玉米秸稈炭還田對黑土土壤肥力特性和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響

郭俊娒, 姜慧敏, 張建峰, 李玲玲, 張水勤, 謝義琴，李 先, 劉 曉, 周貴宇, 楊俊誠*

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081; 2四川農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，成都 611130; 3湖南省核農(nóng)學與航天育種研究所，長沙 410125; 4遼寧大學環(huán)境學院，沈陽 110036)

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玉米秸稈炭還田對黑土土壤肥力特性和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響

郭俊娒1, 姜慧敏1, 張建峰1, 李玲玲1, 張水勤1, 謝義琴2，李 先3, 劉 曉1, 周貴宇4, 楊俊誠1*

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081; 2四川農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，成都 611130; 3湖南省核農(nóng)學與航天育種研究所，長沙 410125; 4遼寧大學環(huán)境學院，沈陽 110036)

【目的】探索玉米秸稈炭對東北黑土土壤肥力特性和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響，可為東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用和培肥土壤提供理論和實際應(yīng)用基礎(chǔ)。【方法】本研究以東北典型黑土區(qū)春玉米種植體系為研究對象，通過連續(xù)兩年的田間原位試驗，研究了添加500℃厭氧條件熱解的玉米秸稈炭對土壤養(yǎng)分含量、 微生物和酶活性的影響及玉米秸稈炭對作物產(chǎn)量和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響。試驗設(shè)三個處理: 1)PK+4t/hm2秸稈還田(CK); 2)NPK+4t/hm2秸稈還田; 3)NPK+4t/hm2秸稈還田+2t/hm2秸稈生產(chǎn)秸稈碳,在玉米成熟期取0—20cm土壤樣品和植株樣品，采用常規(guī)方法進行相關(guān)項目的測定?！窘Y(jié)果】 1)土壤養(yǎng)分分析結(jié)果。與秸稈還田相比，秸稈炭處理在2013和2014年土壤堿解氮含量(AN)分別提高了10.1%和9.7%，均達到顯著水平(P<0.05); 土壤速效磷含量(AP)分別提高了13.7%和27.3%，在2014年達到顯著水平(P<0.05); 土壤微生物量碳含量(SMBC)分別提高了13.5%和26.9%，土壤脲酶活性(URE)分別提高了22.3%和31.8%，2014年SMBC和URE升高均達顯著(P<0.05)。秸稈炭對土壤有機質(zhì)(OM)、 全氮(TN)、 速效鉀(AK)、 土壤微生物量氮(SMBN)和蔗糖酶活性(SUC)的提升效果在兩年試驗中均沒有達到顯著水平， 2)氮素農(nóng)學效應(yīng)影響結(jié)果。與處理2相比，處理3肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)分別提高了3.3%和9.6%，肥料氮經(jīng)濟效益(EBN)分別提高了12.9%和27.5%，均在2014年表現(xiàn)出顯著提高(P<0.05); 而兩年間處理3的玉米產(chǎn)量分別提高3.3%和9.5%、 肥料氮利用率(UEN)分別提高了3.9%和14.0%、 肥料氮農(nóng)學效率(AEN)分別提高了11.6%和23.9%，但均未達顯著水平。【結(jié)論】2年試驗初步表明施用玉米秸稈炭可以提高土壤微生物活性和土壤酶活性，調(diào)節(jié)土壤與作物之間的養(yǎng)分供需，改善土壤養(yǎng)分狀況,對提升氮素農(nóng)學效應(yīng)有作用。因此，玉米秸稈炭可作為秸稈資源高效利用的有效形式，其長期效果還需進一步試驗。關(guān)鍵詞: 玉米秸稈炭; 土壤肥力; 微生物量碳、 氮; 土壤酶活性; 氮素農(nóng)學效應(yīng)

nitrogenagronomyeffect

東北是我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，擁有極其豐富的玉米秸稈資源[1]。玉米秸稈中富含碳源及氮、 磷、 鉀等養(yǎng)分，如果能有效還田利用，在維持東北黑土區(qū)土壤肥力方面將發(fā)揮重要的作用[2]。但由于東北地區(qū)冬春低溫、 秸稈自然腐解速度慢和缺乏切實可行的利用技術(shù)等因素，玉米秸稈有效還田率低(僅為19.8%)且效果不明顯[3]，大量玉米秸稈得不到有效利用，為不影響下茬種植而被直接焚燒，不僅造成秸稈資源的巨大浪費，還對大氣和環(huán)境造成了嚴重污染[4]?；诖?，探討玉米秸稈炭化還田的理論與方法，突破制約秸稈有效還田的技術(shù)瓶頸，是提高東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用效率和培肥土壤的迫切需求。

秸稈炭是生物炭的一種，是作物秸稈在無氧條件下炭化的產(chǎn)物，具有改善土壤物理性狀[5-7]，增加土壤對養(yǎng)分的吸附、 減少養(yǎng)分淋失[8,9]，促進微生物活性[10]，提高作物生產(chǎn)力，增加產(chǎn)量等的作用或潛在功效[11,12]。目前秸稈炭已成為當今世界資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點之一，國內(nèi)外關(guān)于秸稈炭對土壤肥力、 微生物學性狀、 酶活性和產(chǎn)量的影響均作了一定的研究，并取得了許多成果。

土壤微生物是土壤中對環(huán)境變化最為敏感的部分，土壤微生物量既是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動力，又可作為植物有效養(yǎng)分的儲備庫[13]，Liang等[14]對亞馬遜流域黑土研究認為生物炭可提高土壤微生物活性達125%。在土壤酶中，脲酶主要作用是催化土壤中尿素的水解，其活性可以用來表示土壤氮素狀況[15]。蔗糖酶活性可以反映對土壤中易溶性物質(zhì)的利用，反映了土壤有機碳的積累和分解轉(zhuǎn)化規(guī)律[15]。馮愛青等[16]研究結(jié)果表明冬小麥炭化施入土壤可顯著提高土壤脲酶活性。而張玉蘭等[17]研究認為玉米秸稈炭施入黑土對土壤蔗糖酶活性沒有顯著影響。由于研究的土壤基礎(chǔ)肥力、 秸稈炭種類、 施用量和作物品種等不同，關(guān)于秸稈炭對作物產(chǎn)量的影響有不同的報道,Liang等[18]的研究認為與不施用秸稈炭處理相比，施用秸稈炭處理后，玉米產(chǎn)量有大幅增加。而高海英等[19]研究認為生物炭單施在不同土壤上均會導(dǎo)致小麥和糜子增產(chǎn)效果不明顯甚至減產(chǎn)。Lehmann等[20]研究認為秸稈炭施入土壤可減少土壤氮素淋失，提高氮肥利用率。

鑒于我國對秸稈炭的研究結(jié)果多數(shù)是基于熱帶地區(qū)肥力貧瘠的土壤，且多是室內(nèi)模擬試驗條件下的結(jié)果，而關(guān)于秸稈炭對東北冷涼地區(qū)高肥力土壤的實際田間情況下土壤養(yǎng)分、 微生物和酶活性及氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響尚不清楚。本研究針對玉米秸稈炭對東北春玉米種植區(qū)土壤肥力和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響這一問題，采用連續(xù)兩年的田間原位試驗，研究玉米秸稈炭對東北黑土土壤肥力效應(yīng)和氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響，旨在為提高我國東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用效率和土壤肥力提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

1.2試驗設(shè)計

試驗區(qū)種植制度為一年一熟春玉米，供試作物為當?shù)刂髟云贩N龍單42號，試驗從2013年5月開始，到2014年10月已連續(xù)種植了兩季春玉米。供試玉米秸稈炭由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院提供，玉米秸稈炭是由玉米秸稈在500℃厭氧條件下熱解而成的高度芳香化產(chǎn)物，其性質(zhì)較為穩(wěn)定，且含有一定的養(yǎng)分，其基本理化性質(zhì): 全氮6.10g/kg、 全磷5.17g/kg、 全鉀22.8g/kg、CEC9.98cmol/kg、pH9.07、 固定碳77.1%、 灰分13.3%。玉米秸稈炭全氮、 全磷、 全鉀、CEC及pH含量測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[21]，固定碳和灰分含量參照國家標準GB/T17664-1999《木炭和木炭試驗方法》測定。

試驗設(shè)為3個處理，分別為: (1)PK+秸稈還田(CK)，(2)NPK+秸稈還田(C1); (3)NPK+秸稈還田+玉米秸稈炭(C2)。C1處理秸稈還田量為4t/hm2,C2處理秸稈還田量為2t/hm2,生物碳添加量由2t/hm2玉米秸稈生產(chǎn)，供試氮肥按60%速效氮+20%有機肥氮+20%緩釋肥氮的比例添加，速效氮肥為尿素，含N量為46%，商品有機肥N、P2O5、K2O含量分別為1.86%、 3.11%和0.85%，由南京農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院提供; 緩釋氮肥為緩釋尿素，含N量為41.8%，由中國科學院南京土壤研究所提供。氮肥施用量為N165kg/hm2，其中速效氮按照基肥、 大喇叭期和抽雄期追肥比例1 ∶1 ∶1施入，有機肥和緩釋肥全部基施; 磷肥為磷酸二銨(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O60%)，磷肥施用量為P2O560kg/hm2，鉀肥用量為K2O75kg/hm2，磷鉀肥全部基施; 秸稈還田量為4t/hm2，平均N、P2O5、K2O含量分別為0.70%、 0.11%和1.42%。每個處理重復(fù)4次，區(qū)組隨機排列，小區(qū)面積為60m2。

1.3樣品采集與測試

成熟期采集0—20cm耕層土壤樣品，每個小區(qū)采五個點將土壤混合，按四分法分取兩份，一份取回風干研磨，分別過2mm和0.15mm篩測定土壤養(yǎng)分含量; 另一份用白色棉布袋裝取，放入4℃冰箱保存，用于測定土壤微生物量碳氮及酶活性。成熟期測產(chǎn)并采集植株樣品，于離地2cm處收獲，秸稈與籽粒單獨采收。

土壤有機質(zhì)、 全氮、 堿解氮、 速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量采用土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法測定[21]，土壤脲酶活性(URE)采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[15]進行測定，土壤蔗糖酶活性(SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法[20]進行測定，土壤微生物量碳含量(SMBC)和微生物量氮含量(SMBN)用氯仿熏蒸培養(yǎng)法[22]測定，植物氮含量按照H2SO4-H2O2消煮法測定[21]。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel軟件進行數(shù)據(jù)相關(guān)計算，試驗結(jié)果采用SAS9.1統(tǒng)計分析軟件進行方差分析和相關(guān)分析，不同處理間采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，用Originpro8.6軟件進行作圖。

氮素農(nóng)學效應(yīng)主要考慮肥料氮利用率、 肥料氮偏生產(chǎn)力、 肥料氮農(nóng)學效率和肥料氮經(jīng)濟效益，計算公式分別如下:

肥料氮利用率(utilizationefficiencyofappliedN,UEN)=(收獲期施氮區(qū)地上部總吸氮量-收獲期不施氮區(qū)地上部總吸氮量)/肥料氮施用量×100%

肥料氮偏生產(chǎn)力(partialfactorproductivityfromappliedN,PFPN)= 施氮區(qū)產(chǎn)量/肥料氮施用量

肥料氮農(nóng)學效率(agronomicefficiencyofappliedN,AEN)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/肥料氮施用量

肥料氮經(jīng)濟效益(economicbenefitsofappliedN,EBN)= 施氮區(qū)凈收益-不施氮區(qū)凈收益

2　結(jié)果與分析

2.1玉米秸稈炭對土壤肥力的影響

2.1.1 對土壤養(yǎng)分的影響由圖1可以看出，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，在2014年成熟期，C2處理土壤有機質(zhì)和全氮含量與2013年基本持平，土壤全氮、 速效磷和速效鉀含量較上一年分別提高7.5%、 12.0%和5.3%，均沒有顯著差異。對不同處理間土壤養(yǎng)分狀況進行分析表明，與C1處理相比較，兩年試驗中C2處理土壤有機質(zhì)含量分別提高2.3%和3.0%、 土壤全氮含量分別提高1.3%和1.9%、 土壤堿解氮含量分別提高了10.1%和9.7%、 土壤速效磷分別提高了13.7%和27.3%、 土壤速效鉀分別提高了9.9%和3.1%，其中土壤堿解氮含量在兩年中差異均達到了顯著(P<0.05)，土壤速效磷含量在2014年表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

以上結(jié)果表明，與不添加秸稈炭處理相比，添加玉米秸稈炭對土壤堿解氮和速效磷含量均有顯著提升作用，而對土壤有機質(zhì)含量、 土壤全氮含量和速效鉀含量雖表現(xiàn)出了一定的提高但差異未達顯著水平，這可能是由于受秸稈炭施用年限短的限制。2.1.2 對土壤微生物量碳、 氮含量及土壤酶活性的影響由圖2可知，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，2014年C2處理的土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性與2013年均沒有顯著變化。兩年試驗中C2處理土壤微生物量碳含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且與C1處理相比分別提高了13.5%和26.9%，其中在2014年達到顯著水平(P<0.05); 與C1相比，C2處理土壤微生物量氮含量兩年分別提高了1.1%和1.4%，在統(tǒng)計學上未達顯著水平; 土壤脲酶活性兩年均顯著高于CK處理(P<0.05)，且較C1處理分別提高了22.3%和31.8%，在2014年差異達到顯著水平(P<0.05); 土壤蔗糖酶活性兩年均顯著高于CK處理(P<0.05)，且較C1處理分別提高10.1%和1.1%，但在統(tǒng)計學上均不顯著。

由此可知，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，在2014年成熟期C2處理對土壤微生物量碳含量及土壤脲酶活性表現(xiàn)出顯著提升效應(yīng)，而對土壤微生物量氮含量和土壤蔗糖酶活性的影響在兩年試驗中沒有表現(xiàn)出顯著作用。

圖1　秸稈炭對黑土土壤養(yǎng)分含量的影響Fig.1　Effect of biochar on soil nutrient content of black soil

[注(Note): 柱上不同大寫字母表示年際間差異達到顯著水平(P<0.05)，不同小寫字母表示處理間差異達到顯著水平(P<0.05)，豎線為平均值的標準誤Capitallettersmeansignificantdifferencesat5%levelbetweenthetwoyears,andlowercaselettersmeansignificantdifferencesat5%levelbetweendifferenttreatments,thebarmeansthestandarderrorofmeanvalue. ]

圖2　秸稈炭對土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性的影響Fig.2　Effect of biochar on SMBC, SMBN and soil urease and sucrase activities

2.2土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析

通過連續(xù)兩年田間定位試驗，對2014年土壤肥力構(gòu)成因素和產(chǎn)量差異(Yield)進行相關(guān)分析(表1)，結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)和土壤全氮含量之間具有極顯著正相關(guān)性(r=0.762，P<0.01，n=12); 土壤全氮含量與土壤堿解氮含量之間具有顯著正相關(guān)(r=0.625，P<0.05，n=12)。土壤堿解氮含量與土壤微生物量碳含量為顯著相關(guān)(r=0.659，P<0.05，n=12)，與微生物量氮含量和土壤蔗糖酶活性之間均表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(r=0.778,0.709，P<0.01，n=12)，與產(chǎn)量之間也表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(r=0.956，P<0.01，n=12)。土壤微生物量碳含量與土壤微生物量氮含量(r=0.673)和土壤蔗糖酶活性(r=0.679)之間均為顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05，n=12)，與土壤脲酶活性表現(xiàn)為極顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.779，P<0.01，n=12)。土壤微生物量氮含量與土壤堿解氮(r=0.778)和土壤蔗糖酶活性(r=0.878)間均為極顯著相關(guān)性(P<0.01，n=12)，與土壤脲酶活性也表現(xiàn)為顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.621，P<0.05，n=12)。作物產(chǎn)量與土壤堿解氮(r=0.886)、 土壤微生物量氮含量(r=0.956)和土壤蔗糖酶活性(r=0.874)之間均具有極顯著相關(guān)性(P<0.01，n=12)，與土壤脲酶活性間也表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(r=0.635，P<0.05，n=12)，而與土壤有機質(zhì)、 全氮含量和土壤速效磷、 速效鉀含量的相關(guān)性則不顯著。

上述相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤堿解氮含量與土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性之間具有同步性，,對產(chǎn)量也表現(xiàn)出有顯著的促進效應(yīng)，這說明在兩年試驗中土壤堿解氮含量、 微生物量碳氮含量、 土壤脲酶和蔗糖酶活性是影響土壤肥力的關(guān)鍵因子。

2.3玉米秸稈炭對氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響

由表2可知，在兩年田間試驗中，C1與C2兩處理產(chǎn)量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且與C1處理相比，C2處理產(chǎn)量分別提高了3.3%和9.5%; 對C1和C2兩處理的肥料氮利用率(UEN)、 肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)、 肥料氮農(nóng)學效率(AEN)和肥料氮經(jīng)濟效益(EBN)的t檢驗分析結(jié)果比較表明，C2處理的肥料氮利用率(UEN)較C1處理分別提高了3.9%和14.0%，肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)分別提高了3.3%和9.6%，肥料氮農(nóng)學效率(AEN)分別提高了11.6%和23.9%，肥料氮經(jīng)濟效益(EBN)分別提高了12.9%和27.5%，其中PFPN和EBN在2014年均達到顯著水平(P<0.05)。說明經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，肥料偏因子生產(chǎn)力(PFPN)和肥料氮經(jīng)濟效益(EBN)均有顯著提高。

表1　土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析Table 1　Correlation analysis of soil fertility factors

注(Note):OM—土壤有機質(zhì)Soilorganicmatter;TN—全氮TotalN;AN—堿解氮Alkali-hydr.N;AP—速效磷AvailableP;AK—速效鉀AvailableK. *—表示顯著(P<0.05)Meanssignificantlevel(P<0.05); **—表示極顯著(P<0.01)Meansverysignificantlevel(P<0.01).

表2　添加玉米秸稈炭對肥料氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響Table 2　Effect of biochar application on fertilizer nitrogen agronomy effect

注(Note):UEN—Nuseefficiency;PFPN—PartialproductivityefficiencyofN;AEN—Agronomiceffciency;EBN—EconomicbenefitofN; 數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Valuesfollowedbydifferentlettersatthesamestagemeansignificantat5%level.

3　討論

3.1添加玉米秸稈炭對土壤肥力效應(yīng)的影響分析

許多學者曾就秸稈炭對土壤有機質(zhì)的影響做過研究，得出不同的結(jié)論。Zwieten等[23]研究認為秸稈炭可提高土壤有機碳的含量，而章明奎等[24]對小麥秸稈生物炭的研究結(jié)果表明長期單一施用生物炭會導(dǎo)致土壤水溶性有機質(zhì)的下降，與有機肥配合施用則可提高土壤水溶性有機質(zhì)的含量。本研究用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)含量，結(jié)果表明，經(jīng)過兩年定位試驗，添加玉米秸稈炭處理土壤有機質(zhì)含量與秸稈直接還田處理相比略有提高，但沒有顯著差異，其原因可能是，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)重鉻酸鉀容量法難以直接測定秸稈炭，而秸稈炭是高度穩(wěn)定的有機物質(zhì)，短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化成的土壤有機質(zhì)較少，而東北地區(qū)土壤有機質(zhì)本底值較高，添加玉米秸稈炭來增加土壤有機碳儲備是一個長期的作用過程; 另一方面本研究為田間試驗，為考慮生產(chǎn)實際，玉米秸稈炭添加量較低，僅相當于單位面積50%的秸稈量，因此短期內(nèi)對土壤有機質(zhì)的影響不顯著，而一些試驗秸稈炭添加量相對于本試驗要高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍[25]，因此可在短期內(nèi)得出較顯著的結(jié)果，但在生產(chǎn)中的實踐意義值得商榷。可見秸稈炭對土壤有機質(zhì)的提升潛力需要在一個長期的尺度上進一步研究探索。

土壤全氮含量是衡量土壤肥力的重要指標，通常用于指導(dǎo)施肥，本研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭處理土壤全氮含量略有提高，但不顯著，這與張晗芝等[25]研究結(jié)果一致。土壤堿解氮是植物可直接吸收利用的氮素，反映了土壤短期內(nèi)的氮素供應(yīng)狀況。研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭對土壤堿解氮的影響較土壤全氮更加明顯，在兩年試驗中均顯著提高了土壤堿解氮含量(P<0.05)，曾愛等[26]通過田間試驗研究生物炭對塿土土壤堿解氮的影響，認為低量生物炭顯著提高土壤堿解氮含量達11.2%，這與本研究結(jié)果一致，陳心想等[27]在塿土和新積土上的試驗也得出了類似結(jié)果。其原因為一方面秸稈炭本身含有少量氮素且秸稈炭具有較大比表面積和多種官能團，可吸附土壤溶液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮以減少其淋失[26,28]; 另一方面秸稈炭的添加可提高土壤碳氮比[29]，促進了土壤微生物的活性，加速了土壤有機氮的礦化速率，從而提高了土壤速效氮含量。因此玉米秸稈炭在短期內(nèi)對土壤堿解氮提升效應(yīng)較土壤全氮更為顯著。

土壤速效磷和速效鉀是可供植物直接吸收利用的磷、 鉀養(yǎng)分，本研究通過對土壤速效磷、 鉀的分析，結(jié)果表明，在兩年試驗中添加玉米秸稈炭均提高了土壤速效磷和速效鉀的含量，尤其土壤速效磷在2014年顯著增加(P<0.05)。這與曾愛等[26]研究結(jié)果一致，其原因為玉米秸稈炭吸持土壤溶液中的磷酸根以減少其淋溶并且減少土壤中鐵鋁氧化物膠體對磷的固定[11]，同時秸稈炭可促進土壤有機磷的礦化[25]。

經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭試驗對微生物量碳含量影響的研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭在2104年成熟期顯著提高了土壤微生物量碳含量(P<0.05)。這是因為一方面秸稈炭本身高芳香烴的結(jié)構(gòu)和其孔隙結(jié)構(gòu)為微生物生長提供了棲息點和繁衍空間[31-33]; 另一方面秸稈炭對土壤理化性質(zhì)的改變，如促進土壤團聚體的形成、 提高了土壤C/N比[29]、 提高土壤養(yǎng)分有效性和提供微生物生長所需的養(yǎng)分等，從而提高土壤微生物活性[34-36]。何莉莉等[23]研究得出生物炭適合作為微生物的載體，并提供碳源，有利于提高土壤微生物量及其活性，與本研究結(jié)果一致。而土壤微生物量氮含量的提高則在兩年試驗中均沒有達到顯著水平，可能是由于秸稈炭的投入提供了碳源，提高了土壤C/N比[29]，導(dǎo)致微生物可利用的氮源減少?？梢娞砑咏斩捥繉ν寥牢⑸锘钚跃哂幸欢ǖ拇龠M效應(yīng)。

對土壤脲酶和蔗糖酶活性的影響研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭土壤脲酶活性兩年均有所提高，且在2014年達到顯著水平(P<0.05)，這與陳心想等[37]在塿土上對小麥-玉米輪作系統(tǒng)研究和黃劍等[38]在砂姜黑土上對小麥-玉米輪作系統(tǒng)的研究結(jié)果一致，其原因可能為秸稈炭對施入土壤中的尿素的吸附作用為脲酶反應(yīng)提供了底物，且秸稈炭自身多孔性和高pH值可改善土壤物理性質(zhì)，為脲酶反應(yīng)提供了適合的環(huán)境。而添加玉米秸稈炭在兩年試驗中對土壤蔗糖酶的活性的提升作用均沒有達到顯著水平，這可能是由于秸稈炭吸附固定土壤中可溶性有機質(zhì)，使蔗糖酶反應(yīng)底物減少導(dǎo)致的，這與張玉蘭等[17]和陳心想等[37]研究結(jié)果一致。因此添加秸稈炭對土壤脲酶活性的影響更顯著，而對土壤蔗糖酶活性的影響尚需進一步研究。

本文就添加玉米秸稈炭對土壤肥力效應(yīng)的影響進行了方差分析，同時對不同處理土壤肥力構(gòu)成因素之間相關(guān)性進行了相關(guān)分析，結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭處理在提高土壤氮、 磷等養(yǎng)分方面具有一定的優(yōu)勢，尤其是對土壤速效氮影響更為明顯，且添加秸稈炭更顯著提高了土壤微生物量碳含量和土壤脲酶活性。同時土壤堿解氮、 微生物量氮含量、 脲酶及蔗糖酶活性等因素之間均為顯著相關(guān)，且與產(chǎn)量之間均為顯著相關(guān)關(guān)系，說明添加玉米秸稈炭在短時間內(nèi)不會對土壤有機質(zhì)、 全氮和速效鉀等養(yǎng)分產(chǎn)生直接的影響，而是通過激發(fā)土壤微生物活性從而能提高土壤酶活性，并以此來間接調(diào)節(jié)土壤與作物之間的養(yǎng)分供需，促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)，而對于產(chǎn)量的貢獻也是通過影響土壤微生物活性和土壤酶活性來間接作用的。

3.2添加玉米秸稈炭對氮素農(nóng)學效應(yīng)的影響分析

對氮素利用效率研究結(jié)果表明，經(jīng)過兩年連續(xù)田間試驗，添加秸稈炭對肥料氮的偏因子生產(chǎn)力(PFPN)和肥料氮經(jīng)濟效益(EBN)在2014年均有顯著提高(P<0.05)，這可能是由于生物炭具有巨大比表面積和含有多種官能團，促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，且可以提高土壤陽離子交換量，吸附投入土壤中未被作物吸收的氮素以減少其淋失。而添加秸稈炭對肥料氮肥料氮利用率(UEN)和肥料氮農(nóng)學效率(AEN)雖有提高作用，但兩年間均沒有達到顯著水平，而曲晶晶等[40]研究認為小麥秸稈炭添加量為20t/hm2時顯著提高了肥料氮利用率和肥料氮農(nóng)學效率，與本文的研究結(jié)果不一致，可能是由于本研究秸稈炭添加量較低且施用年限較短，導(dǎo)致其對肥料氮利用率和農(nóng)學效率的提高作用尚未達顯著水平。

4　結(jié)論

將玉米秸稈制成生物碳后施于土壤，比直接還田可更有效地提高土壤堿解氮、 土壤微生物量碳含量及脲酶活性，促進土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求協(xié)調(diào)，連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭效果好于一年，需要繼續(xù)進行田間試驗以觀測長期添加玉米秸稈炭對土壤肥力和肥料氮農(nóng)學效率持續(xù)提高的影響。

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Effectsofmaizestrawderivedbiocharonthesoilfertilityandnitrogenagronomicresponsesinblacksoil

GUOJun-mei1,JIANGHui-min1,ZHANGJian-feng1,LILing-ling1,ZHANGShui-qin1,XIEYi-qin2,LIXian3,LIUXiao1,ZHOUGui-yu4,YANGJun-cheng1*

(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS, National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130, China; 3 Hunan Institute of Nuclear Agronomy and Astronautics Breeding, Changsha 410125, China;4 College of Environment, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

【Objectives】ToexploretheeffectofbiocharmadeofmaizestrawonthesoilfertilityandnitrogenagronomicresponseswillprovidetheoreticalandpracticalsupportforthestrawresourcesutilizationandsoilfertilityimprovementinthemaizebeltintheNortheastChina.【Methods】Fieldexperimentwasconductedwithmaizestrawandmaizestrawderivedbiochar(fastpyrolysisat500℃underlowoxygen)intheblacksoilregioninNortheastChina.Threetreatmentsweredesigned: 1)PK+maizestraw; 2)NPK+4t/hm2maizestraw; 3)NPK+2t/hm2maizestraw+biocharfrom2t/hm2maizestraw.Theplantandsoilsamples(0-20cm)werecollectedatharvest,therelativeitemswereanalyzedwithregularmethods.【Results】 1)Comparedwithtreatment2in2013and2014,thesoilavailableNintreatment3wassignificantlyincreasedby10.1%and9.7% (P<0.05),thesoilavailablePby13.7%and27.3%withasignificantimprovementat2014 (P<0.05),thesoilmicrobialbiomasscarbon(SMBC)by13.5%and26.9%,thesoilureaseactivityby22.3%and31.8%respectively.TheSMBCandthesoilureaseactivitysignificantlyimprovedin2014 (P<0.05).Thesoilorganicmatter,soiltotalN,availableK,SMBNandsoilsucraseactivitywerenotimprovedsignificantly. 2)AnalysisofnitrogenagronomicresponsesshowedthattheNpartialfactorproductivityintreatment3wasenhancedby3.3%in2013andsignificantlyby9.6%in2014 (P<0.05);thebenefitofeconomyofappliedN(EBN)wasincreasedby12.9%in2013andsignificantlyby27.5%in2014 (P<0.05);whiletheyield,theNfertilizeruseefficiency(UEN)andtheagronomicefficiencydidn’tshowsignificantincrease.【Conclusions】Biochararemoreeffectivetoimprovetheactivitiesofsoilmicrobeandthesoilenzymes,andsotoenhancethesoilnutrientsupplyformaize.Thenitrogenagronomyeffectwillbeimprovedasaresult.TheapplicationofmaizestrawasbiocharisaneffectivewayforstrawefficientutilizationinNortheastChina.

maizestraw-derivedbiochar;soilfertility;soilmicrobialbiomassCandN;soilenzymeactivities;

2013-12-22接收日期: 2014-04-03網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-04-21

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”課題(2013CB127406); 中央級公益性科研院所專項資金資助項目(IARRP-2015-21); 國家國際科技合作專項(2015DFA20790); 農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(201103007); 科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金(2012EG134235)。

郭俊娒(1990—)， 男， 山西忻州人， 碩士研究生， 主要從事土壤培肥與改良研究。

Tel: 010-82106728，E-mail:gjm19900321@163.com。*通信作者Tel: 010-82106728，E-mail:yangjuncheng@caas.cn

S141.4;S153.6+2

A

1008-505X(2016)01-0067-09