生物炭对作物氮肥利用率影响的整合分析

夏浩，张梦阳，刘波，李宇轩，丛铭，布麦热姆·热则克，姜存仓2

1. 华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉 430070；2. 石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子 832000

近年来，我国氮肥施用量逐渐增加，其消费量占全球氮肥消费的25%[1]。多数研究表明我国农田土壤的氮肥施用量很高，但氮肥利用率仅为30%～50%，显著低于世界上发达国家[2-3]；并且氮肥长期施用方法不当、施用比例不合理，会造成水体富营养化、土壤酸化等一系列生态环境问题[4]。过量施肥还会导致土壤酸化，产量降低，抑制农作物对土壤氮素营养的吸收，从而导致氮肥的利用效率降低[5]。

目前生物炭在改良土壤环境、促进作物生长方面发挥着重要作用[6-7]。生物炭是指农林废弃物在厌氧条件下低温热解形成的一类高度芳香化难溶性的产物，在土壤中可以长期存留，不易发生分解[8]。生物炭具有特殊的理化性质，一般为碱性，孔隙结构发达，比表面积大，对土壤重金属具有较强的吸附能力[9-10]。生物炭与化肥配施可延缓养分释放，促进作物对养分的吸收，降低化肥的损失[11]。朱盼等[12]研究表明，与常规施肥相比，添加生物炭后烟草的株高、茎粗等农艺性状及生物量有显著增加。但也有相关研究发现施用生物炭会导致水稻、小麦减产[13-14]。俞映倞等[15]发现施用生物炭后小白菜的生物量有明显提升，氮素累积量也有显著提高。Xia等[16]研究结果表明在生物炭处理下苗期玉米的氮肥利用率有明显提高。方明等[17]发现在不同类型土壤上施用生物炭有明显差异，在红壤上施用生物炭后小白菜的氮素吸收效率提高了44.0%～59.0%，而在潮土上施用生物炭后小白菜的氮素吸收效率降低了64.7%～74.5%，生物量也出现明显降低。此外，相关研究表明，随着生物炭用量增加，烟草的氮肥利用率呈现先增加后降低的趋势[18]。李静静等[19]也发现在低氮施肥条件下(22.5 kg/hm2)，生物炭对氮肥利用率提升的效果较为明显，且低水平生物炭(2.4 t/hm2)的促进效果会更好。生物炭对作物氮肥利用率的影响受到诸多因素影响，例如生物炭的pH、含氮量、施用量以及原材料、氮肥施用量、作物类型以及土壤养分等。

目前我国关于生物炭对氮肥利用率影响的研究主要基于某一个或几个特定的区域进行，未综合考虑土壤理化性质、当地气候条件以及生物炭材料等因素。为系统认识施用生物炭对氮肥利用率的影响，本研究采用整合分析(Meta-analysis)的方法[20]系统比较不同施用条件(地域差异、生物炭的性质、土壤的理化性质、氮肥添加量等因素)下氮肥配施生物炭的氮肥利用率增效效果，为提升经济、环境和社会等综合效益提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 数据获取

通过搜索文献数据库(中国知网、万方、Web of Science)，检索施用生物质炭对植物氮肥利用率影响的相关文献。设置检索关键词主要包括:生物质炭/生物炭(biochar/black carbon)、氮肥利用率(nitrogen use efficiency/nitrogen utilization efficiency)，筛选出2000-2020年符合以下基本要求的文献：(1)试验类型分为大田试验和盆栽试验；(2)每个试验必须有处理组和对照组[21]，处理组为常规施肥+生物炭处理，对照组为常规施肥处理；(3)试验数据必须含有标准差或标准误；(4)处理组和对照组除生物炭处理外，其他试验条件均一致；(5)研究中要求试验处理重复至少3组[22]；(6)试验场所的土壤和生物炭的基本性质均明确；(7)若文献没有明确规定，土层一般为耕作层(0～20 cm)[23]；(8)若文献中基础土壤的速效养分没有测定，则用土壤全量养分反映土壤养分；(9)若土壤养分包含有机碳含量，则有机质含量=有机碳含量×1.724。基于以上筛选标准，截至2020-12-02，获得33篇有效文献，采集了170组数据。

1.2 数据库建立与分类

将植物氮素吸收的影响因素分组，主要指标包括：地域、试验类型、土壤性质(pH、速效磷、速效钾、碱解氮、有机质)、生物炭性质(pH、氮素含量、生物炭材料、施用量)、氮肥施用量以及作物种类等。

本研究将试验地域分6个主要区域。表1为各个区域具体的文献数量及试验点位分布。土壤养分、试验类型、生物炭性质等分类情况如表2所示。

表1 33篇有效文献的分布区域及试验点数Table 1 The distribution areas and experiment points of 33 valid literatures analyzed

表2 数据分类及依据Table 2 Data groups used in the Meta-analysis

1.3 数据分析

在搜集文献数据时，采用GetData Graph Digitizer 2.24软件对文中图片进行数据提取。利用Excel 2013软件建立数据库，用R软件中Meta包的随机效应模型对原始数据实现Meta分析。文献中数据标准误(SE)和标准差(SD)的转化如公式(1)所示：

(1)

式(1)中，n是指试验的重复次数。

在分析过程中，为了消除不同试验点的气候、降雨等外界因素的影响，用lnR作为效应值来评估指标[24]，计算公式为:

lnR=ln(NUE(NPK+Biochar))-ln(NUE(NPK))

(2)

式(2)中，R为相应比；NUE(NPK+Biochar)为处理组作物氮肥利用率的平均值；NUE(NPK)为对照组作物氮肥利用率的平均值。

为更直观地观察生物炭对作物氮肥利用率的影响效果，需将lnR转化为氮肥利用的增效率(Z)：

Z=(R-1)×100%

(3)

若Z的95%置信区间跨过横坐标原点，则说明施用生物炭对NUE的差异显著，反之95%置信区间与0重叠，则说明施用生物炭对NUE无影响[25]。

2 结果与分析

2.1 地域对氮肥利用率增效作用的影响

国外地区仅有2篇文献符合要求，因此不纳入本节讨论。我国土壤耕地面积广，不同地域的土壤质地、理化性质差异很大，生物炭改良效果也会有很大差别。不同地域下NPK+BC和NPK处理下作物氮肥利用率如图1A所示，在不添加生物炭情况下，东北地区的氮肥利用率最高，达到了42.66%，其次是华北地区达到39.75%，最低的是华东、南方以及西北地区氮肥利用率约为30%。施用生物炭对作物氮肥利用率的增幅效果如图1B所示，总体来说NPK+BC较NPK处理下作物的氮肥利用率提高4.76%。从各个区域氮肥利用率提高效果来看，南方地区生物炭的增加效果最为明显，提高了11.73%，其次是东北、华东和西北地区，分别提高了6.56%、6.39%和6.07%。与NPK处理比较，华北地区施用生物炭对氮肥利用率的增加效果不显著(图1B)。这可能是由于南方土壤地区高温多雨，土壤淋溶作用强烈，导致土壤养分贫瘠，添加生物炭后效果更加显著。

图1 不同地域下单施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)氮肥利用率的差异(A) 以及生物炭对氮肥利用率的增长幅度(B)Fig.1 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar in different regions(A) and the increment of NUE by applying biochar(B)

2.2 生物炭及氮肥用量对氮肥利用率增效作用的影响

不同生物炭施用量对作物氮肥利用率的增幅见图2，氮肥利用率随着生物炭施用量的增加呈下降的趋势。当生物炭施用量≤1%，生物炭的增效作用最明显，氮肥利用率提高了3.43%；而施用生物炭用量>1%对氮肥利用率的促进效果反而不显著。这可能是一方面由于高添加量的生物炭会吸附土壤中的氮素营养，另一方面是土壤碳氮比过高，引起土壤中有效氮的生物固定。生物炭的氮肥利用率增效作用随着施氮量的增加呈现降低的趋势，在氮肥施用量≤120 kg/hm2时，生物炭的氮肥利用率的增幅最高，达到10.73%；而当氮肥施用量>120 kg/hm2时，生物炭的氮肥利用率的增幅降为2.33%～7.87% 。

图2 不同的生物炭以及氮肥添加水平下对氮肥利用率的增长幅度Fig.2 Increment of NUE under different levels of biochar and nitrogen fertilizer

2.3 试验类型以及作物种类对氮肥利用率增效作用的影响

从图3A可见，仅施用氮肥情况下经济作物的氮肥利用率为19.90%，粮食作物的氮肥利用率达到27.44%。生物炭的增幅如图3B所示，结果显示，NPK+BC较NPK处理下经济作物的氮肥利用率提高了3.70%。粮食作物较经济作物的氮肥利用率提升更为显著，氮肥利用率提升了5.71%(图3B)。这可能是由于追求经济效益，经济作物生长过程施用了过多氮肥，造成氮肥利用率偏低。

目前探究生物炭对作物氮肥利用率影响的试验类型主要是田间试验和盆栽试验。从图3A可见，在NPK处理下，盆栽试验的氮肥利用率为24.89%，而大田试验的氮肥利用率34.50%。从整合分析中发现(图3B)，施用生物炭处理后大田试验和盆栽试验的氮肥利用率分别提高9.66%和2.55%，且大田试验中施用生物炭后氮肥利用率的增效作用更为明显。

图3 不同作物种类及试验类型下单施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)氮肥利用率的差异(A)以及氮肥利用率的增长幅度(B)Fig.3 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar under different crop typesand types of experiments(A) and the increment of NUE(B)

2.4 生物炭性质对氮肥利用率增效作用的影响

生物炭自身理化性质的差异，也是影响氮素利用率增幅的重要因素之一。从图4可见，不同材料生物炭对作物氮肥利用率的增效作用不同，相较于NPK处理，添加木质材料、秸秆材料、壳渣材料制备的生物炭氮肥利用率分别提高了7.99%、6.83%、1.12%，这可能是由于不同材料制备的生物炭在养分、pH方面存在差异。本研究发现当生物炭含氮量和pH越高，生物炭对氮肥利用率的增幅作用越明显。当生物炭的含氮量>2%，生物炭对氮肥利用率的增幅为19.43%，pH为9～10时生物炭的增效作用最明显，生物炭对氮肥利用率的增幅为5.01%。

图4 不同性质的生物炭对氮肥利用率的增长幅度Fig.4 Differences of NUE between NPK and NPK+Biochar under different properties of biochar

2.5 土壤养分对氮肥利用率增效作用的影响

图5 不同土壤养分状态下单施化肥(NPK)和生物炭配施(NPK+Biochar)的氮肥利用率(A) 以及生物炭对氮肥利用率的增长幅度(B)Fig.5 The NUE between NPK and NPK+Biochar in different basic soil nutrient status(A) and the increment of NUE by applying biochar (B)

3 讨 论

通过整合分析研究了影响生物炭提高作物氮肥利用率的因素，结果表明，我国南方地区施用生物炭对作物氮肥利用率的提升效果最明显，这可能是因为南方地区的土壤类型主要属于酸性红壤，红壤地区高温多雨，土壤淋溶作用强烈，酸胁迫严重、肥力低下导致当地作物的氮肥利用率不高[26-27]。在土壤pH偏酸，有机质、速效氮含量较低时，添加生物炭对作物氮肥利用率的提升效果十分明显。由于生物炭表面具有丰富的碱性官能团，施入土壤后pH显著升高[28-29]。研究发现，施用生物炭对红壤和砖红壤具有积极的改土培肥效果，增加土壤养分、改善土壤微生物群落，对作物具有显著的增产效应[30-31]。当有机质含量>30 g/kg、速效氮含量>120 mg/kg时，生物炭的增效作用明显降低，这可能是由于在肥力较高的土壤，施用生物炭破坏了土壤的碳氮平衡，引起土壤中“争氮效应”的发生。我国西北、华东和东北地区生物炭的增效作用较南方地区有明显降低，可能是由于这些地区的土壤养分相对于南方地区较为肥沃，因此，外源添加的生物炭在生产当季没有显著的增效作用[32]。

生物炭对于作物的养分吸收效率与外界氮肥、生物炭的施用量有很大的关系[33-35]。整合分析发现，低投入量的生物炭有利于提高作物的氮肥利用率，随着生物炭施用量的增加，作物的氮肥利用率反而降低。王悦满等[36]研究也发现，施用3%的水热裂解生物炭显著抑制了水稻产量，对氮肥利用率和农学效率产生了消极影响。这可能是由于生物炭具有丰富的比表面积和孔隙结构，较高的施炭量吸附了一部分养分，从而在一定程度上抑制了根系的养分吸收[37]。此外，氮肥利用率的降低也可能与生物炭的成分有关，在长期雨水淋洗条件下，土壤中生物炭释放的这些有机物质会影响氮矿化和微生物活性，会对作物生长产生不利影响[38-39]。有研究表明氮素是影响作物的产量以及品质形成的重要因子，适量的氮肥可促进作物对氮素的吸收和利用，过量施氮会引起无机氮在土壤中累积，降低肥料利用率，增加氮素面源污染的潜在风险[40-41]。相关研究表明，随着施氮水平的提高，水稻植株氮素累积量迅速增加，但施氮量超过225 kg/hm2后，多数水稻品种的氮素吸收量不再增加[42]。肖小军等[43]研究发现，施氮量对早稻氮肥吸收以及利用效率具有显著影响。随着施氮量的增加，总吸氮量表现出增加的趋势，但当氮肥投入量达到210 kg/hm2时，氮肥利用率显著低于其他施氮量处理。因此，在研究生物炭提高作物氮肥利用率的同时，应考虑氮肥的施用量，维持土壤氮素平衡，充分考虑土壤残留氮的后效，降低氮肥施用量，以免造成浪费，增大面源污染潜在风险。

根据整合分析结果，我们发现粮食作物施用生物炭对氮肥利用率的增效作用高于经济作物(图3)。闫湘[44]调查发现我国不同作物氮肥施用水平中，粮食作物施用量最低，平均为245.1 kg/hm2，而蔬菜作物、果树施用量达到了573、724.5 kg/hm2，是粮食作物的2～7倍，这也直接导致经济作物的氮肥利用率较低。这可能是由于经济作物带来的效益高，为了保持高产量，农户投入较多的肥料。盆栽试验和大田试验主要用于模拟植物生长环境，盆栽试验条件易于控制，试验结果较好，而大田试验更加贴近实际情况，能更真实反映试验结果。研究表明大田试验中生物炭的增效作用明显高于盆栽试验。这可能是由于盆栽试验与大田试验在土壤通透性上存在差异，土壤通透性是保持土壤空气质量、维持土壤肥力不可缺少的条件，而盆栽试验由于土壤底部完全密闭，从而抑制了作物根系的伸长[45]。

目前，生物炭对氮素利用率的研究大多是针对单一的生物质材料，缺少不同生物炭效果之间的比较[46]。本研究整合分析结果发现，生物炭的增效作用表现为：木质材料>秸秆材料>壳渣材料。壳渣材料对生物炭氮肥利用率的提升效果不明显，这可能是因为壳渣类材料比表面积大，能提供较多的吸附位点，对土壤氮素养分吸收能力较强[47]。生物炭自身的含氮量对土壤速效氮含量有促进作用，本研究发现当生物炭含氮量>2%时，生物炭的增效作用达到了19.43%。生物炭的pH值越高，对作物氮肥利用率的促进作用越明显。这可能是由于我国土壤大多数呈酸性或者弱酸性，该地区土壤贫瘠，供氮能力弱，施用生物炭可以明显提高土壤的pH值，缓解铝毒、酸毒胁迫，从而提高作物的氮肥利用率[48]。

因此，在选择生物炭提高作物氮肥利用率时，应尽可能选择pH较低、养分贫瘠的地区,生物炭对氮肥利用率的提升效果最好。此外，我们要充分考虑生物炭的特性、施用量等因素以达到更好提升作物氮肥利用率的效果。