生物質(zhì)炭對沙壤土根系土壤氮素轉(zhuǎn)化強度及無機氮含量的影響

陳紅衛(wèi)， 代 琳， 馮 露， 李曉慶， 孟雨田

(1.河南科技學院，河南新鄉(xiāng) 453003； 2.東北農(nóng)業(yè)大學，黑龍江哈爾濱 150030)

氮素是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，土壤氮素可利用性與土壤氮素轉(zhuǎn)化過程密切相關[1]。近些年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的使用量逐年上升，而氮素綜合利用效率處于較低水平，國際上氮肥利用率僅為33%左右[2]，我國氮肥作物利用率平均約為35%，損失率約為45%[3]，過量施用氮肥不僅導致肥料利用率下降，且未被作物吸收利用的氮素會對環(huán)境造成不同程度的污染，與之相關的環(huán)境污染、土壤退化等問題正引起人們的廣泛關注。

生物質(zhì)炭應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究，為提高氮肥利用率提供了新的思路和方法。生物質(zhì)炭是有機質(zhì)高溫熱裂解的產(chǎn)物，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和極強的吸附力，將其施入土壤不僅能夠使土壤孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，還可以提高肥料利用率、減少養(yǎng)分淋失、增加土壤碳庫量，進而通過影響營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化(如氮的有效性)提升土壤肥力，對作物生長產(chǎn)生影響[4]。郭偉等指出，生物質(zhì)炭施入土壤后可有效提高土壤全氮含量[5-6]，對作物的氮素吸收有一定促進作用[7]。因此本試驗采用玉米秸稈生物質(zhì)炭，探討添加該生物炭對沙壤土根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強度及無機氮含量的影響，旨在為秸稈生物質(zhì)炭的合理利用提供理論基礎和實踐依據(jù)，對于肥料的高效利用以及促進農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于河南省河南科技學院試驗田，供試土壤質(zhì)地為沙壤土，地勢平坦。土壤基本的理化性質(zhì)：pH值7.17，陽離子交換量(CEC)19.11 cmol/kg，全氮含量1.19 g/kg，全磷含量2.82 g/kg，有機質(zhì)含量21.24 g/kg，土壤容重 1.23 g/cm3。本試驗所用生物質(zhì)炭是以玉米秸稈為原料，由沈陽隆泰生物工程有限公司于500 ℃高溫熱裂解制得的。生物質(zhì)炭理化性質(zhì)：pH值9.57，CEC 18.4 cmol/kg，比表面積 186.7 m2/g，有機碳含量277.2 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗于2016年4月開始，采用大功率旋耕機將生物質(zhì)炭翻入土壤中，平均深度20 cm左右，每個小區(qū)面積20 m2，長×寬為4 m×5 m；生物質(zhì)炭設4個處理，其中空白對照(CK)生物質(zhì)炭投加量為0 t/hm2，處理1(B1)投加量為 10 t/hm2，處理2(B2)投加量為20 t/hm2，處理3(B3)投加量為30 t/hm2，每個處理3次重復。玉米(品種為農(nóng)華101)播種時間為2016年5月6日，采用手提式穴播機人工播種(播種密度為1～3粒/穴)。施肥量為底肥(尿素) 100 kg/hm2，磷酸二銨75 kg/hm2，鉀肥25 kg/hm2，追肥(尿素)80 kg/hm2。整個生育期無人工灌溉，田間管理保持一致并于2016年10月9日收獲。

1.3 樣品采集

分別于苗期(5月26日)、拔節(jié)期(6月24日)、乳熟期(8月5日)和成熟期(10月2日)采集土壤樣品。每個處理采集長勢相同的3株玉米植株，以抖落法收集根際土壤，裝袋后帶回實驗室。將采回的新鮮土樣置于無污染潔凈的室內(nèi)風干，研磨并過10、20、100目篩后保存，供土壤理化性質(zhì)測定。

1.4 測定方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007、OriginPro 8、SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及作圖，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對根系土壤固氮作用強度的影響

如圖1所示，生物質(zhì)炭的施入對根系土壤固氮作用具有一定的促進作用，固氮作用強度在乳熟期達到最大值，此后呈逐漸降低的趨勢。在苗期，B1、B2、B3處理下根際土壤固氮作用強度與對照(CK)處理相比分別顯著提高了41.67%、58.33%、29.17%。在拔節(jié)期，B1、B2處理下根際土壤固氮作用強度分別比CK處理顯著提高了13.51%、43.24%。在乳熟期，B1、B2處理下根際土壤固氮作用強度分別比CK處理顯著提高了 15.56%、42.22%。成熟期B1、B2處理與CK差異不顯著。

2.2 生物質(zhì)炭對根系土壤氨化作用強度的影響

由圖2可以看出，整個生育期氨化作用強度大致呈先上升后下降趨勢，且各生育期氨化作用強度均在生物質(zhì)炭施入量為20 t/hm2的條件下達到最大值，總體表現(xiàn)為B2處理>B1處理>B3處理。在苗期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別提高了61.33%、90.67%、22.67%。在拔節(jié)期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別提高了 38.24%、70.59%、29.41%。在乳熟期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別顯著提高了16.26%、56.10%、23.58%。綜上所述，生物質(zhì)炭可以在一定程度上提高玉米各生育期根際土壤氨化作用強度，但不同處理間效果有所不同。

2.3 生物質(zhì)炭對根系土壤硝化作用強度的影響

由圖3可以看出，在整個生育期B2處理下的根際土壤硝化作用強度均高于其他處理?？傮w來看，硝化作用強度由高到低排序為B2處理>B1處理>B3處理，且在拔節(jié)期達到最大值。在玉米生長的苗期和拔節(jié)期，B1和B2處理下的根際土壤硝化作用強度與CK處理差異顯著，苗期、拔節(jié)期分別提高了41.74%、73.07% 和23.94%、77.73%。在乳熟期和成熟期B2處理與CK差異顯著，分別提高了26.89%、25.57%。綜上所述，生物黑炭在一定程度上能提高根際土壤硝化作用強度。

2.4 生物質(zhì)炭對根系土壤無機氮素的影響

如圖4所示，各處理條件下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在整個生長期有略微波動，在苗期銨態(tài)氮含量達到最大值。由圖4還可知，同一時期不同處理之間的差異不同。在苗期，B1、B2、B3處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了60.95%、68.07%、52.32%。在拔節(jié)期B1、B2、B3處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量，與CK相比分別提高了16.39%、36.81%、31.00%。在乳熟期和成熟期，只有B2處理與CK的銨態(tài)氮含量差異顯著，根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了 35.71%、41.79%。從整個生育期來看，生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮含量的增加起到了促進作用，表明各處理能在一定程度上延緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。由圖4-b可以看出，在苗期B1、B2、B3處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量與CK處理相比分別提高了42.74%、47.49%、42.93%；拔節(jié)期和乳熟期均表現(xiàn)為B2、B3處理與CK差異顯著，分別提高了32.86%、37.93%和52.41%、49.90%，但成熟期各處理間差異不顯著。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對根系土壤氮素轉(zhuǎn)化強度的影響

對于生物質(zhì)炭在土壤氮素轉(zhuǎn)化方面的影響，已有的研究結(jié)果尚不統(tǒng)一[10-11]。本試驗表明，生物質(zhì)炭能有效提高根系土壤的氮素轉(zhuǎn)化強度， 這可能是由于生物質(zhì)炭豐富的碳含量有效改變了土壤的碳氮比(C/N)，同時其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有效提高了根系土壤微生物量，促進了土壤微生物對根茬的降解，從而提高了土壤有機質(zhì)含量[12-13]和土壤氮素轉(zhuǎn)化強度[14]。本試驗結(jié)果表明，生物質(zhì)炭對根際土壤生物固氮作用具有促進作用，在苗期、拔節(jié)期和乳熟期與CK處理間均存在顯著差異。其中，在B1、B2處理下，玉米整個生育期氨化作用強度均明顯高于CK處理；在玉米生育苗期和拔節(jié)期，生物炭處理組根際土壤硝化作用強度與CK處理顯著差異，而在乳熟期和成熟期，僅B2處理與CK處理差異顯著，比CK分別提高了26.89%、25.57%。本試驗從轉(zhuǎn)化強度來看，生物質(zhì)炭對土壤生化強度的影響具有階段性差異，同時可以看出，過高量地施入生物質(zhì)炭不利于氮素的轉(zhuǎn)化。

3.2 生物質(zhì)炭對根系土壤無機氮素含量的影響

土壤銨態(tài)氮含量受作物品種、溫度、水分等多種因素影響[15]，一般是施肥點表層和作物苗期的含量最高。本試驗結(jié)果表明，在整個玉米生育期生物質(zhì)炭的各處理均有效提高了土壤銨態(tài)氮含量，總體呈現(xiàn)先降低后上升趨勢。這主要受作物生長對養(yǎng)分的大量需求和降水的影響；但是與CK處理相比，在整個玉米生育期生物質(zhì)炭處理的土壤均保持較高含量的無機氮素，這確保了玉米在苗期到乳熟期對氮肥的需求，有效改善了土壤氮素的流失并提高了氮肥利用效率。郭偉等研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可有效改善土壤呼吸狀況，抑制反硝化作用，進而提高土壤氮素含量[16]；同時生物質(zhì)炭表面大量的官能團以及較高的陽離子交換量可有效提高對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附能力[17]，進而降低土壤氮素的損失及提高作物生長所需的氮素含量，本試驗結(jié)果與Lehmann等的研究結(jié)果一致[18]。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭的適量施入可有效改善玉米根際土壤固氮作用和氨化作用強度，提高根系土壤的銨態(tài)氮含量，在一定程度上延緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，對于提高根系土壤氮素的利用率和綜合利用效果具有一定的促進作用。綜合本試驗結(jié)果，建議北方旱作農(nóng)田生物質(zhì)炭施用量為20 t/hm2，但目前受制炭工藝、原料來源、供試作物、土壤性狀等因素影響，今后針對不同類型土壤和不同種類的生物質(zhì)炭及其施入量有待進一步研究和豐富。