有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤氮素形態(tài)的影響

樊曉東，孟會生

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

我國擁有豐富的煤炭資源，但大量開采造成一系列環(huán)境問題以及對土地造成大規(guī)模的破壞，使得礦區(qū)土壤復(fù)墾變得尤為迫切[1]。土地復(fù)墾后，由于土壤層次結(jié)構(gòu)的破壞，使得土壤肥力變得很差。而土壤氮素含量是影響土壤肥力的一項重要指標(biāo)，因此，提高復(fù)墾土壤氮素含量以及復(fù)墾土壤氮素利用率是關(guān)鍵[2]。施用生物炭后，土壤肥力得以改善，農(nóng)作物產(chǎn)量得以提高，對改良土壤的肥力和促進(jìn)農(nóng)作物的生長具有積極作用，生物炭的應(yīng)用在直接或間接地改變著土壤質(zhì)量[3]。近年來，相關(guān)學(xué)者研究了生物炭對不同質(zhì)地土壤氮素運(yùn)移規(guī)律的影響、對土壤無機(jī)氮素淋失風(fēng)險的影響、對氮素釋放和轉(zhuǎn)化的影響以及對土壤硝化、反硝化作用、土壤固氮的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物炭對不同土壤氮素的影響存在很大差別。鄒娟[4]研究表明，生物炭的輸入能夠增強(qiáng)土壤有機(jī)氮的礦化，但對土壤微生物生物量氮的影響偏小，添加不同量的生物炭對旱地土壤氮素淋失也有不同的表現(xiàn)，對不同類型土壤如黃棕壤、紅壤、砂壤、紫色土中有效氮、總氮影響各不相同。而關(guān)于生物炭配施在采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤上氮素形態(tài)的影響研究鮮有報道。

本試驗以采煤塌陷區(qū)復(fù)墾5 a 的土壤為研究對象，在化肥和有機(jī)肥處理下通過配施生物炭，探討復(fù)墾土壤氮素形態(tài)的變化，旨在提高氮素含量和氮素利用率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)合理地發(fā)揮復(fù)墾土壤氮素效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

供試土壤采自長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村（36°28′11.95″N，113°00′52.57″E）。該地屬低山丘陵地帶，平均海拔980 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.5 ℃，年平均降水量532.8 mm，無霜期160 d。試驗在塌陷區(qū)復(fù)墾5 a 的土壤上進(jìn)行，土壤類型為石灰性褐土，0～20 cm 土壤pH 值為8.1，有機(jī)質(zhì)為9.82 g/kg，全氮為0.44 g/kg，全磷為0.45g/kg，堿解氮30.28 mg/kg，有效磷4.58 mg/kg，速效鉀118.29 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試作物為玉米，品種為大豐30（由山西大豐種業(yè)有限公司選育而成），生育期131 d。

供試化肥為尿素（含N 46.4%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、硫酸鉀（含K2O 45%）。供試有機(jī)肥為完全腐熟的雞糞，含有機(jī)質(zhì)54.8%、N 1.65%、P2O53.09%、K2O 2.59%，由太谷縣宏昊養(yǎng)殖專業(yè)合作社提供。供試生物炭由平遙縣晟弘生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司提供，裂解溫度為550～600 ℃，含有機(jī)質(zhì)57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計，在長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)西山底村選取復(fù)墾5 a 的試驗田，設(shè)置7 個處理，分別為對照（不施任何肥料，CK）、化肥（CF）、化肥＋生物炭（CFC）、有機(jī)肥（等量CF 養(yǎng)分的雞糞，M）、有機(jī)肥＋生物炭（MC）、有機(jī)肥＋化肥（MCF）、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭（50%的有機(jī)肥氮和50%的化肥氮，MCFC），重復(fù)3 次，共21 個小區(qū)，小區(qū)面積為60 m2（10 m×6 m）。試驗處理生物炭用量為6 000 kg/hm2，計算其CF 養(yǎng)分含量后再確定其他肥料用量，不同處理的肥料用量列于表1。除對照外，各施肥處理中施入等量養(yǎng)分（氮、磷、鉀），即N 198 kg/hm2、P2O5370.8 kg/hm2、K2O 310.8 kg/hm2。試驗于2017 年4 月29 日播種，9 月30 收獲，播種密度為6.0 萬株/hm2。

表1 不同處理的施肥用量 kg/hm2

1.4 測定項目及方法

玉米收獲后，采集0～20 cm 土壤樣品，進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。土壤全氮測定采用凱氏定氮法[5]；土壤堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法[5]；土壤硝態(tài)氮測定采用酚二磺酸比色法[5]；土壤微生物氮測定采用氯仿熏蒸法[6]。土壤有機(jī)氮組分采用Bremner 有機(jī)氮分級方法進(jìn)行分級[7]，其中，酸解性氮采用凱氏法測定；氨態(tài)氮采用MgO 氧化蒸餾法測定；氨+ 氨基糖氮采用磷酸- 硼砂緩沖液（pH＝11.2）蒸餾法測定；氨基酸態(tài)氮采用茚三酮氧化、磷酸- 硼砂緩沖液蒸餾法測定；未知態(tài)氮、氨基糖氮和非酸解氮通過差減法求得。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2010 統(tǒng)計試驗結(jié)果，采用SAS 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影響

從表2 可以看出，在不同施肥處理下，土壤全氮含量范圍為1.223～1.260 g/kg，同對照處理相比，各施肥處理均有效提高了土壤全氮含量，且差異均達(dá)顯著水平。其中，化肥＋生物炭與化肥處理相比，全氮含量增加了0.6%，但差異不顯著；有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比，全氮含量增加了1.5%，且差異顯著；有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥+ 化肥處理相比，全氮含量增加了0.9%，且差異顯著。增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭這3 個處理之間差異不顯著。增施生物炭有效地提高了土壤全氮含量，這與李玥等[8]、郭偉等[9]、程效義[10]的研究結(jié)果基本一致?？赡苁怯捎谏锾勘旧淼暮獥l件以及作為一種良好的改良劑所具有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)和特性，通過直接或間接地影響土壤條件，吸附保持土壤氮素，減少氮素各種形態(tài)的流失，從而使土壤中的全氮含量有所提高。

表2 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影響

各施肥處理的酸解性氮含量與對照相比均顯著提高。其中，化肥＋生物炭與單施化肥處理相比，差異不顯著；有機(jī)肥＋生物炭相比有機(jī)肥處理增加了2.8%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比增加了3.1%，差異均達(dá)顯著水平。配施生物炭處理的酸解性氮大小為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，且處理間差異顯著；而沒有配施生物炭處理的酸解性氮大小為有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥，且處理間差異達(dá)顯著水平。說明有機(jī)肥對土壤酸解性氮含量具有較大貢獻(xiàn)，這與李萌等[11]的研究結(jié)果相近。

與對照相比，各個施肥處理的非酸解性氮含量均增加，且差異均達(dá)顯著水平，其中，化肥處理的非酸解性氮含量最高。有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理間差異不顯著；化肥＋生物炭與化肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理與有機(jī)肥＋化肥處理相比，非酸解性氮含量分別顯著降低了4.3%，5.1%。說明生物炭的施用可降低復(fù)墾土壤中非酸解性氮含量。配施生物炭處理的非酸解性氮從小到大為有機(jī)肥＋生物炭＜有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，且處理間差異顯著，說明有機(jī)肥＋生物炭處理可使非酸解性氮含量降低；而沒有配施生物炭處理的非酸解性氮從小到大為有機(jī)肥＜有機(jī)肥＋化肥＜化肥，處理間差異顯著。說明有機(jī)肥對土壤非酸解性氮含量降低明顯，這與張玉樹等[12]的研究結(jié)果相近。

2.2 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤酸解性氮組分的影響

由表3 可知，不同處理的復(fù)墾土壤酸解性氮組分發(fā)生了顯著變化，與對照相比，各處理氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮含量、氨基糖氮和未知態(tài)氮含量均顯著提高?；剩锾颗c化肥處理相比，氨基酸態(tài)氮含量增加5.3%，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比氨基酸態(tài)氮含量增加7.7%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比氨基酸態(tài)氮含量增加7.4%，且均呈顯著差異。增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥+ 生物炭這3 個處理的氨基酸態(tài)氮含量之間差異顯著，處理間大小順序為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥+ 化肥+ 生物炭＞化肥＋生物炭，有機(jī)肥＋生物炭處理的復(fù)墾土壤氨基酸態(tài)氮含量最高，說明有機(jī)肥與生物炭配施可顯著提高復(fù)墾土壤酸解性氮組分中氨基酸態(tài)氮的含量。

氨態(tài)氮含量化肥＋生物炭與化肥處理間差異不顯著，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理間差異均達(dá)顯著水平，添加生物炭比對應(yīng)不添加生物處理氨態(tài)氮含量分別降低了3.5%，5.7%，5.8%；增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭3 個處理之間氨態(tài)氮含量差異顯著，化肥＋生物炭處理的復(fù)墾土壤氨態(tài)氮含量最高。各處理間氨基糖氮含量差異不顯著，其中，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理氨基糖氮含量最高。

化肥＋生物炭與化肥處理相比酸解未知態(tài)氮含量增加了5.6%，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比未知態(tài)氮含量增加了3.6%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比未知態(tài)氮含量增加了4.3%，且差異均達(dá)顯著水平；增施生物炭的化肥+ 生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭這3 個處理之間未知態(tài)氮含量差異顯著，有機(jī)肥＋生物炭較化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理分別提高20.7%，7.8%。說明有機(jī)肥與生物炭配施有利于酸解未知態(tài)氮的提高。

不同施肥處理均降低了未知態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例，化肥、化肥＋生物炭、有機(jī)肥、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理未知態(tài)氮組分占比分別比對照降低了23.8%，23.8%，9.5%，9.5%，14.3%，14.3%，但沒有影響酸解性總氮中各組分比例大小順序，各處理均為氨基酸態(tài)氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。

表3 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤酸解性氮組分的影響

2.3 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮與微生物量氮的影響

表4 有機(jī)肥、化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮與微生物量氮組分的影響 mg/kg

從表4 可以看出，復(fù)墾土壤堿解氮含量的變化與硝態(tài)氮、微生物量氮含量變化大致相同，各個施肥處理與對照相比均為差異性顯著，并且有機(jī)肥+生物炭處理中，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量均達(dá)到最高。在各個處理中，化肥+ 生物炭與化肥處理相比，堿解氮和硝態(tài)氮含量差異不顯著，微生物量氮含量顯著增加26.7%；有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量分別增加了11.1%，20.3%，8.8%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量分別增加了16.6%，23.2%，10.4%，且差異均達(dá)顯著水平。配施生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮以及微生物量氮化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理間差異均顯著，且有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，說明有機(jī)肥＋生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量最大。而沒有配施生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮以及微生物量氮有機(jī)肥、有機(jī)肥＋化肥、化肥處理間差異顯著，且有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥，有機(jī)肥處理的堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量最大?？赡苁怯捎谏锾俊⒂袡C(jī)肥為固氮菌提供了適宜的生長環(huán)境和豐富的C 源，有利于固氮菌更好地發(fā)揮固氮功效[13]，而且施用生物炭對土壤NO3- N 有吸附截留作用。此結(jié)果與前人[14-15]的研究結(jié)果類似。生物炭、有機(jī)肥也增加了微生物的活性；由于生物炭具有較強(qiáng)的保水和持水能力，在一定用量范圍內(nèi)，土壤含水量隨生物炭施用量的增加而增加[16-17]，李世清等[18]通過培養(yǎng)試驗表明，微生物量氮的含量與水分呈指數(shù)關(guān)系。

3 討論

本研究表明，增施生物炭以后的處理均有效地提高了復(fù)墾土壤中的全氮含量，化肥＋生物炭比化肥處理全氮含量增加了0.6%；有機(jī)肥＋生物炭比有機(jī)肥處理全氮含量增加了1.5%；有機(jī)肥＋化肥＋生物炭比有機(jī)肥＋化肥處理全氮含量增加了0.9%?？赡苁且驗樯锾勘旧砗猩倭康牡蛘呤┯蒙锾坑锌赡芙档土薔Ox 形式氮素的損失。ZHANG 等[19]基于稻田試驗也發(fā)現(xiàn)，單一施用生物炭使得N2O 的排放量減少了21%～28%。本研究表明，對酸解有機(jī)氮來說，沒有配施生物炭處理的酸解有機(jī)氮含量表現(xiàn)為有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥；配施生物炭的處理表現(xiàn)為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭。而配施生物炭的處理均高于沒有配施生物炭的處理，說明有機(jī)肥對土壤酸解性氮含量有很大貢獻(xiàn)。對于非酸解性氮，增施生物炭各處理從小到大為有機(jī)肥+ 生物炭＜有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，其含量均有所下降，相當(dāng)于其他形態(tài)的氮素所占比例要增加，可礦化氮的比例增加，提高了復(fù)墾土壤氮素有效性，土壤熟化作用增強(qiáng)[20]。

氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮是酸解性氮組分中有效氮的重要來源，占有較大的比例，可轉(zhuǎn)化為土壤中的可礦化態(tài)氮[20]。本研究表明，增施生物炭對氨基酸態(tài)氮含量有明顯的提高，對于氨態(tài)氮、氨基糖氮含量表現(xiàn)差異不明顯。前人研究發(fā)現(xiàn)[21]，酸解氨態(tài)氮與氨基酸態(tài)氮變化趨勢一樣，增施生物炭會降低氨基糖氮的比例，由于試驗地類型、生物炭種類、裂解溫度、試驗地作物等的不同，可能造成試驗結(jié)果的不一致。酸解未知態(tài)氮的含量呈上升趨勢，可能是由于生物炭的施用改變了土壤微生物生存環(huán)境，微生物利用生物炭表面活躍的C，增強(qiáng)了微生物活性，促進(jìn)土壤微生物生長代謝[22]，土壤中比較復(fù)雜的大分子物質(zhì)，經(jīng)微生物作用分解，從而增加了土壤中氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮等的含量。本研究表明，不同施肥處理降低了未知態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例，但沒有影響酸解性總氮中各組分比例大小順序，各處理均為氨基酸氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。這與黑土[23]、棕壤[24]、塿土[25]等土壤類型的研究結(jié)果不同，說明土壤類型是影響有機(jī)氮組分結(jié)構(gòu)的主要因素之一[12]。

生物炭可以影響土壤水分、溫度、酸堿性、通氣性等一系列物理化學(xué)性質(zhì)，從而影響微生物活性，使有效氮、硝態(tài)氮發(fā)生變化。本試驗表明，施用生物炭提高了土壤堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量，與前人研究結(jié)果基本一致[26]。

4 結(jié)論

本試驗是在有機(jī)肥和化肥處理下通過增施生物炭，研究其對復(fù)墾土壤各種氮素形態(tài)的影響，結(jié)果表明，增施生物炭提高了復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮的含量，非酸解性氮含量降低，有機(jī)肥+ 生物炭與單施有機(jī)肥處理相比，酸解性氮含量增加2.8%。

增施生物炭提高了復(fù)墾土壤酸解性氮組分中的氨基酸態(tài)氮、氨基糖氮和未知態(tài)氮的含量，氨態(tài)氮含量降低，其中，有機(jī)肥+ 生物炭與單施有機(jī)肥處理相比，氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的含量分別增加了7.7%和3.6%，化肥＋有機(jī)肥＋生物炭與化肥＋有機(jī)肥處理相比，氨基糖氮含量增加了16.3%。

增施生物炭也提高了復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮和微生物量氮的含量，并且有機(jī)肥+ 生物炭處理與單施有機(jī)肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮和微生物量氮的含量分別增加了11.1%，20.3%和8.8%；酸解性總氮中各組分比例的大小順序為氨基酸氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。