烟杆炭配施氮肥对玉米苗期生长及土壤特性的影响

姚佳， 刘加欣， 苏焱， 苏小娟

（西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224）

生物炭是农林废弃物等经高温、缺氧或部分缺氧条件下制备的一类富含碳的有机物，因其具有巨大的表面积、丰富的官能团和较强的酸碱缓冲性能，被视为一种绿色改良剂，广泛应用于土壤改良及环境污染修复方面[1]。云南省是我国烟草的主栽区之一，烟草年均产量达到83.54万t，同时会产出大量烟杆[2]。新鲜烟杆含有大量的病原菌导致其不能直接还田，自然堆放会导致养分流失[3]。肖和友等[4]研究发现，生物炭显著增加了土壤有机质，其中烟杆生物炭提升土壤有机质含量效果最佳，可能是烟杆生物炭自身有机碳含量较高；烟叶生物炭和烟杆生物炭处理均显著改善了烤烟农艺性状，增加了烟叶产量和上等烟的比例。因此，将烟杆进行炭化后还田不仅阻断了病原菌的传播，还促进了农业废弃物的资源化利用。

生物炭在土壤环境中应用的报道最初见于对南美亚马逊河流域黑土的研究中[5]。目前，关于生物炭在土壤改良[6-7]、农作物增产提质[8-10]、土壤微生态调控[11-12]等方面的研究逐渐增多。但受生态条件、气候条件、土壤类型以及生物炭制备材料和制备温度等因素的影响，生物炭对作物生长、养分吸收和土壤肥力等方面的影响国内外报道不一。生物炭因含有大量的氮、磷、钾等植物必需的营养元素，单施或与肥料配施均能改善土壤养分，提高肥料利用率[8,11-13]。因此，在减肥增效的大背景下，生物炭在一定程度上具有代替化学肥料的潜力。研究表明，生物炭对植物生物量及干物质积累有显著的抑制作用，但随着生育期的延长，生物炭的抑制作用逐渐消失[14]；生物炭单独施用会抑制植物干物质积累，与氮肥配施则起促进作用[8]。随着研究的不断深入，发现生物炭的施用不仅改善了土壤养分状况、增加产量，同时促进土壤微生物的生长并对土壤酶活性产生影响。如侯建伟等[6]、杜倩等[15]的研究均发现生物炭的施入能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和中性磷酸酶活性，但降低了土壤过氧化氢酶活性。

关于生物炭对土壤肥力、作物生长及土壤酶活性影响的研究已有较多报道，但在不同添加量下，生物炭与氮肥配施对土壤肥力、土壤酶活性、作物生长及养分吸收影响的研究相对较少。因此，本研究以烟杆炭为外源碳，对比研究氮肥、生物炭单独及不同比例配施对玉米苗期生物量、养分吸收、土壤肥力及酶活性的影响，探索适合玉米生长的烟杆炭与氮肥配施的方式，为元谋干热河谷地区农业废弃物资源化利用及合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自云南省农业科学院热区生态农业研究所羊开窝基地（25°48′00″ N，101°51′42″ E）。玉米为当地主要种植品种‘郑丹58号’。生物炭为烟 杆 炭 ，比 表 面 积 为 1.725 m2·g-1，平 均 孔 径 为2.380 mm，碳 氮 比（C/N）为 23.5，全 氮 含 量 为12.75 g·kg-1，全 磷 含 量 为 2.64 g·kg-1，全 钾 含 量为 18.62 g·kg-1，pH 9.25。 按 照 S 形 路 线 采 集0—20 cm土壤，混合均匀后，带回实验室风干，过筛，备用。采用鲍士旦[16]方法对土壤进行分析测定，得出pH 7.81，土壤有机质12.98 g·kg-1，全氮含量 1.87 g·kg-1，全 磷 含 量 3.66 g·kg-1，全 钾 含 量5.60 g·kg-1，速效氮含量 15.63 mg·kg-1，速效磷含量9.84 mg·kg-1，速效钾含量26.25 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以生物炭施用量为主区，氮肥施用量为副区。试验共计9个处理（表1），每个处理3个重复。氮、磷、钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（P2O5为18%）、硫酸钾（K2O为50%）。磷、钾肥用量分别为 P2O5235 kg·hm-2、K2O 150.75 kg·hm-2，全部作为底肥施用；氮肥的2/3作为底肥施入，1/3作为追肥施入。每盆装过3 cm筛的风干土2 kg，生物炭与土壤混匀后装入盆中，用对应底肥配置的营养液调节土壤含水量至质量含水量的20%，平衡1周后每盆播种3粒玉米。玉米生长期间，根据土壤水分状况用自来水调节土壤含水量。

表1 试验方案设计Table 1 Design of the experimental program

1.3 试验方法

培养60 d后收获玉米，测定株高、地上和地下部生物量。将地上部分放入80 ℃烘箱烘干48 h至恒重，称量后，将其磨细，过0.5 mm筛，备用。采用H2SO4-H2O2消煮后，通过全自动凯氏定氮仪测定植物体全氮（total nitrogen，TN）含量，全磷含量测定采用钒钼黄比色法测定[16]，并按照玉米干物质积累量计算氮磷养分吸收量；土壤pH采用酸度计测定，土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定，速效氮（available nitrogen，AN）采用碱解扩散法测定，速效磷（available phosphorus，AP）采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾（available potassium，AK）采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定，有机质含量（soil organic matter，SOM）采用重铬酸钾容量法测定，阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）采用中性乙酸铵法测定。根据胡慧蓉[17]的方法测定土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性。

1.4 数据处理

运用Excel 2003进行数据处理，用SPSS 21.0进行方差分析及多重比较（Duncan法，显著性水平为0.05），采用Pearson相关系数分析土壤养分含量和酶活性的相关性。

2 结果与分析

2.1 生物炭配施氮肥对玉米苗期生长及养分吸收的影响

2.1.1 生物炭配施氮肥对玉米株高的影响 由图1可知，在不施氮肥的处理中，生物炭的施用对苗期玉米的株高没有明显的促进作用，BC1、BC2与CK处理之间差异不显著。在单独施用氮肥的处理中，玉米株高呈现随施氮量增加而增加的趋势，表现为N2＞N1。在低水平氮肥施入（N1）时，生物炭与氮肥配施对玉米株高的影响表现为低水平生物炭（BC1）促进，高水平生物炭（BC2）抑制，其中N1+BC1处理玉米株高显著高于N1+BC2处理，而N1+BC1处理和N1+BC2处理与N1处理之间无明显差异。高水平氮肥施入（N2）时，生物炭与氮肥配施对玉米株高的影响与前者相似。总体而言，适量生物炭与氮肥配施可以明显促进玉米苗期生长。

图1 不同处理下苗期玉米株高Fig. 1 Corn plant height at seedling stage under different treatments

2.1.2 生物炭配施氮肥对玉米干物质量的影响 由图2可知，生物炭单独施用条件下，低水平（BC1）抑制苗期玉米干物质积累，高水平(BC2)则起促进作用，但均与CK之间无明显差异。在单独施用氮肥的处理中，随着氮肥施用量的增加（0~270 kg·hm-2），玉米地上部干物质积累量增加107.7%~242.6%，其中，N2与CK处理之间差异达到显著水平（P＜0.05），但N2与N1处理、N1与CK之间均无明显差异。与N1处理相比，N1+BC1与N1+BC2处理地上部干物质量分别增加了20.0%和7.4%；而高水平氮肥（N2）条件下，两者配施不同程度地抑制苗期玉米地上部干物质的积累，N2、N2+BC1和N2+BC2处理干物质积累量分别为17.48、17.04和13.69 g。综上，N2及其与生物炭配施系列处理对玉米地上部干物质积累量的促进效果最明显，N1及其与生物炭配施系列处理次之，生物炭单独施用无明显促进作用。

图2 不同处理下玉米地上和地下部干物质积累量Fig. 2 Dry weight of corn aboveground and underground at seedling stage under different treatments

就玉米地下部干物质积累而言，同一氮肥水平下，各处理地下部干物质量之间无显著差异；不同氮水平单施及与生物炭配施条件下，除N2系列处理均显著高于CK、BC1处理外，其他处理之间均无显著差异。综上可知，氮肥单独施用时，玉米干物质量均随氮肥施用量增加而增加；生物炭单独施用时，则随施用量增加呈先降后增的趋势；生物炭与氮肥配施条件下，低量生物炭（BC1）促进苗期玉米干物质的积累，高量生物炭（BC2）则表现出抑制作用。

2.1.3 生物炭配施氮肥对玉米氮、磷吸收的影响 通过方差分析（表2）可知，与CK相比，所有处理均显著提高了玉米植株氮、磷含量及吸收量。随着生物炭施入量的增加，玉米植株氮、磷含量显著增加（P＜0.05），其含量为0.96%~1.86%、1.02%~1.97%；玉米氮、磷吸收总量与对应的养分含量变化趋势一致，随生物炭施入量的增加而显著增加（P＜0.05）。在单独施用氮肥处理中，各处理植株氮、磷含量均显著高于CK，其中，植株氮含量随氮肥施用量增加而显著增加（P＜0.05），而磷素含量无明显差异；玉米氮、磷吸收量均随着氮施入量的增加而显著增加（P＜0.05）。与CK相比，生物炭配施氮肥处理均显著增加玉米氮、磷含量及吸收量，其中，N2+BC1处理玉米氮含量和氮吸收量分别为CK的7.4和23.3倍，而玉米磷含量和磷吸收量最大的处理分别为BC2和N2+BC1处理，是CK的5.7和15.5倍。同一氮肥施用水平下，低量生物炭（67.5 t·hm-2）与氮肥配施显著促进植株氮、磷含量和吸收量（P＜0.05），而高量生物炭（67.5 t·hm-2）与氮肥配施则抑制植物氮、磷含量及吸收量，这与谷学佳等[18]的研究结果一致。

表2 各处理下玉米苗期全氮、全磷含量及其吸收量Table 2 N and P contents and absorption of maize seeding under different treatments

2.2 生物炭配施氮肥对土壤特性的影响

2.2.1 生物炭配施氮肥对土壤化学性质的影响不同处理土壤养分和pH的变化见表3，与CK相比，单独施用生物炭及生物炭与氮肥配施处理均显著提高了土壤pH，且随着生物炭施用量的增加，土壤pH增幅越大。BC2、N1+BC2和N2+BC2处理土壤pH较CK分别增加1.61、1.87、1.61个pH单位，且均显著高于BC1、N1+BC1和N2+BC1处理。土壤全氮和阳离子交换量均以N1+BC2处理最高，分别为4.12 g·kg-1和9.45 cmol·kg-1，分别为对照的2.1和1.3倍。生物炭和氮肥单施及配施处理均显著增加了土壤有机质含量，随着生物炭及氮肥施用量的增加呈增加趋势，以N2+BC2处理最高，为46.70 g·kg-1，是CK的3.4倍。土壤速效氮、速效磷和速效钾含量最高的处理均为N2+BC2，分别为85.75、13.77和103.70 mg·kg-1，是CK的7.0、1.5和2.5倍。表明在单独施用氮肥的基础上，添加生物炭后，可显著提高土壤pH，增加土壤有机质、速效养分和阳离子交换量，可能是由于生物炭含有一定量的碱性物质和丰富的养分元素，从而提高土壤肥力。

表3 不同处理下土壤化学性质的变化Table 3 Changes in soil chemical properties under different treatments

2.2.2 生物炭配施氮肥对土壤酶活性的影响 不同处理土壤脲酶活性在37.51~74.74 µg·100 g-1土（图3）。与CK相比，土壤脲酶活性随着生物炭施用量的增加呈增加趋势，但无显著差异；随着氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性显著增加。氮肥与低量生物炭配施均显著增加了土壤脲酶活性，且土壤脲酶活性随氮肥用量的增加而显著增加；氮肥与高量生物炭配施在一定程度上抑制了土壤脲酶活性。N2+BC1 处理脲酶活性最高，为 74.74 µg·100 g-1土，脲酶活性最低的是N1+BC2处理，为37.51 µg·100 g-1土，说明适量生物炭与氮肥配施在玉米苗期生长中对土壤脲酶的活性有明显促进作用，高量生物炭与氮肥配施则相反。

图3 不同处理土壤脲酶活性Fig. 3 Soil urease enzyme activities under different treatments

与CK相比，各处理蔗糖酶活性均显著增加（图4）。单独施用生物炭或单独氮肥处理均显著增加了土壤蔗糖酶活性，且不同处理之间差异显著；BC1、BC2处理土壤蔗糖酶活性分别为CK的2.67和3.94倍；N1、N2处理土壤蔗糖酶活性较CK分别增加5.19和6.24倍。就氮肥与生物炭配施来看，氮肥施用量相同时，随着生物炭投入量的增加，土壤蔗糖酶活性降低。生物炭投入量为22.5 t·hm-2时，土壤中的蔗糖酶含量随着施氮水平的增加呈增加趋势，但效果不显著；而生物炭投入量增加到67.5 t·hm-2时，随着氮肥施用量的增加，土壤蔗糖酶活性呈降低趋势。

图4 不同处理土壤蔗糖酶活性Fig. 4 Soil invertase enzyme activities under different treatments

与CK相比，各施肥处理土壤过氧化氢酶的活性均显著增加（图5）。生物炭与氮肥单独及配施处理对土壤过氧化氢酶活性的影响与土壤蔗糖酶活性相似。其中，N2+BC1处理下土壤过氧化氢酶活力达到最高水平，为1.14 mL·100 g-1土，为CK的3.35倍；N1+BC1与N2处理次之，分别较CK增加2.71和2.93倍；单独施加生物炭的BC1、BC2处理土壤过氧化氢酶活性分别为0.45、0.63 mL·100 g-1土。表明生物炭能够有效促进土壤中过氧化氢酶的活性，且低量生物炭与氮肥配施下促进作用更明显。

图5 不同处理土壤过氧化氢酶活性Fig. 5 Soil catalase enzyme activities under different treatments

综上可知，生物炭和氮肥单独施用对土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性均表现出促进作用，其中，对蔗糖酶和过氧化氢酶的促进效果明显。生物炭与氮肥配施条件下，低量生物炭（22.5 t·hm-2）对3种土壤酶活性有明显的促进作用，但高量生物炭(67.5 t·hm-2)对酶活性有抑制作用，这与卢焱焱[19]的研究结果一致。

2.3 土壤化学性质与土壤酶活性的相关分析

将土壤化学性质与酶活性做相关分析，结果见表4。土壤pH、养分含量与酶活性之间有一定的相关性。pH与土壤全氮呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.920，与有机质和速效钾呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为0.681和0.785。土壤全氮除与速效钾和阳离子交换量呈显著正相关（P＜0.05）外，与其他指标均相关不显著。土壤有机质与速效磷、速效钾呈极显著正相关（P＜0.01），与速效氮、阳离子交换量呈显著正相关（P＜0.05）。土壤速效氮与速效磷、速效钾、阳离子交换量之间呈显著正相关（P＜0.05）。土壤速效氮与蔗糖酶、过氧化氢酶之间呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.801、0.886；土壤脲酶与过氧化氢酶、蔗糖酶的相关性达到极显著水平（P＜0.01），相关系数依次为0.846、0.809。

表4 土壤化学特性和土壤酶活性的相关分析Table 4 Correlation coefficient of soil chemical properties and soil enzyme activities

3 讨论

3.1 生物炭及氮肥配施促进玉米苗期生长及养分吸收

生物炭作为一种绿色土壤改良剂，本身含有丰富的养分元素，使作物持续吸收养分，可促进种子萌发和作物生长[20]。研究证实，减氮、磷、钾肥配施生物炭增加了玉米花后干物质积累量，促进了花前干物质的转运，增加了花前干物质转运量、转运率及其对籽粒干物质积累贡献率，进而增加了籽粒重量[21]。本试验表明，生物炭与氮肥配施或施用高水平的氮都会显著提高玉米的株高，且玉米干物质的累积在氮肥配施生物炭和单施氮肥的处理下都会显著增加。而张晗芝等[13]研究表明，不同水平生物炭处理的干物质量没有显著性差异，且高水平生物炭处理的玉米植株干物质量会有所减少；张爱平等[22]试验表明，生物炭与氮肥配施提高水稻产量，且水稻产量、株高和穗粒数随着生物炭施用量的增加而增加。

生物炭、有机肥和化肥混施能够增加春玉米对养分的吸收和利用[9]，可能是施用生物炭促进根系生长发育，从而提高了植株对养分和营养物质的吸收，进而促进植株的生长发育[23]。在本研究中，与生物炭、氮肥单独施用相比，生物炭与化肥配施显著促进了玉米干物质累积。低量生物炭配施氮肥能够显著提高玉米植株氮、磷养分的含量和养分吸收量。生物炭的种类、土壤肥力以及施肥方式对作物养分的吸收有很大的影响，施用生物炭可以促进水稻的氮素吸收积累，提高氮素的利用率[24]。彭辉辉等[9]利用生物炭、有机肥与化肥配施进行了田间长期定位试验，发现与单施化肥相比，不同水平生物炭与化肥混施不同程度地增加了玉米地上部氮、磷、钾的累积量。吴昕怡[25]研究发现氮肥的减量施用可以提高植株对氮、磷、钾元素的吸收，这与本试验结果相似。陈红霞等[26]也发现，生物炭能促进植株的生长，且随着生物炭施用量的增加植株生长越快，这与本研究中的结果有所差异，可能是因为本研究仅针对苗期玉米的生长和养分的吸收情况，不能反映不同生物炭用量在整个生育期的优势。

3.2 生物炭及氮肥配施显著影响土壤养分

生物炭作为一种富含碳源且具有较高稳定性的物质，可通过改善土壤性状直接或间接地改善土壤肥力，提高土壤生产力[27-28]。张文峰等[29]研究显示，施入低量生物炭显著提高了旱地红壤有机质和氮、磷、钾的含量，且土壤有机质、全钾、速效钾含量与生物炭施用量呈显著正相关。本研究表明，生物炭与化肥配施所有处理均能有效改善土壤的理化性质。与CK、单施生物炭和单施氮肥相比，生物炭配施氮肥能使土壤有机碳、全氮、速效氮、速效磷及速效钾含量有不同程度提高，与已有的研究结果基本一致[30-31]。原因可能是生物炭的比表面积大、吸附能力较强，能吸附、固持土壤和肥料中的氮、磷、钾离子，减少养分的流失，增加土壤中可利用养分的总量，且生物炭能够延缓养分在土壤中的释放，使肥效变缓，能够补充作物后期生长发育所需的养分[32-33]。

本研究发现，高量生物炭与氮肥配施显著提高了土壤全氮、速效氮含量，可能是生物炭对NO-3、NH+4具有较强的吸附作用，能有效降低土壤NH3挥发[34]，并且生物炭能够增大土壤的透气性，抑制反硝化作用，从而减少 NO-3的损失[25,35-36]。李玥等[37]通过田间定位试验发现，长期施用生物炭使棕壤中酸解铵态氮和氨基酸态氮的含量提高，并且达到显著水平。此外，生物炭与氮肥单独或配施处理均显著提高了土壤速效磷含量，主要是因为生物炭本身含有丰富的养分，同时生物炭比表面积较大，吸附作用强，从而减少了土壤中磷元素的淋失[38]，或生物炭可能通过降低土壤中铁氧化物和酚类等有机化合物的含量，减少其对磷的吸附，增加了土壤速效磷的有效性，马锋锋等[39]的研究结果也证实了这一观点。本研究中，生物炭单独及其与氮肥配施条件下，土壤速效钾含量随着生物炭施用量的增加而显著增加，说明生物炭中不仅含有丰富的钾元素，且富含孔隙结构和强的阳离子交换量，增加了土壤对钾离子的吸附，减少了钾的流失[40]，还可能是由于生物炭的施入加深了土壤颜色，使得土壤升温加快，增加了土壤中钾离子的活度及钾素扩散系数，从而提高了土壤的供钾能力[41]。本研究中，生物炭与氮肥单独或配施处理均显著提高了土壤有机质和阳离子交换量，有利于农田土壤培肥及固碳，这与阎海涛等[38]的研究结果一致，主要是因为生物炭富含有机碳，施用生物炭相当于直接向土壤中添加了外源有机物，从而提高土壤有机质含量。

3.3 生物炭及氮肥配施显著提高了土壤酶活性

生物炭配施氮肥可提高土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性。生物炭本身含有的一些物质可为酶促反应提供底物[42]，生物炭的孔隙可以给微生物提供良好的栖息地[43]，防止土壤中微生物和酶受到外界的干扰，从而促进了土壤酶的活性。大量研究表明，生物炭的施用会影响土壤水分、pH、通气性和温度等[44-46]，从而改善微生物的生活环境，提高酶活性。本试验表明，适量的生物炭配施氮肥显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性，与赵军等[47]、李静静等[48]的研究结果类似。施用生物炭还能促进植株根系的生长发育[13,49-50]，蔗糖酶会对根系分泌物有积极响应，但也有研究表明生物炭可能会抑制土壤中的酶促反应[46]，生物炭本身可能带有一些有毒物质会抑制土壤的酶活性[49]。本研究显示，高量生物炭（67.5 t·hm-2）与氮肥配施对土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶有明显的抑制作用。

相关分析表明，土壤化学性质之间相关性较强，多呈显著或极显著相关。土壤速效氮与蔗糖酶和过氧化氢酶活性之间有强相关作用，可能是生物炭和氮肥增加了土壤氮素含量，从而改善了微生物及根系生长环境[50]。单独施用氮肥条件下，随着施氮量的增加土壤脲酶活性增加，但从相关分析整体看，土壤全氮和速效氮与脲酶之间无显著相关，这与陈丽美等[51]研究结果一致，而与王佩雯等[52]的结果不太一致，具体原因有待进一步研究。本研究采用裂区设计，探究生物炭配施氮肥对苗期玉米生长、养分吸收及土壤性状的影响，发现减氮合理配施生物炭能改善土壤性状，提高土壤酶活性并增加玉米干物质量及氮磷含量，为烟杆科学还田提供了依据，同时为农业生产中减肥增效提供新思路。