生物質(zhì)炭與氮肥配施對土壤養(yǎng)分和谷子生長的影響

尚晶濤 吳 榮 曹夢琳 李雅馨 王宇軒 杜慧玲

(1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，山西 太谷 030801；2 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)部，山西 太谷 030801)

谷子(Setariaitalica)，又稱粟，是山西雜糧的“領(lǐng)軍代表”[1-2]，具有適應(yīng)性廣和抗逆性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛種植于山西各地。目前，大量研究指出，氮肥可以提高葉片光合能力，優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，提高群體的生產(chǎn)能力，但當(dāng)前我國氮肥使用存在施用量大、利用率低、土壤環(huán)境破壞等問題[3-5]。為此，優(yōu)化施肥措施，減少氮肥施用量并提高其利用率是目前的研究熱點(diǎn)。

生物質(zhì)炭(Biochar)是動、植物殘?bào)w在厭氧條件下熱解產(chǎn)生的多孔狀物質(zhì)，富含碳及各種營養(yǎng)元素，孔隙度較高，比表面積大且含有大量含氧活性基團(tuán)，適量施用可提高土壤肥力，改良土壤理化性質(zhì)，也可降低土壤中有毒物質(zhì)的有效性[6-7]。生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量提升有明顯作用，眭鋒等[8]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭顯著增加了早晚稻的產(chǎn)量；南學(xué)軍等[9]通過比較單施氮肥、單施生物質(zhì)炭以及生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與氮肥配施的綜合表現(xiàn)更優(yōu)，吳嘉楠等[10]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭配施氮肥能顯著提高氮肥利用率，因此，與單施生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭與氮肥配施具有更大的生產(chǎn)潛力。本試驗(yàn)以谷子為研究對象，擬通過生物質(zhì)炭與氮肥配施的調(diào)控作用，探索生物質(zhì)炭與氮肥配施增效機(jī)理，確定生物質(zhì)炭與氮肥施用的最佳比例，為谷子生產(chǎn)減肥增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試作物為晉谷21，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供；供試生物質(zhì)炭為玉米秸稈生物質(zhì)炭(pH值8.61，有機(jī)質(zhì)367.58 g·kg-1)；氮肥選用尿素(含氮量約46%)；試驗(yàn)土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站0～20 cm耕層土(屬石灰性褐土，理化性質(zhì)為pH值7.81，堿解氮54.29 mg·kg-1，有效磷78.09 mg·kg-1，速效鉀221.10 mg·kg-1，有效鉀21.74 g·kg-1)，除去落葉、根茬等雜物，過2 mm篩。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)生物質(zhì)炭施用量和氮肥(尿素)施用量2個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平。生物質(zhì)炭施用量分別為0(C0)、20 g·kg-1(C1)、40 g·kg-1(C2)，氮肥(尿素)施用量分別為0(N0)、0.133 g·kg-1(N1)、0.266 g·kg-1(N2)，共9個(gè)處理。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)將生物質(zhì)炭、氮肥與4.5 kg土壤混勻，裝于直徑27.5 cm，高25.5 cm的塑料花盆中，每處理重復(fù)3次。

谷子于5月20日播種(每盆約30粒種子)，至三葉一心期間苗至每盆10株。拔節(jié)期進(jìn)行光合參數(shù)的測定；于收獲期(9月20日)，小心將土壤和植物樣分離(盡量避免根系受損)，土壤按四分法選取其中兩份帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤養(yǎng)分的測定；植物樣品進(jìn)行生物量的測定以及根系掃描分析。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合參數(shù)的測定 選擇一個(gè)晴朗無風(fēng)的上午，于9:00―11:00每盆選取長勢相近的旗葉5片，使用CARIS-2 型便攜式光合儀(PP Systems，美國)進(jìn)行光合參數(shù)的測定，包括凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)。

1.3.2 谷子生物量測定 使用直尺測量株高；地上部和地下部于105℃殺青30 min，然后于75℃烘干至恒重；根冠比為地下部干重和地上部干重之比。

1.3.3 谷子根系掃描 將根用水、去離子水沖洗干凈，使用Epson Perfection V800 Photo根掃描儀[愛普生(中國)有限公司]掃描，并采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析。

1.3.4 土壤養(yǎng)分測定 堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定[11]，有效磷含量采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定[11]，速效鉀含量采用NH4OAc-火焰光度法測定[11]，全氮含量采用半微量凱氏法進(jìn)行測定[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SAS 9.4進(jìn)行方差分析，多重比較采用鄧肯新復(fù)極差法(SSR)。使用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與氮肥配施對土壤養(yǎng)分的影響

如圖1所示，土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量總體隨生物質(zhì)炭或氮肥施用量的增加而增加，均于C2N2達(dá)到最大值，分別較C0N0增加52.78%、61.03%、54.21%、99.11%。但無生物質(zhì)炭施入時(shí)，與N0相比，N1顯著降低了土壤有效磷含量。通過雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭和氮肥施用對土壤全氮(F=62.83**，18.15**)、堿解氮(F=96.21**，23.89**)、有效磷(F=117.49**，9.18**)、速效鉀含量(F=386.98**，4.50**)均有極顯著影響。

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子光合特性的影響

如圖2所示，同一氮肥水平下，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加。但在同一生物質(zhì)炭水平下，三指標(biāo)均表現(xiàn)為N1>N2>N0，均于C2N1達(dá)到最大值，較C0N0分別提高了50.41%、50.13%、47.71%。胞間CO2濃度隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而降低，于C2N1達(dá)到最小值，較C0N0降低了35.01%。通過雙因素分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭和氮肥施用量對凈光合速率(F=43.22**，29.53**)、氣孔導(dǎo)度(F=36.88**，12.30**)、蒸騰速率(F=59.22**，37.97**)的影響達(dá)到極顯著水平，生物質(zhì)炭施用量對胞間CO2濃度(F=41.71**)的影響達(dá)到極顯著水平，氮肥施用量對胞間CO2濃度(F=4.68*)的影響達(dá)到顯著水平。

圖2 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子光合氣體交換參數(shù)的影響

2.3 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子根系形態(tài)的影響

如圖3-A所示，同一施氮水平下，谷子總根長隨著生物質(zhì)炭施用量增加而增加；未添加生物質(zhì)炭時(shí)，總根長隨著氮肥施用量的增加而減小，施用生物質(zhì)炭時(shí)，均以N1的總根長最長，各處理表現(xiàn)為C1N1>C1N2>C1N0，C2N1>C2N2>C2N0。由圖3-B可知，根總表面積隨生物質(zhì)炭和氮肥施用量的變化趨勢與根長相同。由圖3-C可知，谷子根總投影面積總體隨生物質(zhì)炭和氮肥施用量的增加呈增加趨勢，但在C1和C2水平下，谷子根總投影面積均表現(xiàn)為N1>N2>N0。

雙因素方差分析表明，施用生物質(zhì)炭對總根長(F=85.57**)、根總表面積(F=57.90**)、根總投影面積(F=30.27**)均具有極顯著影響，施用氮肥對谷子根總表面積(F=15.03*)具有顯著影響。

圖3 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子根系形態(tài)的影響

2.4 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子干物質(zhì)積累的影響

如圖4所示，與C0N0相比，施用生物質(zhì)炭、氮肥對谷子莖長、地上部干重、根干重均具有一定的促進(jìn)作用，且同一施氮水平下，均隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加；但在同一生物質(zhì)炭水平下，不同氮肥施用量谷子莖長、地上部干重、根干重總體表現(xiàn)為N1>N2>N0。與C0N0相比，其他施氮及施用生物質(zhì)炭處理均降低了谷子根冠比。雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭和氮肥施用對谷子莖長(F=50.50**，46.92**)、地上部干重(F=87.00**，30.97**)、根干重(F=154.29**，62.80**)的影響均達(dá)到極顯著水平，生物質(zhì)炭與氮肥施用量的交互作用對根干重(F=3.40*)、根冠比(F=3.36*)的影響均達(dá)到顯著水平。

圖4 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子干物質(zhì)積累的影響

3 討論

生物質(zhì)炭是以農(nóng)林廢棄物為原料制成，含有大量植物生長所必需的N、P、K、Na、Ca、Mg等元素[12-13]，施入土壤后，其可溶性組分能直接增加土壤有效養(yǎng)分[14-15]。武玉等[16]和Spokas等[17]則認(rèn)為，生物質(zhì)炭雖然含有大量氮素，但其熱解過程中多數(shù)形成雜環(huán)結(jié)構(gòu)，將其輸入土壤并不能直接增加土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量，生物質(zhì)炭對土壤氮素的影響主要通過影響土壤中氮素的周轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。生物質(zhì)炭的施入可改良土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)微生物生長，加快土壤氮素的有效化。同時(shí)，生物質(zhì)炭能吸附部分氮素，減少硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的淋溶和揮發(fā)損失[18]，對氮素形成一定的緩釋效果[10,19]。本研究結(jié)果表明，相同生物質(zhì)炭施用量條件下，施入氮肥可明顯增加土壤堿解氮和全氮含量，有效磷和速效鉀含量也有所提升，這可能是由于氮肥施入優(yōu)化了土壤碳氮比，加速了土壤磷、鉀的有效化[20-21]。

光合作用是作物干物質(zhì)積累的重要途徑。本研究中施用生物質(zhì)炭可提升谷子葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，降低胞間CO2濃度，這與之前有關(guān)施入生物質(zhì)炭能提高總?cè)~綠素含量的研究結(jié)果一致[2]，可能是由于葉綠素含量的提高，有助于光能捕獲，優(yōu)化光合參數(shù)，從而提升了光合性能。施入氮肥能有效緩解葉片的衰老，增強(qiáng)葉片對光破壞機(jī)制的防御能力以及植株與外界物質(zhì)交換的能力[22-23]。本研究中谷子光合作用對氮肥施用的響應(yīng)為低促高抑，景立權(quán)等[24]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量小于450 kg·hm-2時(shí)，3種超高產(chǎn)玉米凈光合速率隨著氮肥施用量增加而增加，當(dāng)施氮量大于450 kg·hm-2時(shí)，凈光合速率顯著降低；陳天鑫等[25]對冬小麥的研究也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果，這主要是因?yàn)檫m量的氮肥可增加旗葉葉綠素含量，同時(shí)提高光合速率，而過量氮肥則會影響植株對土壤中其他礦質(zhì)元素的吸收，從而影響葉綠素的合成。

根系是植物主要的營養(yǎng)器官，其生長發(fā)育情況直接影響作物的生長和生產(chǎn)能力。本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施入可明顯增加谷子總根長、根總表面積以及根總投影面積，原因可能是生物質(zhì)炭可以顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度和土壤養(yǎng)分含量，大大改善根系土壤環(huán)境[26]，有助于根系在土壤中的擴(kuò)散；此外，生物質(zhì)炭中的可溶性成分，尤其腐殖質(zhì)組分能起到生長激素的作用，對谷子根系生長具有明顯的刺激作用[27]。單施氮肥谷子總根長和根總表面積均下降，單施生物質(zhì)炭雖然也能在一定程度提升谷子根系形態(tài)，但二者配施效果更佳，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭配施氮肥可以緩解只施氮肥造成的根系生長抑制現(xiàn)象。

張萬杰等[28]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與氮肥配施可以提升菠菜產(chǎn)量和生物量。本研究結(jié)果表明，谷子莖長、地上部干重、根干重均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，對氮肥的響應(yīng)與谷子光合作用、根系形態(tài)相一致，過量氮肥抑制谷子光合速率和根系發(fā)育，使谷子植株生長受到抑制，這與黎星等[29]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中C1N1、C2N1與C2N2的地上部積累量較高，但C2N1的氮肥施用量較少，綜合表現(xiàn)更優(yōu)，是最佳的處理組合。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭與氮肥的施用均可提升土壤有效養(yǎng)分含量，且生物質(zhì)炭對谷子光合作用、根系生長有明顯的促進(jìn)作用，有助于地上部干物質(zhì)的積累；過量氮肥施用對谷子光合作用、根系形態(tài)指標(biāo)以及干物質(zhì)積累有一定抑制效果。生物質(zhì)炭與氮肥配施可提高土壤養(yǎng)分，促進(jìn)谷子生長，在本試驗(yàn)盆栽條件下，以40 g·kg-1生物質(zhì)炭與0.133 g·kg-1氮肥(含氮量約46%)配施為最佳施肥組合。