追施生物炭对稻麦轮作中麦季氨挥发和氮肥利用率的影响

董玉兵，吴 震，李 博，许 欣，熊正琴

（南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210008）

追施生物炭对稻麦轮作中麦季氨挥发和氮肥利用率的影响

董玉兵，吴 震，李 博，许 欣，熊正琴*

（南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210008）

【目的】利用田间定位试验，对比研究生物炭施入土壤经过三年老化及追施新生物炭对稻麦轮作体系中麦季土壤氨 (NH3) 挥发、氮肥利用率和产量的影响。【方法】试验共设6个处理，其中对照处理2个为N0B0(不施氮肥+不施生物炭)、N1B0 (单施N 250 kg/hm2)；2012年施用生物炭处理2个为N1B1 (N 250 kg/hm2+ 生物炭20 t/hm2)、N1B2 (N 250 kg/hm2+ 生物炭40 t/hm2)；2015年追施生物炭处理2个为N1B1 + B (N1B1 + 生物炭10 t/hm2)、N1B2 + B1 (N1B2 + 生物炭20 t/hm2)。【结果】与N1B0处理相比，N1B1和N1B1 + B处理NH3挥发累积量分别减少36.6%、6.4%，氮肥利用率提高30.1%和14.1%，小麦产量增加55.6%和26.9%；而N1B2、N1B2 + B1处理NH3挥发累积量分别增加20.3%、40.5%，氮肥利用率提高35.9%和14.3%，小麦产量增加72.5%和18.9%。与老化生物炭处理相比，追施生物炭处理显著增加了小麦季氨挥发累积量，并显著降低了小麦氮肥利用率和产量。【结论】农田中施用生物炭可明显增加小麦季产量和氮肥利用率。老化生物炭低施用量(20 t/hm2) 处理能显著减少NH3挥发损失，并且更有效的提高小麦氮肥利用率和产量。

生物炭；追施生物炭；氨挥发；氮肥利用率；产量

自20世纪70年代以来，我国的氮肥用量不断增加[1]。至2011年，中国平均氮肥用量已达到N 180 kg/hm2，比世界平均用量高75%[2]。在太湖流域，稻田每年氮素综合使用量高达500～600 kg/hm2[3]。氮肥应用极大地提高了我国粮食作物产量，但过量氮肥施用也带来了严重的环境问题[4]。氮肥施入到农田中除一部分残留在土壤中或被作物吸收外，一部分通过径流、氨 (NH3) 挥发以及硝化、反硝化作用产生的氧化亚氮 (N2O)、一氧化氮 (NO) 和氮气 (N2) 形式损失[5–6]。有研究报道，在南方典型稻麦轮作体系下，NH3挥发是氮肥损失的主要途径[7–8]。氮肥以NH3形态的大量气态损失，造成了作物氮肥利用率下降[9]。中国小麦的氮肥利用率仅为28.2%，远远低于国际水平[10]。大气中NH3有80%～90%来自于农田，占氮肥用量的20%～30%[11]；大气中NH3通过干湿沉降进入农田、森林以及河流湖泊等生态系统，还会造成土壤酸化以及水体富营养化等负面环境影响[12]。因此，在南方典型稻麦轮作生产中，寻找切实可行的措施减少NH3挥发并提高作物氮肥利用率，是实现稻麦轮作健康发展的当务之急。

生物炭是由秸秆、粪便等有机原料在厌氧条件下经高温裂解产生的一种高稳定性的富碳、芳香化有机物质，可以提高土壤碳库，改善土壤质量[13]。生物炭对土壤特性的影响与生物炭类型、热解条件、土壤类型、试验条件等因素均密切相关。在干旱地区施入生物炭可以提高作物耐旱性和土壤持水量[14]；在热带高风化土壤中施入椰壳生物炭可以改良酸化土壤、减少养分流失[15]；生物炭的施用还能提高氮肥利用率与土壤养分残留[16]；稻麦轮作体系下添加小麦秸秆生物炭可以减少温室气体排放[17–18]以及增加作物产量[19–20]。有研究表明，农田中施入低温炭化的生物炭可以吸附土壤中的气态氨 (NH3) 及铵根离子(NH4+)[21]。经老化后的酸性生物炭在碱性沙质铝土中可以减少NH3挥发损失[22]。Qu等[23]研究表明，在酸性土壤中施加生物炭可以明显促进作物产量、提高氮肥利用率。一些研究发现生物炭施用后对于不同的作物还出现了减产的作用[24–25]。近年来，生物炭越来越被广泛的应用到农田中，用来减缓对环境的污染效应。生物炭具有较高的稳定性，在土壤中不易分解[26]，长期存在土壤中会对土壤质量产生一些负面影响等[27]。目前缺乏关于新施生物炭和老化生物炭对稻田土壤NH3挥发的对比研究。因此，我们假设稻田中施用新鲜的碱性生物炭会促进氨挥发，而老化后则会减缓氨挥发、提高氮肥利用率，新老生物炭之间具有明显不同的反应，并利用试验进行验证，为长江中下游地区典型的稻麦轮作体系下减缓面源污染提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验地位于江苏省南京市秣陵镇 (31°48′N，118°50′E)。本试验于2015年11月至2016年5月稻麦轮作系统小麦季开展。该地区位于典型的亚热带季风气候区，常年平均降雨117天，平均降雨量1106.5 mm，年均气温15.6℃，年均日照时间为1927.4 h， ≥10℃年均积温为5068℃，无霜期237天。试验地土壤类型为潜育型水稻土，质地为粘壤土[28]，是典型的稻麦轮作土壤。试验中施用的生物炭为小麦秸秆经350～500℃的高温条件下炭化所得。试验区土壤(0—20 cm) 及生物炭基本性质如表1所示。

1.2 试验设计

采用田间定位试验，共设6个处理，其中对照处理2个为N0B0 (不施肥 + 不施生物炭)，N1B0 (单施N 250 kg/hm2)；2012年施用生物炭处理2个为N1B1 (N 250 kg/hm2+ 生物炭 20 t/hm2)，N1B2 (N 250kg/hm2+ 40 t/hm2生物炭)；2015年追施生物炭处理2个为N1B1 + B (N1B1 + 生物炭10 t/hm2)，N1B2 +B1 (N1B2 + 生物炭20 t/hm2)。考虑到生物炭的稳定性，因此N1B1 + B、N1B2 + B1在2015年生物炭施用量减半。每个处理3次重复，各小区面积为20 m2(5 m × 4 m)。为防止养分在地下随水分迁移，各小区之间设有20 cm宽、40 cm深的水泥隔板。每个小区都具有独立的灌排水系统。试验田周围设有2 m的保护行。

表1 土壤及生物炭基本理化性质Table 1 Basic chemical and physical property of tested soil and biochar

1.3 试验管理

试验管理方案均按照当地农民常规管理措施。本试验于2015年11月10日施入基肥同时播种小麦，2016年1月15日小麦分蘖期第一次追肥，2016年4月7日小麦拔节期第二次追肥，5月25小麦收获。整个麦季不进行人为灌水，小麦生长所需水分均来自于降雨。小麦生育期月降雨量月平均温度和采样期气温如图1所示。所有氮肥均使用尿素，每季作物施用量 (以 N 计) 为 250 kg/hm2，以 4∶3∶3 (基肥∶追肥∶追肥) 的比例分三次施入。磷钾肥分别以(以P2O5计) 60 kg/hm2的过磷酸钙和 (以K2O计) 120 kg/hm2的氯化钾在基肥时一次性施入。所有生物炭均在水稻收获后土地翻耕前施入，以便使生物炭和土壤混合均匀。

1.4 样品采集

土壤NH3挥发测量采用海绵通气法[29]。将直径为16 cm、厚度为2 cm的海绵用15 mL磷酸–甘油溶液均匀浸泡，分上下两块放置于内径15 cm、高25 cm的圆形聚乙烯塑料管内，置于田间吸收土壤NH3挥发。于施肥前一天采集一次，然后在施肥后的一周内每天采集、一周后每隔两天采集一次，至观测到施肥处理与不施肥处理之间NH3挥发无明显差异为止。每次采样累积24 h换一次海绵 (均在上午9点放置或取回)，将下层海绵用密封袋密封带回实验室，用300 mL 1 mol/L氯化钾溶液震荡浸提1 h，用连续流动分析仪 (TRACCS2000) 测定。每次采样时取表层0—10 cm土壤，以2 mol/L氯化钾溶液浸提用连续流动分析仪 (TRACCS2000) 测定土壤铵根离子 (NH4+) 浓度，用pH计 (PHS-3C) 测定土壤pH值(水土比为2.5∶1)。每次更换海绵同时测定土壤温度。

小麦收获后每个小区随机取3点1 m × 1 m区域计产，测定生物量。每个小区取10株成熟小麦 (包含0—10 cm土层根系)，分别测定根、茎、穗的氮(N) 含量。

1.5 数据处理和分析

氨挥发速率计算：

式中：C为流动分析仪测定NH3-N的浓度 (mg/L)；V为浸提体积 (L)；T为累积时间 (h)；A为圆形管横截面积 (m2)。

图1 小麦生育期降雨量和温度Fig. 1 Monthly rainfall and temperature during the wheat growing season

在国际上有很多计算氮肥利用率的参数，不同的计算参数有着不同的目的[30]。国内比较常用的有以下几个，这些参数从不同的角度描述作物对肥料的利用效率[10]。计算方法如下：

氮素吸收 (kg/hm2) = 各组织干物重 × 含氮率；

氮偏生产力 (kg/kg) = 施氮区作物产量/氮肥施用量；

氮素农学利用率 (kg/kg) = (施氮区作物产量 – 无氮区作物产量)/氮肥施用量；

氮素生理利用率 (kg/kg) = (施氮区作物产量 – 无氮区作物产量)/(施氮区植株总吸氮量 – 无氮区植株总吸氮量)；

氮素吸收利用率 = (施氮区植株总吸氮量 – 无氮区植株总吸氮量)/氮肥施用量 × 100%；

百千克籽粒吸氮量 (kg) = 100 ×总吸氮量/作物产量 。

采用Excel 2010软件进行数据计算；采用SPSS 22.0软件进行处理之间方差分析及多重比较(SNK法，α = 0.05)；采用Origin Lab软件进行作图和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 小麦季NH3挥发和产量

2.1.1 小麦季NH3挥发累积量 由表2可以看出，基肥期NH3挥发累计量占整个生育期的43.2%～51.1%。N1B2 + B1处理在各施肥期NH3挥发累计量均为最高，总累积量为N 32.90 kg/hm2，比N1B0增加40.5%；与N1B0处理相比，N1B2处理NH3挥发总累积量提高20.3%；N1B1和N1B1 + B处理NH3挥发总累积量分别减少36.6%、6.4%。N1B2处理NH3挥发总累积量比N1B2 + B1处理减少14.7%；N1B1处理NH3挥发总累积量比N1B1 + B处理减少32.3%。N1B1、N1B2、N1B1 + B处理单位产量挥发量显著低于N1B0 (P＜ 0.05)，而N1B2 + B1处理与N1B0处理无显著差异。

2.1.2 小麦季土壤NH3挥发速率动态变化 由图2可以看出，小麦季施用基肥和两次追肥后，土壤NH3挥发趋势相同。施肥后土壤NH3挥发迅速增加，所有施氮处理均在施入基肥后第4天、第一次追肥后第5天以及第二次追肥后第3天达到峰值；随后土壤NH3挥发速率迅速减少，至基肥和第一次追肥施用后第16天、第二次追肥后第9天已无明显的NH3挥发。不施氮处理在整个生育期均无明显NH3挥发。基肥时土壤NH3挥发速率最高 (图2)，N1B0、N1B1、N1B2、N1B1 + B、N1B2 + B1处理基肥阶段土壤NH3挥发峰值分别为第一次追肥峰值的3.5、4.1、2.2、4.9、3.5倍，第二次追肥峰值的3.3、2.1、2.6、3.8、2.8倍。基肥期，N1B2、N1B2 + B1处理峰值分别比N1B0增加13.5%、26.0%；N1B1、N1B1 + B处理峰值分别比N1B0减少46.5%、3.7%。

2.1.3 小麦季产量 由图3可以看出，生物炭施用显著提高了小麦产量。由2015年小麦产量数据比较看出，N1B1、N1B2处理产量比N1B0处理显著提高55.6% 和 72.5% (P＜ 0.05)，N1B1 + B、N1B2 + B1 处理产量比N1B0处理分别提高26.9%和18.9%。此外，N1B1处理产量比N1B1 + B处理显著增加22.3%，而N1B2处理产量比N1B2 + B1处理显著增加45.3%。对比2012年小麦产量，N1B0处理2015年小麦产量明显减少25.4%，N1B1和N1B2处理小麦产量分别增加2.3%、4.4%。

表2 2015～2016年小麦季NH3挥发累积量和小麦产量Table 2 Accumulation of NH3 volatilization loss and wheat yield during wheat season of 2015–2016

图2 2015～2016年小麦季施肥后NH3挥发动态变化Fig. 2 Dynamic changes of NH3 volatilization flux after fertilizer application during wheat season of 2015 to 2016

图3 2012年和2015年小麦产量Fig. 3 Wheat yield in 2012 and 2015

2.2.2 小麦季土壤pH动态变化 由图4 B可以看出，施肥后土壤pH迅速升高，在1～2天内达到最高值随后下降，施肥后4～5天内土壤pH下降至最低值并趋于平缓且有所上升，各施氮处理变化具有相同的趋势。而N0B0处理整个生育期内土壤pH均无明显变化。施肥前各施肥处理土壤pH明显低于N0B0处理。氮肥配施生物炭 (N1B1、N1B2、N1B1 +B、N1B2 + B1) 处理相比于单施氮肥 (N1B0) 处理土壤pH均有所提高。

2.3 小麦生物量及氮吸收

由图5可以看出，与单施氮肥 (N1B0) 相比，施生物炭处理小麦总生物量增加17.1%～70.6%。小麦秸秆生物量和穗生物量与总生物量具有相同变化趋势；老化生物炭 (N1B1、N1B2) 处理植株氮吸收显著高于追施生物炭 (N1B1 + B、N1B2 + B1) 处理；且施用生物炭处理植株氮吸收显著高于单施氮肥 (N1B0)处理 (P＜ 0.05)。

2.4 小麦季氮肥利用率

由表3可以看出，N1B1、N1B2处理氮素偏生产力最高，显著高于其他处理。氮素农学利用率N1B0最低，仅为7.63 kg/kg。氮素生理利用率各处理之间无显著性差异。施肥处理百千克籽粒吸氮量比N0B0处理均显著提高。施用生物炭处理氮素吸收利用率显著高于单施氮肥处理。其中，N1B1、N1B2处理比N1B0处理显著提高30.1%和35.9%；N1B1 + B、N1B2 + B1处理比N1B0处理显著提高14.1%、14.3% (P＜ 0.05)。

图4 2015～2016年小麦季施肥后土壤和pH变化Fig. 4 Dynamic changes ofconcentration and pH after fertilization during wheat season of 2015 to 2016

图5 2015～2016年小麦各组织生物量和氮吸收累积量Fig. 5 Biomass and N uptake of different parts during wheat season of 2015 to 2016

2.5 土壤NH3挥发与施肥天数、土壤浓度、pH和温度的相关性分析

相关性分析(图6)表明，NH3挥发与施肥天数呈极显著高斯分布关系 (P＜ 0.001)；而土壤NH4+离子浓度与NH3挥发显示出极显著的正相关线性关系(R2= 0.80，P＜ 0.001)；土壤温度、pH与NH3挥发也显示出极显著正相关性 (P＜ 0.001)。

表3 2015～2016小麦季氮肥利用率Table 3 Nitrogen utilization efficiency during wheat season of 2015 to 2016

图6 施肥后天数、土壤、pH和温度与NH3挥发的相关性分析Fig. 6 The relationship between NH3 flux with days after fertilization, concentration of -N, pH and soil temperature

3 讨论

3.1 追施和老化生物炭对小麦季NH3挥发的影响

本试验各施肥处理之间小麦季NH3挥发损失率在5.9%～13.2% (表2)，而Kang等[31]通过添加脲酶和硝化抑制剂试验研究发现，德国北部冬小麦NH3挥发损失率占整个氮肥施用量的2.7%～24.0%，且NH3挥发损失率与气象条件具有非常显著的相关性。Turner等[32]在包膜尿素替代常规尿素的研究中，冬小麦常规氮肥处理的NH3挥发损失率为9.5%，本研究中单施氮肥 (N1B0) 处理NH3挥发损失率为9.4%。IPCC估算农田中施入氮肥NH3挥发损失率约为10%[33]，本研究具有相似的水平，试验各处理NH3挥发平均损失率为9.5%。小麦季基肥时NH3挥发损失占整个生育期比例最高，这与山楠等[34]研究结果一致。

追施生物炭处理相比于老化生物炭处理，NH3挥发累积量显著增加16.8%～47.7%。这可能因为新施生物炭增加了土壤呼吸，加快土壤气体交换[35]；另外，在酸性土壤中新施生物炭会抑制硝化作用[36]，降低的转化速率，并在土壤中表现出较高的浓度 (图4)。而土壤NH4+浓度与NH3挥发具有极显著的正相关性 (图6，P＜ 0.001)，这也说明了土壤NH4+是影响NH3挥发的重要因素。

与N1B0相比，施用高用量的生物炭 (N1B2、N1B2 + B1) 会促进NH3挥发，这可能是因为生物炭的pH呈碱性 (表1)，随着生物炭施用量的增加进一步提高土壤pH (图4)。许欣等[37]的研究结果同样表明，生物炭和氮肥配施可明显提高土壤pH。同时土壤pH提高进一步促进了NH3挥发[8,38]，而土壤pH和NH3挥发速率表现出极显著正相关关系 (图6，P＜ 0.001)。

N1B1处理生物炭施入土壤经过三年老化能显著减少小麦季NH3挥发损失 (表2)，这可能因为生物炭具有较高的pH和阳离子，施入到土壤中可以提高土壤pH[39]。随着生物炭老化，阳离子逐渐减少，因此对土壤pH的提高作用逐渐减弱。而且多年施用氮肥，由于硝化作用会造成土壤的二次酸化[39]。且生物炭经过老化其表面官能团中含有更高比例的含氧官能团 (羟基、酚羟基等)[22]，而NH4+离子与含氧官能团具有很大的亲和能力[40]，因此老化生物炭能够增加土壤对的吸附能力[22]。说明低用量 (20 t/hm2)的生物炭在稻田土壤中老化后可减少NH3挥发损失，是一种环境友好型农田减排措施。

3.2 追施和老化生物炭对小麦产量、生物量、氮吸收及氮肥利用率的影响

本研究中，施用生物炭处理小麦产量显著增加18.8%～72.5% (表3，P＜ 0.05)。Alburquerque 等[41]研究发现，小麦秸秆生物炭和氮肥配施在沙壤土中可以提高20%～30%的小麦产量；Vaccari等[42]研究，小麦秸秆生物炭施入到农田中可以提高30%的小麦产量。本试验中小麦增产效果明显高于其他研究，这是因为本试验单施氮肥处理在该年仅获得较低的小麦产量 (图3)，以及施用生物炭三年处理有较高的氮肥利用率 (表3)。

施用生物炭显著提高小麦生物量，其主要增加了小麦地上部生物量，而Zavalloni等[43]研究也表明施加生物炭明显增加小麦生物量。且生物炭施用后通过增加小麦生物量可显著提高小麦植株氮素吸收能力 (图5)，并显著提高小麦季氮素利用率 (表3)，这可能是因为施入生物炭可以增加土壤氮残留量[44]、提高土壤总氮和有机碳，改善土壤养分供应[45]。Petter等[46]、Han 等[47]、Dias等[48]研究也表明，施用生物炭可明显增加作物氮肥利用率。

老化生物炭处理 (N1B1和N1B2) 小麦产量、生物量和氮肥利用率明显高于追施生物炭 (N1B1 + B和N1B2 + B1) 处理，这可能是因为老化生物炭能够提高土壤对的吸附能力，增加了土壤氮素残留[22]；且新施入生物炭具有不稳定的有机质吸附物质，减少了生物可利用性[49–50]，影响土壤原有微生物群落[51]，因此抑制了微生物活性[26]；并且追施生物炭处理增加了NH3挥发损失 (表2)，造成小麦可利用氮减少[48]，进而影响小麦生长，降低了小麦产量、生物量和氮肥利用率。

4 结论

在稻田土壤中，低用量 (20 t/hm2) 的老化生物炭处理，能够显著减少小麦季NH3挥发损失，并能提高小麦产量、生物量及氮肥利用率；高用量 (40 t/hm2) 的生物炭处理虽然促进了NH3的挥发损失，但同样提高了小麦产量、生物量和氮肥利用率。与老化生物炭处理相比，追施生物炭处理分别显著增加了稻田NH3挥发累积量，并显著降低了小麦氮肥利用率和产量。从长期效益判断，20 t/hm2的生物炭既可增加作物的经济效益，又可减少环境风险，对进一步研究在我国稻麦轮作体系下减缓面源污染、提高氮肥利用率的方法具有指导意义。但本研究没有对生物炭老化过程连续观测，关于追施生物炭在老化过程中对土壤NH3挥发的影响有待进一步研究。

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Effects of biochar reapplication on ammonia volatilization and nitrogen use efficiency during wheat season in a rice-wheat annual rotation system

DONG Yu-bing, WU Zhen, LI Bo, XU Xin, XIONG Zheng-qin*(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210008,China)

【Objectives】A field experiment was conducted to investigate the effect of aged and fresh biochar amendment on ammonia volatilization, nitrogen use efficiencies and wheat yield during wheat season in a ricewheat rotation system.【Methods】Six treatments were carried out in this experiment, including two control treatments N0B0 (no nitrogen + no biochar), N1B0 (N 250 kg/hm2nitrogen); two aged biochar amendment treatments N1B1 (N 250 kg/hm2nitrogen + 20 t/hm2biochar), N1B2 (N 250 kg /hm2nitrogen + 40 t/hm2biochar);two aged with fresh biochar amendment treatments N1B1 + B (N1B1 add 10 t/hm2biochar), N1B2 + B1 (N1B2 add 20 t/hm2biochar).【Results】Results showed that the N1B1 and N1B1 + B treatments significantly decreased the cumulative NH3volatilization by 36.6% and 6.4%, increased the nitrogen use efficiency by 30.1%and 14.1% and increased the wheat yield by 55.6%, 26.9% compare with N1B0. In contrast, compared with N1B0 treatment, N1B2，N1B2 + B1 treatments significantly increased the cumulative NH3volatilization by 20.3% and 40.5%, the nitrogen use efficiency increase by 35.9% and 14.3% and the wheat yield significantly increased by 72.5%, 18.9%, respectively. Moreover, compared with the aged biochar amendment, biochar topdressing significantly increased the NH3volatilization, and decreased the nitrogen use efficiency and wheat yield.【Conclusions】Biochar amendment could significantly increase the nitrogen use efficiency and wheat yieldduring wheat season in paddy field. Aged biochar at the rate of 20 t/hm2can decrease the ammonia volatilization loss while increase the nitrogen use efficiency and wheat yield.

biochar; biochar reapplication; ammonia volatilization; nitrogen utilization; yield

2017–02–23 接受日期：2017–05–12

公益性行业（农业）科研专项（201503106）；国家自然科学基金项目（41471192）；国家科技支撑计划项目（2013BAD11B01）资助。

董玉兵（1992—），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事农业面源污染防治及土壤氮素循环研究。E-mail：2015103087@njau.edu.cn。 *通信作者 E-mail：zqxiong@njau.edu.cn