施用生物炭对甘蔗土壤化学性质及氮损失的影响

廖 芬，桂 杰，杨 柳，李 强，Muhammad Anas，李杨瑞

（1.广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所/广西甘蔗遗传改良重点实验室/农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西大学农学院，广西 南宁 530004）

0 引言

随着对作物产量的需求，化学肥料的施用越来越多，特别是氮化肥，据统计，我国的氮肥消耗量占到世界总量的1/3［1］。在甘蔗生产上也存在氮肥的过量施用问题，我国甘蔗氮肥年施用量大概为51.2万吨，而收获的氮量仅为7.5万吨，氮利用率（NUE）不到15%［2-3］。氮肥的过量施用不仅造成氮肥利用率低，甘蔗生产成本增加，而且会导致糖分下降［4］，从而降低甘蔗生产效益。此外，过量施氮肥还是地下水硝酸盐超标、地表水富营养化和温室气体排放等环境问题愈发严重的重要原因［5-6］。

生物炭因其独特的多孔结构，且富含有机碳，近年来引起很多研究学者的关注，很多研究表明，生物炭单独施用，或是与矿质肥料、堆肥等有机肥混施能促进作物生长，粮食产量倍增［7］，这种增产的效应可能与生物炭能改善土壤理化性质，影响土壤肥力有关。Singh等［8］的研究表明，在沙壤土中加入山核桃壳制作的生物炭不仅能提高土壤pH值，增加土壤有机碳、Ca、K、Mn、P 等含量，还能减少土壤中Ca、Mn、P 等的淋失；Laird等［9］的研究发现，在施用有机肥的土壤中添加橡木和山核桃木制作的生物炭能减少氮和磷的淋失量。

目前，对于生物炭对甘蔗土壤中营养元素影响的研究并不多，杨柳等［10］、廖芬等［11］的研究表明，生物炭可以促进甘蔗叶片、根系的生长和氮素累积，这种效应是否与生物炭改良了土壤性质，提高土壤肥力有关，目前尚不了解。因此，本研究拟通过室内桶栽试验，并结合15N示踪方法，研究不同比例生物炭对甘蔗不同生长期土壤N、P、K、有机质含量和pH值、EC的影响，分析生物炭对甘蔗土壤这些化学指标的影响，以探明生物炭对甘蔗土壤营养元素损失的控制机理，为生物炭在甘蔗栽培上的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甘蔗品种为新台糖22号（ROC22），蔗种采收后切取10cm长度单芽茎段，清水浸泡12h，然后泡在2%的2-苯并咪唑甲基氨基甲酸酯（2-benzo imidazole methyl carbamate）中灭菌30min，沙培，室温条件（25±1℃）催芽，待芽长到3cm后转至孵育好的土壤中，每桶种一株，移栽后每三天浇水一次。

1.2 试验土壤性质

土壤为广西大学农学院甘蔗试验田地表20cm表土，属于富含铁的赤红壤；电导率44.12mV，总C含量0.52%，有机质含量为13.8g.kg-1，碱解氮（N）86.67mg.kg-1，含磷 （P）31mg.kg-1，含钾（K）129.33mg.kg-1。土壤以风干后过1cm筛网，然后装入直径40cm×高40cm的塑料桶中，装土量为30kg/桶，装土深度30cm，然后浇透水保证桶中土壤水分达平衡。

1.3 试验生物炭理化性质

本试验用的生物炭为木薯茎杆生物炭，用传统窖烧方式制备，生物炭的总碳含量为67.4%，总氮含量为5.43g·kg-1。

1.4 实验设计

桶栽试验于2014年2月至2015年2月在广西大学农学院甘蔗试验基地的温室大棚进行。生物炭提前一天与土壤混合孵育，共设三个施用量：0kg/桶，相当于施炭0t·ha-1（C 0）作为对照；0.5kg/桶，相当于施炭10t·ha-1（C 10）；1.0kg/桶，相当于施炭20t·ha-1（C 20），每个处理6个重复。

肥料氮选用氮15（15N）标记尿素，15N丰度10.18%，氮含量46%。每桶施尿素3.0g（相当于234kg纯N·ha-1），施P肥 3.0g（相当于450kg P2O5·ha-1），施K肥2.0g（相当于225kg K2O·ha-1）。所有肥料只施用一次。

分别于移栽后苗期（移栽后4个月，4M）、伸长期（移栽后7个月，7M）和成熟期（移栽后12个月，12M）三个时期采集土壤样品，风干后粉碎过80目筛，用于测定土壤15N丰度、总氮、总磷、总钾、pH值、有机质含量和电导率。

1.5 指标测定

15N丰度测定采用同位素质谱分析仪（Thermo Fisher，Waltham，MA，USA）测定。总磷（TP）的测定采用HClO4—H2SO4法，总钾（TK）测定采用NaOH熔融法—火焰光度法，有机质（OM）含量采用重铬酸钾容量法—稀释热法测定［12］。

pH值的测定参考Nelson等的方法［13］，称取生物炭5.00g，加入1mol/L的KCl溶液25mL，25℃条件下震荡器震荡5min，然后静置30min，用pH计测定pH值。电导率（EC）的测定方法：称取样品5.00g，加入25mL水，振荡5min，过滤到干燥三角瓶中，滤液经电导仪测定得到电导度（dS·m-1），记下读数。

氮素残留率、损失率和回收率根据Min［14］公式计算。

1.6 数据统计

所有数据由Excel 2007和SPSS 19.0软件等进行处理和统计，显著性检测采用LSD检验方法，显著性差异水平为p≤0.05，所有数据三个重复。

2 结果与分析

2.1 生物炭对甘蔗土壤N、P、K含量的影响

从图1可看出，生物炭施用后，甘蔗土壤中的N含量因不同生长期表现不同。苗期时土壤中的N显著高于对照，C10（0.33%）和C20（0.43%）处理分别比对照（0.32%）增加了4.17和33.33个百分点，伸长期时与对照相差不大，成熟期时C10（0.33%）处理的比对照（0.36%）减少了8.33个百分点，C20（0.42%）处理的比对照（0.36%）增加了16.67个百分点，但均未达到显著差异水平，说明生物炭对土壤中N残留的促进作用主要在苗期。

图2显示了生物炭施用后对土壤中P保留的影响。从图2看，生物炭施用后，不同时期生物炭的效应不同，苗期时是C20＞C10＞C0，伸长期时 C20、C0＞C10，而成熟期时C10＞C20＞C0。苗期和成熟期时土壤中的P显著高于对照，苗期C10和C20处理分别比对照增加了13.196%和51.33%，成熟期时分别增加了61.67%和30.39%，伸长期C10处理比对照显著减少了40.72%，C20处理的略低于对照，说明生物炭主要促进生长前期和后期P在土壤中的保留。

图1 施用生物炭对土壤全N的影响

图2 施用生物炭对土壤P的影响

图3显示了生物炭施用后对土壤中K保留的影响。从图3看，生物炭减少了苗期和伸长期土壤中K的含量，特别是苗期，生物炭施用后土壤中K含量显著低于对照，苗期C10和C20处理分别比对照减少了16.12%和21.85%，伸长期分别减少了9.14%和15.02%，这种抑制作用直到成熟期才减缓，成熟期时生物炭处理的土壤中K的含量已与对照相差不大，C20处理的还略高于对照，说明生物炭施用会减少甘蔗生长前中期土壤中K，但随着甘蔗生育期的推进K流失得到缓解。

2.2 生物炭对甘蔗土壤有机质（OM）含量的影响

图4显示了生物炭施用后对土壤中OM含量的影响。从图4看，苗期生物炭不同施用量对甘蔗苗期土壤中OM含量无显著差异，但C20处理显著增加了伸长期和成熟期土壤中的OM含量，C20处理后，伸长期和成熟期OM含量分别显著高于对照C0。生物炭施用后，各生育期土壤中OM含量大小表现如下：苗期＞伸长期和成熟期，生物炭施用量对土壤中OM含量的影响如下：C20＞C10和C0。可见生物炭施用可以显著增加生长中后期（伸长期和成熟期）土壤中OM的含量。

图3 施用生物炭对土壤K的影响

图4 施用生物炭对土壤有机质含量的影响

2.3 生物炭对土壤pH值和电导率（EC）的影响

土壤酸碱度（pH值）影响着植物自身生长，也影响土壤各种矿质元素的溶解性和有效性，从而影响植物对各种矿质元素的吸收利用。施用生物炭对土壤中pH值的影响见图5。不同生长期生物炭对土壤pH值的影响不同，苗期时不同生物炭处理后土壤pH值在5.53～5.89之间，呈弱酸性，C10和C20分别比对照增加了4.33%和6.79%；伸长期时不同生物炭处理后土壤pH值在6.06～6.34之间，C10和C20分别比对照增加了1.65%和13.20%；到成熟期时土壤pH值在6.60～6.68之间，C10和C20分别比对照增加了0.05%和4.20%。统计结果表明生物炭施用后，pH值在各生育期的表现如下：成熟期＞伸长期＞苗期，不同生物炭施用量之间差异显著，表现为：C20＞C10＞C0。可见生物炭可以显著提高土壤的pH值。

图5 施用生物炭对土壤pH值的影响

电导率反映了土壤中各种阴、阳盐分离子的总含量，电导率可以为判定土壤中各类离子是否限制植物生长提供参考，土壤不同的水分、温度、有机质含量、组织结构及营养等因素均会对EC造成影响。施用生物炭对甘蔗土壤的电导率影响见图6，从图6可以看出，苗期时不同生物炭施用后，土壤中EC数值在44.33～47.50m/s之间，生物炭处理略高于对照，伸长期时土壤中EC数值在31.53～34.97m/s之间，成熟期时下降到19.07～25.70m/s之间。可见随生育期推进，EC显著降低，但生物炭施用对EC无显著影响。

2.4 土壤各理化指标相关性分析

图6 施用生物炭对土壤EC的影响

为更好地分析生物炭对土壤各指标之间的关系，本研究对土壤各指标进行相关分析，结果见表1。相关性分析发现，施用生物炭后，不同生长期土壤各性状指标的相关性相差较大。在分蘖期，N与P有极显著的正相关关系（0.929），而K与N、P之间有显著的负相差关系，相关系数分别为-0.697和-0.736；pH值与N、P含量显著正相关关系，相关系数分别为0.711和0.850，但与K则表现为极显著的负相关关系（-0.852）。伸长期时，有机质与P呈显著负相关关系（-0.688）；pH值与K则表现为显著的负相关关系（-0.790）。成熟期时，有机质（OM）与K表现为显著的负相关关系（-0.722），pH值与土壤各主要营养元素之间无显著的相关关系。EC除成熟期与K呈显著负相关关系外（-0.787），分蘖期与伸长期则与土壤的主要营养元素之间无显著的相关关系。

表1 生物炭处理下土壤性状各指标的相关性分析

2.5 生物炭对土壤中氮素保留率、损失率和回收率的影响

从图7看，生物炭施用后，显著提高了分蘖期土壤中N的保留率，C10处理后N保留率从51.15%提高到了53.52%，增加了2.37个百分点；C20处理则提高到68.74%，增加了17.59个百分点，相应地减少了N损失率，从48.85%减少到31.26%。生物炭对各生育期土壤氮的回收率无显著影响，在苗期生物炭处理的N回收率提高了0.6～0.98个百分点，伸长期提高了7.48～7.91个百分点，成熟期降低了4.35～11.01个百分点，但均未达显著差异水平。

图7 生物炭对土壤氮素保留率、损失率和回收率的影响

3 讨论与结论

生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂主要得益于以下几个方面：首先，生物炭作物缓冲载体，可以吸附养分，减少淋失从而提高土壤肥力，然后再缓释供给植物所需［15］。第二是生物炭可以改善土壤结构，利于根系生长，增加根系周边微生物活性，促进营养元素特别是氮素营养的利用率［16-17］。第三是改善了土壤的pH值和阳离子交换量，促进有效营养成分的释放，利于植物吸收［18-19］。

本研究结果显示，生物炭施用可以促进N、P、K和有机质在土壤中的滞留，提高土壤的pH值，这与前人研究结果相似。刘玮晶等［20］的研究表明，生物炭添加后，提高了黄棕壤对氮的吸附，氮素滞留量增加了5%～15%，氮素大部分滞留在土壤表面的5～7cm处。张晗芝等［21］、Van Zwieten等［22］的研究表明，生物炭可以提高土壤的全氮和有机质含量。高海英等［15］研究表明，生物炭可以显著提高土壤有机碳含量，提高土壤pH值、阳离子交换量、土壤速效磷、速效钾和矿质态氮含量，增强土壤保肥能力。本研究发现，生物炭施用后，土壤的pH值和有机质含量与N、P含量有显著的正相关关系，而与全K含量有显著负相关关系，说明生物炭对土壤N、P保留率的促进效应可能在于提高了pH值和有机质含量。

本试验是在桶栽条件下进行的，今后仍需开展大田试验进一步验证试验结果，并研究生物炭对土壤中不同形态氮、速效P和速效K流失及保留的影响，才能更好更全面地评判生物炭对甘蔗土壤的理化性质、肥力保持等方面的影响。