生物质炭对沙壤土根系土壤氮素转化强度及无机氮含量的影响

陈红卫， 代 琳， 冯 露， 李晓庆， 孟雨田

(1.河南科技学院，河南新乡 453003； 2.东北农业大学，黑龙江哈尔滨 150030)

氮素是作物生长发育的必需营养元素，土壤氮素可利用性与土壤氮素转化过程密切相关[1]。近些年来，农业生产中氮肥的使用量逐年上升，而氮素综合利用效率处于较低水平，国际上氮肥利用率仅为33%左右[2]，我国氮肥作物利用率平均约为35%，损失率约为45%[3]，过量施用氮肥不仅导致肥料利用率下降，且未被作物吸收利用的氮素会对环境造成不同程度的污染，与之相关的环境污染、土壤退化等问题正引起人们的广泛关注。

生物质炭应用于农业生产和研究，为提高氮肥利用率提供了新的思路和方法。生物质炭是有机质高温热裂解的产物，具有丰富的孔隙结构和极强的吸附力，将其施入土壤不仅能够使土壤孔隙结构得到改善，还可以提高肥料利用率、减少养分淋失、增加土壤碳库量，进而通过影响营养物质转化(如氮的有效性)提升土壤肥力，对作物生长产生影响[4]。郭伟等指出，生物质炭施入土壤后可有效提高土壤全氮含量[5-6]，对作物的氮素吸收有一定促进作用[7]。因此本试验采用玉米秸秆生物质炭，探讨添加该生物炭对沙壤土根际土壤氮素转化强度及无机氮含量的影响，旨在为秸秆生物质炭的合理利用提供理论基础和实践依据，对于肥料的高效利用以及促进农业生态环境的可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于河南省河南科技学院试验田，供试土壤质地为沙壤土，地势平坦。土壤基本的理化性质：pH值7.17，阳离子交换量(CEC)19.11 cmol/kg，全氮含量1.19 g/kg，全磷含量2.82 g/kg，有机质含量21.24 g/kg，土壤容重 1.23 g/cm3。本试验所用生物质炭是以玉米秸秆为原料，由沈阳隆泰生物工程有限公司于500 ℃高温热裂解制得的。生物质炭理化性质：pH值9.57，CEC 18.4 cmol/kg，比表面积 186.7 m2/g，有机碳含量277.2 g/kg。

1.2 试验设计

本试验于2016年4月开始，采用大功率旋耕机将生物质炭翻入土壤中，平均深度20 cm左右，每个小区面积20 m2，长×宽为4 m×5 m；生物质炭设4个处理，其中空白对照(CK)生物质炭投加量为0 t/hm2，处理1(B1)投加量为 10 t/hm2，处理2(B2)投加量为20 t/hm2，处理3(B3)投加量为30 t/hm2，每个处理3次重复。玉米(品种为农华101)播种时间为2016年5月6日，采用手提式穴播机人工播种(播种密度为1～3粒/穴)。施肥量为底肥(尿素) 100 kg/hm2，磷酸二铵75 kg/hm2，钾肥25 kg/hm2，追肥(尿素)80 kg/hm2。整个生育期无人工灌溉，田间管理保持一致并于2016年10月9日收获。

1.3 样品采集

分别于苗期(5月26日)、拔节期(6月24日)、乳熟期(8月5日)和成熟期(10月2日)采集土壤样品。每个处理采集长势相同的3株玉米植株，以抖落法收集根际土壤，装袋后带回实验室。将采回的新鲜土样置于无污染洁净的室内风干，研磨并过10、20、100目筛后保存，供土壤理化性质测定。

1.4 测定方法

1.5 数据分析

采用Excel 2007、OriginPro 8、SPSS 19.0软件进行数据的统计分析及作图，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对根系土壤固氮作用强度的影响

如图1所示，生物质炭的施入对根系土壤固氮作用具有一定的促进作用，固氮作用强度在乳熟期达到最大值，此后呈逐渐降低的趋势。在苗期，B1、B2、B3处理下根际土壤固氮作用强度与对照(CK)处理相比分别显著提高了41.67%、58.33%、29.17%。在拔节期，B1、B2处理下根际土壤固氮作用强度分别比CK处理显著提高了13.51%、43.24%。在乳熟期，B1、B2处理下根际土壤固氮作用强度分别比CK处理显著提高了 15.56%、42.22%。成熟期B1、B2处理与CK差异不显著。

2.2 生物质炭对根系土壤氨化作用强度的影响

由图2可以看出，整个生育期氨化作用强度大致呈先上升后下降趋势，且各生育期氨化作用强度均在生物质炭施入量为20 t/hm2的条件下达到最大值，总体表现为B2处理>B1处理>B3处理。在苗期，B1、B2、B3处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理分别提高了61.33%、90.67%、22.67%。在拔节期，B1、B2、B3处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理分别提高了 38.24%、70.59%、29.41%。在乳熟期，B1、B2、B3处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理分别显著提高了16.26%、56.10%、23.58%。综上所述，生物质炭可以在一定程度上提高玉米各生育期根际土壤氨化作用强度，但不同处理间效果有所不同。

2.3 生物质炭对根系土壤硝化作用强度的影响

由图3可以看出，在整个生育期B2处理下的根际土壤硝化作用强度均高于其他处理。总体来看，硝化作用强度由高到低排序为B2处理>B1处理>B3处理，且在拔节期达到最大值。在玉米生长的苗期和拔节期，B1和B2处理下的根际土壤硝化作用强度与CK处理差异显著，苗期、拔节期分别提高了41.74%、73.07% 和23.94%、77.73%。在乳熟期和成熟期B2处理与CK差异显著，分别提高了26.89%、25.57%。综上所述，生物黑炭在一定程度上能提高根际土壤硝化作用强度。

2.4 生物质炭对根系土壤无机氮素的影响

如图4所示，各处理条件下土壤铵态氮和硝态氮含量在整个生长期有略微波动，在苗期铵态氮含量达到最大值。由图4还可知，同一时期不同处理之间的差异不同。在苗期，B1、B2、B3处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理分别提高了60.95%、68.07%、52.32%。在拔节期B1、B2、B3处理下的根际土壤铵态氮含量，与CK相比分别提高了16.39%、36.81%、31.00%。在乳熟期和成熟期，只有B2处理与CK的铵态氮含量差异显著，根际土壤铵态氮含量比CK处理分别提高了 35.71%、41.79%。从整个生育期来看，生物质炭对铵态氮含量的增加起到了促进作用，表明各处理能在一定程度上延缓铵态氮向硝态氮的转化。由图4-b可以看出，在苗期B1、B2、B3处理下的根际土壤硝态氮含量与CK处理相比分别提高了42.74%、47.49%、42.93%；拔节期和乳熟期均表现为B2、B3处理与CK差异显著，分别提高了32.86%、37.93%和52.41%、49.90%，但成熟期各处理间差异不显著。

3 讨论

3.1 生物质炭对根系土壤氮素转化强度的影响

对于生物质炭在土壤氮素转化方面的影响，已有的研究结果尚不统一[10-11]。本试验表明，生物质炭能有效提高根系土壤的氮素转化强度， 这可能是由于生物质炭丰富的碳含量有效改变了土壤的碳氮比(C/N)，同时其丰富的孔隙结构有效提高了根系土壤微生物量，促进了土壤微生物对根茬的降解，从而提高了土壤有机质含量[12-13]和土壤氮素转化强度[14]。本试验结果表明，生物质炭对根际土壤生物固氮作用具有促进作用，在苗期、拔节期和乳熟期与CK处理间均存在显著差异。其中，在B1、B2处理下，玉米整个生育期氨化作用强度均明显高于CK处理；在玉米生育苗期和拔节期，生物炭处理组根际土壤硝化作用强度与CK处理显著差异，而在乳熟期和成熟期，仅B2处理与CK处理差异显著，比CK分别提高了26.89%、25.57%。本试验从转化强度来看，生物质炭对土壤生化强度的影响具有阶段性差异，同时可以看出，过高量地施入生物质炭不利于氮素的转化。

3.2 生物质炭对根系土壤无机氮素含量的影响

土壤铵态氮含量受作物品种、温度、水分等多种因素影响[15]，一般是施肥点表层和作物苗期的含量最高。本试验结果表明，在整个玉米生育期生物质炭的各处理均有效提高了土壤铵态氮含量，总体呈现先降低后上升趋势。这主要受作物生长对养分的大量需求和降水的影响；但是与CK处理相比，在整个玉米生育期生物质炭处理的土壤均保持较高含量的无机氮素，这确保了玉米在苗期到乳熟期对氮肥的需求，有效改善了土壤氮素的流失并提高了氮肥利用效率。郭伟等研究结果表明，生物质炭丰富的孔隙结构可有效改善土壤呼吸状况，抑制反硝化作用，进而提高土壤氮素含量[16]；同时生物质炭表面大量的官能团以及较高的阳离子交换量可有效提高对铵态氮和硝态氮的吸附能力[17]，进而降低土壤氮素的损失及提高作物生长所需的氮素含量，本试验结果与Lehmann等的研究结果一致[18]。

4 结论

生物质炭的适量施入可有效改善玉米根际土壤固氮作用和氨化作用强度，提高根系土壤的铵态氮含量，在一定程度上延缓了铵态氮向硝态氮的转化，对于提高根系土壤氮素的利用率和综合利用效果具有一定的促进作用。综合本试验结果，建议北方旱作农田生物质炭施用量为20 t/hm2，但目前受制炭工艺、原料来源、供试作物、土壤性状等因素影响，今后针对不同类型土壤和不同种类的生物质炭及其施入量有待进一步研究和丰富。