生物炭對(duì)寧夏低質(zhì)土壤中油菜生長(zhǎng)及氮素利用的影響?

王震宇， 宋曉娜， 陳 蕾， 劉旻慧， 李 冬， 鄭 浩

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.海洋科學(xué)與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266100；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，寧夏 銀川 750002)

?

生物炭對(duì)寧夏低質(zhì)土壤中油菜生長(zhǎng)及氮素利用的影響?

王震宇1,2， 宋曉娜1,2， 陳 蕾1,2， 劉旻慧1,2， 李 冬3， 鄭 浩1,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.海洋科學(xué)與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266100；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，寧夏 銀川 750002)

寧夏地區(qū)的淡灰鈣土壤養(yǎng)分含量低、保水性差，已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制性土壤。近年來(lái)，生物炭在土壤改良方面表現(xiàn)出的巨大潛力,為淡灰鈣土壤的改良提供了一種新途徑。本文采用花生殼生物炭(BC)及其改良劑(AD)，分別按照0%、1.5%、3%和5%(w/w)的量添加到淡灰鈣土壤中，采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)探究其對(duì)“寧雜1號(hào)”油菜(BrassicanapusL.)生長(zhǎng)及氮(N)素利用有效性的影響。研究表明：BC的添加對(duì)油菜生物量和株高無(wú)顯著影響，但顯著增加了N的利用有效性，增幅達(dá)31.3%～31.9%。AD的施用使油菜生物量和株高分別增加了106%～140%和30.7%～35.0%，但對(duì)N的利用有效性無(wú)顯著影響。AD增產(chǎn)的主要原因可能是AD中的養(yǎng)分彌補(bǔ)了BC養(yǎng)分不足的缺陷，增強(qiáng)了油菜的根際效應(yīng)，從而促進(jìn)了油菜生長(zhǎng)?？梢?jiàn)，寧夏淡灰鈣土壤中BC的施用能減少油菜對(duì)N肥的需求，而AD能顯著提高油菜產(chǎn)量。這些研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)適宜于北方干旱地區(qū)低質(zhì)土壤改良的生物炭技術(shù)提供了重要的理論數(shù)據(jù)。

生物炭；改良劑；淡灰鈣土；油菜；根際效應(yīng)；氮素

淡灰鈣土壤(Light sierozem)是寧夏地區(qū)的主要低質(zhì)土壤。該類土壤中氮(N)、磷(P)養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量低，保水性差，已成為寧夏地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制性土壤[1-2]。寧夏淡灰鈣土壤面積約為77.2萬(wàn)hm2，占中國(guó)淡灰鈣土壤總面積的32.9%[3]。低質(zhì)土壤改良技術(shù)的缺乏嚴(yán)重制約著寧夏地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。生物炭技術(shù)的興起，為淡灰鈣土壤的改良提供了一種新的途徑。

生物炭是指生物質(zhì)在限氧或絕氧的條件下經(jīng)高溫?zé)峤庑纬傻囊环N富含碳素的固體材料，主要用作土壤改良劑[4]。作為一種新型環(huán)境友好功能材料，生物炭在緩解全球溫室效應(yīng)[5]，改良培肥土壤[6]，修復(fù)污染土壤和水體[7-9]以及資源化利用廢棄生物質(zhì)[10]等方面都表現(xiàn)出巨大的潛能。

生物炭在農(nóng)業(yè)方面表現(xiàn)出巨大的效益和潛力，主要表現(xiàn)在：減少農(nóng)林廢棄物污染[11]；減少土壤養(yǎng)分淋失[12]；增強(qiáng)土壤保水能力[13]；促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收[14]；促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量[15]。然而，Spokas等[16]認(rèn)為并不是所有生物炭對(duì)作物的生長(zhǎng)都表現(xiàn)出正效應(yīng)，在其統(tǒng)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，只有50%的研究表現(xiàn)出正效應(yīng)，而30%的研究中生物炭對(duì)作物產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，甚至有20%的表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。這種結(jié)果的差異主要是由于生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響不僅與生物炭的原料和制備條件、植物種類以及土壤類型有關(guān)，也與土壤是否施加肥料有關(guān)[17-19]。因此，一種生物炭并不能解決所有的土壤問(wèn)題。針對(duì)特定的土壤及作物類型，開(kāi)發(fā)“功能生物炭(Designer biochar)”已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中生物炭研究的熱點(diǎn)[20]。目前，零星研究表明生物炭和肥料同時(shí)施加到土壤時(shí)，對(duì)于作物增產(chǎn)效果顯著[19]。這主要是一方面肥料彌補(bǔ)了生物炭養(yǎng)分低的缺陷，另一方面生物炭可將肥料中的養(yǎng)分吸附并長(zhǎng)期持留于生物炭中，使養(yǎng)分起到了緩釋的特性，減少了肥料中養(yǎng)分因淋溶等作用造成的損失[6]。因此，生物炭與肥料混合施用為“功能生物炭”的開(kāi)發(fā)提供了一種新思路。

本研究選用農(nóng)業(yè)廢棄物花生殼為原料制備生物炭，并將生物炭與肥料混合制成一種生物炭改良劑，采用溫室盆栽試驗(yàn)研究花生殼生物炭及其改良劑對(duì)寧夏淡灰鈣土壤中油菜生長(zhǎng)及N素利用的影響，探究生物炭作用下的植物根際效應(yīng)，以期為生物炭技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供重要的理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤

1.2 生物炭及其改良劑的制備

將花生殼(含水量低于10%)置于生物炭炭化爐中，在350℃厭氧條件下熱解2h，然后在冷卻罐中密閉厭氧冷卻到室溫，制成花生殼生物炭(BC)。生物炭改良劑(AD)采用摻混法制備，將NH4NO3、KH2PO4和KCl按N∶P∶K=1∶1∶2的比例與BC、花生殼粉末等原料混合堆制30d，將所得的堆制產(chǎn)品風(fēng)干、過(guò)篩后即為AD。BC和AD的基本理化性質(zhì)參照李冬等[21]的研究。

1.3 盆栽試驗(yàn)

將BC和AD分別以0%、1.5%、3%、5%(w/w，相當(dāng)于0、3.15、6.3和10.5t·ha-1)的比例與供試土壤混合均勻，裝入20cm×20cm(直徑×高)的塑料花盆中，每盆裝入2.0kg土壤混合物。各處理分別標(biāo)記為CK、1.5%BC、3%BC、5%BC和1.5%AD、3%AD、5%AD。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。保持土壤含水量為土壤最大持水量的60%，穩(wěn)定3d后種植作物。

選用“寧雜1號(hào)”油菜(BrassicanapusL.)作為供試植物，采用育苗移栽法，將油菜育苗10d后移栽，每盆3棵。保持土壤含水量為土壤最大持水量的60%。緩苗2周后，每5天測(cè)定株高，第40天收獲采集樣品。

1.4 樣品采集與測(cè)定

BC和AD的表征：采用元素分析儀(MicroCube, Elementar,德國(guó))測(cè)定BC和AD樣品中C、H、O、N和S的含量；BC和AD的表面官能團(tuán)采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)(Tensor 27，Bruker，德國(guó))進(jìn)行測(cè)定，掃描區(qū)域?yàn)?000～500cm-1，分辨率4cm-1；采用Hitachi S-4800掃描電鏡(SEM)測(cè)定BC和AD的表面特征和孔隙結(jié)構(gòu)。

植物樣品 待油菜成熟后收獲，將整株油菜分為地上部和地下部，其中油菜根系為地下部，根系以上為地上部。用自來(lái)水沖洗晾干后，105℃殺青30min，然后60℃烘干至恒重，測(cè)定干重。油菜株高采用直尺測(cè)定。植物TN含量采用H2SO4-H2O2消煮、奈氏比色法測(cè)定[22]，氮的利用有效性(NUE)指單位質(zhì)量的N所生產(chǎn)的生物量，NUE(g·mg-1)=生物量總干重(g)/植物總氮含量(mg)[23]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理，采用DPS和SPSS進(jìn)行顯著性分析。其中DPS采用的分析方法為L(zhǎng)SD法(p<0.05)，SPSS采用的分析方法為L(zhǎng)SD和Duncan檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 BC和AD的物化性質(zhì)

從表1可以看出，BC和AD元素組成存在差異。BC中除O含量低于AD外，C、H、N、S的含量均高于AD。AD中C、H、N、S的含量較低可能是因?yàn)榛瘜W(xué)肥料、花生殼粉末的添加降低了這幾種元素的相對(duì)含量。

表1 BC和AD的元素含量

圖1(a)、(b)所示為不同放大倍數(shù)下利用掃描電鏡，觀察到的BC和AD的表面形態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到BC和AD中孔隙結(jié)構(gòu)豐富，孔隙中填充了許多礦物晶體[24]，且AD孔隙中含有的量更多。這可能是因?yàn)锳D中混合了諸如NH4NO3、KH2PO4和KCl等化學(xué)肥料，在堆制過(guò)程中這些化學(xué)組分逐漸進(jìn)入BC孔隙內(nèi)或附著在其表面。若將AD與土壤混施，表面的養(yǎng)分物質(zhì)可與土壤、水分直接接觸，而孔隙中的養(yǎng)分物質(zhì)則通過(guò)孔擴(kuò)散與土壤水分接觸，緩慢地釋放到土壤中，進(jìn)而增加土壤中的養(yǎng)分含量。

圖1 BC(a)和AD(b)的SEM圖像和FTIR光譜圖(c)Fig.1 The SEM image of BC (a)， AD (b) and the stacked FTIR spectra of BC and AD (c)

圖2 BC(a)和AD(b)對(duì)油菜株高的影響Fig.2 The effect of adding BC (a) and AD (b) on the height of rape

2.2 BC和AD對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響

油菜株高 BC和AD的添加對(duì)油菜株高的影響如圖2所示。BC處理中，在生長(zhǎng)期的前25d，只有1.5%BC處理顯著增加了油菜的株高，增幅為16.9%。25d以后，所有BC處理與CK相比對(duì)油菜株高無(wú)顯著性影響。AD處理中，在生長(zhǎng)期的前20d，所有AD處理與CK相比對(duì)油菜株高無(wú)顯著性影響。20d以后，1.5%AD和3%AD處理顯著增加了油菜的株高，增幅分別為7.78%和22.6%。第40d收獲時(shí)，與CK相比，AD處理顯著增加了油菜株高，增幅為30.7%～35.0%。

(不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間油菜地上部或地下部生物量存在顯著性差異(p<0.05)；不同大寫(xiě)字母表示不同處理之間油菜總生物量存在顯著性差異(p<0.05)。The different small letters indicated significant difference for the shoot biomass/root biomass between different treatments (p<0.05); The different capital letters indicated significent difference for the total biomass between the treatments.)

圖3 BC和AD對(duì)油菜生物量的影響
Fig.3 The effect of adding BC and AD on the biomass of rape

油菜生物量 BC和AD對(duì)油菜生物量的影響如圖3所示。與CK相比，BC處理對(duì)油菜地上部和地下部生物量無(wú)顯著性影響。AD處理中，1.5%AD和3%AD顯著增加了油菜地上部生物量，增幅分別為105%和116%，兩個(gè)處理中只有1.5%AD顯著增加了地下部生物量，增幅為58.0%。5%AD處理對(duì)油菜地上部和地下部生物量無(wú)顯著性影響。對(duì)油菜總生物量，BC處理對(duì)油菜的增產(chǎn)效果不顯著，而1.5%AD和3%AD處理顯著增加了油菜的總生物量，其增幅分別為140%和106%。因此，AD較BC對(duì)油菜的增產(chǎn)效果更好。

油菜中N的吸收 BC和AD處理對(duì)油菜TN含量的影響如圖4所示。BC和AD對(duì)油菜地上部和地下部TN含量影響不同。與CK相比，BC處理的油菜地下部TN含量顯著下降(除3%BC除外)，降幅為19.6%～26.0%。而B(niǎo)C處理對(duì)地上部TN含量無(wú)顯著性影響。AD處理中，只有5%AD處理顯著降低了油菜地下部和地上部TN含量，降幅分別為60.3%和34.0%。其余AD處理對(duì)油菜地下部和地上部TN含量無(wú)顯著性影響。

2.3 BC和AD對(duì)根際效應(yīng)的影響

根際pH BC和AD對(duì)油菜根際土壤和非根際土壤pH的影響如圖5所示。與CK相比，1.5%BC和3%BC對(duì)根際土壤pH無(wú)顯著性影響，而5%BC處理顯著降低了0.27個(gè)單位pH。除1.5%BC外，3%BC和5%BC顯著增加了非根際土壤pH，增幅為0.17～0.21個(gè)單位。除1.5%AD外，3%AD和5%AD均顯著降低了根際土壤pH，降幅為0.11～0.18個(gè)單位，并且這兩個(gè)處理均顯著降低了0.24個(gè)單位的非根際土壤pH。BC和AD在相同添加量時(shí)，根際土壤pH無(wú)顯著差異(除3%除外)，而B(niǎo)C處理非根際土壤的pH均顯著高于AD處理的非根際土壤pH。這說(shuō)明BC和AD對(duì)油菜根際pH表現(xiàn)了不同效應(yīng)。

根際土壤N BC和AD對(duì)油菜根際土壤和非根際土壤TN含量的影響如圖6(a)、(b)所示。除5%BC處理使根際土壤TN顯著增加了59.9%外，其余BC處理對(duì)根際土壤和非根際土壤TN均無(wú)顯著性影響。AD處理，1.5%AD處理使根際土壤TN顯著增加了53.1%，而對(duì)非根際土壤TN無(wú)顯著性影響。其余AD處理顯著增加了根際土壤和非根際土壤TN含量，增幅分別為123%～157%和66.1%～104%。這表明與BC相比，AD明顯增加了土壤中TN含量。

(不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間油菜地上部或地下部TN含量存在顯著性差異(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference (p<0.05).)

圖4 BC(a)和AD(b)對(duì)油菜TN含量的影響
Fig.4 The effect of adding BC (a) and AD (b) on the TN content in rape

(不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間根際土壤或非根際土壤 pH存在顯著性差異(p<0.05)；星號(hào)表示同一處理之間根際土與非根際土壤pH存在顯著性差異(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference for pH value between different treatments in rhizosohere or non-rhizosohere soils (p<0.05). The asterisk indicated the significant difference for pH values between rhizosphere and non-rhizosohere soils in the same treatment (p<0.05).)

圖5 BC和AD對(duì)土壤pH的影響
Fig.5 The effect of adding BC and AD on soil pH

BC和AD對(duì)油菜NUE的影響如圖7所示。BC的添加增大了油菜的NUE，且在1.5%BC時(shí)達(dá)到最大，增幅為31.95%。而AD的施入對(duì)油菜的NUE無(wú)顯著影響。BC和AD在相同添加量時(shí)，除5%BC的NUE顯著高于5%AD的NUE，其余相同添加處理間均無(wú)顯著差異。

3 討論

(不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間根際土壤或非根際土壤TN(a,b)或(c,d)含量存在顯著性差異(p<0.05)；星號(hào)表示同一處理之間根際土壤與非根際土壤存在顯著性差異(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference for TN for H+4-N aritent in the rhizosphere or non-rhizosohere soils between different treatments (p<0.05). The asterisk indicated and significant difference between rhizosphere and non-rhizosohere soils in the same treatment.)

圖6 BC和AD對(duì)土壤TN(a,b)和NH+4-N(c,d)含量的影響
Fig.6 The effect of adding BC and AD on the content of TN (a, b) and NH+4-N (c, d) in the soil

生物炭的農(nóng)業(yè)效益常常歸功于其改變了土壤理化性質(zhì)(如pH、土壤容重、CEC等)[25]、減少了養(yǎng)分淋失[12]和提高了微生物活性[34,39]等作用，卻忽略了生物炭對(duì)作物根際效應(yīng)的影響[40]。根際(rhizosphere)是受植物根系生長(zhǎng)活動(dòng)的影響，在物理、化學(xué)和生物特性上不同于原土體的特殊土壤微域，是植物-土壤-微生物及其環(huán)境相互作用的場(chǎng)所[41]。土壤中的水分和養(yǎng)分必須首先經(jīng)過(guò)這一微域后才能被根系所吸收。根系活動(dòng)引起的根際物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)性狀的變化將直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[41]。

本研究中，BC的施用使根際土壤和非根際土壤pH產(chǎn)生了顯著性差異(見(jiàn)圖5)。在CK和BC的處理組中，根際土壤的pH值都顯著低于非根際土壤，這與徐振華等[42]的研究結(jié)果一致。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與養(yǎng)分吸收過(guò)程中根系微生物和根的呼吸作用產(chǎn)生的CO2有關(guān)[43]，也可能與植物根系養(yǎng)分吸收相耦聯(lián)的質(zhì)子和有機(jī)酸的分泌作用有關(guān)[41]。這種由植物自身引起的根際pH的降低可以提高石灰性土壤中P、Zn、Mn、Cu、Fe、B、Si等養(yǎng)分的有效性，同時(shí)根系分泌的有機(jī)酸可以活化土壤中的磷，增加磷素的移動(dòng)性和利用性[44]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的作用。與BC的作用效果不同，AD作用的同一處理間根際土壤和非根際土壤間的pH無(wú)顯著性差異。BC和AD在相同添加量時(shí)，AD處理的非根際土壤pH均低于BC處理的非根際土壤pH，這可能是由于生物炭與肥料復(fù)合混施緩和了單施生物炭急劇提高土壤pH的問(wèn)題[19]。這種緩和作用使土壤pH更接近于油菜生長(zhǎng)最適pH=5.8～6.7，所以AD處理的油菜產(chǎn)量更高。5%AD處理雖然進(jìn)一步降低了根際土壤pH，但其增產(chǎn)效果不顯著，這可能是由于高添加量時(shí)AD養(yǎng)分含量過(guò)高，養(yǎng)分的富集可能在根的周圍形成了諸如CaCO3沉淀等一類的障礙物，不僅阻礙了水分順利穿過(guò)根際到達(dá)表面，并且對(duì)養(yǎng)分吸收也產(chǎn)生了阻礙作用[41]。

圖7 BC和AD對(duì)油菜NUE的影響Fig.7 The effect of BC and AD adding on NUE

土壤理化性質(zhì)的變化(如pH、養(yǎng)分含量)和作物根際效應(yīng)的共同作用下，BC和AD影響了養(yǎng)分的可利用性。雖然BC的施用并沒(méi)有顯著提高油菜的生物量，但1.5%BC和5%BC處理顯著提高了油菜的NUE(圖7)，在一定程度上意味著B(niǎo)C的施加減少了油菜生長(zhǎng)對(duì)N肥的需求。與BC作用效果不同，AD雖然顯著提高了油菜的生物量，但對(duì)油菜的NUE沒(méi)有顯著影響，這可能是由于AD促進(jìn)了油菜生長(zhǎng)，生物量的增大產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)所致[21]。

4 結(jié)語(yǔ)

淡灰鈣土壤中BC的添加對(duì)油菜株高和生物量無(wú)顯著影響，但顯著提高了油菜的NUE，且1.5%添加量下效果最佳。AD的施用使油菜株高和生物量分別增加了30.7%～35.0%和106%～140%，且3%添加量下效果最顯著，但AD對(duì)NUE無(wú)顯著性影響。因此，BC和AD兩種土壤改良劑各具優(yōu)點(diǎn)：BC在不減產(chǎn)的條件下能顯著減少油菜對(duì)N肥的需求，對(duì)降低油菜生產(chǎn)成本具有重要意義，而AD的施用能顯著提高油菜的產(chǎn)量。

[1] 陳衛(wèi)平, 朱清科, 薛智德. 荒漠綠洲的土壤異質(zhì)性分析—以銀川平原為例 [J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008, 22(11): 150-154.

[2] 金國(guó)柱, 馬玉蘭. 寧夏淡灰鈣土的開(kāi)發(fā)和利用 [J]. 干旱區(qū)研究, 2000, 17(3): 59-63.

[3] 陳留美, 呂家瓏, 桂林國(guó), 等. 新墾淡灰鈣土微生物生物量碳、氮、磷及玉米產(chǎn)量的研究 [J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2006, 24(2): 48-51.

[4] Lehmann J. Biochar For Environmental Management: Science and Technology [M]. London: Earthscan, 2009.

[5] Lehmann J. A handful of carbon [J]. Nature, 2007, 447(7141): 143-144.

[6] 何緒生, 耿增超, 佘雕, 等. 生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài) [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(2): 1-7.

[7] Ahmad M, Rajapaksha A U, Lim J E, et al. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review [J]. Chemosphere, 2014, 99: 19-33.

[8] Mohan D, Sarswat A, Ok Y S, et al. Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent-a critical review [J]. Bioresource Technology, 2014, 160: 191-202.

[9] 張小凱, 何麗芝, 陸扣萍, 等. 生物質(zhì)炭修復(fù)重金屬及有機(jī)物污染土壤的研究進(jìn)展 [J]. 土壤, 2013, 45(6): 970-977.

[10] 陳溫福, 張偉明, 孟軍. 農(nóng)用生物炭研究進(jìn)展與前景 [J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(16): 3324-3333.

[11] 陳溫福, 張偉明, 孟軍, 等. 生物炭應(yīng)用技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2011, 13(2): 83-89.

[12] Laird D, Fleming P, Wang B, et al. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil [J]. Geoderma, 2010, 158(3): 436-442.

[13] Abel S, Peters A, Trinks S, et al. Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil [J]. Geoderma, 2013, 202: 183-191.

[14] Yao Y, Gao B, Zhang M, et al. Effect of biochar amendment on sorption and leaching of nitrate, ammonium, and phosphate in a sandy soil [J]. Chemosphere, 2012, 89(11): 1467-1471.

[15] Zhang A, Liu Y, Pan G, et al. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain [J]. Plant and Soil, 2012, 351(1-2): 263-275.

[16] Spokas K A, Cantrell K B, Novak J M, et al. Biochar: a synthesis of its agronomic impact beyond carbon sequestration [J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 973-989.

[17] 張娜, 李佳, 劉學(xué)歡, 等. 生物炭對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014(8): 1569-1574.

[18] Liu X, Zhang A, Ji C, et al. Biochar’s effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions-a meta-analysis of literature data [J]. Plant and Soil, 2013, 373(1-2): 583-594.

[19] 高海英. 一種生物炭基氮肥的特征及其對(duì)土壤作物的效應(yīng)研究 [D]. 楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012.

[20] Abiven S, Schmidt M W I, Lehmann J. Biochar by design [J]. Nature Geoscience, 2014, 7(5): 326-327.

[21] 李冬, 陳蕾, 夏陽(yáng), 等. 生物炭改良劑對(duì)小白菜生長(zhǎng)及低質(zhì)土壤氮磷利用的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(9): 2384-2391.

[22] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析 [M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2007.

[23] Zheng H, Wang Z, Deng X, et al. Impacts of adding biochar on nitrogen retention and bioavailability in agricultural soil [J]. Geoderma, 2013, 206: 32-39.

[24] Zheng H, Wang Z, Deng X, et al. Characteristics and nutrient values of biochars produced from giant reed at different temperatures [J]. Bioresource Technology, 2013, 130: 463-471.

[25] Sohi S P, Krull E, Lopez-Capel E, et al. A review of biochar and its use and function in soil [J]. Advances in Agronomy, 2010, 105: 47-82.

[26] Kimetu J M, Lehmann J, Ngoze S O, et al. Reversibility of soil productivity decline with organic matter of differing quality along a degradation gradient [J]. Ecosystems, 2008, 11(5): 726-739.

[27] 李力, 劉婭, 陸宇超, 等. 生物炭的環(huán)境效應(yīng)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2011, 30(8): 1411-1421.

[28] Steiner C, Das K C, Garcia M, et al. Charcoal and smoke extract stimulate the soil microbial community in a highly weathered xanthic Ferralsol [J]. Pedobiologia, 2008, 51(5): 359-366.

[29] Uchimiya M, Wartelle L H, Klasson K T, et al. Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 59(6): 2501-2510.

[30] Uzoma K C, Inoue M, Andry H, et al. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition [J]. Soil Use and Management, 2011, 27(2): 205-212.

[31] Noguera D, Rondón M, Laossi K R, et al. Contrasted effect of biochar and earthworms on rice growth and resource allocation in different soils [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(7): 1017-1027.

[32] 王典, 張祥, 朱盼, 等. 添加生物質(zhì)炭對(duì)黃棕壤和紅壤上油菜生長(zhǎng)的影響 [J]. 中國(guó)土壤與肥料, 2014(3): 63-67.

[33] 喬志剛. 不同生物質(zhì)炭基肥對(duì)不同作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量及氮肥利用率的影響研究 [D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

[34] Rondon M A, Lehmann J, Ramírez J, et al. Biological nitrogen fixation by common beans (PhaseolusvulgarisL.) increases with biochar additions [J]. Biology and Fertility of Soils, 2007, 43(6): 699-708.

[35] 何緒生, 張樹(shù)清, 佘雕, 等. 生物炭對(duì)土壤肥料的作用及未來(lái)研究 [J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(15): 16-25.

[36] 高海英. 一種生物炭基氮肥的特征及其對(duì)土壤作物的效應(yīng)研究 [D]. 楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012.

[37] Chan K Y, Van Zwieten L, Meszaros I, et al. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment [J]. Soil Research, 2008, 45(8): 629-634.

[38] 高海英, 陳心想, 張?chǎng)? 等. 生物炭和生物炭基氮肥的理化特征及其作物肥效評(píng)價(jià) [J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 41(4): 69-78.

[39] Kim J, Sparovek G, Longo R M, et al. Bacterial diversity of terra preta and pristine forest soil from the Western Amazon [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(2): 684-690.

[40] Prendergast-Miller M T, Duvall M, Sohi S P. Localisation of nitrate in the rhizosphere of biochar-amended soils [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(11): 2243-2246.

[41] 張福鎖, 申建波, 馮固. 根際生態(tài)學(xué)—過(guò)程與調(diào)控 [M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2009.

[42] 徐振華. 生物炭對(duì)中國(guó)北方酸化土壤的改性研究 [D]. 青島： 中國(guó)海洋大學(xué), 2012.

[43] 王震宇, 溫勝芳, 邢寶山, 等. 4種水生植物根際磷素耗竭效應(yīng)的比較 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008, 29(9): 2475-2480.

[44] Wang Z Y, Kelly J M, Kovar J L. In situ dynamics of phosphorus in the rhizosphere solution of five species [J]. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(4): 1387-1392.

[45] Schimel J P, Bennett J. Nitrogen mineralization: challenges of a changing paradigm [J]. Ecology, 2004, 85(3): 591-602.

責(zé)任編輯 龐 旻

The Effect of Adding Biochar on Rape Growth and Nitrogen Utilization in Light Sierozem of Ningxia

WANG Zhen-Yu1, 2, SONG Xiao-Na1, 2, CHEN Lei1, 2, LIU Min-Hui1, 2, LI Dong3, ZHENG Hao1, 2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China; 3. Ningxia Academy of Agro-Forestry Sciences, Germplasm Resources Research Institute, Yinchuan 750002, China)

Light sierozem, with low content of nutrients and poor water-retaining property, is widely distributed in Ningxia Hui Autonomous Region. To seek a better way to amend the fertility of light sierozem, peanut hull biochar (BC) and biochar-based amendment (AD) were chosen as soil conditioner. In the pot experiment, BC and AD were added into the soil at the rates of 0%, 1.5%, 3% and 5% (w/w) respectively to investigate their effects on the growth of rape, as well as nitrogen utilization efficiency. The results indicate that BC has no effect on rape biomass and plant height, while AD significantly increased them by 106%～140% and 30.7%～35.0%, respectively. The main reason for the difference is that AD made up the BC nutrient deficiency, thus it enhanced the rape rhizosphere effect. Adding BC markedly increased the nitrogen utilization efficiency by 31.3%～31.9%, while there was no significant effect for that of AD. Therefore, it may conclude that BC application may reduce the demand for nitrogen fertilizer, and AD may promote the rape yield.

biochar; amendment; light sierozem; rape; rhizosphere effect; nitrogen

國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)( 201305021)；寧夏回族自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013Zys149)；寧夏農(nóng)林科學(xué)院自主研發(fā)項(xiàng)目(nkyg-13-11)資助

2015-01-04；

2015-04-08

王震宇(1969-)，男，教授。E-mail: wang0628@ouc.edu.cn

X131.3

A

1672-5174(2015)12-094-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140441