生物炭和秸秆对华北农田表层土壤矿质氮和pH值的影响*2

张　星，刘杏认，林国林，张晴雯，张庆忠，王　琴（1. 沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866；. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京 100081；. 环境保护部环境保护对外合作中心，北京 10005）



生物炭和秸秆对华北农田表层土壤矿质氮和pH值的影响*2

张星1,2，刘杏认2**，林国林1**，张晴雯2，张庆忠2，王琴3
（1. 沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京 100081；3. 环境保护部环境保护对外合作中心，北京 100035）

摘要：基于2014-2015年华北农田定位试验，设CK（单施氮磷钾肥）、C1（生物炭4.5t×hm-2×a-1+氮磷钾肥）、C2（生物炭9.0t×hm-2×a-1+氮磷钾肥）和SR（秸秆还田+氮磷钾肥）4个处理，对施用生物炭和秸秆还田对表层土壤矿质氮（）含量以及土壤pH值的影响进行研究。结果表明，不同处理土壤矿质氮的动态变化趋势基本一致，施用生物炭和秸秆还田均可显著提高土壤含量（P<0.05），但对土壤含量影响不大。与秸秆还田相比，高量施用生物炭有利于增加土壤含量。各处理土壤中矿质氮主要以为主，含量均保持在一个较低水平。将冬小麦整个生育期内各处理土壤含量与夏玉米的相比，前者显著高于后者。在整个冬小麦-玉米轮作周期内，高量施用生物炭显著提高了土壤pH值，且各处理土壤与土壤pH值呈显著负相关（P<0.05），土壤含量与土壤pH值相关性不显著；而各处理土壤含量与土壤含水量均呈显著正相关（P<0.05）。可见，添加生物炭对减少氮素的转化和流失具有较大潜力。

关键词：生物炭；秸秆还田；矿化；硝化；pH

张星,刘杏认,林国林,等.生物炭和秸秆对华北农田表层土壤矿质氮和pH值的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):131-142*

农作物秸秆是农业生产中重要的肥料资源，自身含有相当数量的碳、氮、钾、磷等作物所必需的营养元素，因此，秸秆还田措施能显著提高氮素供应率，减少氮素损失量，实现土壤-作物系统矿质营养循环平衡[11-13]。赵鹏等[14]研究表明，秸秆还田可以提高土壤含量。李贵桐等[15]探讨秸秆还田对土壤氮素转化影响的研究得出，秸秆还田有利于增加土壤表层无机氮的含量。李玮等[16]的田间试验证明，秸秆还田处理的土壤含量显著高于秸秆移除处理。

大量研究表明，添加生物炭和秸秆还田能够提高土壤的pH值，增强土壤保水保肥能力[17-19]，进而改善土壤状况。而目前这些研究多为短期试验，关于施用生物炭与秸秆还田对矿质氮和pH值的长期影响尚未见报道，而长期研究对实际生产更具有参考价值。随着生物炭在土壤中年限的增加，其比表面积、官能团以及吸附性能会有所增加，Singh等[20-22]认为，生物炭在土壤中的老化对土壤理化性质的改善有重要作用。此外生物炭自身含有丰富的营养元素，能够直接带入土壤中，同时还促进土壤中营养物质的保留，在作物生长发育等方面发挥着重要作用[23]。因此，本文在华北农田连续多年施用生物炭试验的基础上，以冬小麦-夏玉米轮作体系为研究对象，试图探讨2014-2015年添加不同量的生物炭及秸秆还田对土壤表层含量以及pH值的影响，以期为实现生物炭及秸秆在农业生产上的应用，培肥地力提供一定理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验在中国农业大学华北集约农业生态系统试验站（117°58′E，36°57′N，海拔17.0m）进行，位于山东省淄博市桓台县，属暖温带大陆性季风气候，年均气温11.8～12.9℃，年均日照时数 2832.7h，日照率62%，年降水量542.8mm，主要集中在6-9月，约占全年降水量的75%。作物种植方式为冬小麦-夏玉米轮作，土壤类型为砂姜潮湿雏形土，2007年试验前土壤的基本理化性质见表1。

1.2试验材料

所用生物炭为360℃条件下以玉米秸秆为原料，经过24h不完全燃烧制成的黑色粉末，购于辽宁某公司。生物炭密度为0.297g×cm-3，pH值为8.2，含碳量为65.7%，含氮量为0.9%，有效钾含量为1.6%，有效磷含量为0.08%。供试玉米品种为郑单958，小麦品种为济麦22。

1.3试验设计

基于长期定位试验，2007年设计，共4个处理，随机区组设计，每个处理3次重复，每个小区面积为6m×6m=36m2。具体处理为：CK（单施氮磷钾肥）；低生物炭处理C1：生物炭4.5t×hm-2×a-1；高生物炭处理C2：生物炭9.0t×hm-2×a-1；SR：秸秆全量粉碎还田。各处理氮、磷、钾肥平均用量均为：N 200kg×hm-2×a-1，P2O552.5kg×hm-2×a-1，K2O 37.5kg×hm-2×a-1，其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。生物炭一次购买，多年施用。氮磷钾肥和生物炭的用量平均分配给冬小麦季和夏玉米季，氮肥一半作为基肥，一半作为追肥，磷肥和钾肥均作为基肥一次施用。

表1　试验前土壤的基本理化性质Table 1　Basic properties of the top soil before experimentation

试验于2014-2015年进行，上季作物收获后，生物炭和氮磷钾肥均匀撒施，进行15cm深度旋耕。秸秆还田采用上一季作物收获后机械粉碎（长度3～7cm）全量还田方式，然后随耕地翻埋。试验期间田间基本管理措施为，夏玉米于2014年6月13日进行秸秆还田、施肥、旋耕、播种，6月21日灌水，7 月27日进行追肥灌水，9月30日收获；冬小麦于2014年10月13日进行秸秆还田、施肥、旋耕、播种，10月14日灌水，2015年3月28日进行追肥灌水，6月12日收获。

1.4样品采集及测定

1.4.1土壤样品的采集与处理

2014年6月-2015年6月整个夏玉米-冬小麦生育期内，每周用土钻采样一次，各处理随机选取5个点，每个采样点取一钻0-10cm土样混匀，手工拣去砾石、植物残体等，过2mm筛，装入自封袋，一部分用于测定土壤矿质氮和土壤含水量，一部分用于测定土壤pH值。

1.4.2测定方法

土壤含水量：用烘干法进行测定[26]。称取10～20g过2mm筛的新鲜土壤样品，将其装入已知准确质量的烘干铝盒内，在分析天平上称重，精确至0.01g。再将样品放在烘箱中在105℃下烘烤12h，取出冷却至室温，立即称重。

土壤pH值：用pH计测定。将过2mm筛的新鲜土壤样品风干，然后称取10g土样置于50mL烧杯中，加入25mL水。将容器密封后，用搅拌器搅拌5min，然后静置1h，用pH计测定。

1.5作物产量的测定

玉米/小麦成熟后，将各试验小区全部收割，自然风干后，无损失单独脱粒，称取籽粒重量，然后计算单位面积实际产量。每个样方随机选取两行数出每行穗数，收割后每个小区随机选取10穗（玉米）和20穗（小麦）测定每穂粒数，自然风干脱粒后测定百粒重，然后计算玉米/小麦的亩穗数、穗粒数和千粒重。

1.6数据分析

利用Microsoft Office Excel 2007进行数据整理、相关数据回归分析和图形制作，相关性分析和方差分析在SPSS20.0完成，显著性水平选择P<0.05。

2　结果与分析

2.1生物炭和秸秆对玉米季土壤矿质氮和pH值的影响

2.1.3土壤pH值

由图3可知，施用生物炭和秸秆还田，对土壤pH值产生了一定的影响。在玉米生育期内，各处理土壤pH值的动态变化趋势基本一致。与CK相比，C1和SR处理对土壤pH值影响较小，分别提高了0.01～0.13和0.01～0.17个单位，且二者与CK均无显著差异；而C2处理的土壤pH值较CK增加了0.06～0.25个单位（P<0.05），且SR处理的土壤pH值显著低于C2处理（P<0.05）。

图1　2014年不同处理玉米季土壤含量的变化Fig. 1　Variation of soilcontent under different treatments during the maize growing season in 2014

图2　2014年不同处理玉米季土壤含量的变化Fig. 2　Variation of soilcontent under different treatments during the maize growing season in 2014

图3　2014年不同处理玉米季土壤pH的变化Fig. 3　Variation of soil pH of different treatments in the maize growing season in 2014

2.2生物炭和秸秆对小麦季土壤矿质氮和pH值的影响

图4　2014/2015年小麦季不同处理土壤的变化Fig. 4　Variation of soilcontent under different treatments during the wheat growing season in 2014/2015

2.2.3土壤pH值

在小麦生育期内，不同处理土壤pH值的变化趋势大致相同，且与玉米季土壤pH值变化规律相似（图6）。与CK相比，生物炭和秸秆还田处理的土壤pH值显著增加（P<0.05），C1、C2和SR处理分别比CK提高了0.02～0.31、0.05～0.58和0.05～0.30个单位；SR与C1处理的土壤pH值无显著差异，但显著低于C2处理（P<0.05）。

图5　2014/2015年小麦季不同处理土壤的变化Fig. 5　Variation of soilcontent under different treatments during wheat growing season in 2014/2015

2.3小麦-玉米轮作期土壤矿质氮与土壤pH值、土壤水分的相关性分析

2.3.1土壤矿质氮含量与土壤pH值的相关性分析

图7　玉米季(a)和小麦季(b)土壤pH值与土壤的相关性分析Fig. 7　Correlation analysis between the soil pH and content during maize season(a) and wheat season(b)

图8　玉米季(a)和小麦季(b)土壤pH值与土壤的相关性分析Fig. 8　Correlation analysis between soil pH andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

2.3.2土壤矿质氮含量与土壤含水量的相关性分析

图9　玉米季(a)和小麦季(b)土壤含水量与土壤的相关性分析Fig. 9　Correlation analysis between soil moisture andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

图10　玉米季(a)和小麦季(b)土壤含水量与土壤的相关性分析Fig. 10　Correlation analysis between soil moisture andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

3　讨论与结论

3.1讨论

本研究结果表明，在小麦-玉米轮作条件下，施用生物炭显著提高了土壤含量，但土壤含量很低，而且无论是玉米季还是小麦季，含量明显高于CK、C1和SR处理。其原因可能与以下3方面有关：一是生物炭含有一定量的可溶性有机碳[27-28]，能够为硝化细菌提供相应的基质；又能有效改善土壤通气状况，有利于好氧型微生物硝化细菌快速繁殖，提高其活性，从而促进了硝化作用，致使土壤中含量明显增加[10]。二是土壤离子交换与吸附作用对矿质氮的活性产生显著影响[7]。生物炭能够增加土壤离子交换位点，使其既具有了离子吸附交换能力，又具有了一定的吸附容量，促使土壤养分有效性增加[29]，相应地提高土壤含量[30]。此外，生物炭自身带有正电荷，其比表面积较大，存在各种大小孔隙，具有高电荷密度，可以吸附固定土壤中的，这可能是施用生物炭的土壤中其含量提高的主要原因之一。但也有与本试验结果相反的报道，Hollister等[34]的研究表明，生物炭几乎不吸附造成研究结果的这种差异性可能与所生产的生物炭源于不同原材料和制造工艺，其表面带电特性各异有关[35]。三是可能与生物炭的长期效应有关。本研究发现，与含量的明显变化相比，在土壤中所占比例很小，在小麦、玉米的整个生育期内，生物炭处理对土壤含量影响也不大，与李培培等[36]的报道结果相吻合，说明在旱作土壤中，矿质氮主要是以为主[37]，长期添加生物炭可能会促使由土壤有机氮矿化作用形成的Nelissen等[38]采用15N同位素标记的方法，发现不仅是作为硝化作用底物，同时又是矿化作用的产物，加入生物炭后，能促进土壤氮素硝化作用和矿化作用，长期施用后可能发生多种作用累加，这可能是出现本试验结果的又一个重要原因。另外，矿质氮含量不仅与硝化、吸收等有关，还可能与施用尿素的水解速度有关，其水解速度快慢会影响土壤中的硝态氮含量水平。SR处理在一定程度上也能提高土壤含量，这是由于秸秆自身含有丰富的矿质养分，其碳氮比小于微生物的碳氮比，在较长一段时间内有利于微生物通过矿化作用释放氮素来增加土壤矿质氮含量，增强其激发效应[39]。

研究表明，整个轮作周期内，向土壤中添加高量生物炭可以显著提高土壤pH值，这是因为生物炭灰分中含有不同浓度碱性物质，如 K、Ca、Na、Mg氧化物、碳酸盐、氢氧化物等，当施入土壤后，通常能够增大土壤盐基饱和度，降低可交换铝水平，提高土壤pH值[42]。而SR处理下的土壤pH值却显著低于C2处理，或许是生物炭自身的物理性质所致；玉米季和小麦季各处理的土壤与土壤pH均呈显著负相关关系，可能是在一定的范围内，土壤pH值越高硝化速率越快，生物炭又可以显著提高土壤pH值[7]，从而证明了土壤pH值的改变可以直接或间接影响土壤的硝化作用；玉米季和小麦季各处理的土壤与?土壤pH值均无显著的相关关系，这可能是由于土壤中含量过低所致；另外，还可能是因为在玉米和小麦生长期间的含量受水分影响较大，经常处于氧化和还原交替的状态，致使其含量也在不断变化[43]，因此，与土壤pH值的关系不会明显地表现出来。

大量研究表明，土壤含水量是影响矿质氮在土壤中迁移、土壤有机氮矿化以及硝化作用的重要因素[3]。本试验表明，无论是小麦季还是玉米季，各处理的土壤与土壤含水量均表现出显著的正相关关系，与苏涛等[41]观点相符。推测可能与生物炭提高了土壤含水量有关[44-46]，土壤含水量的增加会直接影响土壤有机氮的矿化，而土壤的数量又会影响的数量[41]。小麦季土壤矿质氮与土壤含水量的正相关性低于玉米季，其原因或许是玉米季降水比小麦季多造成的。但是本研究仅分析了土壤水分、土壤pH值与矿质氮的关系，其它环境因素如温度等也可能对土壤矿质氮含量产生影响，今后还有待进一步研究。

本试验中，施用生物炭和秸秆还田对玉米和小麦产量均无显著影响，这与张晗芝等[47]和鲁宁[48]的研究结果一致，其原因可能是生物炭和秸秆还田对作物产量的影响与生物炭类型、施用量、秸秆还田量、土壤类型、作物种类以及试验条件等因素有关，本研究施用生物炭和秸秆还田均在一定程度上增加了玉米和小麦的产量，但未达到显著性水平，在一定程度提高了氮素的利用率。接下来还需进一步明确土壤和作物对生物炭和秸秆的响应机制，结合农田实际情况，在生物炭和秸秆还田施用量、类型及肥料的配施方面做合理调整，以期达到提高华北平原农业高产可持续发展的效果。

3.2结论

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Effects of Biochar and Straw Return on Mineral Nitrogen and pH of the Surface Soil in Farmland of the North China Plain

ZHANG Xing1,2, LIU Xing-ren2, LIN Guo-lin1, ZHANG Qing-wen2, ZHANG Qing-zhong2,WANG Qin3
(1.College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081; 3.Foreign Economic Cooperation Office, MEP, Beijing 100035)

Abstract：Based on the location experiment, which consisted of four treatments (CK, C1, C2, SR) with three replications: CK (single NPK fertilizer), C1 (biochar 4.5t·ha-1·y-1+NPK fertilizer) and C2 (biochar 9.0t·ha-1·y-1+ NPK fertilizer) and SR (straw return + NPK fertilizer). The effects of biochar and straw return on mineral nitrogen (N) and pH of the surface soil in farmland of the North China Plain in 2014 and 2015 were studied. Results showed that the dynamic trend of soil mineral N content () were similar. Application of biochar and straw return significantly increased soilHowever, there were no significant effects on soilCompared with SR treatment, C2 treatment was more helpful to increase soil. The mineral N in the soil was dominated by, andwas kept at a low level. The contents of soil mineral N in the whole growth period of winter wheat was higher than in that of summer maize. Biochar significantly increased soil pH(P<0.05), and soilwas negatively correlated with soil pH(P<0.05), and soilwas not correlated with soil pH. But soilandwere positively correlated with soil moisture content in each treatment(P<0.05). In short, adding biochar had greater potential in slowing N transformation, reducing N mobility and so on. The resultscan be used a scientific reference on improving soil quality and reducing soil N loss in farmland.

Key words：Biochar；Straw return；Mineralization；Nitrification；pH

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.002

收稿日期：2015-11-25**通讯作者。E-mail：liuxingren@caas.cn；linguolin-1@163.com

基金项目：国家自然科学基金项目（31300375）；中央公益型科研院所基本科研业务费专项（BSRF201505）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2015ZX07203-007）

作者简介：张星（1989-），硕士生，主要从事农田生态系统氮素循环研究。E-mail：13241321965@163.com