农田土壤活性氮损失现状和生物炭调控途径研究进展

胡朝华, 刘曰明, 庞孜钦, 袁照年

(福建农林大学， 国家甘蔗工程技术研究中心， 福州 350002)

随着我国农业现代化进程不断加速，农业规模化、集约化和产业化水平逐年提高，不同农作物轮作、同一作物连作的栽培模式在各大产区广泛应用，产区农田土壤普遍高强度利用或过度利用，为了高产稳产而过度依赖大量施用氮肥，从而导致农田活性氮损失和污染日趋严重[15-16]。在我国，许多水田和旱地作物普遍采用轮作或连作栽培模式，这些农田生产过程往往长期大量施用氮肥，导致农田土壤加速酸化、土壤微生物活性和群落结构失调、肥料氮大量损失，不仅影响作物的种植效益，同时也影响耕地土壤质量和农田生态系统的稳定性，由此引发的农业源活性氮污染也不容忽视[4-5, 9, 16]。例如，甘蔗是我国重要的糖料和能源作物[17-18]，然而甘蔗大田种植普遍采用连作和宿根栽培模式，由于甘蔗生长周期长、立地条件差，往往偏施或过量施用氮肥，加之蔗区多为丘陵地带，酸性红壤广泛分布，有机质含量低，且常年高温多雨的亚热带气候加速了蔗田水土流失，导致蔗田连作土壤加速酸化，肥料尤其是氮肥损失日益严重[17, 19-20]。

1 农田活性氮损失现状

1.1 活性氮损失特征

1.2 活性氮损失的主要影响因素

2 农田土壤活性氮转化的关键生物过程

2.1 硝化和反硝化作用

2.2 氨氧化作用

3 生物炭在农田活性氮损失与土壤改良效应中的调控途径

3.1 减少N2O排放

3.2 控制土壤淋失

3.3 调节土壤微生物群落

生物炭对农田土壤硝化菌和反硝化菌等微生物活性和群落结构具有一定的调节作用，从而影响土壤活性氮的转化与损失。研究表明，生物炭能提高可还原氧化亚氮的细菌活性，促进N2O彻底还原成N2，从而对农田N2O减排发挥积极作用[14]。张梦阳等[23]研究发现，短期施用生物炭后黄棕壤和潮土中微生物丰富度和多样性显著提高，黑土中微生物群落和多样性变化不明显，但3种土壤在添加生物炭处理后氨氧化细菌的丰度均明显高于氨氧化古菌。胡瑞文等[53]研究了生物炭对烤烟种植土壤微生物群落调控中的作用，结果表明，添加适量的生物炭(3.75×103kg·hm-2)能提高烤烟田土壤微生物多样性，显著提高羧酸类和聚合物类碳源的利用能力。许多研究证实，向农田施入生物炭后，土壤细菌群落组成和多样性的变化最为明显，土壤pH和有效氮含量是影响细菌群落结构变化的主要控制因素[50, 54-55]。生物炭不仅能利用自身特殊的孔隙结构和营养成分为土壤微生物提供良好的栖息环境和生长必需的营养元素，同时也能通过激发群落选择性进行调节并优化土壤微生物群落结构和功能，抑制病原菌的生长[24, 56]。作为一种土壤调理改良剂，生物炭通过改良农田土壤理化性状，在一定程度影响土壤微生物群落多样性和代谢活性，而土壤微生物活性的改变又反过来影响农田土壤活性氮转化利用和作物生长发育。

3.4 改良土壤和农学效应

随着生物炭技术的不断发展，生物炭在农作物稳产增产方面的应用也受到越来越多的关注。生物炭的增产效应与不同种植体系、土壤类型和气候条件等因素有密切关系。生物炭作为养分吸附和迁移载体，施入农田后可延缓肥料养分的释放， 促进土壤中植物营养元素的迁移利用，进一步改善农作生长发育和产量性状。陈庆华等[51]研究发现，施用生物炭可以增加油菜的有效分支数和单株有效角果数，从而提高油菜产量，主要归因于生物炭作为一种缓释载体，延缓了肥料养分在油菜根系土壤中的释放周期，降低了肥料的损失，从而使生物炭和肥料之间产生互补和协同增效。在旱作农田中，施入生物炭后能显著增加棉花叶绿素含量并降低叶片丙二醛含量和过氧化氢酶活性，从而改善植株抗逆性和生长状况[59]。也有研究表明，施用生物炭对我国甘蔗主栽品种苗期生长特性具有明显的改善效应(如优化根冠比例)，同时生物炭也提高了甘蔗根系土壤中有机质含量、pH、以及养分有效性[60]。在水田耕作条件下，施用生物炭可使水稻产量提高约10%，同时显著提高氮肥利用率，并对稻田N2O产生减排效应[5]。然而，生物炭对作物的农学效应也难以给出统一的结论，除了生物炭自身的理化特性存在一定差异，不同种植体系下农田土壤类型和养分循环利用的途径也会对农作物的生长发育和增产效应产生持续的影响。

4 展望

生物炭在我国农田土壤活性氮损失阻控、以及土壤改良与农作物增产中具有重要的应用潜力。然而，在不同农业种植区域，农田土壤活性氮的来源和转化途径具有典型的区域多样性和环境复杂性，不同农田生态系统中土壤活性氮损失的时空特征存在明显的地域性差异，有关不同气候条件和耕作制度下农田土壤活性氮转化的关键微生物过程及其作用机制至今仍不完全清楚。目前，国内外有关农田生态系统中土壤活性氮损失规律及其控制机理方面的研究虽然取得一定的进展，但不同种植体系下，尤其是大面积连作的集约化农田中土壤活性氮转化过程和生物炭调控效应与传统的农田生态系统还存在较大差异，有待于今后结合非连作农田与连作农田生态系统进一步开展综合研究。因此，基于我国农田活性氮损失研究现状和生物炭在土壤改良和氮素转化调控中所面临的挑战，提出以下几方面建议。

②区域化的不同农田生态系统中活性氮转化与调控方面仍需更系统的研究。受耕作模式和气候条件的影响，不同农田生态系统中土壤硝化和反硝化微生物对生物炭的响应特征可能存在较大差别，相应的农田活性氮转化与调控过程还需要更广泛的系统研究。例如，不同连作耕作模式下生物炭对农田土壤活性氮转化的作用机理、以及农作物增产的综合调控效应和关键影响因素的相关研究目前还很少见报道。今后应综合考虑不同种植区域的耕作方式和生产条件、土壤类型和理化特性、不同原料来源生物炭的应用特性、以及关键土壤微生物学过程和环境宏基因组学等微生物分子生态学的前沿技术进行多学科交叉研究，相关研究结果将有力促进我国不同耕作制度下农田土壤氮素的高效循环利用和农田生态环境保护。

③连作农田生态系统中活性氮损失规律及生物炭的调控效应也有待进一步研究。我国甘蔗等经济作物长期连作且普遍过量施用氮肥，导致大面积农田土壤加速酸化和活性氮损失日益严重。目前，有关蔗田等连作农田生态系统中活性氮损失规律及其生物炭调控效应的研究还很缺乏。因此，今后有待加强连作农田土壤活性氮损失的微生物过程和生物炭调控方面的研究，探讨优化施氮和生物炭调控下连作农田土壤活性氮损失和氮肥高效利用的关键生物过程和环境主控因子，以期为蔗田等连作种植体系下土壤氮素定向转化与氮肥减施增效提供新的研究思路。