牛粪生物质炭基肥对青稞生长、产量及氮素利用的影响

孙全平，彭 君，索朗措姆，秦基伟，谭海运，杨素涛，普布贵吉

（1省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室，拉萨 850000；2西藏自治区农牧科学院农业资源与环境研究所，拉萨 850000）

0 引言

生物质炭是生物质在无氧或缺氧条件下缓慢高温分解得到的一类稳定的富含碳素的有机物质，近年来作为土壤改良剂、碳源及肥料缓释载体[1-2]。炭基肥是一种以生物质炭为基质，根据不同区域土地特点、不同作物生长特点以及科学施肥原理，添加有机质或/和无机质配制而成的生态环保型肥料[3]。研究表明，生物质炭化后所具有的多孔隙度和大的比表面积有利于土壤保水[4]、提高土壤有机碳含量[5]、减少养分淋失[6]、提高氮素利用[7]、提升幼苗生物量[8]等，进而改善土壤养分状况[9]，为植物生长提供良好的环境，从而促进作物生长。同时生物炭在对重金属的吸附方面扮演着重要角色[10-11]。农牧区群众一般都是将牛粪经自然风干成牛粪饼后作燃料烧茶做饭，或者是简单堆沤后直接施用到农田，资源的利用效率偏低。据测算，一头成年牦牛一年可产生粪便在2.65 t左右（平均一天产生7.25 kg牛粪计算）[12]。当前，在自然条件较好的农牧结合区，存在大量牛粪剩余未被利用的情况，在田间地头和道路两旁随处可见。将牛粪制备成生物炭可实现牛粪无害化、资源化利用[13]。从而减少化肥投入，提高肥料利用率，促进土壤的修复改良，实现青稞绿色增产。

青稞作为广大藏区的主要粮食作物，保证其持续生产对该地区的粮食安全尤为重要[14]。过量的化肥施用不仅会影响到土壤质量，还会威胁到高原地区的生态安全[15]。因此，在如何通过技术措施减少化肥用量，提高肥料的利用率，保证青稞产量基本维持现有水平不降低的问题上急需进行技术研究。所以，本课题以牛粪为原料，将其制备成生物炭，将生物炭与化肥以不同比例混合配制成炭基肥，并与生物有机肥、牛粪草木灰与化肥不同配比的处理作比较，研究不同施肥处理对青稞（‘藏青2000’）生长、产量及氮素利用的影响，探索牛粪肥料化利用新技术，实现化肥减量增效，形成青稞种植业与牦牛养殖业循环发展的格局，为青稞绿色增产提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

供试青稞品种为‘藏青2000’，目前为西藏全区主栽青稞品种；牛粪采自拉萨市堆龙区郊区农田；牛粪生物质炭基肥是由取自拉萨市堆龙德庆区的牛粪充分晾晒风干后用自行设计制作的试验装置在350～450℃温度下限氧热裂解炭化制成。牛粪草木灰是在室外将牛粪完全燃烧制得。牛粪、牛粪生物质炭、牛粪草木灰的基本性质见表1。

表1 牛粪生物质不同状态下的养分含量

1.2 试验设计

试验设8个处理，各施肥处理分别为（1）常规复合化肥（简称NF，N 90 kg/hm2，P45 kg/hm2，K 45 kg/hm2）；（2）20%生物质炭基肥+80%化肥（简称B2C8）；（3）30%生物质炭基肥+70%化肥（简称B3C7）；（4）40%生物质炭基肥+60%化肥（简称B4C6）；（5）30%有机肥+70化肥配施（简称O3C7）；（6）100 kg/666.7 m2牛粪草木灰+70%化肥配施（简称CAC7）；（7）1500 kg/666.7 m2羊粪；（8）不施肥（简称CK）。每个处理3次重复，采用完全随机区组设计，小区面积25 m2(5 m×5 m)。四周设置保护行，各小区其他田间管理措施均一致。小区面积25 m2，播量15 kg/666.7 m2，行距25 cm。试验设在西藏自治区农牧科学院4号试验地，播种时间2020年4月25日，成熟时间2020年8月19日，生育期共计116天。

1.3 测定项目与数据分析

1.3.1 田间试验测定内容 在青稞出苗后的两叶一心期随机选取1 m2样点数基本苗，重复3次；成熟期每小区随机选取植株10株量株高、穗长，数穗粒数；收获脱粒后，称量各小区籽粒产量和秸秆产量；将清理后的种子数千粒重。青稞生育期各处理叶片叶绿素含量用叶绿素仪(CCM-200)。统计籽粒产量数据，用SPSS statistics 19软件对各处理的产量做方差分析。

1.3.2 土壤样品的测定 分别于播种前、各生育期、收获后按“S”型采样法在每小区内用土钻取0～20 cm土层样品，混合均匀后用四分法留样备用。土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法；销态氮采用紫外分光光度计-双波长法；土壤常规项均用国标方法测定。

2 结果与分析

2.1 不同肥料配比施用后土壤铵态氮、硝态氮含量的动态变化

由图1可见，随着生育期的进行，土壤铵态氮含量整体上呈现出逐渐下降的趋势。处理3、5、6的铵态氮含量先升高后降低，而对照组变化幅度较小且一直处在较高水平。处理6、7降低的最为明显。成熟后土壤铵态氮含量最高的是对照组。

图1 不同处理下青稞各生育期的铵态氮含量变化

草木灰与化肥配施和施用纯羊粪的处理可以促进作物对土壤中铵态氮的利用。成熟后的不同施肥处理的土壤铵态氮含量表现为对照组＞生物质炭基肥＞有机肥＞草木灰＞羊粪，这是因为施用生物质炭基肥、有机肥、草木灰、羊粪等碱性物质后，容易造成土壤中的氨的挥发损失，还可能与生物质炭吸附养分缓慢释放有关。

由图2可见，与土壤铵态氮含量变化相比，土壤硝态氮含量变化更为明显。不同处理苗期的硝态氮含量均较高，且各处理间差距较大，添加牛粪生物炭后，土壤硝态氮含量提高，处理4的土壤硝态氮含量最高，为54.10 mg/kg，比处理1的24.96 mg/kg高53.86%，而成熟后的差距较小。可能主要与硝态氮的存在状态有关，NO3-不能被土壤胶体吸附，容易被灌水和降雨溶淋损失。

图2 不同处理下青稞各生育期的硝态氮含量变化

2.2 牛粪生物质炭基肥对青稞生长、产量的影响

2.2.1 牛粪生物质炭基肥对青稞农艺性状的影响 由表2可知，处理1、4、5、6基本苗较对照增加，而处理7的基本苗较对照减少，处理5的基本苗最高，说明牛粪生物炭与化肥、有机肥与化肥、草木灰与化肥合理配施可以提高青稞的田间基本苗，可能是施用不同类型的肥料后，改变了土壤的理化性质有关，从而影响了种子的萌发状况。化肥施入量减少至70%，牛粪生物炭施入量30%，株高最高103 cm（比对照高13.88%）。牛粪生物炭、有机肥和草木灰配施化肥都能提高青稞的千粒重。化肥施入量减少至80%，牛粪生物炭施入量20%，千粒重较高，与只施羊粪后的千粒重相当。

表2 不同施肥处理对青稞农艺性状的影响

2.2.2 牛粪生物质炭基肥施用对青稞生长期叶片叶绿素含量的影响 如图3所示，青稞叶片中叶绿素含量从苗期到分蘖期的变化较小，乳熟期成倍增长，试验组均高于对照。处理2、3、4，随着化肥用量的减少，牛粪生物炭用量的增加，叶绿素含量升高。草木灰与化肥配施的叶绿素含量最高。

图3 不同生长时期青稞叶片叶绿素含量的变化

可见，牛粪生物炭可以促进青稞的生长，这是对土壤养分高效利用的结果，与陈盈等[16]通过添加适量生物炭可以提高PSⅡ反应中心的光能转换效率，以增强光合系统反应中心的稳定性，从而改善和提高了作物的光合能力的研究结果相一致。

2.2.3 牛粪生物质炭基肥施用对青稞产量的影响 不同施肥处理对青稞产量的影响见表3，处理3化肥施入量减少至70%，牛粪生物炭施入量30%时，籽粒产量最高，为4830.75 kg/hm2（比对照高13.88%）。处理3、5、6，化肥施入量都减少至70%，施入相同量牛粪生物炭、有机肥、草木灰后，牛粪生物炭的籽粒产量较高。不同处理籽粒产量之间的差异达到极显著；青稞生长后期，处理7成熟最晚，营养生长过于旺盛，导致出现了倒伏（倒伏率8%），但其秸秆产量最高，达到8221.95 kg/hm2。

表3 不同施肥处理对青稞产量的影响

2.3 牛粪生物质炭基肥对青稞氮素利用的影响

同等氮输入条件下，施用常规化肥的氮素利用率最高；减少化肥施用量，增加生物炭，氮素利用效率提高，40%牛粪生物质炭基肥与60%化肥配施的氮素利用率为23.1%；商品有机肥和草木灰与化肥配施，氮素利用率最低，只有0.6%（图4），可见，相比常规施用化肥，牛粪生物质炭基肥与化肥配施，青稞的氮素利用率降低，但随着牛粪生物质炭基肥用量的增加，氮素利用率逐步升高。因此，牛粪生物炭可以作为土壤氮素迁移的载体，实现氮素高效利用。

图4 不同施肥处理下的青稞氮素利用率

3 讨论

3.1 生物质炭对土壤理化性质及微生物的影响

生物炭具有多孔结构且密度较低、容重小于土壤容重，施入农田后对土壤有一定的稀释作用[17]。生物炭的高孔隙度和表面面积，可以增加砂性土壤的田间持水量，抑制土壤氮磷养分淋失，提高肥料利用率[18-19]。在一定量下，施炭可增加土壤阴、阳离子交换量，减少养分损失，土壤的有机碳、全氮也会相应增加[20]。生物炭吸附土壤中有机分子，通过表面催化活性促进小分子聚合从而形成土壤有机质，延长有机质分解时间，从而有助于腐殖质的形成，改善土壤肥力[21]。生物炭对于酸化土壤改良具有重要价值，其含有的养分元素可直接输入土壤，其表面电荷和官能团有利于土壤养分的保留[22-23]。

生物炭的施用会刺激氮细菌活性，其多孔性和巨大表面积能为微生物提供栖息地，有效吸附微生物，为其提供附着载体，从而改变土壤系统氮循环过程，土壤三大类微生物的数量随生物炭用量的增加而显著增加，在土壤温度和含水量较高的条件下，微生物代谢活跃[24-25]。细菌多样性显著提升，尤其是增加了芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和变形菌门(Proteobacteria)等促生菌的丰度；减少酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)的丰度[26]。生物炭的施用还能促进土壤中脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和脱氢酶5种酶的活性[27]。高水平添加量对土壤蔗糖酶和脲酶的促进作用显著高于中低水平添加量[28]。因此，施用生物炭可显著改善土壤微生物和酶活性[29]。

3.2 生物质炭对植物生长和作物产量的影响

添加生物炭等外源物质可有效改良土壤环境，平衡盐与水分，促进根系生长，从而促进作物生长，是实现氮肥减施的重要途径之一。

对于生物质炭对植物生长的影响主要集中在玉米、小麦、水稻等大宗作物，在青稞上的应用效果还未见报道。阚正荣等[30]研究结果显示，施用生物炭显著降低夏玉米全生育期的耗水量，提高水分利用效率。在施加氮肥情况下，生物炭高量炭处理较不施炭处理可显著提高灌淤土全氮、全磷和速效钾含量，但对速效磷含量没有影响，生物炭和氮肥配施可以显著增加水稻籽粒产量，水稻籽粒产量与生物炭用量呈显著正相关关系(r=0.962)[31]。张伟明等[32]研究表明，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积，在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓了根系衰老。高温生物炭纳米颗粒对水稻可能更重要的是减轻药害，增加生物量、根系活力、叶绿素含量，降低MDA含量和相对电导率，能诱导水稻植株发生氧化应激[33]。这些都与本研究中所得出的的生物质炭与化肥合理配施可以提高青稞的田间基本苗，提高青稞乳熟期叶片中叶绿素含量从而促进青稞生长的研究结论相一致。

研究发现，施用15 t/hm2稻秆生物炭可以在稳定水稻产量的同时减少20%～40%的化学氮肥施用量，实现水稻氮肥管理的“减量增效”[34]。中量(6.75 t/hm2)生物炭处理下小麦-玉米轮作试验中第四季玉米产量增加8.43%；中、高量(6.75 t/hm2)生物炭处理下四季作物总产量提高4.54%、4.92%[35]。刘悦等[36]研究表明，施用生物炭后小麦穗层赤霉病菌孢子的数量显著降低，赤霉病病情指数降低，生物炭的处理较对照处理增产29.5%。本研究中牛粪生物炭配施化肥后青稞增产，比对照高13.88%，也达到了增产的效果。

由此可以看出，生物炭产品所具有的保水保肥、改良土壤和促进作物生长的效果是由于生物炭所固有的性质所决定的。施用生物质炭基肥后，可减少化学氮肥施用量，提高作物生育期的水分利用效率，促进根系和叶的生长，减轻病害等对作物生长发挥正向调控作用。对目前我区土壤面临的盐碱化、板结、肥料利用率低、重金属污染风险问题上，特别是化肥捡施增效，增施有机肥的大前景下，生物炭肥料产品将会发挥重要的作用。

3.3 生物质炭在西藏农田土壤中的应用前景分析

本研究结果显示，牛粪经过高温碳化后，氮和有机质含量降低，而磷、钾含量和pH升高。针对目前西藏农田土壤中普遍存在的养分缺乏、土壤透气性和持水性差的现状，长期持续施用生物质炭基肥后，通过生物质碳对土壤理化性状及微生物、土壤酶的作用，改善近些年因养分配比不合理、化肥过量施用和有机肥施用不足而引起的土壤问题，促进作物稳产增产，为高原特色农产品的绿色生产奠定基础。

4 结论

施用牛粪生物炭基肥后，青稞苗期的土壤硝态氮含量提高，草木灰与化肥配施和只施用羊粪可以促进作物对土壤中铵态氮的利用。减少化肥施入，增加牛粪生物质炭基肥，青稞的株高、千粒重增加；随牛粪生物质炭基肥用量的增加，青稞乳熟期的叶绿素含量升高，从而促进青稞的生长；增加生物质炭基肥用量，氮素利用效率提高；较常规施用化肥，牛粪生物质炭基肥和化肥合理配施可以提高青稞的籽粒产量和秸秆产量。从生产投入到籽粒、秸秆产出综合对比，30%牛粪生物质炭基肥替代化肥施入的处理效果最佳，青稞籽粒产量最高，为4830.75 kg/hm2。