施用生物炭對(duì)紅壤和潮土種植小白菜氮素利用的影響

方 明，任天志，賴 欣，王知文，2，宋婷婷，3，陳建汶，4，李 潔*，張貴龍*

（1．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；4．天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300380）

近年來(lái)，作為一種優(yōu)良的土壤改良劑，生物炭被廣泛應(yīng)用于改土培肥、協(xié)同增產(chǎn)等方面，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用和環(huán)境保護(hù)，以及發(fā)展環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)有重要意義［1-2］。

生物炭具有多孔性、比表面積大、離子交換量大［3］等特性，能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，減小水分的滲濾速度，提高土壤持水性能［4］，刺激作物根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收［5］，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量［6］。Spokas［7］指出，目前50%的研究中生物炭能夠使作物增產(chǎn)，30%的研究顯示其對(duì)作物沒(méi)有增產(chǎn)效果，甚至20%發(fā)生減產(chǎn)。Rogovska 等［8］和王典等［9］的研究也顯示，生物炭本身攜帶的養(yǎng)分、制備過(guò)程不完全燃燒、熱解過(guò)程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，及施入土壤帶來(lái)的pH 值、C/N 變化可能是導(dǎo)致作物生長(zhǎng)差異的主要原因。Verheijen 等［10］進(jìn)一步分析指出，在盆栽和田間條件下，施用生物炭對(duì)作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響與其施用量、土壤類型等因素顯著相關(guān)。

潮土占我國(guó)耕地面積60%，是黃淮海平原的代表性土壤［11］。紅壤占我國(guó)耕地面積的30%，是我國(guó)亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)分布的重要耕作土壤類型。這兩類土壤均是我國(guó)大陸重要的土壤類型，空間分布上存在南北差異，成土母質(zhì)不同，且質(zhì)地、酸堿性相反。前期研究顯示，生物炭施入對(duì)兩類土壤養(yǎng)分利用、作物生長(zhǎng)等影響不同，是由于生物炭表面具有的堿性基團(tuán)，使其更易成為酸性土壤的改良劑，能夠降低氮素?fù)p失，提高氮素利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)［9］。而在堿性農(nóng)業(yè)土壤中施用生物炭，可能引發(fā)養(yǎng)分有效性降低的問(wèn)題，影響作物生長(zhǎng)［11］。

根系是作物吸收水分、養(yǎng)分的重要器官，其分布特征和發(fā)育情況不僅與作物地上部生長(zhǎng)性狀、產(chǎn)量關(guān)系密切，也與土壤氮素養(yǎng)分吸收緊密相關(guān)，形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)良且活力高的根系是作物生長(zhǎng)發(fā)育、氮素吸收利用和產(chǎn)量形成的重要保證［12］。在農(nóng)業(yè)上，氮素輸入包括肥料氮、礦化氮和土壤殘留氮，氮素輸出包括作物吸收、土壤殘留和表觀損失，土壤-作物體系的氮素平衡是評(píng)價(jià)氮肥管理合理與否的關(guān)鍵。生物炭具有的疏松多孔特性可提高土壤通氣性，有利于作物根系的生長(zhǎng)［13-14］。以往生物炭對(duì)不同土壤氮素遷移和轉(zhuǎn)化的作用主要集中在氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程、微生物作用機(jī)理等方面［15-16］，對(duì)作物根系的研究也主要集中在作物根系系統(tǒng)發(fā)育上［17］，缺乏將根系特征與氮素養(yǎng)分吸收和不同土壤-作物體系的氮素平衡相結(jié)合的研究。本研究以潮土和紅壤為對(duì)象，利用500℃厭氧熱解制備花生殼生物炭，設(shè)質(zhì)量比為B1（0.5%），B2（1%），B3（2%），B4（4%）的生物炭均勻摻混梯度，以小白菜為供試作物：1）觀測(cè)生物炭施用對(duì)作物根系形態(tài)和地上部產(chǎn)量的影響；2）對(duì)比研究生物炭對(duì)兩類土壤氮素殘留、種植小白菜氮素吸收和淋失量的影響；3）解析生物炭對(duì)土壤-作物體系氮素平衡的整體影響，及根系特征指數(shù)與氮素利用指標(biāo)相關(guān)性，探討生物炭對(duì)潮土和紅壤小白菜生長(zhǎng)和氮素利用的影響，以期豐富生物炭農(nóng)田管理的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試花生殼生物炭為500℃厭氧熱解制備（河南三利新能源公司），其pH 值為9.72，比表面積為5.38m2/g，碳含量為719.26g/kg，氮含量為17.63g/kg。供試土壤為潮土和紅壤。潮土采集地點(diǎn)為天津市武清區(qū)梅廠鎮(zhèn)周莊村（39°36′12″N，117°13′06″E），其pH值為7.99，有機(jī)碳含量為7.22g/kg，硝態(tài)氮含量為27.90mg/kg，銨態(tài)氮含量為5.21mg/kg，容重為1.61g/cm3，土壤毛管持水量18.5%；紅壤采集地點(diǎn)為湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村（28°25′04″N，113°21′48″E），其pH 值為4.82，有機(jī)碳含量為10.26g/kg，硝態(tài)氮含量為6.90mg/kg，銨態(tài)氮含量為1.72mg/kg，容重為1.62g/cm3，土壤毛管持水量19.4%。分層對(duì)0～20 和20～40cm 土壤采集，兩處采集地點(diǎn)均長(zhǎng)期種植露地蔬菜，主要種植小白菜、甘藍(lán)等葉菜類蔬菜。土樣分層風(fēng)干、混合過(guò)5mm 篩，用于土柱填裝。供試作物為小白菜（Brassica rapa L．chinensis），生長(zhǎng)周期為40d左右，施用氮肥為尿素。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用土柱培養(yǎng)試驗(yàn)，設(shè)6 個(gè)處理，包括：空白對(duì)照處理（CK），單獨(dú)施用氮肥處理（N），施用生物炭和施肥處理，生物炭與土壤的質(zhì)量比設(shè)B1（0.5%）、B2（1%）、B3（2%）和B4（4%）4 個(gè)水平。紅壤（R）各處理表示為RCK、RN、RB1N、RB2N、RB3N、RB4N；潮土各處理表示為MCK、MN、MB1N、MB2N、MB3N、MB4N，每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

分兩層將土壤裝入淋溶土柱裝置，土柱裝置參見(jiàn)文獻(xiàn)［18］，先裝20～40cm 土層，后裝0～20cm土層，其中0～20cm 土層為土壤與生物炭充分混勻后慢慢壓實(shí)裝入［18］。每個(gè)土柱內(nèi)填裝的生物炭和土壤總質(zhì)量均為12kg，各處理之間土壤高度相差不超過(guò)2cm。將小白菜種子在育苗盤中進(jìn)行培養(yǎng)。5 月初將育苗盤中長(zhǎng)出2 片真葉的小白菜進(jìn)行移植，10d左右待植株生長(zhǎng)穩(wěn)定后進(jìn)行間苗，每個(gè)處理保留3 株小白菜。每個(gè)土柱加3.07g（約為450kg/hm2）尿素（CK 除外），尿素在植株移植后第二天溶解后施入。參照Hansen 等［19］的方法，配制并施入含有磷鉀等多種養(yǎng)分的營(yíng)養(yǎng)液。試驗(yàn)期間通過(guò)土壤水分傳感器（Unism，In.，Beijing，China）監(jiān)測(cè)土壤含水量，及時(shí)用蒸餾水澆灌以補(bǔ)充水分，保持土壤體積含水量為30%～40%。

1.3 樣品采集

試驗(yàn)結(jié)束后，采集0～20cm 耕層土壤，土樣采集后，一部分保存于-20℃冰箱，用于土壤NO3--N和NH4+-N 含量的測(cè)定，另一部分風(fēng)干后研磨過(guò)篩，用于土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、pH 值等土壤理化性狀的測(cè)定。植物在收獲后完整取樣，采用挖掘法取0～40cm 土層根系，根系和葉片部分用蒸餾水沖洗后，測(cè)量植物鮮重，同時(shí)進(jìn)行根系掃描，測(cè)定根系形態(tài)特征。鮮樣測(cè)定完成后，將根系和葉片部分經(jīng)75℃、72h 烘干，測(cè)定植株干重，隨后研磨過(guò)0.149mm 篩測(cè)定植株全氮含量。淋濾液通過(guò)土柱的集液裝置進(jìn)行收集，過(guò)濾，放入-20℃冰箱待測(cè)。

1.4 試驗(yàn)方法

利用EPSON EXPRESSION1680掃描儀將根系掃描成像后，通過(guò)根系分析軟件WinRHIZO 對(duì)根系圖像進(jìn)行分析處理，測(cè)量根系特征參數(shù)。

植物硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測(cè)定［20］；植株全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定。

土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、淋濾液無(wú)機(jī)氮含量采用AA3 型流動(dòng)分析儀（AA3，Bran+Luebbe Corp，德國(guó)）測(cè)定。

生物炭的碳、氮含量由元素分析儀（Vario Micro cube，Elementar Corp，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定。

1.5 土壤-作物體系氮素平衡與利用效率計(jì)算［21-22］

收獲指數(shù)=地上部干重（g）/［地上部干重（g）+地下部干重（g）］×100%

根冠比（%）=地下部干重（g）/地上部干重（g）×100

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=作物產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）×100%

氮素吸收（kg/hm2）=小白菜干物重（kg/hm2）×含氮率（g/kg）/1000

植物氮素吸收效率（%）=（施氮區(qū)植株總吸氮量-無(wú)氮區(qū)植株總吸氮量）（kg/hm2）/氮肥施用量（kg/hm2）×100

氮素表觀礦化量（g）=對(duì)照區(qū)作物吸氮量（g）+對(duì)照區(qū)收獲后無(wú)機(jī)氮量（g）-對(duì)照區(qū)播種前無(wú)機(jī)氮量（g）

表觀無(wú)機(jī)氮?dú)埩簦╣）=收獲后土壤無(wú)機(jī)氮含量（mg/kg）×12kg（土壤重量）/1000

氮素表觀損失量（g）=氮素總投入量（g）-植株累積吸氮量（g）- 收獲后土壤無(wú)機(jī)氮量（g）

氮肥表觀殘留率（%）=［施氮處理土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩簦╣）-對(duì)照土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩簦╣）］/施氮量（g）×100

氮肥表觀利用率（%）=［施氮處理植株累積吸氮量（g）-不施氮處理植株累積吸氮量（g）］/施氮量（g）×100

氮肥表觀損失率（%）=100%-氮肥表觀利用率-氮肥表觀殘留率

氮素淋失量（mg）=淋濾液無(wú)機(jī)氮濃度（mg/L）×淋濾液體積（mL）×1000

小白菜吸氮量在計(jì)算氮素平衡時(shí)通過(guò)土柱面積進(jìn)行定量折算。

1.6 數(shù)據(jù)處理分析

利用Excel2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及圖表的繪制，利用SPSS17.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，Duncan 多重比較判斷處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對(duì)小白菜生物量和根系形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1 施用生物炭對(duì)小白菜生物量的影響

圖1 施用生物炭對(duì)不同土壤小白菜生物量及其分配的影響

如圖1 所示，施用生物炭對(duì)小白菜地上部和地下部干重均影響顯著。與單施氮肥處理（MN，RN）相比，施用生物炭在紅壤上，小白菜地上和地下部的生物量分別提高了35.7%～69.0%、63.0%～77.1%；而施用在潮土上，小白菜地上和地下部的生物量則分別降低了59.1%～77.2%、70.6%～80.6%。但不同生物炭施用量之間沒(méi)有顯著差異，施用生物炭也未對(duì)小白菜的收獲指數(shù)產(chǎn)生顯著影響。在生物量分配上，潮土種植小白菜的根冠比在施用2%、4%生物炭時(shí)顯著降低了24.6%和25.2%；而紅壤種植小白菜根冠比整體上降低了48.6%～58.3%，說(shuō)明超過(guò)一定量的生物炭施用顯著降低了小白菜的根冠比。

2.1.2 施用生物炭對(duì)根系形態(tài)指標(biāo)的影響

進(jìn)一步分析可知，施用生物炭不僅顯著影響小 白菜生物量，也對(duì)其根系形態(tài)特征指標(biāo)影響顯著（表1）。在紅壤中隨生物炭施用量的增加，小白菜主根長(zhǎng)和根體積顯著增加，根表面積則呈先顯著增加后降低趨勢(shì)，當(dāng)生物炭施用量為0.5%和1%（RB1N，RB2N）時(shí)，小白菜根表面積最大，分別為65.53 和69.59cm2，較RN 處理分別提高47.5%和56.7%，而當(dāng)生物炭施用量超過(guò)1%，根表面積迅速減小，其中RB4N 處理僅為34.44cm2，顯著低于對(duì)照。而在潮土中施用生物炭時(shí)，與單施氮肥處理（MN）相比，小白菜主根長(zhǎng)降低了11.5%～30.1%，根表面積減小了45.6%～55.9%。以上論述說(shuō)明，在紅壤施用一定量生物炭，可促進(jìn)小白菜根系生長(zhǎng)；而生物炭施用在潮土卻一定程度上抑制了小白菜根系生長(zhǎng)。

表1 施用生物炭對(duì)不同土壤小白菜根系形態(tài)指標(biāo)的影響

2.2 施用生物炭對(duì)作物氮素吸收的影響

由圖2 可知，施用生物炭顯著影響小白菜對(duì)氮素的吸收效率和硝酸鹽含量。與空白對(duì)照相比，不同處理小白菜植株全氮含量均有所提高，但僅紅壤施用4%生物炭處理（RB4N）增幅達(dá)顯著水平。然而，施用生物炭則顯著降低植株硝酸鹽含量，紅壤和潮土各施用生物炭處理分別較單施氮肥處理降低了40.9%～84.6%和18.8%～75.0%。

與單施氮肥（RN）相比，紅壤施用生物炭處理顯著增加小白菜氮素吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力，增幅分別達(dá)44.7%～59.6%和32.0%～63.2%。而在潮土施用生物炭，其氮素吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力降幅分別達(dá)64.7%～73.5%和65.1%～79.3%，隨生物炭施用量的增加，氮素吸收效率無(wú)顯著變化，但氮肥偏生產(chǎn)力呈顯著降低趨勢(shì)。綜上說(shuō)明，施用生物炭雖然總體上增加小白菜氮素吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力，但過(guò)量施用生物炭，仍可能影響作物對(duì)氮素的吸收。

2.3 施用生物炭對(duì)紅壤和潮土氮素殘留和淋失量的影響

2.3.1 生物炭對(duì)潮土和紅壤氮素淋濾液體積和淋溶動(dòng)態(tài)的影響

圖2 施用生物炭對(duì)不同土壤種植小白菜氮素利用率的影響

兩種土壤淋濾液的體積如圖3所示。與單施氮肥相比，施用生物炭顯著降低了潮土和紅壤的總淋失量，其中，潮土淋濾液體積顯著降低了27.4%～48.2%，與單施氮肥（N）相比，在紅壤中施用2%和4%生物炭處理（RB2N，RB3N）顯著降低了淋濾液體積16.2%和17.5%。

圖3 施用生物炭對(duì)不同土壤淋濾液的體積的影響

生物炭對(duì)淋濾液中無(wú)機(jī)氮濃度的影響主要發(fā)生在淋溶初期。由圖4 可以看出，潮土的淋濾液中銨態(tài)氮濃度在0.05～0.47mg/L 之間，硝態(tài)氮的濃度在1.07～8.84mg/L 之間，并且單施氮肥處理MN 的淋濾液中無(wú)機(jī)氮濃度最高。紅壤淋濾液中銨態(tài)氮的濃度在0.06～11.59mg/L 之間變化，硝態(tài)氮的濃度在1.73～15.59mg/L 之間變化。但不同的生物炭施用量對(duì)淋濾液無(wú)機(jī)氮濃度未產(chǎn)生顯著影響。

2.3.2 施用生物炭對(duì)潮土和紅壤無(wú)機(jī)氮淋溶和氮素殘留的影響

施用生物炭對(duì)兩種土壤氮素淋溶損失如圖5a、b 所示。與單獨(dú)添加氮肥相比，施用生物炭顯著減少了紅壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋失量25.8%～73.0%和26.3%～55.0%（添加0.5%生物炭處理RB1N 淋失量顯著增加了20.8%）；降低潮土硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋失量為11.9%～34.2%和87.2%～97.1%，其中隨生物炭施用量的增加，兩種土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失量均呈降低趨勢(shì)。

施用生物炭對(duì)兩種土壤氮素殘留的影響如圖5c、d 所示，與單施氮肥處理相比，紅壤施用0.5%和1%生物炭處理（RB1N，RB2N），土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅匡@著降低，施用2%和4%生物炭處理（RB3N，RB4N），土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅縿t顯著增加；土壤銨態(tài)氮?dú)埩袅侩S生物炭施用量的增加而顯著降低。潮土施用生物炭處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅吭?04.93～147.54mg/kg，整體上高于紅壤施用生物炭處理35.72～140.85mg/kg。與單施氮肥處理相比，潮土硝態(tài)氮?dú)埩袅吭?%和2%生物炭處理較高，而添加0.5%生物炭處理銨態(tài)氮?dú)埩袅孔罡?，而后隨生物炭施用量的增加顯著降低。

圖4 不同土壤施用生物炭的淋濾液無(wú)機(jī)氮含量動(dòng)態(tài)變化

圖5 施用生物炭對(duì)不同土壤氮素淋失和殘留量的影響

2.4 土壤-作物體系的氮素平衡

表2 顯示了施用生物炭對(duì)不同土壤-作物體系氮素平衡各項(xiàng)指標(biāo)的影響。與單施氮肥處理相比，紅壤施用生物炭顯著增加作物氮素吸收38.5%～55.6%，而潮土則降低68.5%～77.1%，施用0.5%和1%生物炭處理（MB1N，MB2N）顯著降低紅壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩?2.3%和60.1%，施用1%和2%生物炭處理（MB2N，MB3N）顯著增加潮土無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅?5.6%和30.7%。同時(shí)，與單施氮肥（RN，MN）相比，施用生物炭顯著增加潮土表觀損失27.1%～47.7%，施用0.5%和1%生物炭（RB1N，RB2N）顯著增加了紅壤的表觀損失25.7%和26.9%，但施用2%和4%（RB3N，RB4N）生物炭顯著降低了氮素表觀損失39.0%和15.4%。

表2 施用生物炭對(duì)土壤-作物體系氮素平衡的影響

與單施氮肥相比，施用生物炭顯著提高了68.0%～74.6%的潮土表觀殘留率。施用1%和2%生物炭（MB2N，MB3N）顯著提高了潮土的氮素表觀損失率，分別提高了28.6%和34.5%，小白菜氮素表觀利用率降低了83.3%～94.4%。施用生物炭顯著降低了紅壤的表觀損失率25.0%～41.2%，不同生物炭施用量之間未表現(xiàn)出明顯的差異，顯著提高了紅壤的氮肥表觀利用率72.7%～83.3%，且隨生物炭施用量的增加有降低趨勢(shì)，與單施氮肥相比，紅壤的氮素表觀殘留率降低了25.0%～41.1%。

2.5 根系特征指數(shù)與氮素利用指標(biāo)偏相關(guān)性分析

作物根系特征與氮素吸收利用指標(biāo)偏相關(guān)分析結(jié)果表明，小白菜主根長(zhǎng)、根重和根表面積均與氮肥表觀利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素吸收效率具有顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。而根直徑與根體積沒(méi)有對(duì)氮素利用各指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

表3 根系特征指數(shù)與作物氮素利用指標(biāo)偏相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同土壤施用生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

生物炭具有輕質(zhì)、多孔、比表面積大等特點(diǎn)，生物炭施用能夠增加土壤碳氮養(yǎng)分庫(kù)，擾動(dòng)土壤微生物群落，改變通氣透水條件等，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)［23］。土壤類型是影響生物炭改良效果的重要因素，一些研究認(rèn)為，施用生物炭對(duì)熱帶或亞熱帶地區(qū)分布的紅壤或磚紅壤具積極改土培肥效果，并對(duì)其種植作物具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)［24-25］。同時(shí)也有研究指出，對(duì)溫帶分布的養(yǎng)分含量較高農(nóng)業(yè)土壤施用生物炭，可能會(huì)使土壤pH 值過(guò)高，降低養(yǎng)分有效性，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生消極影響［25］。

本研究中，對(duì)紅壤施用生物炭顯著提高小白菜產(chǎn)量，促進(jìn)了其根系的發(fā)育，與對(duì)照相比，施用生物炭顯著增加了小白菜的主根長(zhǎng)、根表面積，這與Abiven 等［26］研究結(jié)果相似。作物產(chǎn)量增加首先得益于生物炭豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)紅壤理化特性的改善，降低土壤容重、提高土壤孔隙率［21］，改變土壤團(tuán)聚體特性，增強(qiáng)土壤持水性能。同時(shí)，生物炭富含多種作物生長(zhǎng)所必要的營(yíng)養(yǎng)元素，其較大比表面積和表面豐富的官能團(tuán)可以提高土壤陽(yáng)離子交換量，吸附更多養(yǎng)分離子，起到養(yǎng)分緩釋作用［24］，此外，生物炭的輸入還可以為土壤微生物提供碳源和棲息所需微環(huán)境，影響微生物群落分布［27］。這些都為小白菜提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

而一些研究也顯示，在養(yǎng)分含量相對(duì)較高的堿性鈣質(zhì)土中施用生物炭，對(duì)作物生長(zhǎng)的影響仍存在爭(zhēng)議［23］。在本研究中，潮土施用生物炭處理的小白菜地上部和地下部生物量分別降低了59.1%～77.2%、70.6%～80.6%， 主 根 長(zhǎng) 降 低11.5%～30.1%，根表面積降低45.6%～55.9%，說(shuō)明對(duì)潮土施用生物炭，顯著抑制小白菜根系發(fā)育，降低作物產(chǎn)量，該結(jié)果與Gaskin 等［23］研究結(jié)論一致，但與劉園等［13］研究結(jié)果不同。劉園等［13］通過(guò)大田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)潮土種植作物總產(chǎn)量較不施生物炭處理提高了4.54%～4.92%，未發(fā)現(xiàn)生物炭顯著抑制作物生長(zhǎng)的現(xiàn)象，其原因可能與生物炭所具有的孔隙結(jié)構(gòu)可有效調(diào)控土壤水毛細(xì)管運(yùn)移和提高土壤水分保持能力，及大田土壤較好的緩沖作用有關(guān)。此外也有研究提出，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響可能與制備材料、用量、種植作物種類有關(guān)［28］。施用生物炭對(duì)小白菜的抑制作用可能與生物炭表面含氧官能團(tuán)吸附等陽(yáng)離子，影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化速率，及帶入過(guò)多有機(jī)碳組分從而引起土壤微生物的固氮作用等有關(guān)［29］。本研究進(jìn)一步對(duì)生物炭施用下兩種土壤-作物體系氮素平衡進(jìn)行分析（表2），可以看出，在潮土中施用生物炭處理顯著提高土壤氮表觀殘留率68.0%～74.6%，但作物氮素利用率并未相應(yīng)提升，說(shuō)明雖然生物炭對(duì)潮土氮素起到固持作用，但作物并未有效吸收，從而一定程度上抑制了作物的生長(zhǎng)，造成生物量的降低。

根冠比主要反映地上部和根系之間對(duì)光合產(chǎn)物的分配狀況［30］，它與土壤中養(yǎng)分含量和土壤性質(zhì)有關(guān)。本研究表明施用生物炭在紅壤上顯著降低了小白菜根冠比48.6%～58.3%（圖1），Reich 等［31］研究表明施肥可減少生物量向根系的分配，這也與本研究的結(jié)論一致。生物炭對(duì)表層土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅慨a(chǎn)生了影響（圖5c、d），可能是生物炭降低兩種土壤種植小白菜根冠比的原因（圖1）。Spokas等［32］發(fā)現(xiàn)生物炭加入土壤中導(dǎo)致植物體內(nèi)乙烯含量的增加，這也可能是促進(jìn)植物地上部生長(zhǎng)，降低根冠比的原因之一。但是，施用生物炭對(duì)作物地上-地下部的調(diào)節(jié)作用，仍有待進(jìn)一步研究。

3.2 施用生物炭對(duì)不同土壤氮素轉(zhuǎn)化和利用效率的影響

菜地肥料氮的大量施用，帶來(lái)了嚴(yán)重的土壤酸化、養(yǎng)分淋失、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)加劇等環(huán)境問(wèn)題。而大量研究顯示，施用生物炭可有效緩解土壤酸化的趨勢(shì)，改善土壤環(huán)境狀況，影響土壤氮素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過(guò)程［25］，阻控氮素養(yǎng)分損失，降低施化肥帶來(lái)的氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)，提高養(yǎng)分利用效率［33］。

本研究結(jié)果顯示，相對(duì)于單施氮肥處理，隨生物炭施用量的增加，兩種供試土壤無(wú)機(jī)氮（NH4+-N和NO3--N）淋失量顯著降低（圖5a，b），紅壤施用生物炭處理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋失量分別降低25.8%～73.0%和26.3%～55.0%（添加0.5%生物炭處理除外），潮土施用生物炭處理硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋失量分別降低11.9%～34.2%和87.2%～97.1%，該結(jié)果與肖茜等［34］和Haider［35］的研究結(jié)果一致。前期研究指出，生物炭減少土壤NH4+-N 淋失，主要與生物炭增加土壤CEC 量有關(guān)［36］，使帶正電荷的NH4+-N 易被呈負(fù)電性的土壤顆?；蛏锾勘砻鎺ж?fù)電荷的官能團(tuán)通過(guò)離子交換所吸附［37］。而生物炭阻控硝態(tài)氮的淋失主要受控于兩方面因素：一是生物炭增加土壤持水能力［38］，二是生物炭通過(guò)表面含氧官能團(tuán)吸附作用將NO3--N 固持［39］，因此，生物炭通過(guò)離子交換和靜電引力將氮素吸附在其表面，可能是其阻控土壤無(wú)機(jī)氮淋失的主要機(jī)制。

施用生物炭有效緩解了紅壤酸化，改良紅壤的理化性質(zhì)，提高氮肥吸收利用率。在本研究中，在紅壤中施用生物炭顯著提高小白菜氮素吸收效率44.7%～59.6%，提高氮素表觀利用率72.7%～83.3%，氮肥偏生產(chǎn)力增加32.0%～63.2%。而在潮土中施用生物炭，則降低小白菜氮素吸收效率64.7%～73.5%，氮素表觀利用率降低83.3%～94.4%，氮肥偏生產(chǎn)力降低了65.1%～79.3%，總體上，紅壤施用生物炭促進(jìn)小白菜對(duì)氮素的吸收，但潮土施用生物炭則抑制小白菜對(duì)氮素的吸收。供試潮土本身呈堿性，加之旱地土壤硝化作用劇烈［40］，施肥后NH4+-N 短期內(nèi)被轉(zhuǎn)化，在土壤中多以NO3--N 形態(tài)殘留［41］，因此，本研究中潮土施用生物炭顯著提高表層土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅浚涞匚招示S生物炭施用量的增加顯著降低。

此外，本研究顯示，在紅壤和潮土施用生物炭均可顯著降低小白菜葉片硝酸鹽含量40.9%～84.6%和18.8%～75.0%（圖2）。這種降低可能與生物炭調(diào)節(jié)土壤pH 值，緩解化肥施用引發(fā)的酸化過(guò)程，減緩作物根系對(duì)陰離子NO3--N 的吸收有關(guān)，也可能是由于施用生物炭促進(jìn)植物體內(nèi)硝態(tài)氮向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化合成氨基酸，使植物體內(nèi)氮素貯存形態(tài)改變［35］，說(shuō)明生物炭的施用不僅影響土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程和作物對(duì)土壤氮的吸收，也影響植株氮素貯存形態(tài)，并有利于改善供試作物品質(zhì)。

綜上所述，對(duì)紅壤和潮土施用生物炭，顯著影響供試小白菜生長(zhǎng)及其氮素養(yǎng)分利用效率。對(duì)紅壤施用生物炭，降低紅壤氮素殘留，提高氮肥的吸收效率，促進(jìn)小白菜根系發(fā)育，提高產(chǎn)量，具有良好的生產(chǎn)和生態(tài)效益；而對(duì)潮土施用生物炭，則降低其氮肥的吸收效率，抑制小白菜根系發(fā)育，降低其產(chǎn)量，因此，仍需進(jìn)一步探討生物炭用量、作物種類對(duì)作物養(yǎng)分吸收的影響，為生物炭的高效安全施用提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)在紅壤和潮土中施用不同量生物炭，觀測(cè)生物炭施用對(duì)作物產(chǎn)量、根系形態(tài)和土壤-作物體系氮素平衡的整體影響：

（1）在紅壤施用生物炭顯著提高了的小白菜地上部和地下部生物量，與單施氮肥相比，分別提高35.7%～69.0%、63.0%～77.1%。在潮土施用生物炭，與單施氮肥相比，小白菜地上部和地下部生物量分別降低了59.1%～77.2%、70.6%～80.6%，其主根長(zhǎng)、根表面積分別降低11.5%～30.1%、45.6%～55.9%。此外，施用生物炭顯著降低了兩種土壤種植小白菜的根冠比和硝酸鹽含量，一定程度上影響作物地上-地下生物量配比和可食用部分品質(zhì)。

（2）兩種土壤施用生物炭對(duì)作物氮素吸收利用率、淋溶損失和土壤殘留養(yǎng)分均產(chǎn)生顯著影響。施用生物炭顯著降低了潮土作物的氮素吸收效率、表觀利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，但提高了紅壤氮素吸收效率、表觀利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。