生物質(zhì)炭對貴州黃壤朝天椒減氮的生物效應(yīng)及氮肥利用率的影響*

張 萌 魏全全 肖厚軍 趙 歡 芶久蘭

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006）

氮素是作物產(chǎn)量形成和品質(zhì)提高的重要元素，合理的氮肥施用是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一［1］。然而，氮肥利用率偏低仍是制約我國氮肥利用的主要限制因素。據(jù)2013年《中國三大糧食作物肥料利用率研究報(bào)告》顯示，目前三大糧食作物氮肥當(dāng)季利用率平均為33%，盡管較測土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目實(shí)施前（2005年）提高了5個(gè)百分點(diǎn)，但仍然處于較低的水平，還有較大的提升空間［2］。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)部在《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》中明確提出了“十三五”規(guī)劃內(nèi)化肥施用量零增長的目標(biāo)［3］，因此，如何實(shí)現(xiàn)化肥減施條件下的肥料利用率提升成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題，這也是保障我國農(nóng)業(yè)土壤和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。

農(nóng)作物秸稈作為一種寶貴的資源，含有豐富的有機(jī)質(zhì)、纖維素、粗蛋白、粗脂肪和氮、磷、鉀等各種營養(yǎng)成分，經(jīng)過高溫炭化后制成的生物質(zhì)炭，不僅可以穩(wěn)定地將碳元素固定長達(dá)數(shù)百年，而且應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后在改善土壤理化性質(zhì)［4］、減少土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與損失［5］以及提高肥料利用率［6］等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。目前，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效果已在多種作物上有所報(bào)道，例如，Liang等［7］研究發(fā)現(xiàn)混合施用稻殼和椰子殼生物質(zhì)炭可提升小麥和玉米產(chǎn)量4.0%～7.2%；Wang等［8］對海棠的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加不僅可顯著提高海棠葉片葉綠素含量，而且可顯著降低胞間CO2濃度，增強(qiáng)氣孔導(dǎo)度和光和效率；Major等［9］則通過4年連續(xù)田間試驗(yàn)表明，生物質(zhì)炭的添加可使玉米產(chǎn)量連續(xù)增產(chǎn)3年，但是對大豆無顯著性影響；此外，Jeffery等［10］采用整合分析法（Meta-analysis）對生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加可使作物平均增產(chǎn)10%左右；而肖婧等［11］也通過Meta-analysis法整合分析了97篇生物質(zhì)炭施用與土壤改良、作物生長有關(guān)的相對獨(dú)立研究，結(jié)果表明生物質(zhì)炭自身特性對作物產(chǎn)量影響顯著，增產(chǎn)范圍在9.2%～26.6%之間。由此可見，生物質(zhì)炭的問世與應(yīng)用不僅可最大限度地實(shí)現(xiàn)秸稈養(yǎng)分高效利用，也能夠成為改良土壤環(huán)境、提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)化肥減施增效的一項(xiàng)重要技術(shù)手段［12］。

朝天椒是貴州遵義的傳統(tǒng)種植作物，同時(shí)也是貴州山地特色農(nóng)業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，貴州現(xiàn)已成為集種植面積、加工規(guī)模和市場占有率均屬全國第一的辣椒種植大?。?3］。然而，由于辣椒常年連作栽培以及“重氮肥、輕磷鉀肥”等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致貴州黃壤耕地質(zhì)量和氮肥利用效率持續(xù)降低［14］。近年來，基于氮肥減量化和氮肥有機(jī)替代的研究已逐漸成為研究熱點(diǎn)，生物質(zhì)炭配施化肥成為氮肥減量技術(shù)之一［15-16］。然而，目前關(guān)于生物質(zhì)炭的研究主要集中在同等施肥量條件下生物質(zhì)炭增施后的作用效果上［17］，針對生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥的研究相對較少，而基于短期條件下生物質(zhì)炭究竟能否用于化學(xué)氮肥替代、替代量有多少等問題的探討也缺乏足夠?qū)嵺`驗(yàn)證。因此，本研究以貴州朝天椒‘艷椒425’為研究對象，從產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收及肥料利用率方面來研究生物質(zhì)炭對化學(xué)氮肥的替代效應(yīng)，進(jìn)而綜合評估生物質(zhì)炭的氮肥替代能力，為貴州山區(qū)朝天椒氮肥減施增效技術(shù)提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2017年4—10月在貴州省遵義市播州區(qū)石板鎮(zhèn)（106°43′0″E，27°31′29″N，海拔885 m）進(jìn)行。供試土壤為貴州典型地帶性黃壤，其基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：pH 6.03，有機(jī)質(zhì) 26.80 g?kg-1，全氮2.17 g?kg-1，有效磷48.60 mg?kg-1，速效鉀175.0 mg?kg-1。供試肥料包括：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O 50%）；供試生物質(zhì)炭為玉米秸稈炭，炭化溫度450℃，其基本理化性質(zhì)為：pH 7.95，總碳350.2 g?kg-1，總氮12.63 g?kg-1，有效氮2.01 g?kg-1，總磷1.92 g?kg-1，總鉀47.48 g?kg-1；供試朝天椒品種為“艷椒425”，由重慶科光種苗有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，分別為：（1）CK：不施氮肥，只施用磷、鉀肥，P2O5和K2O用量分別為150 kg?hm-2和270 kg?hm-2；（2）CF100B0：常規(guī)施肥，N、P2O5、K2O施用量分別為300、150、270 kg?hm-2；（3）CF90B10：常規(guī)施肥施氮90%+生物質(zhì)炭氮10%（15 t?hm-2）；（4）CF85B15：常規(guī)施肥施氮85%+生物質(zhì)炭氮15%（22.5 t?hm-2）；（5）CF80B20：常規(guī)施肥施氮80%+生物質(zhì)炭氮20%（30 t?hm-2）。各處理具體肥料和生物質(zhì)炭施用量見表1。辣椒移栽前先將生物質(zhì)炭均勻撒施于土壤表層，用鋤頭翻耕混勻，然后將所有肥料混勻后一次性均勻施用。辣椒種植采用“單壟雙行”的栽培方式，單壟1.2 m，辣椒幼苗在起壟覆膜10 d后進(jìn)行移栽，移栽密度為每公頃5.70萬株。各處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m2。其他田間管理與農(nóng)民習(xí)慣保持一致。

1.3 測定項(xiàng)目和分析方法

辣椒收獲前，每個(gè)小區(qū)采集6株長勢相對一致的辣椒植株，用于分析植株養(yǎng)分指標(biāo)與品質(zhì)指標(biāo)。辣椒植株分莖稈、葉片和果實(shí)3部分，分別于105℃殺青30 min后，于60℃恒溫烘干稱量。然后將植物樣品磨碎過篩后，采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，凱氏定氮儀（Foss 2200，瑞典）測定全氮含量，并計(jì)算植株氮素積累量［18］。同時(shí)，取部分辣椒果實(shí)鮮樣用于測定品質(zhì)指標(biāo)，包括硝酸鹽、Vc、還原糖和游離氨基酸，測定方法參照文獻(xiàn)［18］。辣椒產(chǎn)量經(jīng)過分批采收后于收獲期計(jì)算辣椒的最終產(chǎn)量。

表1 不同施肥處理的肥料和生物質(zhì)炭施用量Table 1 Application rates of fertilizer and biochar relative to treatment

1.4 數(shù)據(jù)處理

各相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式如下：

植株氮素積累量（kg?hm-2）=植株N含量（%）×生物量（kg?hm-2）/100；

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg?kg-1）=施氮處理辣椒產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN，kg?kg-1）=（施氮處理辣椒產(chǎn)量-不施氮處理辣椒產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（REN，%）＝（施氮處理地上部吸氮總量-不施氮處理地上部吸氮總量）/施氮量×100%；

以上公式中辣椒產(chǎn)量均按照干椒產(chǎn)量計(jì)算。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2003軟件進(jìn)行計(jì)算處理，利用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.0軟件作圖，差異顯著分析用最小顯著差異（LSD）法進(jìn)行分析，顯著水平為0.05。

2 結(jié) 果

2.1 生物質(zhì)炭與氮肥減量配施對朝天椒產(chǎn)量的影響

圖1顯示了生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥對朝天椒鮮椒和干椒產(chǎn)量的影響。就鮮椒產(chǎn)量而言，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，僅CF90B10處理實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，增幅為7.3%，但差異未達(dá)顯著水平；CF85B15和CF80B20處理均出現(xiàn)減產(chǎn)，減產(chǎn)幅度分別為1.8%和7.8%。干椒產(chǎn)量變化趨勢與鮮椒產(chǎn)量類似，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比較，僅CF90B10處理增產(chǎn)2.5%，CF85B15和CF80B20處理則分別減產(chǎn)5.7%和10.0%。

2.2 生物質(zhì)炭與氮肥減量配施對朝天椒品質(zhì)的影響

從朝天椒果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)來看（表2），生物質(zhì)炭與化學(xué)氮肥配施可顯著影響朝天椒果實(shí)的硝酸鹽和Vc含量，但對還原糖和游離氨基酸含量無影響。從硝酸鹽含量來看，與CK處理相比，常規(guī)施肥CF100B0處理的硝酸鹽含量顯著提高了3.1%，而CF90B10、CF85B15和CF80B20處理則顯著降低了朝天椒果實(shí)中硝酸鹽含量，且三者較CF100B0處理相比分別下降8.9%、5.2%和4.8%，且顯著低于CK處理。從Vc含量來看，與CK處理相比較，常規(guī)施肥CF100B0及生物質(zhì)炭替代氮肥處理均可顯著提高朝天椒果實(shí)中的Vc含量，增幅為3.5%～24.9%，依次表現(xiàn)為：CF90B10＞CF100B0＞CF85B15＞CF80B20＞CK，以CF90B10處理的Vc含量最高，達(dá)到111.5 mg?100 g-1，且顯著高于其他處理，CF85B15和CF80B20處理的Vc含量則較CF100B0處理分別降低了4.9%和9.1%。

圖1 不同施肥處理的朝天椒產(chǎn)量Fig.1 Yield of pod pepper relative to treatment

表2 不同施肥處理的朝天椒果實(shí)品質(zhì)Table 2 Quality of pod pepper relative to treatment

2.3 生物質(zhì)炭與氮肥減量配施對朝天椒氮素積累的影響

圖2顯示了生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥對朝天椒各器官氮素積累的影響。從莖桿氮素積累看，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，CF90B10、CF85B15和CF80B20處理的莖桿氮素積累量分別提高了25.2%、12.8%和1.9%，其中，CF90B10和CF85B15處理增加顯著；從葉片氮素積累看，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，生物質(zhì)炭與氮肥配施處理的葉片氮素積累均出現(xiàn)顯著降低，CF90B10、CF85B15和CF80B20處理較CF100B0處理分別降低了22.4%、14.3%和28.3%；從果實(shí)氮素積累看，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，CF90B10處理的氮素積累量僅提高了1.4%，但兩者無顯著差異，CF85B15和CF80B20處理的氮素積累則顯著降低，降幅分別為12.2%和16.4%。

2.4 生物質(zhì)炭與氮肥減量配施對朝天椒氮肥利用率的影響

由表3可看出，不同施肥處理的氮肥利用率存在明顯差異。從偏生產(chǎn)力看，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，生物質(zhì)炭與氮肥配施處理的PFPN提高了2.08～2.62 kg?kg-1，其中CF90B10處理的偏生產(chǎn)力最高，且顯著高于CF100B0處理，而CF85B15和CF80B20處理則與CF100B0處理無差異。從農(nóng)學(xué)效率看，CF90B10處理最高（7.70 kg?kg-1），但與CF100B0和CF85B15處理間無差異，CF80B20的AEN最低，僅為5.73 kg?kg-1，顯著低于CF90B10處理。從表觀利用率看，各施肥處理的REN大小依次為：CF90B10＞CF100B0＞CF85B15＞CF80B20，其中，CF90B10處理的REN最高（40.9%），較CF100B0處理提高了4.45個(gè)百分點(diǎn)，且顯著高于其他處理，CF80B20處理的REN最低，僅為24.9%。

圖2 不同施肥處理的氮素積累量Fig.2 N accumulation in various parts of the pod pepper plant relative to treatment

表3 不同施肥處理的氮肥利用率Table 3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency of pod pepper relative to treatment

3 討 論

貴州山地農(nóng)業(yè)作物秸稈資源非常豐富，但是秸稈還田率并不高，其主要原因一方面是由于貴州山地農(nóng)業(yè)土地分散，無法使用大型機(jī)械，從而導(dǎo)致秸稈不能就地粉碎還田；另一方面，貴州山區(qū)屬于典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨分配極不均勻，因此，即便秸稈粉碎還田后，也會(huì)由于缺水而導(dǎo)致秸稈無法及時(shí)分解和有效利用［19］。秸稈炭化制成的生物質(zhì)炭，不僅可解決農(nóng)作物秸稈綜合利用的問題，而且可用來實(shí)現(xiàn)化肥有機(jī)替代，是一項(xiàng)符合貴州山地農(nóng)業(yè)實(shí)際需求的重要技術(shù)措施。本研究中，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，CF90B10處理的鮮椒和干椒產(chǎn)量分別提高了7.3%和2.5%，而CF85B15和CF80B20處理則出現(xiàn)略微減產(chǎn)，但與CF100B0處理相比差異不明顯，這說明在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，用生物質(zhì)炭替代10%～20%化學(xué)氮肥具有一定的可行性。生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的主要原因一方面是生物質(zhì)炭本身含有豐富的氮素（總氮含量在1.0～78 g?kg-1）［20］，盡管這些氮素并非均是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可替代部分化學(xué)氮肥［21］；另一方面，生物質(zhì)炭除了含有氮、磷、鉀等大量元素外，還富含鈣、鎂、鋅等多種礦質(zhì)養(yǎng)分，有利于多養(yǎng)分的平衡供應(yīng)［22］，因此可以保證作物實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。而生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥15%和20%（CF85B15和CF80B20）處理的朝天椒產(chǎn)量出現(xiàn)略微減產(chǎn)，分析其主要原因可能是，大量生物質(zhì)炭施入導(dǎo)致土壤可溶性有機(jī)碳含量增加，從而加劇了土壤微生物與作物根系對氮素的競爭［23］，而且過高的生物質(zhì)炭可導(dǎo)致次生根總根長和生物量明顯增加，需要消耗大量的光合產(chǎn)物，故而導(dǎo)致產(chǎn)量出現(xiàn)下降［24］。

研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的施用可以改善作物品質(zhì)［25］，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果類似。本研究中，施用生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥使朝天椒的硝酸鹽含量降低了4.8%～8.9%，同時(shí)使朝天椒Vc含量提高了3.5%～24.8%，這可能是由于生物質(zhì)炭抑制了向的轉(zhuǎn)化速率，避免作物在短期內(nèi)吸收過多的氮素而造成硝酸鹽積累［26］，而生物質(zhì)炭中較高的鉀素含量以及鈣、錳、鋅等多種微量元素能夠促進(jìn)相關(guān)酶在植株體內(nèi)的合成，均有利于改善朝天椒的品質(zhì)［27］。

從本研究結(jié)果看，與常規(guī)施肥CF100B0處理相比，生物質(zhì)炭替代氮肥處理使氮肥偏生產(chǎn)力提高了2.08～2.62 kg?kg-1，而且CF90B10處理的AEN和REN均為最高，分別為7.70 kg?kg-1和40.3%，說明適量生物質(zhì)炭可替代化學(xué)氮肥并明顯提高氮肥利用率。分析原因可能包括：首先，貴州黃壤黏粒含量高、土壤較為緊實(shí)，當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后與供試土壤形成炭-土雙層結(jié)構(gòu)，不僅能夠提高土壤孔隙結(jié)構(gòu)和水分傳導(dǎo)孔隙度，而且可以增加上層土壤的蓄水能力和下層土壤的持水性能，改善作物根系的水肥生長環(huán)境［4,28］；其次，由于生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙和較高的離子交換量、羧基、羥基等官能團(tuán)，能夠提高對和的吸附固持作用，減少了氮素的流失［29］，而被生物質(zhì)炭吸附的氮素又可以被再次釋放，形成可供植物吸收利用的有效態(tài)氮，從而提高氮素利用率［30］；第三，生物質(zhì)炭的施用在改變土壤理化性質(zhì)的同時(shí)，還直接或間接地提高了與土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶活性、氨氧化細(xì)菌豐度與活性等，從而提高了氮素的生物有效性［31］。但是，生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥比例過高則會(huì)使氮肥利用率出現(xiàn)降低，可能原因包括：一方面施用生物質(zhì)炭后的短時(shí)間內(nèi)，土壤自身碳礦化速率加劇，進(jìn)而導(dǎo)致土壤碳含量激增，當(dāng)土壤中現(xiàn)有的含氮素物質(zhì)不足以維持平衡時(shí)，土壤中的固氮菌就會(huì)固定更多的氮素，進(jìn)而加劇了土壤微生物與作物對氮素的競爭［21,32］；另一方面，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，進(jìn)一步提高了土壤pH，從而促進(jìn)了NH3揮發(fā)［33-34］。

4 結(jié) 論

與常規(guī)施肥處理相比，生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥10%（CF90B10處理）可使朝天椒產(chǎn)量提高7.3%，氮肥表觀利用率提升4.45個(gè)百分點(diǎn)，并且可明顯改善朝天椒品質(zhì)，但生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥比例過高（CF85B15和CF80B20）則會(huì)有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，因此，在短期條件下，利用生物質(zhì)炭替代10%的化學(xué)氮肥來實(shí)現(xiàn)貴州黃壤朝天椒氮肥減施增效具有一定的可行性，但是，由于生物質(zhì)炭對土壤環(huán)境及作物生長的影響是一個(gè)長期積累的過程，本研究下階段將會(huì)進(jìn)一步研究生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥的長期效應(yīng)，以期為氮肥有機(jī)替代及氮肥減施增效技術(shù)提供更為可靠的技術(shù)支撐。