生物黑炭和氮肥耦合提升紅壤地力的效果

孫永明 熊文 劉祖香 黃欠如 李鐘平 郭書亞

摘要：以江西省典型紅壤旱地為對象，采用生物黑炭（用量0、6、12、24、48 t/hm2）與氮肥（用量90、120、150 kg/hm2）配施的方法來研究其對典型旱地紅壤基礎(chǔ)地力的提升效果。結(jié)果表明：旱地紅壤的容重不同程度降低，0～15 cm土層以C5N3處理降幅最高，達14.90%，與對照相比降幅增加11.01百分點，且隨著生物黑炭用量的增加，容重大致上逐漸減??；總孔隙度不同程度提高，0～15 cm土層C5N3處理的總孔隙度比處理前提高了9.32百分點，顯著高于其余處理（P<0.05）；土壤養(yǎng)分有機碳、總氮含量均有不同程度提高，0～15 cm土層有機碳含量以C4N2處理提高最多，與對照相比變化量提高了50.06百分點，總氮含量以C4N3處理最好，全氮含量相對變化量比對照提高了40.38百分點；油菜產(chǎn)量與對照相比提高2.90%～49.26%，其中C4N3處理產(chǎn)量最高，比CK高680.94 kg/hm2，顯著高于其余處理（P<0.05）。

關(guān)鍵詞：生物黑炭；氮肥；耦合；紅壤旱地；物理結(jié)構(gòu)；土壤養(yǎng)分；油菜產(chǎn)量

中圖分類號： S158.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0352-04

收稿日期：2015-01-15

基金項目：江西省科技計劃（編號：20122BBF60087）。

作者簡介：孫永明 （1981—），男，江西新干人，碩士，助理研究員，主要從事土壤環(huán)境研究。E-mail：sym19811122@163.com。

通信作者：李鐘平，副研究員，主要從事土壤肥料研究。E-mail：Lzp1963@163.com。紅壤是我國主要的土壤類型之一，主要分布在長江以南各?。▍^(qū)），遍及南方13個?。▍^(qū)），一直是開發(fā)利用研究的重點。紅壤地區(qū)光、溫、水等氣候資源豐富，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)和重要的農(nóng)林產(chǎn)品基地，以占全國28%的耕地養(yǎng)活了全國43%的人口[1]；同時該地區(qū)也是我國生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一，主要表現(xiàn)為水土流失嚴重，土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生嚴重退化，土壤緊實、侵蝕、酸化、元素失衡、化學(xué)污染、有機質(zhì)流失和動植物區(qū)系的退化等[2]，這些問題嚴重制約了該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

生物黑炭由于具有多芳香環(huán)、非芳香環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出高度的化學(xué)和微生物惰性，施進土壤后難以被土壤微生物利用；同時，由于其復(fù)雜成分中豐富的碳水化合物、長鏈烯烴等有機大分子，具有與土壤中的礦物質(zhì)形成有機、無機復(fù)合體的功能活性，在提高酸性土壤pH值、改善土壤的質(zhì)量、增加土壤有效養(yǎng)分、提高作物產(chǎn)量等方面有重要的作用[3-5]。為此，本研究以江西省典型紅壤旱地為研究對象，采用生物黑炭與氮肥配施的方法來研究其對典型旱地紅壤基礎(chǔ)地力的提升效果，以研究能最大限度提升旱地紅壤地力的配方，為紅壤地區(qū)農(nóng)田地力的提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗于2013年10月在江西省紅壤研究所引育中心基地進行。供試作物為油菜，品種為豐油730；施用的生物黑炭為河南省商丘三利新能源公司出品，原料為小麥秸稈，炭化溫度為350～500 ℃，其養(yǎng)分含量分別為有機碳426 g/kg、氮（N）7.7 g/kg，磷（P2O5）2.2 g/kg、鉀（K2O）267 g/kg；供試土壤為紅壤旱地，基本肥力狀況為pH值4.70，有機質(zhì)含量11.47 g/kg ，全氮含量0.61 g/kg ，全磷含量0.38 g/kg ，全鉀含量13.99 g/kg ，速效氮含量51.50 mg/kg ，速效磷含量13.37 mg/kg ，速效鉀含量184.95 mg/kg 。1.2試驗設(shè)計

試驗采用5×3完全方案設(shè)計，隨機區(qū)組排列，加上1個完全空白對照處理（CK），共計16個處理，3次重復(fù)，共48個小區(qū)，小區(qū)面積20 m2（4 m×5 m）。其中A因素（生物黑炭）用量5個水平，分別為A1：0；A2：6 t/hm2；A3：12 t/hm2；A4：24 t/hm2；A5：48 t/hm2；B因素（氮肥為純氮）用量3個水平，B1：90 kg/hm2；B2：120 kg/hm2；B3：150 kg/hm2。各處理詳見表1。

1.3測定項目及方法

分別在油菜種植前、收獲后采集耕層土壤樣品，每個小區(qū)隨機采集5點，混勻后自然風(fēng)干，去除石塊和植物殘根，過2.00、0.25 mm篩，作為分析待測土樣。土壤有機質(zhì)的測定：采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮的測定：采用半微量凱氏法；土壤容重采樣利用100 cm3的環(huán)刀，每個小區(qū)采集3個點，烘干后稱質(zhì)量?？紫抖葴y定參照魯如坤方法測定[6]。

2結(jié)果與分析

2.1生物黑炭和氮肥耦合對旱地紅壤物理結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1土壤容重由表2可知，生物黑炭與氮肥配施后0～15 cm土層的容重隨著生物黑炭用量的增加而大致表現(xiàn)為減小，與試驗前相比，各處理旱地紅壤的容重下降幅度為2.66%～14.90%，表明生物黑炭與氮肥配施起到了改良旱地紅壤土壤結(jié)構(gòu)的作用。在0～15cm土層，C5N2、C5N3處理的容重變化幅度顯著大于其余處理（P<0.05），與對照相比降幅分別增加了10.04、11.01百分點；此外，生物黑炭不同用量間和氮肥不同用量間差異也較為明顯。在15～30 cm土層，土壤容重的變化幅度低于0～15 cm土層，這可能是因為生物黑炭施入土壤后，首先與土壤表層混合，達到亞表層還需要更長的時間，因此亞表層土壤的容重變化不太明顯；此外，在15～30 cm 土層，除C1N1、C1N2處理外，其余處理的土壤容重均有不同程度的降低，其中C5N1處理容重下降最顯著（P<0.05），達 7.95%，比對照降幅增加了5.69百分點。

表3至表5同。

2.1.2總孔隙度表3結(jié)果顯示，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，各處理土壤的總孔隙度均有提高。在0～15 cm土層，提高幅度為3.97%～19.51%，其中C5N3處理的總孔隙度提升幅度最大，比對照高15.54百分點；方差分析表明，除C1N1、C1N2、C1N3和C2N1處理外，其余處理土壤總孔隙度與對照相比均達到顯著差異（P<0.05）。在氮肥水平相同的情況下，土壤總孔隙度隨著生物黑炭施用量的增加大致呈現(xiàn)增加趨勢；在同一生物黑炭施用量下，不同氮肥水平土壤孔隙度變化基本無差異。說明氮肥對土壤總孔隙度的影響較小，主要是因為氮肥為化學(xué)肥料，它對土壤結(jié)構(gòu)的影響遠低于其對土壤養(yǎng)分的影響。在15～30 cm土層，各處理總孔隙度的提高幅度為2.72%～11.81%，較0～15 cm土層土壤總孔隙度升高幅度有所下降；方差分析表明，與對照相比各處理表現(xiàn)出不同的差異，其中C5N2處理的總孔隙度增幅最大，相對變化量比對照高 9.09百分點（P<0.05）。同一氮肥水平、不同生物黑炭施用量條件下，土壤總孔隙度差異明顯；同一生物黑炭施用量、不同肥水平條件下，C1N1、C1N2和C1N3處理差異不顯著。這說明生物黑炭在改善土壤通氣方面起到了一定的作用，主要是因為生物黑炭為多孔體系，具有較大的比表面積，與土壤混合后，在一定程度上能起到改變土壤孔隙狀況的作用。

2.2生物黑炭和氮肥耦合對紅壤旱地養(yǎng)分的影響

2.2.1有機碳（SOC）表4結(jié)果顯示，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，0～15 cm土層SOC含量除對照降低外，其余處理均有不同程度的提高，其中C4N2處理提高幅度最大，顯著高于其他處理（P<0.05），與對照相比相對增幅高50.06 百分點。同一氮肥用量水平下，隨著生物黑炭用量的增加，SOC含量大致呈增加趨勢。在15～30 cm土層，SOC含量除未施生物黑炭處理外，其余處理均有提高，提高幅度普遍低于0～15 cm土層，其中C3N2處理SOC含量的增幅最大，顯著高于其他處理（P<0.05），增幅較對照高出55.66百分點。結(jié)果表明，生物黑炭能夠有效提高土壤有機碳的含量。

2.2.2總氮（TN）由表5可以看出，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，0～15 cm土層土壤的TN含量除CK、C1N1處理較之前降低外，其余處理均表現(xiàn)為升高，升高幅度為2.88%～27.83%，其中C4N3、C5N1處理TN含量提升幅度最大，與對照相比增幅分別提高了40.38、39.63百分點，顯著高于其他處理（P<0.05）。

肥施用水平、同一氮肥施用量不同生物黑炭施用水平可知，處理與處理之間存在明顯差異，表明生物黑炭和氮肥對土壤中全氮含量均有影響，其影響程度、貢獻率大小有待進一步研究。15～30 cm土層各處理TN含量提高幅度明顯低于0～15 cm土層，其中C3N2處理TN含量提高幅度最大，與對照相比相對變化量提高了18.17百分點，顯著高于其他大部分處理（P<005）。方差分析表明，除CK、C1N1、C1N2、C2N1、C3N2和C5N1等處理外，其余大部分處理間差異不顯著，說明生物黑炭和氮肥對15～30 cm土層TN含量作用不明顯。

2.3生物黑炭和氮肥耦合對作物產(chǎn)量的影響

由圖1可知，試驗結(jié)束后，各處理油菜的產(chǎn)量與對照相比增幅為2.90%～49.26%，其中C4N3處理油菜產(chǎn)量最高，比對照高680.94 kg/hm2。方差分析表明，各處理油菜產(chǎn)量與對照相比均達到顯著差異（P<0.05）。同一生物黑炭施用量不同氮肥水平下，隨著氮肥的增加，產(chǎn)量呈增加趨勢；同一氮肥水平不同生物黑炭施用量下，隨著生物黑炭施用量的增加，油菜產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，在生物黑炭施用量為 24 t/hm2 時達到峰值。

3討論

容重是土壤的重要物理性質(zhì)，是衡量土壤緊實程度的一個指標。土壤容重過大，則土壤緊實，不利于土壤通氣透水，進而對作物的生長造成影響[7]；土壤容重過小，又不利于土壤保水保肥，養(yǎng)分易于流失。本研究發(fā)現(xiàn)，生物黑炭與氮肥配施后，旱地紅壤的容重有不同程度的下降，且隨著生物黑炭用量的增加，容重也大致逐漸減小，其原因主要是生物黑炭為多孔體系，具有較大的比表面積，與土壤混合后能在一定程度上改變土壤的孔隙狀況，降低土壤的拉伸強度，進而提高作物根系在土壤中的穿透能力，降低土壤容重。

土壤SOC不僅是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，而且對土壤結(jié)構(gòu)的形成及其穩(wěn)定性具有重要影響。土壤SOC含量的變化，一直是國內(nèi)外土地利用、土壤肥力和土壤質(zhì)量變化研究與評價的核心內(nèi)容[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物黑炭的施入對旱地紅壤有機碳的提升起到了顯著效果。

有大量的有機碳，而紅壤富含鐵、鋁氧化物的特性使其具備較強的吸附有機碳能力[9]，土壤有機物作用加強，形成更多有機膠體及其有機無機復(fù)合體，改變土壤有機質(zhì)的組成，穩(wěn)定了土壤有機碳庫，形成了穩(wěn)定的SOC，提高了土壤肥力[10]。

生物黑炭不僅有改善土壤的質(zhì)量、增加土壤有效養(yǎng)分，而且在提高作物產(chǎn)量等方面有重要的作用。Zhang等研究表明，在常規(guī)施氮條件下，施用生物黑炭10、40 t/hm2分別可以使作物產(chǎn)量提高8.8%、12.1%；在不施氮肥條件下施用生物黑炭10、40 t/hm2分別可以使作物產(chǎn)量提高12%、14%[11]，充分印證了本研究生物黑炭對油菜的增產(chǎn)作用。

4結(jié)論

（1）生物黑炭和氮肥耦合改善了旱地紅壤物理結(jié)構(gòu)，旱地紅壤的容重得到了不同程度的降低，以C5N3處理降幅最高，變化幅度比對照（CK）高11.01百分點，且隨著生物黑炭用量的增加，容重逐漸減小。總孔隙度也得到了不同程度的提高，C5N3處理的總孔隙度比處理前提高了9.32百分點，相對變化量顯著高于其余處理（P<0.05）。

（2）生物黑炭和氮肥耦合提高了紅壤旱地養(yǎng)分，0～30 cm 土層SOC含量均有不同程度的提高。對于0～15 cm土層，在同一氮肥用量水平下，生物黑炭用量越大，SOC含量提高越多。C4N2處理中SOC含量的相對升高百分比與其余處理間差異顯著（P<0.05），與對照相比，提高了50.06百分點。在15～30 cm土層，C3N2處理SOC含量的相對升高百分比最大，與其余處理間差異顯著（P<0.05），較對照（CK）高55.66百分點。TN含量以C4N3處理最好，相對變化量較對照（CK）提高了40.38百分點。

（3）生物黑炭與氮肥配施后增加了油菜的產(chǎn)量，與對照相比增產(chǎn)2.90%～49.26%，其中C4N3處理單位面積油菜實際產(chǎn)量最高，比CK（對照）高680.94 kg/hm2，增產(chǎn)49.26%，顯著高于其余處理（P<0.05）。

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