生物炭和秸稈對華北農(nóng)田表層土壤礦質(zhì)氮和pH值的影響*2

張　星，劉杏認(rèn)，林國林，張晴雯，張慶忠，王　琴（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實驗室，北京 100081；. 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對外合作中心，北京 10005）

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生物炭和秸稈對華北農(nóng)田表層土壤礦質(zhì)氮和pH值的影響*2

張星1,2，劉杏認(rèn)2**，林國林1**，張晴雯2，張慶忠2，王琴3
（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實驗室，北京 100081；3. 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對外合作中心，北京 100035）

摘要：基于2014-2015年華北農(nóng)田定位試驗，設(shè)CK（單施氮磷鉀肥）、C1（生物炭4.5t×hm-2×a-1+氮磷鉀肥）、C2（生物炭9.0t×hm-2×a-1+氮磷鉀肥）和SR（秸稈還田+氮磷鉀肥）4個處理，對施用生物炭和秸稈還田對表層土壤礦質(zhì)氮（）含量以及土壤pH值的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，不同處理土壤礦質(zhì)氮的動態(tài)變化趨勢基本一致，施用生物炭和秸稈還田均可顯著提高土壤含量（P<0.05），但對土壤含量影響不大。與秸稈還田相比，高量施用生物炭有利于增加土壤含量。各處理土壤中礦質(zhì)氮主要以為主，含量均保持在一個較低水平。將冬小麥整個生育期內(nèi)各處理土壤含量與夏玉米的相比，前者顯著高于后者。在整個冬小麥-玉米輪作周期內(nèi)，高量施用生物炭顯著提高了土壤pH值，且各處理土壤與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），土壤含量與土壤pH值相關(guān)性不顯著；而各處理土壤含量與土壤含水量均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）?？梢?，添加生物炭對減少氮素的轉(zhuǎn)化和流失具有較大潛力。

關(guān)鍵詞：生物炭；秸稈還田；礦化；硝化；pH

張星,劉杏認(rèn),林國林,等.生物炭和秸稈對華北農(nóng)田表層土壤礦質(zhì)氮和pH值的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(2):131-142*

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料資源，自身含有相當(dāng)數(shù)量的碳、氮、鉀、磷等作物所必需的營養(yǎng)元素，因此，秸稈還田措施能顯著提高氮素供應(yīng)率，減少氮素?fù)p失量，實現(xiàn)土壤-作物系統(tǒng)礦質(zhì)營養(yǎng)循環(huán)平衡[11-13]。趙鵬等[14]研究表明，秸稈還田可以提高土壤含量。李貴桐等[15]探討秸稈還田對土壤氮素轉(zhuǎn)化影響的研究得出，秸稈還田有利于增加土壤表層無機(jī)氮的含量。李瑋等[16]的田間試驗證明，秸稈還田處理的土壤含量顯著高于秸稈移除處理。

大量研究表明，添加生物炭和秸稈還田能夠提高土壤的pH值，增強(qiáng)土壤保水保肥能力[17-19]，進(jìn)而改善土壤狀況。而目前這些研究多為短期試驗，關(guān)于施用生物炭與秸稈還田對礦質(zhì)氮和pH值的長期影響尚未見報道，而長期研究對實際生產(chǎn)更具有參考價值。隨著生物炭在土壤中年限的增加，其比表面積、官能團(tuán)以及吸附性能會有所增加，Singh等[20-22]認(rèn)為，生物炭在土壤中的老化對土壤理化性質(zhì)的改善有重要作用。此外生物炭自身含有豐富的營養(yǎng)元素，能夠直接帶入土壤中，同時還促進(jìn)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的保留，在作物生長發(fā)育等方面發(fā)揮著重要作用[23]。因此，本文在華北農(nóng)田連續(xù)多年施用生物炭試驗的基礎(chǔ)上，以冬小麥-夏玉米輪作體系為研究對象，試圖探討2014-2015年添加不同量的生物炭及秸稈還田對土壤表層含量以及pH值的影響，以期為實現(xiàn)生物炭及秸稈在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，培肥地力提供一定理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)華北集約農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站（117°58′E，36°57′N，海拔17.0m）進(jìn)行，位于山東省淄博市桓臺縣，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.8～12.9℃，年均日照時數(shù) 2832.7h，日照率62%，年降水量542.8mm，主要集中在6-9月，約占全年降水量的75%。作物種植方式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類型為砂姜潮濕雛形土，2007年試驗前土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗材料

所用生物炭為360℃條件下以玉米秸稈為原料，經(jīng)過24h不完全燃燒制成的黑色粉末，購于遼寧某公司。生物炭密度為0.297g×cm-3，pH值為8.2，含碳量為65.7%，含氮量為0.9%，有效鉀含量為1.6%，有效磷含量為0.08%。供試玉米品種為鄭單958，小麥品種為濟(jì)麥22。

1.3試驗設(shè)計

基于長期定位試驗，2007年設(shè)計，共4個處理，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，每個小區(qū)面積為6m×6m=36m2。具體處理為：CK（單施氮磷鉀肥）；低生物炭處理C1：生物炭4.5t×hm-2×a-1；高生物炭處理C2：生物炭9.0t×hm-2×a-1；SR：秸稈全量粉碎還田。各處理氮、磷、鉀肥平均用量均為：N 200kg×hm-2×a-1，P2O552.5kg×hm-2×a-1，K2O 37.5kg×hm-2×a-1，其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。生物炭一次購買，多年施用。氮磷鉀肥和生物炭的用量平均分配給冬小麥季和夏玉米季，氮肥一半作為基肥，一半作為追肥，磷肥和鉀肥均作為基肥一次施用。

表1　試驗前土壤的基本理化性質(zhì)Table 1　Basic properties of the top soil before experimentation

試驗于2014-2015年進(jìn)行，上季作物收獲后，生物炭和氮磷鉀肥均勻撒施，進(jìn)行15cm深度旋耕。秸稈還田采用上一季作物收獲后機(jī)械粉碎（長度3～7cm）全量還田方式，然后隨耕地翻埋。試驗期間田間基本管理措施為，夏玉米于2014年6月13日進(jìn)行秸稈還田、施肥、旋耕、播種，6月21日灌水，7 月27日進(jìn)行追肥灌水，9月30日收獲；冬小麥于2014年10月13日進(jìn)行秸稈還田、施肥、旋耕、播種，10月14日灌水，2015年3月28日進(jìn)行追肥灌水，6月12日收獲。

1.4樣品采集及測定

1.4.1土壤樣品的采集與處理

2014年6月-2015年6月整個夏玉米-冬小麥生育期內(nèi)，每周用土鉆采樣一次，各處理隨機(jī)選取5個點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)取一鉆0-10cm土樣混勻，手工揀去礫石、植物殘體等，過2mm篩，裝入自封袋，一部分用于測定土壤礦質(zhì)氮和土壤含水量，一部分用于測定土壤pH值。

1.4.2測定方法

土壤含水量：用烘干法進(jìn)行測定[26]。稱取10～20g過2mm篩的新鮮土壤樣品，將其裝入已知準(zhǔn)確質(zhì)量的烘干鋁盒內(nèi)，在分析天平上稱重，精確至0.01g。再將樣品放在烘箱中在105℃下烘烤12h，取出冷卻至室溫，立即稱重。

土壤pH值：用pH計測定。將過2mm篩的新鮮土壤樣品風(fēng)干，然后稱取10g土樣置于50mL燒杯中，加入25mL水。將容器密封后，用攪拌器攪拌5min，然后靜置1h，用pH計測定。

1.5作物產(chǎn)量的測定

玉米/小麥成熟后，將各試驗小區(qū)全部收割，自然風(fēng)干后，無損失單獨(dú)脫粒，稱取籽粒重量，然后計算單位面積實際產(chǎn)量。每個樣方隨機(jī)選取兩行數(shù)出每行穗數(shù)，收割后每個小區(qū)隨機(jī)選取10穗（玉米）和20穗（小麥）測定每穂粒數(shù)，自然風(fēng)干脫粒后測定百粒重，然后計算玉米/小麥的畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

1.6數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、相關(guān)數(shù)據(jù)回歸分析和圖形制作，相關(guān)性分析和方差分析在SPSS20.0完成，顯著性水平選擇P<0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1生物炭和秸稈對玉米季土壤礦質(zhì)氮和pH值的影響

2.1.3土壤pH值

由圖3可知，施用生物炭和秸稈還田，對土壤pH值產(chǎn)生了一定的影響。在玉米生育期內(nèi)，各處理土壤pH值的動態(tài)變化趨勢基本一致。與CK相比，C1和SR處理對土壤pH值影響較小，分別提高了0.01～0.13和0.01～0.17個單位，且二者與CK均無顯著差異；而C2處理的土壤pH值較CK增加了0.06～0.25個單位（P<0.05），且SR處理的土壤pH值顯著低于C2處理（P<0.05）。

圖1　2014年不同處理玉米季土壤含量的變化Fig. 1　Variation of soilcontent under different treatments during the maize growing season in 2014

圖2　2014年不同處理玉米季土壤含量的變化Fig. 2　Variation of soilcontent under different treatments during the maize growing season in 2014

圖3　2014年不同處理玉米季土壤pH的變化Fig. 3　Variation of soil pH of different treatments in the maize growing season in 2014

2.2生物炭和秸稈對小麥季土壤礦質(zhì)氮和pH值的影響

圖4　2014/2015年小麥季不同處理土壤的變化Fig. 4　Variation of soilcontent under different treatments during the wheat growing season in 2014/2015

2.2.3土壤pH值

在小麥生育期內(nèi)，不同處理土壤pH值的變化趨勢大致相同，且與玉米季土壤pH值變化規(guī)律相似（圖6）。與CK相比，生物炭和秸稈還田處理的土壤pH值顯著增加（P<0.05），C1、C2和SR處理分別比CK提高了0.02～0.31、0.05～0.58和0.05～0.30個單位；SR與C1處理的土壤pH值無顯著差異，但顯著低于C2處理（P<0.05）。

圖5　2014/2015年小麥季不同處理土壤的變化Fig. 5　Variation of soilcontent under different treatments during wheat growing season in 2014/2015

2.3小麥-玉米輪作期土壤礦質(zhì)氮與土壤pH值、土壤水分的相關(guān)性分析

2.3.1土壤礦質(zhì)氮含量與土壤pH值的相關(guān)性分析

圖7　玉米季(a)和小麥季(b)土壤pH值與土壤的相關(guān)性分析Fig. 7　Correlation analysis between the soil pH and content during maize season(a) and wheat season(b)

圖8　玉米季(a)和小麥季(b)土壤pH值與土壤的相關(guān)性分析Fig. 8　Correlation analysis between soil pH andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

2.3.2土壤礦質(zhì)氮含量與土壤含水量的相關(guān)性分析

圖9　玉米季(a)和小麥季(b)土壤含水量與土壤的相關(guān)性分析Fig. 9　Correlation analysis between soil moisture andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

圖10　玉米季(a)和小麥季(b)土壤含水量與土壤的相關(guān)性分析Fig. 10　Correlation analysis between soil moisture andcontent during maize season(a) and wheat season(b)

3　討論與結(jié)論

3.1討論

本研究結(jié)果表明，在小麥-玉米輪作條件下，施用生物炭顯著提高了土壤含量，但土壤含量很低，而且無論是玉米季還是小麥季，含量明顯高于CK、C1和SR處理。其原因可能與以下3方面有關(guān)：一是生物炭含有一定量的可溶性有機(jī)碳[27-28]，能夠為硝化細(xì)菌提供相應(yīng)的基質(zhì)；又能有效改善土壤通氣狀況，有利于好氧型微生物硝化細(xì)菌快速繁殖，提高其活性，從而促進(jìn)了硝化作用，致使土壤中含量明顯增加[10]。二是土壤離子交換與吸附作用對礦質(zhì)氮的活性產(chǎn)生顯著影響[7]。生物炭能夠增加土壤離子交換位點(diǎn)，使其既具有了離子吸附交換能力，又具有了一定的吸附容量，促使土壤養(yǎng)分有效性增加[29]，相應(yīng)地提高土壤含量[30]。此外，生物炭自身帶有正電荷，其比表面積較大，存在各種大小孔隙，具有高電荷密度，可以吸附固定土壤中的，這可能是施用生物炭的土壤中其含量提高的主要原因之一。但也有與本試驗結(jié)果相反的報道，Hollister等[34]的研究表明，生物炭幾乎不吸附造成研究結(jié)果的這種差異性可能與所生產(chǎn)的生物炭源于不同原材料和制造工藝，其表面帶電特性各異有關(guān)[35]。三是可能與生物炭的長期效應(yīng)有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，與含量的明顯變化相比，在土壤中所占比例很小，在小麥、玉米的整個生育期內(nèi)，生物炭處理對土壤含量影響也不大，與李培培等[36]的報道結(jié)果相吻合，說明在旱作土壤中，礦質(zhì)氮主要是以為主[37]，長期添加生物炭可能會促使由土壤有機(jī)氮礦化作用形成的Nelissen等[38]采用15N同位素標(biāo)記的方法，發(fā)現(xiàn)不僅是作為硝化作用底物，同時又是礦化作用的產(chǎn)物，加入生物炭后，能促進(jìn)土壤氮素硝化作用和礦化作用，長期施用后可能發(fā)生多種作用累加，這可能是出現(xiàn)本試驗結(jié)果的又一個重要原因。另外，礦質(zhì)氮含量不僅與硝化、吸收等有關(guān)，還可能與施用尿素的水解速度有關(guān)，其水解速度快慢會影響土壤中的硝態(tài)氮含量水平。SR處理在一定程度上也能提高土壤含量，這是由于秸稈自身含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分，其碳氮比小于微生物的碳氮比，在較長一段時間內(nèi)有利于微生物通過礦化作用釋放氮素來增加土壤礦質(zhì)氮含量，增強(qiáng)其激發(fā)效應(yīng)[39]。

研究表明，整個輪作周期內(nèi)，向土壤中添加高量生物炭可以顯著提高土壤pH值，這是因為生物炭灰分中含有不同濃度堿性物質(zhì)，如 K、Ca、Na、Mg氧化物、碳酸鹽、氫氧化物等，當(dāng)施入土壤后，通常能夠增大土壤鹽基飽和度，降低可交換鋁水平，提高土壤pH值[42]。而SR處理下的土壤pH值卻顯著低于C2處理，或許是生物炭自身的物理性質(zhì)所致；玉米季和小麥季各處理的土壤與土壤pH均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是在一定的范圍內(nèi)，土壤pH值越高硝化速率越快，生物炭又可以顯著提高土壤pH值[7]，從而證明了土壤pH值的改變可以直接或間接影響土壤的硝化作用；玉米季和小麥季各處理的土壤與?土壤pH值均無顯著的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于土壤中含量過低所致；另外，還可能是因為在玉米和小麥生長期間的含量受水分影響較大，經(jīng)常處于氧化和還原交替的狀態(tài)，致使其含量也在不斷變化[43]，因此，與土壤pH值的關(guān)系不會明顯地表現(xiàn)出來。

大量研究表明，土壤含水量是影響礦質(zhì)氮在土壤中遷移、土壤有機(jī)氮礦化以及硝化作用的重要因素[3]。本試驗表明，無論是小麥季還是玉米季，各處理的土壤與土壤含水量均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，與蘇濤等[41]觀點(diǎn)相符。推測可能與生物炭提高了土壤含水量有關(guān)[44-46]，土壤含水量的增加會直接影響土壤有機(jī)氮的礦化，而土壤的數(shù)量又會影響的數(shù)量[41]。小麥季土壤礦質(zhì)氮與土壤含水量的正相關(guān)性低于玉米季，其原因或許是玉米季降水比小麥季多造成的。但是本研究僅分析了土壤水分、土壤pH值與礦質(zhì)氮的關(guān)系，其它環(huán)境因素如溫度等也可能對土壤礦質(zhì)氮含量產(chǎn)生影響，今后還有待進(jìn)一步研究。

本試驗中，施用生物炭和秸稈還田對玉米和小麥產(chǎn)量均無顯著影響，這與張晗芝等[47]和魯寧[48]的研究結(jié)果一致，其原因可能是生物炭和秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響與生物炭類型、施用量、秸稈還田量、土壤類型、作物種類以及試驗條件等因素有關(guān)，本研究施用生物炭和秸稈還田均在一定程度上增加了玉米和小麥的產(chǎn)量，但未達(dá)到顯著性水平，在一定程度提高了氮素的利用率。接下來還需進(jìn)一步明確土壤和作物對生物炭和秸稈的響應(yīng)機(jī)制，結(jié)合農(nóng)田實際情況，在生物炭和秸稈還田施用量、類型及肥料的配施方面做合理調(diào)整，以期達(dá)到提高華北平原農(nóng)業(yè)高產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的效果。

3.2結(jié)論

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Effects of Biochar and Straw Return on Mineral Nitrogen and pH of the Surface Soil in Farmland of the North China Plain

ZHANG Xing1,2, LIU Xing-ren2, LIN Guo-lin1, ZHANG Qing-wen2, ZHANG Qing-zhong2,WANG Qin3
(1.College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081; 3.Foreign Economic Cooperation Office, MEP, Beijing 100035)

Abstract：Based on the location experiment, which consisted of four treatments (CK, C1, C2, SR) with three replications: CK (single NPK fertilizer), C1 (biochar 4.5t·ha-1·y-1+NPK fertilizer) and C2 (biochar 9.0t·ha-1·y-1+ NPK fertilizer) and SR (straw return + NPK fertilizer). The effects of biochar and straw return on mineral nitrogen (N) and pH of the surface soil in farmland of the North China Plain in 2014 and 2015 were studied. Results showed that the dynamic trend of soil mineral N content () were similar. Application of biochar and straw return significantly increased soilHowever, there were no significant effects on soilCompared with SR treatment, C2 treatment was more helpful to increase soil. The mineral N in the soil was dominated by, andwas kept at a low level. The contents of soil mineral N in the whole growth period of winter wheat was higher than in that of summer maize. Biochar significantly increased soil pH(P<0.05), and soilwas negatively correlated with soil pH(P<0.05), and soilwas not correlated with soil pH. But soilandwere positively correlated with soil moisture content in each treatment(P<0.05). In short, adding biochar had greater potential in slowing N transformation, reducing N mobility and so on. The resultscan be used a scientific reference on improving soil quality and reducing soil N loss in farmland.

Key words：Biochar；Straw return；Mineralization；Nitrification；pH

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.002

收稿日期：2015-11-25**通訊作者。E-mail：liuxingren@caas.cn；linguolin-1@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（31300375）；中央公益型科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項（BSRF201505）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2015ZX07203-007）

作者簡介：張星（1989-），碩士生，主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)研究。E-mail：13241321965@163.com