不同施氮水平下生物碳提高棉花产量及氮肥利用率的作用

廖 娜， 侯振安， 李 琦， 茹思博， 薄慧娟

(石河子大学农学院资源与环境科学系, 新疆石河子 832003)

不同施氮水平下生物碳提高棉花产量及氮肥利用率的作用

廖 娜， 侯振安*， 李 琦， 茹思博， 薄慧娟

(石河子大学农学院资源与环境科学系, 新疆石河子 832003)

【目的】生物碳有很强的固碳能力，同时还可以改善土壤肥力，促进作物生长，提高养分利用效率。因此，本研究探究在不同施氮水平下棉花秸秆和棉花秸秆制备的生物碳还田对棉花产量及氮肥利用率的影响。【方法】采用2因素3水平完全设计田间试验方法。不同碳源处理为：棉花秸秆(ST，12 t/hm2)、棉花秸秆制备的生物碳(BC，4.5 t/hm2)和不施碳对照(CK)，棉花秸秆和生物碳为等碳量(C 1.2 t/hm2)施用；3个氮肥用量水平为N：0、300、450 kg/hm2(N0、N300、N450)。在棉花盛蕾期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期采集植株样品，测定植株干物质重、氮素吸收量，在棉花吐絮期测定棉花产量。【结果】 1)施用秸秆和生物碳均能显著增加棉花干物质重，促进棉花植株氮素吸收。在低氮肥水平下(N0)，秸秆和生物碳处理间棉花干物质重、氮素吸收量差异不显著；在中氮肥水平下(N300)，秸秆和生物碳处理棉花干物质差异不大，但生物碳处理氮素吸收量显著高于秸秆处理；在高氮肥水平下(N450)，生物碳处理的棉花干物质重、氮素吸收均要显著高于秸秆处理。2)施用秸秆和生物碳均能显著增加棉花产量。在低氮肥水平下(N0)，秸秆和生物碳处理的棉花产量差异不显著；而在中氮肥和高氮肥水平下(N300、N450)，生物碳处理的棉花产量均显著高于秸秆处理。3)施用秸秆和生物碳处理的氮肥利用率在中氮肥水平下(N300)分别较对照增加12.2%和26.8%；在高氮肥水平下(N450)，施用生物碳处理的棉花氮肥利用率较对照增加18.8%，而秸秆处理与对照差异不显著。【结论】生物碳和氮肥合理配施可以促进棉花生长，提高棉花产量，明显增加氮肥利用率。

生物碳； 棉花秸秆； 施氮水平； 棉花产量； 氮肥利用率

生物碳是由植物或废弃物的原料热裂解而产生的，与其他有机物料相比，生物碳含碳量更高，具有化学惰性和生物稳定性，较强的抵抗微生物分解的能力[1]。将农业废弃物转化为生物碳施用于土壤可以明显降低农业生态系统中温室气体的排放，缓解温室效应[2]，生物碳的高孔隙度特征益于改善土壤结构和持水能力[3-4]，减缓干旱地区农业由于气候变化引起的干旱胁迫。生物碳自身还含有一定植物所需的矿质营养元素，可以促进土壤养分的循环和植物的生长。但由于热解条件和原料的差异性，导致养分含量差异较大[5-6]。有研究表明施用生物碳可以提高土壤肥力[7]，显著增加土壤有机碳储量，改变土壤有机碳组分，提高土壤生产力[8]。同时，生物碳的结构性质有利于农田土壤养分固持，提高养分利用率，改善微生物环境，从而达到提高土壤质量，促进作物增产的双赢效应[9]。Uzoma等[10]将牛粪制备的生物碳施用到沙质土壤中研究表明，随着生物碳用量增加玉米产量显著提高。黄超等[11]分别在有机碳含量高和低的土壤中施用不同用量生物碳研究表明，在有机碳含量低的土壤中，黑麦草生物量较对照均有不同程度增加；而有机碳含量高的土壤中，施用生物碳对黑麦草生物量影响不显著。但孟颖等[12]研究表明施入不同用量玉米和水稻秸秆生物碳，对玉米苗期株高、生物量均有显著降低作用。由此可见，生物碳对作物产量的影响效应受生物碳本身性质、施用量和施用时间、作物和土壤的类型、土壤肥力情况等诸多因素的综合影响。

氮素是作物生长所必需的大量营养元素之一，也是旱地土壤最为缺乏的营养元素，施用氮肥为作物补充氮素是保证作物高产的重要措施。但氮肥施用量过高，除了被植株吸收利用外，多余部分会通过淋溶、挥发等途径损失。生物碳具有复杂的孔隙结构及巨大的表面积，且表面带有大量负电荷，可以吸附和负载肥料养分，将养分滞留在土壤中供植物吸收利用，从而延缓肥料养分在土壤中释放和降低淋洗损失，可以潜在地提高肥料养分的利用率[13-14]。马莉等[15]研究表明施用不同热解温度制备的生物碳均可以显著促进小麦氮素吸收，提高土壤中氮素残留量，减少土壤小麦体系氮素表观损失量。曲晶晶等[16]在晚稻进行的生物碳与氮肥配施试验也证实了其对产量均有不同程度的提高，同时水稻氮肥吸收利用率也显著提高。

新疆属典型干旱荒漠区，是我国最大的棉花生产基地，拥有丰富的棉花秸秆资源，主要以直接还田利用为主。但目前关于棉花秸秆制成生物碳后施用对干旱区棉花生长和产量影响的研究报道还较少。本研究通过田间试验研究不同施氮水平下棉花秸秆直接施用和秸秆制成生物碳后施用对棉花产量和氮肥利用率的影响，为干旱区秸秆资源和生物碳在石灰性土壤上的合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013年在新疆石河子大学农学院试验站进行。土壤类型为灌溉灰漠土，质地为重壤，土壤耕层基础理化性状为：有机质16.24 g/kg、 pH 7.8、 全氮0.76 g/kg、 碱解氮36.76 mg/kg、 速效磷27.42 mg/kg、 速效钾284.82 mg/kg。供试作物棉花(品种为新陆早52号)。

棉花秸秆采自石河子大学农学院试验站棉田，秸秆烘干粉碎后，在450℃下高温厌氧热解6 h后制备生物碳，秸秆转化为生物碳回收率为37.5%。棉花秸秆有机碳385 g/kg、 全氮1.6 g/kg、 全钾6.0 g/kg。生物碳有机碳625 g/kg、 全氮0.89 g/kg、 全钾8.6 g/kg。

1.2 试验设计

研究采用田间小区试验，设置棉花秸秆直接施用和秸秆制备成生物碳后施用两种方式，设计不同碳源处理和不同氮肥用量组成的两因素三水平完全方案。碳源处理设置3个水平：施用棉花秸秆(ST，12 t/hm2)、棉花秸秆制备的生物碳(BC，4.5 t/hm2)和对照(CK)，棉花秸秆和生物碳为等碳量(C 1.2 t/hm2)施用；氮肥(N)用量设置3个水平，即0、300和450 kg/hm2(N0、N300和N450)。共9个处理，每处理重复4次，共36个试验小区。

生物碳和棉花秸秆粉碎后，在棉花播种前均匀撒施于地表，翻耕入土。试验中氮肥20%作基肥，与生物碳或棉花秸秆在播种前一次性施入；剩余作追肥，在棉花生长期间分五次随水滴施。磷、钾肥全部作基肥，施用量为P2O5105 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。

棉花种植采用覆膜栽培，一膜四行，行距配置为30 cm+60 cm+30 cm，株距10 cm，播种密度22.2×104plant/hm2。灌溉方式为膜下滴灌，一膜两管，毛管间距90 cm。棉花于4月13日播种，采用“干播湿出”方式，播种后滴出苗水45 mm。棉花全生育期灌水9次，总灌溉量为450 mm，盛蕾期开始，吐絮初期结束。其他管理措施参照当地大田。

1.3 样品采集与分析

分别在棉花播种后61 d(盛蕾期)、76 d(初花期)、91 d(盛花期)、121 d(盛铃期)和136 d(吐絮期)采集棉花地上部植株样品，每个小区取3株，将棉株分为茎(包括果枝)、叶、蕾铃三部分，在105℃下杀青30 min，70℃烘干至恒重，称重，记录干物质重。烘干的植株样品经粉碎，过0.5 mm筛，备用。植株样品用H2SO4—H2O2消煮，凯氏定氮仪测定植株全氮含量。棉花吐絮期测定棉花籽棉产量及产量构成因素，最后实收计产。

1.4 数据处理

氮肥表观利用率(%)=(施氮区氮素积累量-不施氮肥区氮素积累量)/施氮量× 100

试验数据采用SPSS 11.5进行不同施碳处理和氮肥用量的方差分析，处理间的多重比较采用Duncan法(P<0.05)。

2 结果分析

2.1 不同施碳处理对棉花干物质的影响

2.1.1 棉花干物质积累动态 施用氮肥显著促进棉花生长，棉花各器官及总干物质积累量均明显增加(图1)。不施氮肥(N0)条件下，不同碳源处理棉花盛蕾期(播种后61 d)和初花期(播种后76 d)的干物质积累差异较小；盛花期(播种后91 d)后，秸秆(ST)和生物碳(BC)处理棉花各器官及总干物质积累量均显著高于对照(CK)，但ST和BC处理间的棉花干物质积累差异不大，仅BC处理茎干物质积累高于ST。

中氮(N300)水平下，ST和BC处理棉花茎、叶及总干物质积累量在盛蕾期后迅速增加，至棉花吐絮期(播种后136 d)始终明显高于CK。在盛蕾期和初花期，ST和BC处理棉花蕾铃干物质积累与CK差异不大，但随后均明显高于CK。总体上，ST和BC处理棉花各器官及总干物质积累差异较小。

高氮(N450)水平下，不同碳源处理对棉花干物质积累的影响与中氮水平相似，但ST和BC处理间的差异明显增加。ST和BC处理棉花茎、叶干物质积累在盛蕾期和初花期无明显差异，但初花期以后ST处理棉花茎干物质积累量显著高于BC处理，而叶干物质积累量则呈现相反趋势。在盛花期(播种后91 d)前，ST和BC处理棉花蕾铃和总干物质积累量差异不大，但盛花期后BC处理明显高于ST处理。

图1 不同处理棉花植株各器官(茎、叶、蕾铃)及总干物质积累动态Fig.1 Dynamic of dry matter weight accumulation in stem, leaf and boll per cotton plant under different treatments

2.1.2 棉花干物质重 氮肥用量、不同碳源处理及二者交互作用对吐絮初期棉花各器官及总干物质重的影响显著(表1)。总体上，棉花茎干重随着施氮量的增加显著增加。在三个施氮水平下(N0、N300、N450)，施用秸秆(ST)和生物碳(BC)均能显著增加棉花茎的干物质重，ST和BC处理棉花茎干重分别较对照(CK)平均增加21.7%和26.6%。交互作用对棉花茎干重的表现为：在N0水下，棉花茎干重以BC处理最高，其次是ST处理，CK最低；在N300水平下，BC和ST处理间差异不显著，但均显著高于CK；在N450水平下，ST最高，其次是BC，CK最低。

与茎干重相似，棉花叶、铃干重均随着施氮量的增加而增加。与不施氮肥(N0)相比，氮肥用量增加到300 kg/hm2、 450 kg/hm2，相应铃干重分别平均增加了1.6倍和2.2倍。施用秸秆和生物碳显著提高棉花叶和铃干重，ST和BC处理棉花叶干重分别较CK平均(三个氮水平)增加28%和40.4%，铃干重分别增加31.5%和38.3%。交互作用对棉花叶、铃干重的影响表现为：在N0水平下，叶干重为BC、ST>CK；而铃干重在三个碳源处理间差异不显著；在N300水平下，叶干重表现为BC>ST>CK；铃干重为ST、BC>CK；而在N450水平下，叶和铃干重均表现为BC>ST>CK。

施氮量对棉花总干重的影响表现为N450>N300>N0。不同碳源处理对棉花总干重的影响在不同施氮水平下表现有差异：在N0和N300水平下，ST和BC处理棉花总干重差异不显著，但均显著高于CK；在N450水平下，棉花总干重以BC处理最高，其次是ST，分别较CK增加了25.2%和14.8%。

表1 不同处理棉花的干物质量

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平；*、**、***分别表示碳源、施氮量和二者交互作用对棉花干物质重的影响达5%、1%和0.1%显著水平，ns表示影响不显著Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that dry matter weights of cotton plants are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

2.2 不同施碳处理对棉花氮素吸收的影响

2.2.1 棉花氮素积累动态 棉花植株各器官和整株氮素积累动态与其干物质积累动态的趋势基本一致(图2)。不同碳源处理显著促进棉花植株氮素吸收，在初花期(播种后76 d)以后，秸秆(ST)和生物碳(BC)处理棉花植株茎、叶、蕾铃的氮素吸收量显著高于对照(CK)。施氮量对棉花茎、叶、蕾铃氮素吸收的影响在不同碳源处理间表现一致，N0水平下的棉花茎、叶、蕾铃氮素吸收量明显低于N300和N450水平。

在低氮水平下(N0)，盛蕾期(播种后61 d)到初花期(播种后76 d)，不同碳源处理棉花植株茎的氮素分配百分比差异不大，BC处理叶的氮素分配百分比低于CK，而蕾的氮素百分比高于CK。ST处理叶和蕾/花的氮素分配百分比与CK差异不大。盛铃期(播种后121 d)，ST和BC处理茎、叶的氮素分配百分比显著高于CK，而铃的氮素分配百分比与CK处理差异不大。

在中氮水平下(N300)，盛蕾期不同碳源处理棉花植株茎、叶、蕾的氮素分配比表现与盛蕾期低氮水平相似。初花期各施碳处理茎、叶、花的氮素分配百分比差异不大。盛铃期ST和BC处理茎的氮素分配百分比较CK处理降低，而铃的氮素分配百分比高于CK处理，叶的氮素分配百分比与CK差异不大。

在高氮水平下(N450)，盛蕾期各施碳处理茎、叶、蕾铃的氮素分配百分比差异不显著。初花期各施碳处理棉花茎、叶、花的氮素分配百分比的表现与初花期低氮水平相似。盛铃期ST和BC处理茎的氮素百分比显著高于CK处理，而铃的氮素分配百分比较CK处理降低，叶的氮素分配百分比与CK差异不大。

图2 不同处理棉花各器官(茎、叶、蕾铃)氮素累积量动态变化Fig.2 Dynamic of nitrogen accumulation amounts in stem, leaf and boll per cotton plant under different treatments

2.2.2 棉花氮素吸收量 棉花氮素吸收受施氮量、碳源处理及二者交互作用的影响显著(表2)。棉花各器官(茎、叶、铃)氮素吸收量均随施氮量的增加显著增加。总体上，不同碳源处理棉花茎、叶、铃的氮素吸收量表现为BC>ST>CK。交互作用对棉花茎、叶、铃氮素吸收的影响表现为：在N0水平下，ST和BC处理差异不显著，但均显著高于CK。在N300水平下，茎吸氮量BC处理最高，而ST与CK差异不显著；叶吸氮量在ST和BC处理间差异不显著，但均显著高于CK；铃吸氮量为BC>ST>CK。在N450水平下，棉花茎、叶、铃的吸氮量均表现为BC>ST>CK。

不同碳源处理对棉花植株氮素吸收总量的影响在不同的施氮水平下有差异：在N0水平下，ST和BC处理棉花总吸氮量差异不显著，但均显著高于CK；在N300和N450水平下，植株氮素吸收总量表现为BC>ST>CK，BC和ST处理较CK分别平均增加30.6%和16.2%。

表2 不同处理对棉花氮素吸收的影响

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平；*、**、***分别表示碳源、施氮量和二者交互作用对棉花干物质重的影响达5%、1%和0.1%显著水平，ns表示影响不显著 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that dry matter weights of cotton plants are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

2.3 产量

棉花单株结铃数和单铃重受碳源处理、施氮量及二者交互作用影响显著(表3)。棉花单株结铃数和单铃重随施氮量的增加显著增加。不同碳源处理对棉花单株结铃数和单铃重的影响在不同氮肥水平下有差异：在N0和N300水平下，BC处理单株结铃数最高，其次是ST处理，均显著高于CK；在N450水平下，BC和ST处理单株结铃数显著高于CK，但前二者之间差异不大。不同碳源处理对棉花单铃重的影响表现为：在N0和N300水平下， BC和ST处理单铃重差异不大，但均显著高于CK处理；在N450水平下， BC处理单铃重最高，ST与CK差异不显著。

棉花籽棉产量受碳源处理和施氮量影响显著，但不受二者交互作用的影响。棉花产量随施氮量的增加而显著增加。施用秸秆和生物碳显著提高棉花产量，ST和BC处理棉花产量分别较CK平均提高了21.8%和32.3%。

2.4 氮肥表观利用率

3 讨论与结论

生物碳具有良好的物理性质和养分调控功能，显著促进植株生长，提高作物的生产力[17-18]，但作物的生长对生物碳的不同程度的响应还取决于生物碳本身的理化性质特征，气候条件，土壤条件及作物的类型[19-20]。本研究结果表明，在不同氮肥水平下施用秸秆和生物碳都能显著增加棉花干物质重。在低氮肥和中氮肥水平下，整个生育期秸秆和生物碳处理的棉花干物质重差异不显著，至吐絮初期，生物碳处理的棉花干物质重较对照平均增加35.2%；在高氮肥水平下，播种后91天(盛花期)后，生物碳处理棉花干物质重显著高于秸秆处理。作物秸秆是土壤中氮素的重要来源，施入土壤后会影响土壤氮素循环，促进作物对氮素的吸收[21]。本研究中，施用秸秆和生物碳处理的棉花植株氮素吸收量均显著增加。在低氮肥水平下，秸秆和生物碳处理棉花氮素吸收量差异不显著，而在中氮肥和高氮肥水平下，生物碳处理棉花氮素吸收量显著高于秸秆。张万杰等[22]研究也表明，在不同氮素水平下，施用生物碳可以增加作物氮素的吸收。

表3 不同处理对棉花产量及其构成因子的影响

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平；*、**、***分别表示碳源、施氮量和二者交互作用对棉花产量和构成因子的影响达5%、1%和0.1%显著水平，ns表示影响不显著 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that yield and its component of cotton are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

图3 不同处理对棉花氮肥表观利用率的影响Fig.3 Nitrogen apparent use efficiency of cotton under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Different letters above the bars mean significant at the 5% level.]

本研究表明，施用秸秆和生物碳均能提高棉花产量。在低氮肥水平下，施用生物碳处理的棉花产量较对照增加36.2%。生物碳与其他有机或无机肥料配施，作物增产效果更佳[23]。本研究中，生物碳与氮肥配施增产效应显著高于秸秆与氮肥配施，随着施氮量从300 kg/hm2增加到450 kg/hm2，施用生物碳的棉花产量分别较对照增加37%和24%，生物碳的增产效应随着施氮量的增加而降低，这与张万杰等[22]研究一致。有研究表明，施用生物碳可以潜在地减少作物对氮肥的需求用量，提高氮肥利用率[24]。本研究中施用秸秆和生物碳氮肥利用率均得到明显提高，在中氮肥水平下，施用秸秆和生物碳氮肥当季利用率分别较对照提高了26.8%和12.2%，在高氮肥水平下，施用生物碳氮肥当季利用率较对照提高了18.8%，而秸秆处理与对照差异不大。生物碳与肥料配施的显著肥效很好地体现了生物碳和肥料的互补或协同作用，一方面，由于生物碳含有丰富的有机大分子和孔隙结构，施入土壤后又较易形成大团聚体，增加土壤养分离子的吸附和保持[9]，延长肥料养分的释放期；另一方面，生物碳与肥料配合施用还消除了生物碳养分不足的缺陷，从而降低土壤养分的淋失，提高氮肥的利用率[14]，使作物产量达到最优化。

生物碳本身的稳定性，能够有助于碳封存，同时能增加作物产量和减少肥料的利用，被认为是解决全球环境挑战的“三赢”方案[25]。本研究条件中，在不同氮肥水平下配施生物碳棉花产量和氮肥利用率均得到显著提高，但从材料投入价值来看，秸秆碳化制备成生物碳的转化率为37.5%，那么1 t棉花秸秆可以制备约0.4 t的生物碳，产出率相对较低。其次，从养分保留角度来看，棉花秸秆在450℃下高温厌氧热解6 h后，秸秆中的碳素、氮素及钾素总含量都有不同程度的损失。不同原料在热裂解过程中氮素的残留量变化较大，取决于原料和生产条件[26]，且生物碳中的氮素是否能够被植物或微生物所利用(或者有多少能被利用)尚且缺乏证据。最后，孟军等[27]还提出大多数关于生物碳有助于提高氮肥利用效率的研究都是建立在超量即施用量大于单位面积产出的秸秆所能制备的生物碳的数量的前提下，这势必会导致成本上升，也意味着资源的大范围转移和集中投入，不符合农业可持续发展的要求。秸秆碳化制备生物碳还田不但为秸秆等农林业废弃物提供了一条变废为宝的出路，更为提高耕地生产力、促进农业固碳减排提供了有效手段[27]，但考虑到以上因素，正确的对生物碳的可行性和投入价值进行评估显得尤为重要[28-29]。

本研究通过田间试验研究表明了不同氮肥水平下，施用棉花秸秆和生物碳均能显著提高棉花产量和氮肥利用率，为秸秆的资源化利用提供了一定理论依据，但还需要进一步通过对土壤的理化性质、微生物群落等的综合分析深入研究生物碳对作物的增产机制，以及生物碳对棉花生长的长期影响效应还有待于进一步考证，这对于促进新疆棉花产业的发展具有重要意义。

[1] Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 395-419.

[2] Zhang A F, Liu Y M, Pan G Xetal. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J]. Plant and Soil, 2012, 351(1-2): 263-275.

[3] Karhu K, Mattila T, Bergstrom I, Regina K. Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity-results from a short-term pilot field study[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 140(1): 309-313.

[4] Vaccari F P, Baronti S, Lugato Eetal. Biochar as a strategy to sequester carbon and increase yield in durum wheat[J]. European Journal of Agronomy, 2011, 34(4): 231-238.

[5] Brewer C E, Schmidt-Rohr K, Satrio J Aetal. Characterization of biochar from fast pyrolysis and gasification systems[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2009, 28(3): 386-396.

[6] Lee J W, Kidder M, Evans B Retal. Characterization of biochars produced from cronstovers for soil amendment[J]. Environment Science & Technology, 2010, 44(20): 7970-7974.

[7] 唐光木，葛春辉，徐万里，等. 施用生物黑炭对灰漠土肥力与玉米生长的影响[J]. 农业环境科学学报, 2011,30(9): 1797-1802. Tang G M, Ge C H, Xu W Letal. Effect of applying biochar on the quality of gray desert soil and maize cropping in Xinjiang, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(9): 1797-1802.

[8] 马莉，吕宁，冶军，等. 生物碳对灰漠土有机碳及组分的影响[J].中国生态农业学报, 2012,20(8): 976-981. Ma L, Lv N, Ye Jetal. Effects of biochar on organic carbon content and fractions of gray desert soil[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(8): 976-981.

[9] 张阿凤，潘根兴，李恋卿. 生物黑炭及其增汇减排与改良土壤意义[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(12): 2459-2463. Zhang A F, Pan G X, Li L Q. Biochar and the effect on C stock enhancement, emission reduction of greenhouse gases and soil reclamation[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(12): 2459-2463.

[10] Uzoma K C, Inoue M, Andry Hetal. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J]. Soil Use and Management, 2011, 27(2): 205-212.

[11] 黄超，刘丽君，张明奎. 生物质炭对红壤性质和黑麦草生长的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版)，2011, 37(4): 439-445. Huang C, Liu L J, Zhang M K. Effect of biochar on properties of red soil and ryegrass growth[J]. J. Zhejiang University(Agriculture& Life Science), 2011, 37(4): 439-445.

[12] 孟颖，王宏艳，于崧，等. 生物黑炭对玉米苗期根际土壤氮素形态及相关微生物的影响[J]. 中国生态农业学报, 2014, 22(3): 270-276. Meng Y, Wang H Y, Yu Setal. Effect of biochar on nitrogen forms and related microorganisms of rhizosphere soil of maize seedling[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(3): 270-276.

[13] Steiner C, Teixeira W G, Lehmann Jetal. Long term effects of manure, charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil[J]. Plant and Soil, 2007, 291(1-2): 275-290.

[14] 何绪生，张树清，佘雕，等. 生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J]. 中国农学通报，2011, 27(15): 16-25. He X S, Zhang S Q, She Detal. Effect of biochar on soil and fertilizer and future research[J].Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(15): 16-25.

[15] 马莉，侯振安，吕宁，等. 生物碳对小麦生长和氮素平衡的影响[J]. 新疆农业科学, 2012, 49(4): 589-594. Ma L, Hou Z A, Lv Netal. Effects of biochar application on wheat growth and nitrogen balance[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2012, 49(4): 589-594.

[16] 曲晶晶，郑金伟，郑聚峰，等. 小麦秸秆生物质炭对水稻产量及晚稻氮素利用率的影响[J]. 生态与农村环境学报，2012, 28(3): 288-293. Qu J J, Zheng J W, Zheng J Fetal. Effects of wheat-straw-based biochar on yield of rice and nitrogen use efficiency of late rice[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2012, 28(3): 288-293.

[17] Asai H, Samson B K, Stephan H Metal. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos: 1. soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research, 2009, 111(1): 81-84.

[18] Maior J, Rondon M, Molina Detal. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol[J]. Plant and Soil, 2010, 333(1-2): 117-128.

[19] Van Zwieten L, Kimber S, Morris Setal. Effect of biochar from slow pyrolysisi of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J]. Plant and Soil, 2010, 327(1-2): 235-246.

[20] Yamato M, Okimori Y, Wibowo I Fetal. Effects of the application of charred bark of Acacia mangium on the yield of maize, cowpea and peanut and soil chemical properties in south Sumatra, Indonesia[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2006, 52(4): 489-495.

[21] 张水清，钟旭华，黄农荣，等. 稻草覆盖还田对水稻氮素吸收和氮肥利用率的影响[J]. 中国生态农业学报，2010,18(3): 611-616. Zhang S Q, Zhong X H, Huang N Retal. Effect of straw-mulch-incorporation on the nitrogen uptake and N fertilizer use efficiency of rice(OryzasativaL.)[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(3): 611-616.

[22] 张万杰，李志芳，张庆忠等．生物质炭和氮肥配施对菠菜产量和硝酸盐含量的影响[J]．农业环境科学学报，2011, 30(10): 1946-1952. Zhang W J, Li Z F, Zhang Q Zetal. Impacts of biochar and nitrogen fertilizer on spinach yield and tissue nitrate content from a pot experiment[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(10): 1946-1952.

[23] Schulz H, Glaser B. Effects of biochar compared to organic and inorganic fertilizers on soil quality and plant growth in a greenhouse experiment[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2012, 175(3): 410-422.

[24] Widowati U W H, Soehono L A, Guritno B. Effect of biochar on the release and loss of nitrogen from urea fertilization[J]. Journal of Agriculture and Food Technology, 2011, 1: 127-132.

[25] Laird D A. The charcoal vision: a win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality[J]. Agronomy Journal, 2008, 100(1): 178-181.

[26] Rajkovich S, Enders A, Hanley Ketal. Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2012, 48(3): 271-284.

[27] 孟军，陈温福. 中国生物炭研究及其产业发展趋势[J]. 沈阳农业大学学报(社会科学版)，2013, 15(1): 1-5. Meng J, Chen W F. Biochar in China: status quo of research and trend of industrial development[J]. Journal of Shenyang Agricultural University(Social Sciences Edition), 2013, 15(1): 1-5.

[28] Robers K G, Gloy B A, Joseph Setal. Life cycle assessment of biochar systems: estimating the energetic, economic and climate change potential[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 44(2): 827-833.

[29] Shackley S, Hammond J, Gaunt Jetal. The feasibility and costs of biochar deployment in the UK[J]. Carbon Management, 2011, 2(3): 335-356.

Increase effect of biochar on cotton yield and nitrogen use efficiency under different nitrogen application levels

LIAO Na, HOU Zhen-an*, LI Qi, Ru Si-bo, BO Hui-juan

(DepartmentofResourcesandEnvironmentScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)

【Objectives】 Biochar has a strong ability of carbon sequestration, and can be used to improve soil fertility, and increase crop growth and nutrient utilizing efficiency. The influence of cotton straw and the biochar made from cotton straw on the yield and nitrogen use efficiency of cotton under different nitrogen fertilizer application rates was studied in this paper. 【Methods】 A complete 2×3 random field experiment was carried with cotton as material. Three carbon treatments: cotton straw 12 t/hm2(ST), biochar 4.5 t/hm2(BC) and no straw or biochar(CK); the three nitrogen rates(0, 300 and 450 kg/hm2, denoted as N0, N300 and N450) were completely modular designed. We collected cotton plants for determination of plant dry weight, nitrogen uptake at different growth stages of cotton(full budding, flower emergence, full flowering, full boll and boll opening), and the cotton yield at the cotton boll opening period. 【Results】 The dry matter weights and nitrogen uptakes of cotton were increased significantly by the addition of cotton straw and the biochar. Under low N input(N0), there are no significant differences in dry matter weights and nitrogen uptakes between the cotton straw treatment and the biochar treatment. Under the middle nitrogen level(N300), there is no significant difference either in the dry matter, but the nitrogen uptake in the biochar treatment is significantly higher than in cotton straw treatment. Under the high nitrogen level(N450), both the dry matter weight and the nitrogen uptake in biochar treatment are significantly higher than those in the cotton straw treatment. The cotton yields in the cotton straw and biochar treatments are significantly higher than in control. Under the no fertilization condition(N0), there is no significant difference in the cotton yields between the cotton straw treatment and the biochar treatment, but the cotton yields in the biochar treatment with nitrogen fertilization(N300 and N450) are significantly higher than those in the cotton straw treatments. In the middle nitrogen level(N300), the cotton straw and biochar treatments increase nitrogen use efficiency by 12.2% and 26.8% respectively, compared to the control treatment. On the other hand, when the high nitrogen level(N450) is applied, the improvement in nitrogen use efficiency under the biochar treatment is by 18.8%, but there is no significant difference of nitrogen use efficiency between the cotton straw treatment and the control treatment. 【Conclusions】 The interaction of biochar and nitrogen fertilizer could promote growth and the yield of cotton，and increase nitrogen use efficiency consequently.

biochar; cotton straw; yield; nitrogen application rate; nitrogen use efficiency

2014-03-24 接受日期： 2014-07-18 网络出版日期: 2015-02-13

国家自然科学基金项目(31160415) 资助。

廖娜(1989—)， 女， 四川宣汉人， 硕士研究生， 主要从事土壤生物与养分调控研究。E-mail: 18199661090@163.com * 通信作者 E-mail: hzatyl@163.com

S562.01

A

1008-505X(2015)03-0782-10