不同水氮条件下生物炭对夏玉米水氮耦合效应的影响

曹磊齐，翟亚明*，朱成立，黄明逸,2，张 帆，徐雨琳

（1.河海大学 农业科学与工程学院，南京 210098；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098）

0 引 言

【研究意义】水分和氮素是决定作物高产的主要因素，水分是土壤养分溶解的介质和作物营养物质输送的载体，氮素促进作物对水分的吸收，增强了作物抗旱性[1]。由于人们对产量的过分追求，不合理灌溉施肥现象越来越严重，不仅没有达到增产效果，造成了水资源的浪费，还带来了一系列环境问题。研究表明，生物炭在农业生产中作为土壤改良剂[2]，能够促进水分亏缺或者土壤肥力较差条件下作物的生长，促进作物对水氮的吸收，进而提高产量。因此，为实现农业可持续发展，研究减水减氮下生物炭对作物生产能力的影响有重要意义。

【研究进展】谷晓博等[3]研究发现适宜的水氮配施不仅增加了地上干物质积累，还提高了作物对水氮吸收效率。邢英英等[4]研究发现滴灌下高水中氮使得番茄具有较高产量及水氮利用效率。合理的水氮配施是作物增产的关键，对节水节肥具有重要意义。生物炭是在低氧条件下生物质热解生成的有机材料，具有多孔结构、大比表面积和高离子交换量等特点[5]。生物炭的施用还有利于提高土壤有机质量、养分供应和阳离子交换能力，从而促进土壤养分有效性。赵红玉等[6]研究发现添加15 t/hm2生物炭可以提高小麦籽粒产量。Arhtar等[7]发现在减少番茄灌水量时，添加生物炭能够提高番茄产量和水分利用效率。李帅霖等[8]发现1%和2%生物炭和氮肥存在协调增产作用，但过量生物炭会产生负作用。勾芒芒等[9]发现生物炭和氮肥有明显的交互作用，适量生物炭对肥力较低土壤具有更好的增产效果，能够达到节肥增产的目的。

【切入点】目前，国内外大量研究关注生物炭与水分或养分单个因素对作物生长影响，不同水氮条件和生物炭相结合对夏玉米生长影响研究较少。因此，探明在节水节肥下生物炭对土壤持水保肥效果以及夏玉米根系生长和耦合效应的影响，对水资源短缺地区具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究将深入了解生物炭对土壤保水保肥能力以及减水减氮下生物炭对夏玉米根系生长和水氮耦合效应的影响，探寻旱区农业生产节水节肥方面新的有效途径和最佳生物炭量。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于河海大学江宁节水园区（31°57'N，118°50'E），属亚热带季风气候，全年日照时间为2 200 h，年平均降水量为1 025.12 mm，多年平均气温为15.7 ℃，年平均蒸发量约为900 mm。试验区土壤为砂壤土，有机质量8.76 g/kg，速效钾量116 mg/kg，速效磷量14.62 mg/kg，硝态氮量39.53 mg/kg，铵态氮量5.43 mg/kg。生物炭是在500～600 ℃的密封窑中通过热解小麦秸秆5～8 h获得，有机质量16.8 g/kg，速效钾量58.67 mg/kg，速效磷量11.53 mg/kg，硝态氮量2.26 mg/kg，铵态氮量6.62 mg/kg，比表面积为9.5 m2/g。

1.2 试验设计

供试夏玉米为苏玉29号，2020年6月30日—10月10日于透明避雨大棚进行田间小区试验。本试验采用三因素裂区设计，生物炭量为主区，灌水量，施氮量为副区，共设置4个生物炭添加水平（0、5、10、15 t/hm2，分别记为C0、C1、C2、C3）、2种灌溉方式（正常灌溉I1、亏缺灌溉I2）、2种施氮水平（常规施氮N1、亏缺施氮N2），正常灌溉水量为400 mm左右（ETC根据Penman-Monteith公式计算），亏缺灌溉水量为50%ETC（200 mm）；正常施氮量为200 kg/hm2，亏缺施氮量为正常施氮量的50%（100 kg/hm2）。每个处理重复3次，每个小区长300 cm，宽200 cm，为了防止小区的边行效应，小区四周埋设1 m深度的隔水板，防止水分侧渗和肥料影响。玉米株距25 cm，行距40 cm，1条灌溉带控制2行玉米。根据试验地内的气象站数据利用Penman-Monteith公式计算夏玉米日需水量，当需水量累计达到20 mm时进行滴灌，水分充足下滴灌每次的灌水定额为20 mm，水分亏缺下每次的灌水定额为10 mm。钾肥和磷肥分别选用氯化钾和磷酸二铵，施加量均为100 kg/hm2，随水一起施入，生物炭在夏玉米播种前一次性均匀地撒铺在土壤表层，且通过人工翻耕与0～30 cm土壤充分混合。具体灌水和施肥情况见表1。试验区土壤初始含水率基本达到田间持水率，以保证幼苗正常生长发育，六叶期后开始控水处理。试验共16个处理（4种生物炭水平×2种灌水量×2种施氮量）。

表1 夏玉米不同生育期灌水施肥情况Table 1 Irrigation and fertilization status during growing stage of maize

1.3 指标测定方法

夏玉米收获后用环刀和土钻对表层30 cm土壤进行取样。土壤总孔隙度通过环刀法测定；土壤田间持水率和凋萎系数使用压力膜仪进行测定，田间持水率为3.0×104Pa土壤吸力时的含水率，凋萎系数为1.5×106Pa土壤吸力时的含水率，在抽雄期（播后57 d）和成熟期（播后91 d）采用硝酸试粉比色法测定土壤中的硝态氮量；钠式色剂比色法测定土壤中的铵态氮量。夏玉米根系伤流量分别于抽雄期、成熟期每小区选取长势一致的植株3株，当天18:00在距地面10 cm处将玉米割断，套上已称量（W1）的装有脱脂棉的自封袋密封，并用皮筋将其扎紧，12 h后取下称量（W2），伤流量（g/株）为W2与W1之差[10]。在收获时各处理随机选取3株具有代表性夏玉米进行根系样品采集，根系取样面积为30 cm×30 cm正方形，取样深度为100 cm，然后用低压水枪进行冲洗干净快速吸干后分层装袋，用EPSON Perfection V700型根系扫描仪进行根系扫描，WinRHIZO Pro软件进行根系分析，得出根长和根表面积等参数指标。

耗水量（evapotranspiration，ET）由水量平衡公式计算可得出，因为是在避雨条件下，且地下水埋深较深，且灌溉过程中土壤含水率不超过田间持水率，不考虑降雨及地下水补给，排水等因素，计算式为：

式中：ET为作物耗水量（mm）；I灌溉定额（mm）；ΔW生育期前后计划湿润层土壤含水率变化（mm）。六叶期到拔节期计划湿润层取0～40 cm，拔节期到收获时计划湿润层取0～100 cm，采用烘干法测量土壤含水率。

在收获时选取小区中间2列玉米进行测产，将植株分剪，105 ℃下杀青1～2 h，然后在75 ℃下烘干至恒质量以确定穗粒数，百粒质量和籽粒产量。水分利用效率（WUE）计算式为：

式中：Y为籽粒产量（kg/hm2）。

氮素偏生产力（PFPN，kg/kg）指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量，计算式为：

式中：Y为施氮后获得的籽粒产量；F为氮肥的投入量。

1.4 数据分析

数据分析在SPSS 25中进行，并采用Duncan法进行多重比较，以不同小写字母表示差异性显著（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同水氮条件下生物炭对土壤持水能力的影响

表2为不同水氮炭下土壤总孔隙度和持水能力。添加生物炭明显提高了土壤总孔隙度（P<0.05），C3处理下土壤总孔隙度达到最大，较C0处理平均增加了15.94%，C1处理和C2处理分别平均增加了4.33%和10.82%。同时，C2处理对土壤田间持水率和有效含水率改良效果最佳，较C0处理平均增加了17.08%和10.16%，其次为C1处理，平均增加了8.80%和9.09%。C3处理下，田间持水率和土壤有效含水率高于C0处理却较C2处理有所下降（P<0.05），较C2处理平均减少了9.92%和8.98%。土壤凋萎系数随着生物炭的变化趋势与田间持水率相似，均在C2处理下达到最大，较C0处理平均增加了30.41%%，C1处理和C3处理较C0处理分别平均增加了9.79%和15.46%。

表2 不同水氮炭下土壤总孔隙度和持水能力Table 2 Total soil porosity and water holding capacity under different water and nitrogen biochar

2.2 不同水氮条件下生物炭对土壤铵态氮和硝态氮的影响

表3为不同水氮炭下土壤铵态氮和硝态氮量。在抽雄期，I2N1处理土壤铵态氮和硝态氮最大，较I1N1处理平均增加了6.79%和5.47%，而I1N2处理最小，较I1N1处理平均减少了10.42%和13.43%，其次为I1N1处理和I2N2处理，高灌溉水量使表层硝态氮和铵态氮量下降，有向深层淋洗的风险[11]。在施加生物炭下，C1处理和C2处理土壤铵态氮和硝态氮量较未施炭组分别平均增加了15.96%和31.94%、13.00%和57.45%，但C3处理较C0处理分别平均减少了8.68%和13.33%。在成熟期，从水氮条件看，土壤铵态氮和硝态氮量从大到小依次为I2N1、I1N1、I2N2、I1N2处理，在施加生物炭下，C1处理和C2处理土壤硝态氮和铵态氮量较C0处理分别平均增加了6.08%和17.10%、14.74%和34.37%，C3处理分别平均减少了9.89%和12.05%。

表3 不同水氮炭下土壤铵态氮和硝态氮Table 3 Soil ammonium and nitrate nitrogen under different water and nitrogen biochar

2.3 不同水氮条件下生物炭对夏玉米根系生长的影响

表4为不同水氮炭下夏玉米根系相关特性。从水氮条件看，I1N1处理下总根长和根表面积明显优于其他处理，而I2N1处理最小，I1N2处理总根长和根表面积较I1N1处理分别平均减少了6.66%和6.92%，I2N2处理较I1N1处理分别平均减少了21.37%和24.98%。在施加生物炭下，C1、C2、C3处理的总根长和根表面积较未施炭组分别平均增加了8.20%、18.20%、4.37%和7.90%、15.28%、2.28%。从交互效应看，适量生物炭添加明显促进了部分减水减氮下作物根系生长。C2处理下I1N2、I2N1、I2N2处理总根长分别较C0处理增加了22.72%、16.00%和18.24%，根表面积分别增加了19.78%、15.38%和16.79%。

表4 不同水氮炭下夏玉米根系相关特性Table 4 Root-related characteristics of summer maize under different water and nitrogen biochar

在抽雄和成熟期，I1N1处理的伤流量最大，而I2N1处理下最小。在抽雄期，I1N2、I2N2处理伤流

量较I1N1处理分别平均减少了1.47%和8.73%，在成熟期较I1N1处理平均减少了1.62%和5.18%。在抽雄期，C1、C2处理的伤流量较C0处理分别平均增加了5.39%和10.25%，在成熟期分别平均增加了13.30%和23.68%。然而，C3处理下抽雄期和成熟期伤流量有所下降（P<0.05），较C0处理分别平均减少了8.91%和3.10%。从交互作用看，在抽雄和成熟期，C2处理明显提高了部分减水减氮下玉米伤流量。抽雄期，C2处理下I1N2、I2N1、I2N2处理伤流量较C0处理增加了9.49%、11.83%和12.07%。成熟期，C2处理下I1N2、I2N1、I2N2处理伤流量较C0处理增加了26.46%、22.69%和22.79%。

2.4 不同水氮条件下生物炭对夏玉米生产的影响

表5为不同水氮炭下夏玉米产量特性、水分利用效率和氮素偏生产力。从水氮条件看，I1N1处理下的产量高，其次为I1N2、I2N2、I2N1处理，分别较I1N1处理平均减少了2.15%、13.49%和16.62%。C1处理和C2处理对产量均有明显的促进作用，较C0处理分别平均增加了5.03%和11.21%。然而，C3处理产量与C0处理产量差异不显著。从交互作用看，适量生物炭施加能明显促进水氮协同作用，C1处理和C2处理提高了水氮亏缺下产量，C1处理下I1N2、I2N1、I2N2处理产量较C0处理分别增加了7.78%、4.50%和5.60%，C2处理下I1N2、I2N1、I2N2处理产量较C0处理分别增加了13.12%、12.80%和12.84。穗粒数随生物炭变化趋势和产量一致，均在C2处理下达到最大（P<0.05），较C0处理平均增加了10.80%，其次为C1处理平均增加了4.18%，在C3处理下穗粒数较C2处理平均减少了8.37%。施生物炭下I1N1、I1N2、I2N1、I2N2处理的百粒质量都有不同程度的提高，只有在C3处理下的百粒质量有所下降，较C0处理平均下降了2.14%。从表5可以看出，C1、C2处理水分利用效率和氮素偏生产力明显上升，较C0处理分别平均增加了7.47%、15.65%和5.60%、11.80%，但在C3处理有所下降。从交互作用看，C1、C2生物炭施加量促进了水氮亏缺下夏玉米对水分和养分的吸收利用，C1处理下I1N2、I2N1、I2N2处理水分利用效率和氮素偏生产力较C0处理分别增加了10.34%、5.94%、10.32%和7.78%、4.50%、5.60%。C2处理下I1N2、I2N1、I2N2处理水分利用效率和氮素偏生产力较C0处理分别增加了16.93%、14.88%、19.48%和13.12%、12.80%、12.84%。

表5 不同水氮炭下夏玉米产量特性、水分利用效率和氮素偏生产力Table 5 Yield characteristics, water use efficiency and nitrogen bias productivity of summer maize under different water and nitrogen biochar

3 讨 论

生物炭固有的结构特征与理化特性，使其施入后对土壤持水能力、总孔隙度、养分量等均有明显的促进效果[12]。研究表明，施加生物炭后，可使土壤总孔隙率由45.7%提高到50.6%[13]，同时其自身巨大的表面积和多微孔结构也增强了土壤的持水能力，尤其是提高了土壤的有效含水率[14-16]。本试验中，生物炭处理的总孔隙度较未施炭组增加3.96%～16.80%，持水能力和有效含水率也随着生物炭的添加显著提高，但在15 t/hm2生物炭下效果不显著，可能是因为高量生物炭对水分吸附能力增强，使得土壤凋萎系数上升，进而有效含水率变化幅度降低。此外，施加5 t/hm2和10 t/hm2生物炭均显著提高了土壤中铵态氮和硝态氮量，这与魏永霞等[17]、董成等[18]研究结果相似，可能是生物炭较大的比表面积对NH4+具有较强吸附性，降低了土壤可溶性NH4+[19]，延缓NH4+向NO3-转化的速率，进而减少速效氮的损失；高德才等[20]研究发现添加生物炭达2%以上可以有效降低总氮和NH4+淋洗，减少土壤中氮素损失和提高氮素的利用效率，其次适量生物炭改善了土壤孔隙结构，增强了土壤持水能力，使土壤中水分能够保留更长时间，成为养分的缓释体[21]。然而，在C3处理下有一定程度下降，可能是过高的C/N影响了土壤中氮素的固定，使得土壤中铵态氮和硝态氮量下降。

施加生物炭明显提高了不同水氮条件下玉米总根长、根表面积和伤流量，C2处理下效果最为显著，这与李瑞霞等[22]、张伟明等[23]研究结果相似，生物炭可以增加玉米总根长和根系活力，延缓根系衰老，增强对水肥的吸收利用能力[24]。在C3处理下，总根长、根表面积和伤流量始终高于C0处理，却较C2处理有所下降，这可能是因为高量生物炭增加土壤的氮固定，根际土壤肥力下降，进而影响了根系正常生长。生物炭有利于提高水氮协同效应，促进水氮亏缺条件下夏玉米产量及水氮利用效率，尤其是C2处理下效果更好，I1N1、I1N2、I2N1、I2N2处理下产量较C0处理分别增加了6.74%、13.12%、12.80%和12.84%。C1处理下I1N2处理产量较未施炭下正常水氮供给产量增加了1.37%，C2处理下I1N2处理产量较未施炭下正常水氮供给产量增加了6.40%，这与袁晶晶等[25]研究结果相似，生物炭施加可以降低肥料的投入，并且不影响作物产量。杨浩鹏等[26]研究发现20 t/hm2生物炭下减少20%化肥用量可以达到玉米不减产的目的。C2处理下I2N2处理产量与C0处理下I1N2处理产量间没有显著差异。在水氮亏缺处理下，产量随着生物炭施加与C0处理下I1N1处理产量之间差异越来越小。试验发现随着生物炭添加玉米水分利用效率和氮素偏生产力呈先增后减的变化趋势，这与张爱平等[27]、刘慧屿等[28]研究结果相似。添加适宜生物炭提高了生育后期对氮素的供给，提高了夏玉米对水氮的吸收利用，使得水分利用效率和氮素偏生产力上升。

生物炭改善了根际土壤的水氮条件，增强了根系活力及对水氮的吸收利用，同时，生物炭自身较强的吸附能力及对土壤持水能力的提高，使得水分和养分能够在土壤保留更长时间供作物吸收利用，进而有利于充分发挥水氮耦合协同效应，进一步实现增产增效[29]。I1N2、I2N2处理下施炭增产明显可能是因为生物炭降提高了土壤持水能力，还降低了土壤氮素淋洗，从而减轻了因水氮亏缺对作物的影响。I2N1处理下生物炭改善了土壤水氮条件，促进了夏玉米对水氮的吸收。C2处理下I1N2处理不仅减少了50%氮肥的使用，而且达到增产的目的。这与程效义等[30]研究结果相似。然而，在C3处理下的产量和水氮利用效率均出现不同程度下降，可能是因为高生物炭的强吸附能力降低了夏玉米对水氮的吸收利用，而且高量生物炭使得根系生长冗杂，消耗了大量光合产物，向籽粒转移量有所降低最终导致产量下降。C1、C2处理都可以显著促进水氮协同作用，提高夏玉米产量，其中C2处理对水氮耦合效应促进效果更佳，尤其是在I1N2处理下。施加生物炭更好地提高了水氮协同作用，且降低了水氮亏缺对夏玉米的影响，为旱区农业可持续发展提供重要依据。然而，该研究结果仅建立在一年田间试验下，生物炭对水氮耦合效应的影响仍需在不同气候，不同土壤条件和生物炭量下进行长期研究。

4 结 论

1）在5 t/hm2和10 t/hm2生物炭下土壤持水能力明显提高，对土壤铵态氮和硝态氮的淋洗显著下降，尤其是在10 t/hm2生物炭下效果最佳，但在15 t/hm2生物炭下土壤的保水保肥能力有所下降。

2）5、10、15 t/hm2生物炭对夏玉米根系生长和产量均有一定的促进作用。同时，生物炭还促进了夏玉米对水氮的吸收利用，5 t/hm2和10 t/hm2处理下水分利用效率和氮素偏生产力较未施炭组分别平均增加了7.47%、5.60%和15.65%、11.80%，然而，15 t/hm2生物炭下对水氮吸收利用有所下降。