生物炭与化肥氮配施对土壤氮素及烤烟利用的影响

葛少华，丁松爽，杨永锋，2，李静静，阎海涛，胡育玮，李朋彦，刘国顺

1 河南农业大学 烟草行业烟草栽培重点实验室，河南 郑州 450002；2 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000

氮肥利用率低是一个世界性难题，据统计，中国主要粮食作物的氮肥利用率为27.5%[1-2]。因此，提高氮素利用率，减少氮素损耗是我国农业生产需要解决的关键问题。生物炭是指生物质在缺氧条件下热裂解产生的一种高碳、多孔、吸附能力强的固态产物[3-4]，其理化性质稳定，具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，因此能够改良土壤，增强土壤对水分和营养元素的吸收固持能力，提高土壤的有效养分含量和生产性能[5-7]。

大量研究表明[8-9]，添加生物炭可减轻土壤氮素淋洗，减少土壤有效形态氮素流失。Laird D等[10]通过生物炭养分淋洗试验表明，美国中西部典型土壤中添加生物炭可以持续降低土壤的养分淋洗量。生物炭具有多孔性和较强吸附力，减少土壤中氮素的挥发，同时通过改善微生物对氮素的反硝化作用，减缓氮素的损失[11-12]。氮素易受土壤水热条件和生物活动的影响，已有研究与实践应用表明[13-15]，施加生物炭可以提高土壤对氮的固持能力和作物对养分的吸收效率，从而提高作物产量。有研究[16]通过15N标记肥料，证实了肥料中的15N经生物炭吸附后能够被植物吸收利用。生物炭的物理和化学稳定性较高，能够吸附土壤中的游离养分特别是铵态氮和硝态氮，从而减少无机氮素的损失[17]。然而，目前研究大多为淋失试验[18-20]，关于表层无机氮含量变化和不同形态氮素与烤烟氮素吸收关系的大田多年试验研究较少，本研究通过连续2年的大田试验，研究生物炭与化肥氮配施对土壤硝态氮，铵态氮和碱解氮及烤烟对氮素利用的影响，为生物炭在烟草生产中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015—2016年在河南省方城县金叶园开展，供试品种为云烟87。试验田为黄褐土，土壤基础肥力见表1。

表1 2015年试验区土壤基础肥力Tab.1 Basic soil fertility of experimental f i eld in 2015

所施用生物炭为花生壳炭（图1），由河南省生物炭工程技术研究中心提供，其理化性质为：pH 8.25，全碳含量39.92%，全氮含量1.69%，碳氮比23.62，比表面积1.089 m2/g，主要官能团为羟基、烷烃和酰胺基等。其90%条施，10%于移栽前进行穴施。

图1 花生壳电镜微观表面扫描图（放大500倍）Fig.1 Microscopic surface scanning diagram of the peanut shell electron microscope (magnified by 500 times)

1.2 试验设计

试验设6个处理。CK1：只施用磷钾肥；CK2：CK1+生物炭2.4 t/hm2；T1（常规施肥）： 34.3 kg/hm2（以纯氮计）；T2：34.3 kg/hm2+生物炭2.4 t/hm2；T3：29.2 kg/hm2（减氮 15%）+生物炭 2.4 t/hm2；T4：24.0 kg/hm2（减氮 30%）+生物炭 2.4 t/hm2。

所用氮素为烟草专用复合肥（N:P2O5:K2O=10:10:20），N:P2O5:K2O=1:2:3，不足的磷钾肥用过磷酸钙和硫酸钾补足，70%条施，30%于移栽前穴施。小区面积178 m2，设置3次重复， 2015年4月25日移栽，2016年4月23日移栽，栽培管理措施按照当地常规管理方法进行。

1.3 样品采集与测定方法

土壤样品于烤烟移栽后30 d开始采集，2015年取样间隔时间为15 d，2016年取样间隔为10 d，均取至90 d；在采收结束后即120 d时取得最后一次样品。土样一部分鲜土过20目筛后，于4℃冰箱保存，用来测定硝态氮和铵态氮，一部分风干过筛测定碱解氮。硝态氮采用紫外分光光度法测定，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，碱解氮采用扩散法测定[21]。

烟株定期取样进行杀青、粉碎、过筛，烟叶总氮测定依据烟草行业标准，采用连续流动分析仪进行测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2013进行数据前期整理，SPSS 20.0进行统计分析。

氮肥利用率采用差减法计算，氮肥利用率=（施氮区地上部总氮含量-对照区地上部总氮含量）/氮肥用量×100%。

2 结果与分析

2.1 生物炭与化肥氮配施对土壤氮素的影响

2.1.1 生物炭与化肥氮配施对土壤硝态氮的影响

试验结果表明（图2），土壤硝态氮含量在烟株团棵期和旺长期出现峰值，采收结束后，降至最低。2015年各处理在移栽后60 d时，均出现第一个谷值，移栽75 d后，硝态氮含量出现明显下降趋势，在烟草整个生育期内，硝态氮含量均为T1> T2>T3> T4。在120 d时，降至最低，此时硝态氮含量为 T2（8.21 mg/kg）> T4(7.19 mg/kg）> T1(6.39 mg/kg）> T3(5.76 mg/kg）。随着取样周期缩短，土壤硝态氮含量在烟草生育期内的波动变化更加明显。2016年土壤硝态氮含量整体较2015年有所升高。2016年，烟株生长前期各处理硝态氮含量规律性较差， 70 d时，T1处理硝态氮含量下降了24.57%，而施用生物炭处理其硝态氮呈现增加趋势，增幅大小为T2(40.83%)>T3(12.44%)>T4(8.52%)，移栽 70 d后，除T4外，各处理硝态氮含量变化为T2>T3>T1。此时，各处理土壤硝态氮含量为T2>T3>T1>T4，T2>T1表明生物炭能够吸附一定量的硝态氮，减少有效氮素的淋失，T2>T3 >T4表明土壤中硝态氮含量与施氮量呈正相关，施氮量减少将会影响氮素氧化为硝态氮的转化量。

图2 生物炭与化肥氮配施对烟草生育期土壤硝态氮的影响Fig.2 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on nitrate nitrogen in tobacco growing period

2.1.2 生物炭与化肥氮配施对土壤铵态氮的影响

由图3看出，土壤铵态氮含量在烟草生育期内呈波动式变化，2年内整体变化趋势相同。土壤铵态氮主要是由肥料中的氮素转化而来，2015年，移栽后30 d时土壤铵态氮含量为T1>T2>T3>T4，表明肥料氮用量是影响铵态氮转化的主要因素。烟株打顶后，即75 d时铵态氮降低幅度最大，各处理降幅为T1(141%)>T2(131%)>T4(71.18%)>T3(57.46%)。采收结束后，铵态氮含量明显降低，此时为T1(2.87mg/kg)>T2(2.44 mg/kg)>T3(2.18 mg/kg)>T4(1.78 mg/kg)。2016年，在移栽后40 d～50 d铵态氮含量逐渐增加，说明生物炭改良了土壤结构，加速了氮素矿化速率，此时铵态氮含量达到最高。70 d～80 d时，施用生物炭土壤铵态氮含量高于常规施肥。根据两年T1和T2处理的分析结果，施加生物炭后烟株生长后期土壤中NH4+-N量有所升高，表明烟株生长前期生物炭提高了土壤对NH4+-N的吸附能力，生长后期释放较多。

2.1.3 生物炭与化肥氮配施对土壤碱解氮的影响

碱解氮包含硝态氮、铵态氮和有机态氮，可供作物吸收利用。在烤烟生育期内各处理土壤碱解氮含量差异显著（图4）。2015年，移栽后60 d之前，T3处理的碱解氮含量较T1处理提高量最高可超过4.07%。移栽75 d时，碱解氮含量为T1 >T3 >T2>T4，此时T1处理碱解氮含量有所增加，而T2和T3处理差异不显著。2016年碱解氮含量变化趋势与2015年一致，在移栽后50 d时，各处理碱解氮含量为 T1 >T2 >T3 >T4，且T1碱解氮含量增加幅度为3.6%，而其它处理降幅为T4 (19.25%) >T3 (14.42%)>T2 (0.43%)。60 d时， T1处理降低了4.88%，而施用生物炭的各处理碱解氮含量出现了增加趋势，增加幅度为T4 (17.12%) >T3 (11.26%) >T2 (7.85%)，此时各处理碱解氮含量为T2 (72.06mg/kg) >T3 (70.02 mg/kg) >T1 (69.76 mg/kg) >T4 (69.37 mg/kg)，表明增施生物炭能有效提高土壤碱解氮含量，在增施生物炭的基础上，一定范围内的减氮，并不影响土壤碱解氮的含量。在移栽后60 d～90 d内，碱解氮的增加速率为T1(0.2747mg/d) >T4 (0.2489mg/d) >T3 (0.2133mg/d) >T2(0.1794 mg/d)。

图3 生物炭与化肥氮配施对烟草生育期土壤铵态氮的影响Fig.3 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on ammonia nitrogen in tobacco growing period

图4 生物炭与化肥氮配施对植烟土壤碱解氮的影响Fig.4 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on available nitrogen in tobacco-planting soil

2.2 生物炭与化肥氮配施对烤烟氮素的影响

2.2.1 生物炭与化肥氮配施对烟株氮素吸收积累的影响

由表2看出，2015年T2处理烤烟各部位氮素吸收积累量一直保持较高水平，但各处理间烟株的花和腋芽的氮素积累量无显著性差异。烤烟叶部氮素积累量在移栽后30 d时，各处理间差异较小，T1和T2处理没有显著差异；60 d时，T2处理较T1增加了15%，而 T3（3.58 g/株）>T1（3.51 g/株），差异不显著。各处理间叶部氮素积累量随着时期的不同增幅不同，45 d时，各处理叶部氮素积累量增幅为T3(71.25%) >T4(70.02%) >T2(69.2%)>T1(63.84%)；60 d时 为 T1(25.46%) >T2(21.86%)>T3(18.49%)>T4(12.89%)，表明施用生物炭有助于提高烟株前期叶部氮素积累量的增幅。就整株烤烟氮素积累速率而言，以60 d为分界点，前期积累速率为 T2(20.16 mg/（株·d ）） >T3（16.8 mg/（株·d ））> T 1（15.13 mg/（株·d ）） > T 4（14.14 mg/（株·d ）），后期积累速率为T4(14.28 mg/（株·d ））>T1（13.62 mg/（株·d ））> T 3（12.71 mg/（株·d ）） > T 2（10.85 mg/（株·d ））。

表2 2015年生物炭与化肥氮配施对烤烟氮素吸收积累的影响Tab.2 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on nitrogen uptake and accumulation in flue-cured tobacco in 2015 g/株

由表3看出，2016年，施用生物炭后叶部氮素积累量保持较高水平，在后期叶部氮素积累量出现下降。烤烟花和腋芽的氮素积累量各处理间具有显著性差异，为T2>T1>T3>T4，主要是施氮量和生物炭的影响，导致积累量差异显著。以60d为分界点，前期叶部氮素积累速率为T4(17.25 mg/（株·d ））>T3（15.88 mg/（株·d ））> T 2（12.87 mg/（株·d ））>T 1（11.38 mg/（株·d ））。前期整株烤烟氮素积累速率为 T3(23.04mg/（株·d ））>T4（22.82 mg/（株·d ））> T 2（18.74 mg/（株·d ）） > T 1（15.31mg/（株·d ）），后期各处理积累速率为 T1(11.42mg/（株·d ）)>T2（9.01 mg/（株·d ））> T 4（3.92 mg/（株·d ））> T 3（3.59 mg/（株·d ））。结合2年氮素积累速率，可以得出施用生物炭在烟株生长前期能有效提高氮素积累速率，生长后期能有效抑制氮素的积累速率。2015年过量减少化肥氮，烟株后期氮素积累速率有所提高，但差异不显著；2016年，施加生物炭减少化肥氮对烤烟氮素积累速率差异显著，减少15%化肥氮施用，其积累速率降至最低。

表3 2016年生物炭与化肥氮配施对烤烟氮素吸收积累的影响Tab.3 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on nitrogen uptake and accumulation in flue-cured tobacco in 2016 g/株

2.2.2 生物炭与化肥氮配施对烟株氮素利用率的影响

图5 生物炭与化肥氮配施对烟草氮素利用率的影响Fig.5 Effect of biochar and nitrogen fertilizer application on the utilization rate of tobacco nitrogen

在消除增施生物炭对烤烟氮素积累的影响后（图5），2016年烤烟氮素利用率较2015年整体有所提高，2年间T2和T3处理均高于T1。2015年氮肥当季利用率在22.11%～41.47%之间，其中T2处理氮肥利用率最高为41.47%，各处理间为T2(41.47%)>T3 (35.46%)>T1 (31.71%)>T4 (22.11%)。2016年氮肥利用率在34.32%～49.14%之间，其中T2处理氮肥利用率最高，各处理大小为T2 (49.14%)>T3(47.62%)>T4（35.3%)>T1 (34.32%)。表明在正常施氮和减氮15%水平下，增施生物炭均可提高烤烟氮肥利用率。

3 讨论

3.1 生物炭与化肥氮配施对土壤氮素的影响

施氮量是影响无机氮含量的关键因素，而环境因素通过硝化细菌对土壤硝化作用产生强烈的影响[22]，添加生物炭也会影响土壤的硝化作用，进而影响 NH4+-N和 NO3--N相互转化[23-24]，土壤中的硝态氮和铵态氮是烟草根系可直接吸收利用的主要氮素[25-26]。本试验中2016年土壤硝态氮含量整体较2015年有所增加，2015年硝态氮含量最高是铵态氮的15.72倍，2016年为34.56倍，提高了土壤硝态氮含量；2016年较2015年提高无机氮含量达6.70%～52.47%；可能原因一是第一年施入生物炭固持氮素量较大，后期释放；二是施入土壤的氮素累积、大气干湿沉降和土壤有机氮矿化；三是农事操作促进土壤氮素矿化[19-20、27]。本研究结果显示，打顶后至采收结束T2处理土壤铵态氮含量比T1有所增加，呈上升趋势，这与苗艳芳和肖茜等[28-29]的研究相近，即施用生物炭能对土壤氮素矿化产生缓释作用，增强土壤氮素固持能力，可能是受生物炭吸附和固持作用的影响，生物炭改变了土壤空隙度、土壤溶液滞留时间及流程和土壤溶液的淋洗速度。

施加生物炭在一定程度上提高了土壤碱解氮的含量，促进土壤氮素矿化，提高烟株对氮素的吸收率。陈敏等[30]研究表明，添加生物炭后土壤中碱解氮可提高26.5%～29.8%，碱解氮含量可提高26 mg/kg。朱盼等[31]研究表明，生物炭能提高土壤碱解氮含量，与本研究结果一致。也有研究表明，连续3年施用生物炭后的华北高产农田，土壤耕层中碱解氮含量则有所下降[32]，可能与作物种类、土壤类型、生物炭持续施用量、生物炭总施用量和生物炭特性有关。

3.2 生物炭与化肥氮配施烤烟对氮肥利用的影响

本试验结果表明，添加生物炭能显著提高烤烟氮素积累量，且在烟株生长前期提高氮素积累速率，后期可有效降低氮素积累。2年内均为T2和T3处理的烤烟氮素利用率较高。第二年较第一年氮素利用率明显提高，可能原因是：上季度氮肥施用在土壤中形成残留，生物炭的累积作用随着施用时间的延长表现出一定的累加效应[18]。生物炭对其它作物也有相同的效果，乔志刚等[33]研究表明，生物炭和肥料混合施用可降低肥料施用量，维持水稻正常产量，显著提高水稻氮素利用率，有效降低氮素损失。

氮素用量的合理运筹直接影响烟株吸氮量，施氮量对作物氮肥利用率的影响较为复杂。王端等[34]研究表明，氮肥利用率与施氮量呈显著负相关，施氮水平控制在当地推荐水平，可提高氮肥利用率，超过推荐施肥量，氮肥利用率随施氮量的增加急剧下降。通过15N标记，在高产田和中产田2种地力水平下，玉米的氮肥利用率随施氮量的增加而降低[35]；在高肥力土壤上，表观利用率随着施氮量的增加略有降低，随着施氮量的增加，产量并不随之同步增加[36]。化党龄等[37]用15N示踪法研究的结果表明，烟叶中上部叶受土壤氮素影响更大，烟株后期以吸收土壤氮为主。左青松等[38]研究结果表明，随着施氮量的增加，氮素收获指数和氮素籽粒生产效率逐渐降低，高产和高效存在矛盾，出现增施氮肥使氮素吸收总量增加，产量增加，而氮素利用率下降。本试验研究结果，施用生物炭后减氮15%时，氮素利用率高于常规施肥，减氮30%时，2年的氮素利用率与常规施肥相比具有一定的变化。本试验在施用生物炭的条件下，烤烟氮肥利用率随着施氮量的增加而增加，表明在这个范围内，施肥量增加有助于提高产量，提高肥料利用率。因为这个施肥量，还没有达到肥料利用率的最高值。

土壤表层硝态氮的累积量对作物吸收氮素具有重要贡献，结合土壤氮素含量的动态变化，可以看出土壤氮素供应与烤烟氮素吸收积累需求相吻合，土壤硝态氮、铵态氮和碱解氮均在60 d时出现降低趋势，烤烟氮素积累速率在60 d后随之降低。各土层累积量虽然影响作物吸氮量，但表层累积量和浓度与作物吸氮量呈现正相关[39]。

本试验仅仅是在河南进行2年大田试验的结果。生物炭施用在不同区域、不同土壤上的效果，需要进行相应试验研究。而且常年施用生物炭对氮素的淋失和固持作用、生物炭在土壤中最大施用量及对烤烟氮素利用的影响等方面的结论，还需进一步研究和验证。

4 结论

本研究表明，连续2年生物炭与化肥氮素配施，可提高土壤中硝态氮含量和土壤颗粒对铵态氮的吸附能力，在烟株打顶后能有效降低土壤碱解氮的释放量，符合烟株对氮素的吸收规律。增施生物炭能显著提高烤烟氮肥利用率，施氮量减少15%时仍能提高烤烟氮素利用。连续二年添加生物炭2.4 t/hm2，提高了土壤氮素固持能力和烤烟氮肥利用率，减少了化肥氮用量；对促进农业可持续发展、保障土壤可持续利用有一定意义。

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