生物炭添加对幼龄橡胶树氮素获取速率的影响1)

崔莹光 徐凡珍 刘敏 徐兴良

(滨州市第二中学，滨州，256600) (来宾市农业科学院) (中国科学院地理科学与资源研究所)

氮素是植物生长发育所必须的大量元素，且在多数陆地生态系统中是限制植物生长的重要因素[1-3]。为了增加产量，大量的氮肥常被施加到土壤中，但多余的氮素因不能被植物及时吸收利用，会通过淋溶流失，或者经硝化作用和反硝化作用以含氮气体的形式释放到大气中[4-5]。这不仅降低了氮肥的利用效率，还会增加环境污染[6]。基于此，近年来多种生物添加剂常被添加到土壤中，通过改善土壤结构和功能来达到提高养分利用效率、增加经济效益的目的[7-8]。其中，生物炭是生物添加剂的重要代表，受到了广泛关注[9-10]。

生物炭是生物有机材料在缺氧条件下，高温焖烧而成[11]。生物炭通常疏松多孔且具有较大的表面积，可以有效改善土壤的结构和理化性状，还能提高土壤水分的保持能力，为植物生长提供良好的环境[9]。普遍认为，生物炭添加会显著提高土壤养分及微生物群落的多样性进而促进植物生长[12]。由于生物炭具有多孔结构和较大表面积，施加的生物炭能够吸附土壤中的氮素，改变氮的可利用性进而影响植物生长[13-15]。同时，生物炭添加还能改变根际土壤的微生物活性，调节根际微生物与植物根系对营养元素的竞争[13，16]。生物炭添加对植物生产力的影响存在不同效应，常取决于生物炭的添加量[17]。

1 研究区概况

本研究开展于西双版纳生态实验站(21°54′N，101°17′E，海拔569 m)，该站位于中国云南省南部。该地区为典型热带季风气候，年平均气温21.8 ℃，年平均降水量1 493 mm。土壤类型为赤红壤，成土母质为硅质岩[23-25]。

2 材料与方法

2.1 生物炭处理

选取2012年春季种植的2.5 a幼龄橡胶树人工林样地，样地位于西双版纳热带植物园园内，坡向北偏西12°，坡度21°。于2013年1月份对其进行生物炭添加，株高约1.1 m，株距2.5 m，行距3 m，1 350株·hm-2，树木立地条件一致，生长均一。设计无生物炭添加(0 t·hm-2)、低生物炭添加(30 t·hm-2)和高生物炭添加(60 t·hm-2)3个处理，每种处理随机布设4个2 m×8 m的小样方。所添加生物炭由橡胶树枝干在400～500 ℃下焖烧而成[26]。添加时先将大块生物炭敲碎，保持直径2 cm左右，后将粉碎好的生物炭均匀铺到土壤表面，小心而均匀地在不损伤橡胶树根系的情况下翻耕至20 cm深度，最后用洛阳铲翻耕一次，以保证混匀充分。添加完成后，对橡胶树人工林进行正常养护管理，2.5 a后开展15N标记试验。

2.2 15N标记

2014年10月份，分别在3种生物炭添加的人工林小样方内随机选取生长状况相似的橡胶树1～2株(其中3个小样方中各取1株，第4个小样方取2株)，每株树的株高约5.3 m，5株树作为5个重复。沿每棵树的基部沿四个等角度的方位各挖取一对细根，细根的直径不超过2 mm，长度大约为15 cm，质量为0.05～0.20 g[28]。每对细根挖出来后用蒸馏水小心清洗，然后分别置于15 cm长的盛有标记液的离心管中[28]。4个方位的四对细根分别对应4种处理，即3种15N标记液和1个对照。

2.3 样品采集

标记2 h之后，将细根切下并用50 mmol·L-1的KCl溶液冲洗3 min，后用蒸馏水轻柔的冲洗以去掉根表面吸附的15N。将清洗后的细根在70 ℃下烘干48 h至恒定质量，称量并记录根系的生物量。将烘干的根系剪成小段，用球磨仪(M200，Fa. Retsch, Haan, Germany)研成粉末状用于测定植物的氮质量分数和15N同位素。同时，收集根系周围土壤，混匀后取约200 g装于自封袋内，4 ℃保存，用于测定氨态氮、硝态氮和甘氨酸氮质量分数。

2.4 样品测定

2.5 计算与统计分析

15N原子百分超(%)由15N标记处理的植物材料15N原子质量分数(15N标记)与未标记处理的植物材料15N原子质量分数(15N对照)的差值计算得来(式1)。

15N原子百分超(%)=15N标记-15N对照

(1)

15N吸收速率(μg·g-1·h-1)=(氮质量摩尔浓度(μmol·g-1)×15N原子摩尔质量(g·mol-1)×15N原子百分超(%))/(标记时间(h)×标记液15N丰度(%))。

(2)

不同生物炭添加水平下土壤氮质量分数、氮素吸收速率及贡献率的差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，用LSD的方法进行事后检验。数据通过SPSS 18处理，显著水平都为p<0.05。由SigmaPlot 12.5进行作图。

3 结果与分析

3.1 生物炭添加对土壤可利用氮质量分数的影响

表1不同生物炭添加水平下土壤氨态氮、硝态氮、甘氨酸氮和总氨基酸氮的质量分数

处理水平/t·hm-2氨态氮质量分数/μg·g-1硝态氮质量分数/μg·g-1甘氨酸氮质量分数/μg·g-1总氨基酸氮质量分数/μg·g-1CK(10.60±1.43)a(7.10±2.86)a(0.17±0.03)ab(1.86±0.38)a30(8.85±1.11)a(3.43±0.77)a(0.14±0.01)b(1.57±0.12)a60(9.68±0.80)a(2.98±0.82)a(0.58±0.24)a(4.55±1.76)a

注：表中数值为5个重复的平均值±标准差；同列不同小写字母表示差异显著(p=0.05)。

3.2 生物炭添加对幼龄橡胶树15N吸收速率的影响

表2 不同生物炭添加水平下幼龄橡胶树15N吸收速率

注：表中数值为5个重复的平均值±标准差；同列不同小写字母表示差异显著(p=0.05)。

3.3 生物炭对氮吸收贡献率的影响

图1 生物炭添加对橡胶树幼苗3种氮形态贡献率的影响

4 结论与讨论