生物黑炭對黑土根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度及無機(jī)氮的影響

王大慶,孟 穎,孫泰朋,趙 偉,王宏燕

(1.黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)研究所,哈爾濱 150030; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030)

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生物黑炭對黑土根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度及無機(jī)氮的影響

王大慶1,孟 穎2,孫泰朋2,趙 偉2,王宏燕2

(1.黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)研究所,哈爾濱 150030; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030)

采用盆栽試驗(yàn)，研究了生物黑炭對大豆根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度及無機(jī)氮的影響。結(jié)果表明：固氮作用強(qiáng)度在結(jié)莢期達(dá)到最大值，此后逐漸呈現(xiàn)出降低的趨勢。氨化作用強(qiáng)度在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期有顯著差異，5%生物黑炭處理的氨化作用強(qiáng)度均顯著高于CK處理。硝化作用強(qiáng)度在苗期、開花期和結(jié)莢期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤硝化作用強(qiáng)度與CK處理均存在顯著性差異；在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，分別比CK處理提高了58.87%，84.49%。生物黑炭的適量施用提高了根際土壤銨態(tài)氮的含量。苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期不同處理之間銨態(tài)氮含量存在顯著差異，成熟期差異不顯著。合理的生物黑炭施用量對硝態(tài)氮利用起著關(guān)鍵性的作用，在苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期，5%生物黑炭的處理均顯著高于CK處理，在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著降低了20.73%，21.04%，22.85%。

生物黑炭; 黑土; 氮素轉(zhuǎn)化; 無機(jī)氮

近年來，隨著秸稈產(chǎn)量增加，大量秸稈資源未被合理利用，經(jīng)常發(fā)生就地焚燒秸稈的現(xiàn)象，由此造成的環(huán)境污染、土壤退化等問題引起廣泛關(guān)注[1]。如何減少土地利用中溫室氣體排放、增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是當(dāng)前減緩氣候變化研究的熱點(diǎn)之一。而利用農(nóng)作物秸稈制備生物黑炭技術(shù)因其綠色環(huán)保日益受到重視，成為秸稈資源化利用新途徑。而生物黑炭是有機(jī)質(zhì)高溫裂解的產(chǎn)物，具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠影響土壤肥力進(jìn)而對作物生長產(chǎn)生影響[2-4]，減少CH4和N2O等溫室氣體的排放，更能增加土壤碳庫、改善土壤持水性、改變土壤容積、增加酸性土壤pH、陽離子交換量，進(jìn)而通過影響營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化(如氮的有效性)提升土壤肥力，改善土壤物理?xiàng)l件[5-6]。生物炭也能促進(jìn)茶樹和紫荊樹等生長，提高菜豆、高羊茅草、玉米、水稻、蘿卜等作物生物量，并使菜豆、玉米、水稻等作物增產(chǎn)[7]。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的黑土是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田0—20 cm耕層土，生物黑炭是由遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心提供，基質(zhì)為玉米秸稈，供試作物為大豆(東農(nóng)-47)，供試土壤類型為黑土壤土，有機(jī)質(zhì)含量48.36 g/kg，全氮1.7 g/kg，全磷0.21 g/kg，堿解氮173 mg/kg，速效磷18 mg/kg，速效鉀209 mg/kg，pH為6.91。生物黑炭為實(shí)驗(yàn)室在500℃條件下熱裂解玉米秸稈制得。把粉碎后玉米秸稈放入瓷坩堝內(nèi)，經(jīng)加蓋密封后置于馬弗爐內(nèi)高溫灼燒，馬弗爐升至500℃后，保持該溫度2 h，待馬弗爐溫度自然降至室溫后，取出燒好的生物質(zhì)炭，經(jīng)300目研缽粉碎后裝袋備用。生物黑炭有機(jī)質(zhì)含量716 g/kg，全氮6.878 g/kg，全磷10.259 g/kg，速效鉀25.986 mg/kg，pH為9.89。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，選用上口徑為28 cm、下口徑16 cm、高18 cm的聚乙烯塑料盆，將所取的土樣平鋪在塑料薄膜上風(fēng)干、壓碎，剔除根系和石塊，過粗篩(3 mm×3 mm)備用，每盆裝土10 kg。供試作物為大豆，試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行。黑炭的梯度按土壤質(zhì)量比設(shè)置，分別添加生物黑炭0，1%，5%，10%(分別用Y1，Y5，Y10表示)，氮素2個(gè)梯度，分別為50 mg/kg和100 mg/kg(分別用N1和N2表示)，P，K按大豆生長需要肥施用量分別為100 mg/kg，150 mg/kg，肥源為商品尿素(CH4N2O)、KH2PO4和K2SO4，共設(shè)置9個(gè)處理。分別為：不施肥(CK)、N1、N2、N1+1%玉米黑炭(N1Y1)、N1+5%玉米黑炭(N1Y5)、N1+10%玉米黑炭(N1Y10)、N2+1%玉米黑炭(N2Y1)、N2+5%玉米黑炭(N2Y5)、N2+10%玉米黑炭(N2Y10)。

每個(gè)處理3次重復(fù)。2012年5月18日播種，供試大豆品種為東農(nóng)-47。出苗后，每盆保留4株長勢一致的幼苗，每兩天澆1次水，使土壤中含水量為田間持水量的60%，土壤容重控制在1 g/cm3,不同處理的管理措施一致。在5個(gè)時(shí)期(苗期、花期、莢期、鼓粒期、成熟期)進(jìn)行取樣測定，每次取3盆即3個(gè)重復(fù)。

1.3樣品的采集及測定

1.3.1樣品的采集分別于苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期5個(gè)時(shí)期取樣，每個(gè)處理植株取3盆，全部取回，采用抖落法收集根際土壤。將根際土壤用無菌塑封袋封好放入冰盒內(nèi)迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，將采回的新鮮土樣置于無特殊氣體、無灰塵污染的室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨并過10目、20目和100目篩，供土壤理化性質(zhì)的測定。

1.3.2測定方法

(1)土壤氮素轉(zhuǎn)化細(xì)菌強(qiáng)度的測定。固氮作用強(qiáng)度：采用土壤培養(yǎng)法[13]。固氮菌采用改良的阿須貝無氮培養(yǎng)基，28～30℃下避光培養(yǎng)7 d。氨化作用強(qiáng)度：取新鮮土壤10 g于150 ml滅菌三角瓶中，加入滅菌的0.2%蛋白胨5 ml，并用滅菌蒸餾水調(diào)節(jié)土壤水分達(dá)最大持水量的50%～60%，塞上棉塞，28℃下培養(yǎng)7 d，采用比色法測定。硝化作用強(qiáng)度：采用培養(yǎng)基接種土壤懸液法，吸取稀釋度為1/10土壤懸浮液1 ml，加入滅菌后的30 ml亞硝酸鹽培養(yǎng)基中，置于28℃恒溫箱中，培養(yǎng)15 d，加入對氨基苯磺酸溶液，α-萘胺溶液和20%醋酸鈉溶液，于波長520 nm處比色，根據(jù)培養(yǎng)后剩下的亞硝酸根含量表示硝化作用強(qiáng)度。

(2)無機(jī)氮的測定。銨態(tài)氮：土壤浸提液—流動(dòng)分析儀測定；硝態(tài)氮：土壤浸提液—流動(dòng)分析儀測定[14]。

1.4數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 15.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan多重比較法判斷各處理間的差異顯著性(p<0.05)，并使用Excel 2010作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1生物黑炭對根際土壤固氮作用強(qiáng)度的影響

不同處理對根際土壤固氮作用強(qiáng)度的影響見圖1。不同處理在整個(gè)生育期固氮作用強(qiáng)度的變化趨勢基本一致，均在結(jié)莢期達(dá)到最大值，此后逐漸呈現(xiàn)出降低的趨勢。從整個(gè)生育期的平均水平來看，根際土壤固氮作用強(qiáng)度由大到小的順序依次為N2Y5，N1Y5，N2Y1，N1Y1，N1，CK，N2，N1Y10，N2Y10。鼓粒期和成熟期不同處理根際土壤固氮作用強(qiáng)度無顯著差異(p<0.05)。在苗期，N1Y5，N2Y1和N2Y5處理下根際土壤固氮作用強(qiáng)度比CK處理顯著提高了39.5%，30.33%，69.5%。在開花期，N1Y5和N2Y5處理下根際土壤固氮作用比CK處理顯著提高了95.12%，1.46倍。在結(jié)莢期，N1Y5和N2Y5處理下根際土壤固氮作用比CK處理顯著提高了45.71%，54.43%。鼓粒期和成熟期不同處理根際土壤固氮作用強(qiáng)度無顯著差異(p<0.05)。從整個(gè)生育期看，生物黑炭的適量施入對根際土壤固氮作用強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

圖1　生物黑炭在大豆不同生育期對根際土壤固氮作用強(qiáng)度的影響

2.2生物黑炭對根際土壤氨化作用強(qiáng)度的影響

由圖2可知，不同處理在整個(gè)生育期氨化作用強(qiáng)度的變化趨勢基本一致，即先上升后下降。不同處理根際土壤氨化作用強(qiáng)度均在結(jié)莢期達(dá)到最大值，從整個(gè)生育期平均水平來看，根際土壤氨化作用強(qiáng)度由大到小的順序依次為N2Y5，N1Y5，N2Y1，N1Y1，N1Y10，N1，N2Y10，CK，N2。方差分析結(jié)果表明，在苗期和成熟期，各處理對氨化作用強(qiáng)度均沒有顯著的影響(p>0.05)。在開花期，N2Y5和N1Y5處理下根際土壤氨化作用強(qiáng)度比CK處理顯著提高了80%，70%。在結(jié)莢期，N2Y5和N1Y5處理下根際土壤氨化作用強(qiáng)度比CK處理顯著提高了91.67%，66.67%。在鼓粒期，N2Y1和N2Y5處理下根際土壤氨化作用強(qiáng)度比CK處理顯著提高了63.64%，72.73%。綜上所述，說明生物黑炭在一定程度上能提高根際土壤氨化作用強(qiáng)度。

圖2　生物黑炭在大豆不同生育期對根際土壤氨化作用強(qiáng)度的影響

2.3生物黑炭對根際土壤硝化作用強(qiáng)度的影響

不同處理對根際土壤硝化作用強(qiáng)度的影響見圖3，從整個(gè)生育期來看，變化趨勢基本一致，即先上升后下降，均在結(jié)莢期達(dá)到最大值，硝化作用強(qiáng)度最大的是N2Y5。從圖3中可以直觀看出在整個(gè)生育期N2Y5處理下的根際土壤硝化作用強(qiáng)度均高于其他處理。從總體平均水平來看，硝化作用強(qiáng)度由高到低的順序依次N2Y5，N1Y5，N2Y1，CK，N1，N1Y1，N2，N2Y10，N1Y10，這說明施入生物黑炭會(huì)提高根際土壤的硝化作用強(qiáng)度。經(jīng)方差分析結(jié)果表明，在苗期、開花期和結(jié)莢期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤硝化作用強(qiáng)度與CK處理均存在顯著性差異。在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，分別比CK處理提高了58.87%，84.49%。各時(shí)期各處理間幾乎都存在顯著差異(p<0.05)，表明生物黑炭在一定程度上能提高根際土壤硝化作用強(qiáng)度。

圖3　生物黑炭在大豆不同生育期對根際土壤硝化作用強(qiáng)度的影響

2.4生物黑炭對根際土壤無機(jī)氮的影響

2.4.1生物黑炭對銨態(tài)氮的影響由圖4可看出，整個(gè)生育期土壤銨態(tài)氮含量的變化趨勢基本一致，都是先升高再降低，花莢期達(dá)到最大，各時(shí)期間差異不顯著。經(jīng)方差分析結(jié)果表明，同一時(shí)期不同處理之間的差異也不一樣，苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期不同處理之間銨態(tài)氮含量存在顯著差異(p<0.05)，成熟期差異不顯著。在苗期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理提高了16.90%，16.76%。在開花期，N2Y5，N1Y5，N2Y10和N1Y10處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了17.25%，16.24%，12.89%，10.48%。在鼓粒期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，N2Y5處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理提高了9.14%。從整個(gè)生育期平均水平來看，銨態(tài)氮利用情況由高到低的順序依次是N2Y5，N1Y5，N1Y1，N1，N2，N1Y10，CK，N2Y1，N2Y10。總體來看生物黑炭對銨態(tài)氮含量起到了促進(jìn)作用。

圖4　生物黑炭在大豆不同生育期對根際土壤銨態(tài)氮的影響

2.4.2生物黑炭對根際土壤硝態(tài)氮的影響如圖5所示，不同處理下硝態(tài)氮含量在整個(gè)生育期變化一致，總體來看硝態(tài)氮含量都是先升高后下降，不同處理下的硝態(tài)氮含量均在結(jié)莢期達(dá)到最大。從整個(gè)生育期平均水平來看，硝態(tài)氮利用程度由大到小順序?yàn)镹2Y5，N1Y5，N2Y1，N1，CK，N1Y1，N2Y10，N2，N1Y10。方差分析結(jié)果表明，在苗期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著提高了14.12%，10.71%。在開花期和結(jié)莢期，N2Y5處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著提高了46.61%，38.60%。在鼓粒期，N1Y5，N2Y1和N2Y5處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著提高了31.71%，26.95%，46.61%。在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著降低了20.73%，21.04%，22.85%。從總體來看，在各個(gè)時(shí)期中適量的施入生物黑炭對硝態(tài)氮的利用都起到了促進(jìn)作用；從成熟期來看，過量施入生物黑炭則會(huì)抑制硝態(tài)氮的利用。綜上，合理的生物黑炭施用量對硝態(tài)氮利用率起著關(guān)鍵性的作用。

圖5　生物黑炭在大豆不同生育期對根際土壤硝態(tài)氮的影響

3　討論與結(jié)論

3.1討 論

3.1.1生物黑炭對根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度的影響生物黑炭對土壤氮素轉(zhuǎn)化及無機(jī)氮影響結(jié)論并不一致[15-17]。顧美英等[18]研究表明施用生物炭對新疆連作棉田根際和非根際土壤養(yǎng)分有一定的影響。灰漠土根際土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加36.1%和7.9%，非根際土壤分別增加32.8%和15.4%，施用生物炭能提高新疆灰漠土連作棉田根際土壤養(yǎng)分。同時(shí)，Lehmann等[19]的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭具有固碳、貯存養(yǎng)分和提高土壤肥力的能力。Dempster等[20]研究認(rèn)為，施用生物黑炭可促進(jìn)土壤有機(jī)氮的礦化。孫永明等[21]認(rèn)為施用生物黑炭增加了土壤CEC，增加幅度隨生物黑炭施用量的增加而增加。同時(shí)劉志華等[22]研究也表明中量生物黑炭與化肥配施(5%BF處理)顯著促進(jìn)大豆根際固氮菌數(shù)量、氨化細(xì)菌數(shù)量和硝化細(xì)菌數(shù)量，從而提高土壤氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度。本試驗(yàn)表明，生物黑炭對根際土壤生物固氮作用強(qiáng)度具有促進(jìn)作用，苗期、花期和結(jié)莢期均存在顯著性差異。氨化作用強(qiáng)度從總體看，在苗期和成熟期，各處理對氨化作用強(qiáng)度均沒有顯著的影響(p>0.05)。在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期，5%生物黑炭的處理的氨化作用強(qiáng)度均顯著高于CK處理。硝化作用強(qiáng)度從總體看，在苗期、開花期和結(jié)莢期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤硝化作用強(qiáng)度與CK處理均存在顯著性差異。在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，分別比CK處理提高了58.87%，84.49%。本試驗(yàn)從轉(zhuǎn)化強(qiáng)度來看，生物黑炭對土壤生化強(qiáng)度的影響具有階段性。

3.1.2生物黑炭對根際土壤無機(jī)氮的影響孟穎等[15]研究結(jié)果表明，短期生物黑炭的施入對銨態(tài)氮含量無顯著性影響，但顯著增加土壤全氮和硝態(tài)氮含量，且增加程度隨生物黑炭施入量的增加而增加。同時(shí)劉嬌等[12]研究表明不同碳源(玉米秸稈和黑炭)的施加對氮素凈礦化量的影響差異極顯著(p<0.01)。與直接施加玉米秸稈相比，施加黑炭增加了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。然而肖輝等[23]研究結(jié)果表明，生物黑炭能顯著降低設(shè)施土壤表層及剖面硝態(tài)氮含量,且使用量越大,效果越明顯。而劉志華等[24]研究表明生物黑炭影響大豆苗期、花期和結(jié)莢期根際銨態(tài)氮含量，對鼓粒期和成熟期根際銨態(tài)氮含量無顯著影響，這可能與施入生物黑炭的量有關(guān)。本試驗(yàn)研究:苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期不同處理之間銨態(tài)氮含量存在顯著差異(p<0.05),成熟期差異不顯著。在苗期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理提高了16.90%，16.76%。在開花期，N2Y5，N1Y5，N2Y10和N1Y10處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了17.25%，16.24%，12.89%，10.48%。在鼓粒期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，N2Y5處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理提高了9.14%。說明合理生物黑炭量對土壤銨態(tài)氮含量有重要作用。在苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期，5%生物黑炭的處理均顯著高于CK處理，說明合理的生物黑炭施用量對硝態(tài)氮利用率起著關(guān)鍵性的作用。在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著降低了20.73%，21.04%，22.85%，說明過量施入生物黑炭則會(huì)抑制硝態(tài)氮的利用。所以合理的生物黑炭施用量對硝態(tài)氮利用率起著關(guān)鍵性的作用。

3.2結(jié) 論

生物黑炭對根際土壤生物固氮作用強(qiáng)度具有促進(jìn)作用，苗期、花期和結(jié)莢期均存在顯著性差異。氨化作用強(qiáng)度在苗期和成熟期，各處理對氨化作用強(qiáng)度均沒有顯著的影響；在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期，5%生物黑炭的處理的氨化作用強(qiáng)度均顯著高于CK處理。硝化作用強(qiáng)度在苗期、開花期和結(jié)莢期，N2Y5和N1Y5處理下的根際土壤硝化作用強(qiáng)度與CK處理均存在顯著性差異；在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5處理與CK處理存在顯著性差異，分別比CK處理提高了58.87%，84.49%。

生物黑炭的適量施用提高了根際土壤銨態(tài)氮的含量，苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期不同處理之間銨態(tài)氮含量存在顯著差異(p<0.05)，成熟期差異不顯著。合理的生物黑炭施用量對硝態(tài)氮利用率起著關(guān)鍵性的作用，在苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期，5%生物黑炭的處理均顯著高于CK處理，在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量比CK處理顯著降低了20.73%，21.04%，22.85%。

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Effects of Biochar on Nitrogen Transformation and Mineral Nitrogen of Rhizosphere in Black Soil

WANG Daqing1,MENG Ying2,SUN Taipeng2,ZHAO Wei2,WANG Hongyan2

(1.Heilongjiang Economic Research Institute of State Farms,Harbin 150030,China; 2.College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

biochar; black soil; nitrogen transformation; mineral nitrogen

2016-03-08

2016-03-17

黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金“高效復(fù)合菌劑降解秸稈還田對土壤碳庫影響機(jī)制的研究”(LBH-Q13020)

王大慶(1969—),男,黑龍江綏化人,博士,副研究員,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和農(nóng)墾生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:wangdaqing511@163.com

趙偉(1971—),女,河北樂亭人,教授,博士,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail:niersi7105@sina.com

S153.6; S156.2

A

1005-3409(2016)05-0085-05