不同氮水平下生物炭與菌肥對采煤塌陷復(fù)墾土壤養(yǎng)分與氮素利用率的影響

許劍敏，梁利寶

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

山西是我國的煤炭大省，全省118個縣中有94個縣區(qū)儲存煤炭資源，91個縣有煤礦，山西省因采煤造成的地下采空區(qū)面積達1萬km2，受災(zāi)人口超過230萬人，其中，因采煤引起的不適合人類居住的村莊已超過700個，而全省的土地復(fù)墾率只有不到5%[1-3]。我國人口多耕地少，采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾熟化工作十分重要[4]。生物炭是有機生物材料在缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀夂螽a(chǎn)生的固體產(chǎn)物。生物炭擁有較大的孔隙度和比表面積，因此，具有良好的通氣性和吸附能力，對水分、化肥有一定的持留作用[5-6]。生物炭還可以改善微生物的生存環(huán)境，為多種重要微生物的生長和繁殖提供了有利的條件[7]。它多為小麥、玉米秸稈制成，這樣既減少大氣污染，又實現(xiàn)了秸稈還田，對農(nóng)田廢棄物的循環(huán)利用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院肥料的開發(fā)與高效利用課題組[8]已經(jīng)進行了等氮水平不同施肥制度對采煤塌陷土壤理化性質(zhì)的研究，對利用生物炭與菌肥配施在不同氮水平調(diào)節(jié)下對采煤塌陷土壤性質(zhì)影響研究尚未開展。本試驗以采煤塌陷區(qū)復(fù)墾1 a土壤為供試對象，探討不同氮水平條件下施入生物炭與生物菌肥對土壤養(yǎng)分和土壤的氮素利用率影響機制，從而為加快復(fù)墾土壤熟化提供一定依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試菌劑為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院從當(dāng)?shù)氐V區(qū)熟土中分離的功能性微生物（包括固氮菌、解磷菌、解鉀菌），菌肥含活性有益菌為1×107cfu/g。

供試生物炭購自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，為玉米秸稈在缺氧條件下450℃高溫裂解而成，粒徑1.5～2.0 mm，其中，全氮1.51%，全磷0.76%，全鉀1.62%，pH值為9.11。

供試玉米品種為澤玉41號，種植時間為2017年5月2日至9月30日。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗地點為山西省晉城市北石店鎮(zhèn)的采煤塌陷復(fù)墾區(qū)，塌陷深度2～3 m，采用混推模式就地平整法進行復(fù)墾。復(fù)墾土壤年限為1 a，土壤類型為石灰性褐土，pH值為8.01，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量依次為7.74，0.30，0.32 g/kg和 5.52，48.8，26.9 mg/kg。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用二因素隨機設(shè)計，每個處理重復(fù)3次。試驗共設(shè)置4個施氮水平，分別為0，120，210，300kg/hm2，2個施肥方式，即生物炭和生物炭+菌肥，共7個處理（表1）。每個小區(qū)40 m2。所有處理均施磷肥和鉀肥，磷肥和鉀肥施入量相同。試驗所用肥料：氮肥為尿素，磷肥（過磷酸鈣）P2O590 kg/hm2，鉀肥（硫酸鉀）K2O 90 kg/hm2，菌肥 350 kg/hm2，生物炭3 000 kg/hm2。

表1 試驗處理

1.4 樣品的采集和測定

在玉米收獲期，對表層土壤0～20 cm進行采樣，將風(fēng)干土樣研磨過1 mm土壤篩。土壤pH采用酸度計測定；全氮采用開氏法測定；全磷采用鉬銻抗比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定；有機質(zhì)采用油浴加熱K2Cr2O7容量法測定[9]。

氮肥農(nóng)學(xué)效率＝（施氮區(qū)玉米產(chǎn)量－無氮區(qū)玉米產(chǎn)量）/施氮量；氮肥利用率＝（施氮區(qū)玉米地上部吸氮量－無氮區(qū)玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[10-11]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2007和SPSS19進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

從表2可以看出，在玉米收獲期，隨著施氮量的增加，生物炭和生物炭＋菌肥2種方式下復(fù)墾土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷顯著提高，且與CK間差異顯著。

表2 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

不同施氮水平、同一施肥方式，生物炭與生物炭+菌肥處理土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量兩兩之間差異顯著。生物炭處理土壤速效磷、堿解氮含量N1，N2處理間差異不顯著；生物炭＋菌肥處理土壤堿解氮、速效磷含量N3M與N2M處理間差異不顯著，但與其他處理差異顯著。

同一施氮水平不同施肥方式下，生物炭與生物炭＋菌肥處理之間土壤全氮、全磷含量差異不顯著；復(fù)墾土壤有機質(zhì)含量N3與N3M處理之間差異顯著，其他處理之間差異不顯著；N3與N3M，N2M與N2處理間土壤堿解氮含量差異顯著；N2M與N2處理間土壤速效磷含量差異顯著。生物炭+菌肥處理的土壤養(yǎng)分含量均高于生物炭處理。

2.2 不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

由圖1可知，生物炭與生物炭+菌肥這2種施肥方式隨著施氮水平的增加，玉米產(chǎn)量出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，N2和N2M處理的產(chǎn)量較高，分別為5 012，5 164 kg/hm2，N3和N3M處理的產(chǎn)量分別為 4 936，5 021 kg/hm2，與 N2，N2M處理產(chǎn)量相比分別減少1.52%，2.77%?？梢钥闯?，過高的施氮量并沒有帶來玉米的高產(chǎn)，反而可能導(dǎo)致產(chǎn)量降低。同一施氮水平，生物炭與生物炭+菌肥處理之間，玉米產(chǎn)量差異不顯著。

2.3 不同處理對氮肥利用率的影響

從表3可以看出，隨著施氮量的增加生物炭處理和生物炭＋菌肥處理對玉米地上部分吸氮量均有不同程度增加，在N3M和N3處理下吸氮量較高，分別為107.7，101.5 kg/hm2。同一施氮水平玉米地上部吸氮量，N3M和N3處理間差異顯著，N2M和N2處理間差異顯著。

表3 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率隨著施氮量的增加呈遞減趨勢。生物炭處理氮肥農(nóng)學(xué)效率為3.2%～6.4%，氮肥利用率為6.7%～11.0%；生物炭＋菌肥處理氮肥農(nóng)學(xué)效率為3.4%～6.8%，氮肥利用率為8.7%～13.2%?？梢钥闯?，生物炭＋菌肥比生物炭處理提高了氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率。

3 討論

生物炭處理和生物炭+菌肥處理均有效提高了復(fù)墾土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量。這可能是由于生物炭在低溫碳化的過程中生成多孔結(jié)構(gòu)，因而具有巨大的表面積，可吸附大量化合物，在土壤中形成較大粒徑的團聚體，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，減少有機質(zhì)的淋失。生物炭對NO3-，NH4+也有較強的吸附能力，可減少土壤的氨揮發(fā)與土壤氮素流失，提高氮肥利用率；生物炭能有效減少鐵氧化物對磷的吸附和降低有效磷的淋失，從而提高土壤速效磷的含量[12]。

生物炭＋菌肥對復(fù)墾土壤效果好于生物炭處理，這可能是由于生物炭具有良好的保水保肥能力，以及生物炭的多孔性為微生物提供了良好的棲息地，改善了土壤微生物生長環(huán)境，生物炭所含的C，P，Mo等營養(yǎng)元素及微量元素為微生物生長提供了食物。有研究表明[13-14]，生物的小孔降低了氧濃度，利于固氮菌的生長（固氮菌在低氧濃度下氮氣容易還原為氨）。也有學(xué)者[15]檢測到添加木炭后細菌活性增強，微生物呼吸速率也增強。本試驗表明，在復(fù)墾土壤施用菌肥可以增加微生物數(shù)量和活性的提高，對土壤理化性質(zhì)有一定改善，促進植物對養(yǎng)分的吸收。

氮肥的施用對作物的增產(chǎn)有著極其重要的作用[16-18]。隨著近年來學(xué)者的研究，多數(shù)報道表明，適量的氮肥可以增加玉米產(chǎn)量，過度用氮甚至?xí)p產(chǎn)，隨著氮肥施入量的提高，氮肥利用率不斷降低[19-20]。本研究結(jié)果表明，施氮量為210 kg/hm2時，產(chǎn)量最高，氮利用率最高，當(dāng)施氮量達到300 kg/hm2時，產(chǎn)量有所下降，氮利用率明顯降低，表明高施肥量不能帶來高產(chǎn)。

4 結(jié)論

隨著施氮量的增加，生物炭處理和生物炭＋菌肥處理均有效提高了復(fù)墾土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量。在施氮量210 kg/hm2水平下土壤堿解氮、速效磷含量生物炭＋菌肥與生物炭處理差異顯著。

隨著施氮水平的增加，玉米產(chǎn)量出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在施氮量為210 kg/hm2時，生物炭＋菌肥與生物炭2種施肥方式產(chǎn)量均達到最高，且二者間產(chǎn)量差異不顯著。

氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率隨著施氮量的增加呈遞減趨勢，生物炭＋菌肥的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率高于生物炭處理。