生物炭施用對夏填閑作物氮素吸收及土壤碳氮變化的影響

王大鳳，盧樹昌，王 威

(天津農(nóng)學院 農(nóng)學與資源環(huán)境學院，天津 300384)

近年來，集約化設施菜田不斷發(fā)展，氮素投入過高，造成土壤氮素累積[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)[4]，設施菜地土壤硝態(tài)氮含量均比大田高。海南冬季瓜菜收獲后，0～20 cm土層無機氮累積高達380 kg/hm2[5]。累積在農(nóng)田土壤的氮素受到降雨或者灌溉沖刷作用，很容易淋失，從而引發(fā)環(huán)境風險，造成面源污染。我國北方大部分地區(qū)設施菜田6-8月份處于敞棚休閑期[6]，而降水集中在夏季的現(xiàn)象更為明顯，使得累積在土壤中的氮素很容易被淋洗到根層以下，加大了夏季設施菜田氮素的淋洗損失[7]。相對于氮素的過高投入，碳源補充相對不足，由此造成設施菜田土壤碳氮失衡問題。研究表明，壽光菜田的土壤C/N與糧田相比下降了2.4個單位[8]。

如何控制夏季設施菜田氮素環(huán)境風險，進一步改善土壤的碳氮狀況成為當前研究的一個重要課題。生物炭作為一種土壤調(diào)理劑在土壤改良方面越來越受到人們的關注。生物炭主要為木材、畜禽糞便或植物落葉等生物質(zhì)在限氧或無氧條件下的熱解產(chǎn)物[9-10]。生物炭不但具有增強土壤通透性、改善土壤物理結構、增加土壤微生物量、激發(fā)土壤酶的活性的作用[11-13]，還有很強的吸附能力，可以吸附銨根離子、硝酸鹽，具有一定的保肥性能，施加到土壤中能夠有效減少氮素的流失[14]以及提高土壤氮素的利用效率[15]。有研究表明，隨著生物炭添加量的增加，沙壤土中氮素的淋失量不斷減少[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭，會增加土壤中有機碳的含量，補充土壤所需的碳源，改變土壤微生物環(huán)境[18-21]。針對設施蔬菜生產(chǎn)中土壤氮素累積問題，許多學者提出利用夏季填閑作物來改善土壤質(zhì)量。填閑作物是指利用主要作物收獲后與后茬播種前的空隙時間種植的生長周期短、能夠吸收土壤殘留氮素、降低土壤耕層營養(yǎng)鹽分離子含量的作物[22]。研究表明，選擇填閑作物應具有生物量大、根系伸展發(fā)達與氮素吸收量高等特點[23]，可以通過根系吸收固定一部分土壤氮素。種植填閑作物可降低土壤中NO3-N的累積，減少氮素的淋溶損失[24]。

目前，施用生物炭和利用填閑作物改善土壤環(huán)境、解決設施菜田氮素累積問題的研究很多，在施用生物炭減緩土壤氮素淋洗和改善土壤碳素狀況的研究中，對施用量的研究較少且不深入，其施用生物炭的最佳用量有待明確?；诖耍狙芯坷孟募咎铋e作物吸收土壤氮素，同時結合生物炭擴增土壤中氮素的環(huán)境容量、阻控氮素淋溶，通過綜合措施提高土壤質(zhì)量，減緩土壤氮素運移，解決當前設施菜田氮素面源污染問題，旨在為降低設施菜田氮面源污染，提升設施土壤質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗地位于天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村，該地土壤有機質(zhì)含量豐富，氮磷含量均處于豐富水平，試驗前土壤表層養(yǎng)分含量狀況：有機碳含量27.58 g/kg，全氮含量2.29 g/kg，硝態(tài)氮含量161.79 mg/kg。土壤類型為潮土，質(zhì)地為中壤。

供試作物為填閑糯玉米，品種為雪糯2號，生育期90 d，種植密度10.5萬株/hm2，株行距19 cm×50 cm；填閑飼用甜高粱，品種為甜雜2號，生育期130 d，種植密度15.0萬株/hm2，株行距13 cm×50 cm。后茬種植水果蘿卜。

供試調(diào)理劑材料為草本生物炭，稻殼材料制作，購買于天津亞德爾生物質(zhì)科技股份有限公司，有機碳含量450 g/kg，pH 值10.47，陽離子交換量34.18 cmol(+)/kg，全氮含量0.68 g/kg，硝態(tài)氮含量1.09 mg/kg。

1.2 試驗處理與管理

填閑試驗設置2種填閑作物，即糯玉米與飼用甜高粱，每種填閑作物下設置6個生物炭施用量水平，即C1(0%)、C2(0.5%)、C3(1%)、C4(2%)、C5(4%)、C6(8%)。種子不經(jīng)過任何處理直接播種，第2天灌出苗水，試驗過程中不施加任何肥料。填閑作物收獲時測定生物量，并采集土壤樣品，測定土壤氮素和養(yǎng)分吸收等指標。填閑作物收獲后，清棚翻耕后整平畦面，待耕翻施肥后，種植后茬作物水果蘿卜，處理分別為NC1(前茬糯玉米+C1)、NC2(前茬糯玉米+C2)、NC3(前茬糯玉米+C3)、NC4(前茬糯玉米+C4)、NC5(前茬糯玉米+C5)、NC6(前茬糯玉米+C6)、TC1(前茬甜高粱+C1)、TC2(前茬甜高粱+C2)、TC3(前茬甜高粱+C3)、TC4(前茬甜高粱+C4)、TC5(前茬甜高粱+C5)、TC6(前茬甜高粱+C6)，定植15，30，45 d后連續(xù)采取土壤樣品，測定土壤脲酶、微生物量碳等指標。

1.3 測定方法

吸氮量：先用濃硫酸-雙氧水消煮植物樣品，消煮溶液采用凱氏定氮法測定植物全氮，吸氮量為干生物量×全氮含量。

土壤樣品測定：土壤有機碳采用油浴加熱，重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，硝態(tài)氮采用氯化鈣浸提-紫外分光光度法，脲酶采用靛酚藍比色法。微生物量碳采用氯仿熏蒸，硫酸鉀浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用WPS進行處理，采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對填閑作物氮素吸收影響

不同處理下，2種填閑作物吸氮量如表1所示，地上部吸氮量明顯高于地下部吸氮量，且吸氮量總體變化趨勢先增大后減小。從地上部看，填閑糯玉米C3處理顯著高于其他處理，為142.69 kg/hm2；而填閑飼用甜高粱是C4處理最優(yōu)，為132.43 kg/hm2。地下部狀況與地上部狀況相似，填閑糯玉米C3處理最好，且與其他處理差異顯著。從各個處理總吸氮量來看，糯玉米：C3>C4>C2>C1>C5>C6；飼用甜高粱：C4>C3>C5>C2>C6>C1。綜合來看，C3、C4處理較好，即1%～2%生物炭施用水平促進作物氮素吸收效果較好。

表1 不同處理填閑作物吸氮量Tab.1 Nitrogen uptake of catch crops under different treatments kg/hm2

2.2 不同處理對設施土壤碳氮變化的影響

2.2.1 設施土壤表層有機碳含量 試驗土壤基礎樣品表層有機碳含量為21.58 g/kg，由圖1可知，與基礎樣相比，各個處理土壤有機碳含量均增加。種植填閑糯玉米0～30 cm土層土壤有機碳含量隨著生物炭施用量增多而明顯增加，C6處理最高，為35.24 g/kg。與基礎樣相比，種植填閑飼用甜高粱不同處理提高了0～30 cm土層土壤有機碳含量，C6處理顯著提高了66.0%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于生物炭添加到土壤中提高了土壤有機碳含量。

圖1 不同處理土壤表層有機碳含量Fig.1 The content of organic carbon in the soil surface under different treatments

2.2.2 設施土壤表層全氮含量 如圖2所示，經(jīng)過種植不同的填閑作物，不同處理土壤表層全氮含量較基礎值均有所降低。填閑糯玉米不同處理降低幅度為2.5%～11.0%，其中，C3處理降低最多，降低了15.4%，其次是C4處理，各處理之間差異不顯著；填閑飼用甜高粱除C6處理外，其他處理降低幅度為1.4%～15.5%，降低最多的為C3處理，其次是C2處理。綜合來看，C2、C3、C4處理較好，即0.5%～2%生物炭施用水平下有利于減少土壤表層全氮含量，種植填閑飼用甜高粱比糯玉米更有利于降低設施土壤表層氮素積累，減少氮素損失。

圖2 不同處理土壤表層全氮含量Fig.2 The total nitrogen content of the soil surface under different treatments

2.2.3 設施土壤C/N 如圖3所示，在不同生物炭施用量水平下，種植填閑糯玉米，0～30 cm土層土壤C/N各個處理均顯著高于試驗基礎值，且隨著生物炭施用量增加而逐漸增大。種植填閑飼用甜高粱0～30 cm土層土壤C/N狀況為：C5>C6>C3>C4>C2>C1，與基礎值相比，除C1處理外，其他處理差異顯著。綜合分析，不同用量生物炭與填閑作物結合種植能夠提高設施土壤C/N值，其中C2、C3、C4處理改善效果較好。

圖3 不同處理設施土壤C/NFig.3 Soil C/N status of different treatment facilities

2.2.4 種植前后設施土壤各土層硝態(tài)氮含量 填閑作物種植期間不施用任何肥料，其生長所需氮素主要由上茬土壤殘留氮素供應。由圖4可以看出，種植填閑糯玉米各個處理0～30 cm，30～60 cm土層硝態(tài)氮含量較種植之前均有所降低，60～90 cm，90～120 cm土層硝態(tài)氮含量則是C5處理降低最多，降低率分別為47%，44%。分析4層土層數(shù)據(jù)，只有C3、C5處理0～120 cm土層土壤硝態(tài)氮含量較種植前均降低，說明C3、C5處理減緩氮素向下運移的效果較好。如圖5所示，種植填閑飼用甜高粱不同處理不同土層土壤硝態(tài)氮含量與種植前相比均有所降低，其中，0～30 cm土層硝態(tài)氮含量降低變化最為明顯，30～60 cm，60～90 cm，90～120 cm土層土壤硝態(tài)氮降低最大的均為C4處理，說明種植填閑飼用甜高粱與生物炭結合可以降低土壤硝態(tài)氮向下移動。綜合分析，種植填閑飼用甜高粱比種植填閑糯玉米對降低土壤氮素移動的效果更好，C3、C4、C5處理降低氮素向下移動的效果較好。

圖4 填閑糯玉米種植前后設施土壤各土層硝態(tài)氮含量Fig.4 Nitrate nitrogen content in each soil layer of the facility soil before and after planting of waxy corn

圖5 填閑飼用甜高粱種植前后設施土壤各土層硝態(tài)氮含量Fig.5 Nitrate nitrogen content in each soil layer of the facility soil before and after planting feeding sweet sorghum

2.3 生物炭施用與填閑作物種植結合對后茬初期土壤碳氮的影響

2.3.1 土壤脲酶活性 酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的關鍵物質(zhì)，土壤脲酶活性是表征土壤氮素情況的一個指標，參與有機氮的轉化，為作物生長提供氮源[25-26]。如表2所示，在定植15 d時，與NCl(0)相比，前茬糯玉米與生物炭結合的其他處理均提高了脲酶活性。填閑糯玉米種植后，隨著生物炭施用量的增加，各處理土壤脲酶活性先增加后減少。定植15 d后，NC3處理脲酶活性最高，為3.33 mg/(g·d)，定植30 d以及定植45 d均是NC4處理較高，均顯著高于NC1處理。填閑飼用甜高粱定植15 d后脲酶活性變化為TC4>TC3>TC2>TC5>TC6>TC1，定植45 d后，TC3處理最高，為1.23 mg/(g·d)，TC2處理次之，為1.13 mg/(g·d)。后茬初期通過連續(xù)3次采樣，各處理脲酶活性逐漸降低。綜合來看，C3、C4處理與填閑作物配合種植，土壤脲酶活性降低效果較好，說明生物炭施用與填閑作物種植結合可以降低后茬蘿卜生長初期土壤脲酶活性，降低土壤氮素有效性。

表2 不同處理對后茬初期土壤脲酶活性的影響Tab.2 The effects of different treatments on soil urease activity at the beginning of the subsequent cropping mg/(g·d)

2.3.2 土壤微生物量碳 由圖6可知，與定植前相比，后茬初期各個處理微生物量碳含量大部分有所增加。填閑糯玉米收獲后，在后茬水果蘿卜定植15 d時，隨著生物炭施用量的增加，各處理土壤微生物量碳含量先增加后減少，NC3處理達到最大值，為184.05 mg/kg；定植30 d時，NC4處理最大，其次是NC3處理；定植45 d后，與NC1相比，其他處理均降低。說明種植填閑糯玉米后，NC3、NC4處理能夠較好促進土壤微生物的繁殖和活動。從圖7可以看出，在后茬水果蘿卜生長初期，與TC1相比，大部分處理處于降低趨勢，在定植15 d以及定植45 d時，TC4處理有所增加，說明在同一個時期TC4處理能增加土壤微生物量碳含量，有利于土壤肥力的提高。

圖6 填閑糯玉米不同處理對后茬初期土壤微生物量碳的影響Fig.6 Effects of different treatments of filling waxy corn on soil microbial biomass carbon at the beginning of the subsequent crop

圖7 填閑飼用甜高粱不同處理對后茬初期土壤微生物量碳的影響Fig.7 The effects of different treatments of feeding sweet sorghum on the soil microbial biomass carbon at the beginning of the subsequent crop

3 討論與結論

3.1 填閑作物的選擇

根據(jù)前人報道[27-29]，夏季設施菜田填閑作物一般選擇生長期較短且生物量大、根系發(fā)達，具有較高的吸氮量的作物。在國內(nèi)，甜玉米、糯玉米、甜高粱、速生葉菜、毛苕子、豆類等不同類作物經(jīng)常被選為填閑作物[30-31]。而在國外，油菜、飼料蘿卜、芥菜等經(jīng)常被用作填閑作物以達到抑制雜草、控制土傳病原菌等目的[32]。選擇填閑作物應因地制宜，根據(jù)實際情況選擇合適的填閑作物。北方設施菜田土壤氮素累積，選擇的填閑作物既要考慮由于氮素淋失而引起的面源污染問題，同時作物還應具有較好的經(jīng)濟價值，本研究選擇糯玉米與飼用甜高粱作為填閑作物。糯玉米與飼用甜高粱均為C4作物，糯玉米生育期短，根系深長，而飼用甜高粱的需氮量低于玉米，植株高大、根系發(fā)達、對氮素吸收較多[33]，同時具有耐高溫的特點。

3.2 后茬初期酶活性變化

土壤酶活性與土壤物理性質(zhì)、土壤生物量等密切相關，所以土壤酶活性被作為土壤質(zhì)量的生物指標。生物炭對土壤酶活性有一定影響，影響程度與生物炭用量有關，施用生物炭可以顯著提高脲酶活性[34]。程效義等[34]研究得出，與對照處理 (CK)相比，BC1(20 t/hm2)和BC2(40 t/hm2)處理土壤脲酶活性分別提高15.7%，23.8%。這與本試驗得出的結果一致。相對NC1(0)處理來說，前茬糯玉米與生物炭結合的其他處理均提高脲酶活性，但本試驗中，在后茬蘿卜生長初期，各處理脲酶活性逐漸降低，可能是由于本試驗是在填閑作物種植后進行的，而種植填閑作物能降低后茬蘿卜生長時期土壤脲酶活性。

3.3 后茬初期土壤微生物量碳變化

土壤微生物量是植物可利用養(yǎng)分的重要來源，參與土壤養(yǎng)分循環(huán)與平衡，土壤微生物量碳是土壤有機碳的有效指示因子[35-36]。本研究得出，添加生物炭可以增加土壤微生物量碳的含量，這與何甜甜等[37]研究一致，可能是由于生物炭為土壤微生物提供了適宜的生長環(huán)境。隨著生物炭施用量的增加，各個處理土壤微生物量碳含量并不是呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，可能是由于生物炭本身具有多孔性、比表面積大的特點，增加了對土壤的固持作用，從而導致微生物量碳含量增加，微生物量碳含量降低可能是與供試土壤質(zhì)地以及原有的微生物量等因素有關。

2種填閑作物隨著生物炭施用量的增加，吸氮量先增大后減小，其中填閑糯玉米C3處理地上部吸氮量最大(142.69 kg/hm2)，而填閑飼用甜高粱是C4處理最優(yōu)(132.43 kg/hm2)；土壤全氮填閑糯玉米不同處理降低幅度為2.5%～11.0%，填閑飼用甜高粱除C6處理外，其他處理降低幅度為1.4%～15.5%，均是C3處理降低最多；種植飼用甜高粱后，不同處理不同土層土壤硝態(tài)氮含量比種植前均有所降低；不同用量生物炭與填閑作物結合均能增加土壤有機碳含量，提高設施土壤C/N值，種植填閑作物能降低后茬生長初期土壤脲酶活性，降低后茬作物生長時期氮素的供給能力；隨著生物炭施用量的增加，各處理土壤脲酶活性先增加后減少，定植15 d后NC3處理脲酶活性最高，為3.33 mg/(g·d)，填閑飼用甜高粱種植后，定植45 d后，TC3處理最高，TC2處理次之。生物炭施用與填閑作物種植結合能增加后茬初期土壤微生物量碳含量，有利于土壤肥力提高。本研究結果顯示，生物炭施用量為1%～2%種植填閑糯玉米促進氮素吸收較好，生物炭施用量為0.5%～2%種植填閑飼用甜高粱促進氮素吸收效果較好，有利于減少土壤氮素含量，對土壤C/N改善效果較好。種植填閑飼用甜高粱比種植填閑糯玉米對降低土壤氮素移動的效果更好。