生物炭與綠肥配施對不同粒徑黃壤無機氮含量及其貢獻率的影響

陳云梅，趙堂甫，趙 歡，肖厚軍，謝婷婷，胡 崗，秦 松

（1.貴州大學農(nóng)學院，貴州貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴州貴陽 550006）

貴州黃壤面積超過700 萬hm2，約占全國黃壤總面積的30%，占全省土壤總面積的46%［1］。黃壤鹽基離子少、黏度大、酸性強，氮素轉化淋溶嚴重，導致黃壤氮庫虧缺明顯［2-3］。生物炭不僅可以改良土壤物理性狀，還能通過陽離子交換［4-6］、孔結構和本身位點吸附養(yǎng)分，為土壤保留更多養(yǎng)分［7-8］，也可直接為土壤微生物提供生存環(huán)境和養(yǎng)分，改變土壤微生物群落結構和生物多樣性［9-10］，從而間接增強微生物對無機氮的固持能力，有效減少NH4+-N和NO3--N的淋溶［11］。然而，生物炭對土壤微生物群落組成以及土壤氮素養(yǎng)分循環(huán)的作用效果受多種因素的影響，有研究表明單施生物炭對土壤無顯著作用［6］。因此，生物炭復配型綜合施肥技術是今后改土培肥發(fā)展的趨勢。

綠肥作為一種純天然的清潔有機肥源，改土培肥的同時可以固氮活磷，還可增加地表覆蓋度，減少水土流失［12］。目前，未見生物炭與綠肥配施在黃壤上的研究。因此，以玉米秸稈生物炭和綠肥作為試驗材料，在常規(guī)化肥條件下，以等量生物炭配施不同量綠肥（箭筈豌豆）翻壓于萵筍/玉米輪作盆栽黃壤中，分析生物炭與綠肥配施對不同粒徑黃壤無機氮素形態(tài)及其貢獻率的影響，旨在為貴州黃壤礦質氮素有效性提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所試驗基地的黃壤，自然風干后過5 mm 篩，其理化性質為：pH 6.16，w（有機質）21.21 g/kg，w（堿解氮）65.69 mg/kg，w（有效磷）6.05 mg/kg，w（速效鉀）50.0 mg/kg，w（全氮）1.52 g/kg，w（全磷）0.36 g/kg，w（全鉀）11.68 g/kg。供試化肥，尿素（w（N）46%）、過磷酸鈣（w（P2O5）12%）、硫酸鉀（w（K2O）50%），均購自本地經(jīng)銷商；供試生物炭，玉米秸稈在450 ℃炭化而得，pH 7.95，w（有機碳）473.61 g/kg，w（全氮）8.04 g/kg，w（全磷）1.88 g/kg，w（全鉀）47.53 g/kg；供試綠肥，箭筈豌豆（w（全氮）36.5 g/kg，w（全磷）37.78 g/kg，w（全鉀）20.7 g/kg）；供試作物，萵筍（青碧8號），玉米（金玉886），二者采用輪作模式。

1.2 試驗方法

試驗于2018 年10 月至2019 年9 月進行。采用盆栽試驗，共設置6 個處理，分別為不施氮肥（T1）、常規(guī)化肥（T2）、常規(guī)化肥+生物炭（T3）、常規(guī)化肥+生物炭+綠肥50 g（T4）、常規(guī)化肥+生物炭+綠肥100 g（T5）及常規(guī)化肥+生物炭+綠肥200 g（T6）。每個處理5 盆，共30 盆，盆規(guī)格為40 cm×40 cm×40 cm，每盆裝土25 kg。萵筍每盆3株，玉米每盆1株，種植方式為萵筍/玉米輪作，萵筍季和玉米季化學肥料用量、施肥模式及氮肥基追比均相同（見表1）。萵筍季生物炭、綠肥與土充分混勻作基肥一次性施入，玉米季不再做任何添加，氮肥按基追比7∶3 施入，作物栽培管理與正常生產(chǎn)保持一致。

表1 各處理施肥量g/盆

1.3 樣品采集與測定方法

1） 土壤樣品采集與預處理 玉米收獲結束后，采耕層土壤樣品。將土樣沿自然裂縫掰開并過10 mm篩，于避光處自然風干，挑去風干土中的細根和石塊，取部分研磨過0.830 mm（20 目）和0.150 mm（100 目）篩，一部分用于土壤化學性質測定，另一部分用于土壤粒徑測定。

2） 土壤基礎化學性質的測定 土樣pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用pH 計、凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計法、堿解擴散法、鉬藍比色法和火焰光度計法測定［13］。

3） 土壤不同粒徑團粒的篩分 土壤粒徑篩分參照Elliott（1986）水穩(wěn)定性團聚體測定方法及步驟，將土樣分為大粒徑（＞2.00 mm）、較大粒徑（＞0.25 ～2.00 mm）、微粒（0.053 ～0.250 mm）和黏粒（＜0.053 mm），分別收集至鋁盒中，電熱板60 ℃烘干，室溫下保存?zhèn)溆靡詼y定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

4） 不同粒徑土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測定 靛酚藍比色法測銨態(tài)氮含量，紫外分光光度法測硝態(tài)氮含量［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各粒級銨態(tài)氮對土壤銨態(tài)氮貢獻率及和各粒級硝態(tài)氮對土壤硝態(tài)氮貢獻率R計算公式［14］：

使用WPS 處理數(shù)據(jù)及計算，SPSS 19.0 軟件進行方差分析及通徑分析（包括相關分析和回歸分析），Origin 2017軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭與綠肥配施對黃壤無機氮含量的影響

生物炭與100 g 綠肥配施可顯著提高黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量（見圖1）。添加生物炭（T3）較常規(guī)化肥（T2）處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質量分數(shù)分別增加5.01、3.74 mg/kg，可見添加生物炭有利于促進黃壤無機氮累積。對比T4、T5和T6處理，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨綠肥添加量增加呈先增加后減少的變化趨勢，其中添加100 g 綠肥處理黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均達最大值，分別為62.88 mg/kg 和155.92 mg/kg，顯著高于其余處理，可見少量及過量翻壓綠肥對黃壤無機氮富集不利，但翻壓適量綠肥，可有效提升土壤無機氮含量。綜上所述，添加生物炭能顯著提高黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，生物炭配施適量（100 g）綠肥處理黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量提高最顯著。

圖1 不同處理土壤無機氮含量

2.2 生物炭與綠肥配施下不同粒徑黃壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量

各處理不同粒徑黃壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量分別見表2、表3。由表2可知，各處理銨態(tài)氮主要集中在＞0.25 ～2.00 mm 粒徑中，＞2.00 mm 粒級次之，說明＞0.25 ～2.00 mm和＞2.00 mm粒徑土壤銨態(tài)氮含量對土壤無機氮有重要意義。進一步分析發(fā)現(xiàn)，＞0.25 ～2.00 mm和0.053 ～0.250 mm粒徑中，處理T5 銨態(tài)氮較其他處理分別增加10.23%～25.76%和33.72%～101.29%，且較其余處理差異均達顯著水平，說明生物炭配施100 g 綠肥可以顯著提高0.053～0.250 mm和＞0.25～2.00 mm粒徑黃壤銨態(tài)氮含量，對培肥土壤有明顯的積極作用。對比各處理＜0.053 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮含量，T3 處理最大，較其他處理增幅為56.86%～93.37%，其余處理之間差異不顯著，可見添加生物炭有利于促進小粒徑黃壤中銨態(tài)氮的富集。

表2 各處理不同粒徑黃壤銨態(tài)氮含量

由表3 可知，＜0.053 mm 粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量最高，說明硝態(tài)氮主要貯存于土壤黏粒中。除0.053 ～0.250 mm 外，T5 處理各粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量均達最大值，較其余處理增幅分別為49.95%～633.39%、1.36%～122.87%和2.75%～22.09%，說明生物炭與100 g 綠肥配施顯著增加不同粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量。綜上所述，生物炭與100 g 綠肥翻壓對不同粒徑土壤硝態(tài)氮有影響，對大粒徑硝態(tài)氮含量提升效果最佳，較大粒徑提升效果次之。

表3 各處理不同粒徑黃壤硝態(tài)氮含量

2.3 生物炭與綠肥配施下不同粒徑黃壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的貢獻率

不同處理各粒徑黃壤銨態(tài)氮對黃壤銨態(tài)氮貢獻率的影響見圖2。分析發(fā)現(xiàn)，＞0.25 ～2.00 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮對黃壤銨態(tài)氮貢獻率最高，對黃壤銨態(tài)氮貢獻率范圍為35.98%～39.75%，即35.98%以上的銨態(tài)氮儲存在＞0.25 ～2.00 mm團粒中。對比各處理，T5 處理顯著提高了0.053 ～0.250 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮對黃壤銨態(tài)氮貢獻率。此外，T5 處理較其余處理＜0.053 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮的貢獻率最低?？梢?，生物炭配施適量（100 g）綠肥顯著提高了0.053～0.250 mm粒徑銨態(tài)氮的貢獻率。

圖2 不同處理各粒徑黃壤銨態(tài)氮對黃壤銨態(tài)氮貢獻率

不同施肥方式下各粒徑黃壤硝態(tài)氮對黃壤硝態(tài)氮貢獻率表現(xiàn)出不同的變化特征（見圖3）。分析可知，＞2.00 mm 粒徑中，T5 處理硝態(tài)氮在黃壤硝態(tài)氮中的貢獻率最大，較其他處理增幅為10.44% ～365.83%，差異達顯著水平。T3 與T2 處理相比，＞0.25 ～2.00 mm 和＞0.053 ～0.250 mm、粒徑硝態(tài)氮貢獻率分別提高22.61%和22.34%。綜上，與其余處理相比，T5處理顯著提高＞2.00 mm粒徑硝態(tài)氮貢獻率，可見生物炭配施適量（100 g）綠肥提高了黃壤大粒徑硝態(tài)氮貢獻率。此外，添加生物炭顯著提高了較大粒徑和微粒硝態(tài)氮貢獻率。

圖3 不同處理各粒徑黃壤硝態(tài)氮對黃壤硝態(tài)氮貢獻率

3 討論

本研究也得出生物炭可明顯提高土壤無機氮含量。究其緣由，可能是生物炭發(fā)達的孔隙結構和巨大的比表面積影響了土壤的物理和化學吸附作用，直接吸附土壤中氮素，減少氮淋失；也可能與生物炭提高土壤微生物活性從而增強微生物對無機氮的固持能力有關［15］。此外，本研究還表明，綠肥添加量不同對土壤氮素有影響，本研究中，生物炭配施100 g 綠肥對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮提升效果最佳，可能是因為生物炭能改善土壤理化性質，綠肥翻壓入土腐解可促進土壤有機質積累［16］，有機質可以攜帶部分氮素，從而減少氮素損失。

不同粒徑土壤對氮的保持，供應和轉化能力有差異。本研究中，大粒徑、較大粒徑團粒儲銨態(tài)氮能力好，這與文獻［17］研究結果一致，因為大粒徑中有機質易礦化轉化為無機氮。本研究中，硝態(tài)氮主要分布在＜0.053 mm 黏粒中，這與黃容［14］研究結果一致。主要因為化學氮肥施入土壤后，快速分解成無機氮優(yōu)先進入較小粒徑（微粒和黏粒）中［18］，粒徑越小，比表面積越大，對無機氮的吸附能力就越強［19］。本研究中，添加生物炭或生物炭配施綠肥不同程度改變了無機氮在不同粒徑土壤中的分布，添加生物炭或生物炭配施綠肥較常規(guī)化肥不同程度提高了大粒徑、較大粒徑及微粒中的銨態(tài)氮含量，其中以生物炭配施100 g 綠肥對大粒徑、較大粒徑及微粒銨態(tài)氮含量提升效果最佳。此外，生物炭配施綠肥還提高了各粒徑黃壤硝態(tài)氮含量，其中以生物炭配施100 g 綠肥對各粒徑硝態(tài)氮提升效果最好。

本研究中，＞0.25 ～2.00 mm粒徑黃壤中銨態(tài)氮貢獻率大于其他粒徑，這可能與該粒徑黃壤中銨態(tài)氮含量高于其他粒徑有關。對于各粒徑硝態(tài)氮而言，各處理＜0.053 mm 粒徑中硝態(tài)氮貢獻率仍最大，可能是＜0.053 mm 粒徑中硝態(tài)氮含量最高的緣故。生物炭配施100 g 綠肥較常規(guī)化肥處理顯著提高了＞2.00 mm粒徑硝態(tài)氮貢獻率。

4 結論

本試驗條件下，生物炭與綠肥配施能夠顯著提高黃壤無機氮儲量，有利于促進各粒徑（除黏粒）銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的富集，其中生物炭500 g+綠肥100 g（土25 kg）配施方式更適宜貴州黃壤礦質氮的提升。