生物炭与氮肥减量调控能提高氮高效玉米品种根际土壤电导率。裂区设计的处理组合间比较，C2ZD958、C1ZD958处理的根际土壤电导率均较高，C2ZD958(990.63 μs)显著高于C1ZD958(926.93 μs) 6.87%，说明在生物炭与氮肥减量调控下，C2处理利于提高土壤电导率，同时氮高效品种根际土壤电导率较氮低效品种具有一定优势。

表6 生物炭与氮肥减量对土壤电导率的影响

表7 生物炭与氮肥减量对土壤阳离子交换量的影响

2.1.7 生物炭与氮肥减量调控对土壤阳离子交换量的影响 土壤胶体表面吸附阳离子与土壤溶液中的阳离子可相互交换的作用。对这种能相互交换的阳离子称为交换性阳离子。阳离子交换量(CEC)可以反应土壤的保肥力、供肥力、缓冲力，常被用来作为衡量土壤肥沃与否的重要指标[10]。由于生物质炭表面有很多的阴离子，所以无论添加到酸性土壤还是碱性土壤，都能够提高土壤CEC[11]。CEC在10～20 cmol(+)/kg时土壤保肥能力中等，>20 cmol(+)/kg时土壤保肥能力强。

由表7可见，主处理C0、C1、C3、C4间差异不显著，但高于C2处理，说明在生物炭与氮肥减量调控条件下，C2处理对于提高土壤阳离子交换量作用较弱，而C1、C3、C4有利于提高土壤阳离子交换量，提高土壤保肥能力。各副处理差异均不显著。裂区设计的处理组合间比较，C2ZD958、C2NH101处理的根际土壤阳离子交换量低于其他处理，其它处理间差异不显著。表明在生物炭与氮肥减量调控下，C2处理对于提高土壤阳离子交换量效果不显著。阳离子交换作用是可逆的快速的，是等量电荷交换。

2.2 生物炭与氮肥减量调控对土壤质量的影响

由表8可见，各处理的土壤质量指数存在一定差异。5个主处理中，C2的土壤质量指数最高，其次是C1，分别为0.746、0.643，这两个处理分别是生物炭3000 kg/hm2与纯N 300、255 kg/hm2配施，C0最低，C0是仅施用氮肥尿素处理，表明生物炭与氮肥减量调控措施能够有效提升土壤质量。副处理的表现为：C2ZD、C1ZD的土壤质量指数较高，分别为0.950、0.701，与此同时，这两个处理对应的氮低效品种土壤质量指数表现也较高，分别为0.542、0.584。说明C2、C1两个处理对于提高土壤质量具有一定效果。

表8 生物炭与氮肥减量对土壤质量的影响

3 讨 论

生物炭本身含有氮、磷、钾等植物生长所需的各种养分元素，施入土壤中可以起到补充土壤养分的作用，Singh 等[12]通过实验发现 400 ℃与 550 ℃制备的生物炭能对土壤养分起到吸附、负载、释放和增加缓释效应，也能截留土壤中的养分和延长养分在土壤中的停留时间。生物炭对土壤养分元素的缓释效应主要是由于其自身的理化性质所决定的，生物炭丰富的孔隙结构和巨大的比表面积使它能够吸收和容纳大量的养分元素，其表面丰富的化学官能团与养分离子之间相互作用，能够吸附负载养分离子，因而能够有效抑制淋溶、下渗等因素导致的养分损失，同时可以缓慢持续的释放养分[13]，达到保持土壤养分的效果。本试验研究结果表明，施用生物炭可有效增加土壤全氮、速效磷、速效钾含量，达到增加土壤养分提高土壤肥力的作用。

大量短期的室内试验和田间试验研究表明，施用生物炭可以增加土壤碳固定，提升土壤肥力[14]，关于生物炭的长期土壤肥力效应，史思伟等[6]依托持续10年的生物炭的田间定位试验，研究了长期施用生物炭对土壤肥力状况的影响。结果显示，与对照相比，长期施用生物炭对土壤pH值没有显著影响，但容重降低了2.2%～8.2%，电导率降低了1.5%～7.8%，土壤有机质含量增加57.7%～123.1%，总氮含量提高11.3%～21.9%，总磷没有显著性变化。土壤有效磷含量显著降低了23.1%～42.0%，速效钾含量上升了2.0%～23.1%。总体而言，长期施用生物炭提升了土壤肥力，尤其是对土壤有机质的提升有显著的效果。施用生物炭土壤pH值略有提高，但是变化未达到显著性差异水平，生物炭处理速效钾的含量提升了20%～30%。本试验研究结果表明，生物炭与氮肥减量调控对土壤pH、有机质含量没有显著影响，但生物炭3000 kg/hm2与纯N 300、255 kg/hm2配施利于土壤全氮、速效磷、速效钾含量的积累，C1ZD958、C3ZD958的全氮含量分别显著高于相应处理的氮低效品种4.90%、8.15%，C2主处理的ZD958的速效磷含量显著高于氮低效品种NH101 125.30%，C1主处理的ZD958的速效磷含量显著高于氮低效品种NH101 25.23%； C2主处理的ZD958的速效钾含量又显著高于氮低效品种NH101 27.59%，施用生物炭后各处理电导率均显著提高，C2处理提高最显著，C2ZD958显著高于C1ZD958 6.87%，生物炭与氮肥减量调控对提高土壤阳离子交换量效果不显著。生物炭与氮肥减量调控措施能够有效提升土壤质量，C2、C1的土壤质量指数最高。生物炭本身包含较高的全氮、全磷、全钾、速效钾，因此，施入土壤之后显著增加了土壤速效钾积累，这与本试验结果中各处理土壤速效钾显著高于对照一致。

史登林等[15]研究认为，在贵州中等肥力黄壤稻田施行生物炭(5 t/hm2)与氮肥减量(20%，即施用120 kg/hm2)配施效果最好，袁晶晶[16]研究发现在河南濮阳地区 10 t/hm2的生物炭配施300 kg/hm2效果最佳，这可能是土壤肥力、土地利用方式不同所致。孟繁昊[17-18]研究推荐在种植玉米的沙壤土中生物炭(8 t/hm2)与氮肥(150 kg/hm2)配施效果最好，武沛然[19]推荐在种植甜菜的盐碱地中施用生物炭替代10%的化学氮肥效果最佳，这可能是由于土壤类型、土壤肥力和耕作模式等不同所致。本试验的结果显示，应用于氮高效玉米品种，生物炭3 t/hm2与纯N 300、255 kg/hm2配施效果最显著，施行周期很短，但对土壤质量具有一定提升效果，今后将开展连续多年的定点试验，对土壤肥力和土壤质量的调控效果进一步深入研究。

4 结 论

C2的土壤质量指数最高，其次是C1，分别为0.746、0.643，这两个处理分别是生物炭3000 kg/hm2与纯N 300、255 kg/hm2配施，C0最低，C0是仅施用氮肥尿素处理，表明生物炭与氮肥减量调控措施能够有效提升土壤质量。C2ZD、C1ZD的土壤质量指数较高，分别为0.950、0.701，与此同时，这两个处理对应的氮低效品种土壤质量指数表现也较高，分别为0.542、0.584。说明尽管短期采取生物炭与氮肥减量调控措施，但对土壤质量提升仍有显著效果，而生物炭3000 kg/hm2与纯N 300、255 kg/hm2配施效果最显著，可显著改善土壤养分状况，促进氮高效玉米的氮吸收，是玉米高产高效种植中减氮增效的可行管理措施。