不同水氮條件下生物炭對夏玉米水氮耦合效應的影響

曹磊齊，翟亞明*，朱成立，黃明逸,2，張 帆，徐雨琳

（1.河海大學 農(nóng)業(yè)科學與工程學院，南京 210098；2.河海大學 水利水電學院，南京 210098）

0 引 言

【研究意義】水分和氮素是決定作物高產(chǎn)的主要因素，水分是土壤養(yǎng)分溶解的介質(zhì)和作物營養(yǎng)物質(zhì)輸送的載體，氮素促進作物對水分的吸收，增強了作物抗旱性[1]。由于人們對產(chǎn)量的過分追求，不合理灌溉施肥現(xiàn)象越來越嚴重，不僅沒有達到增產(chǎn)效果，造成了水資源的浪費，還帶來了一系列環(huán)境問題。研究表明，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為土壤改良劑[2]，能夠促進水分虧缺或者土壤肥力較差條件下作物的生長，促進作物對水氮的吸收，進而提高產(chǎn)量。因此，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，研究減水減氮下生物炭對作物生產(chǎn)能力的影響有重要意義。

【研究進展】谷曉博等[3]研究發(fā)現(xiàn)適宜的水氮配施不僅增加了地上干物質(zhì)積累，還提高了作物對水氮吸收效率。邢英英等[4]研究發(fā)現(xiàn)滴灌下高水中氮使得番茄具有較高產(chǎn)量及水氮利用效率。合理的水氮配施是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵，對節(jié)水節(jié)肥具有重要意義。生物炭是在低氧條件下生物質(zhì)熱解生成的有機材料，具有多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積和高離子交換量等特點[5]。生物炭的施用還有利于提高土壤有機質(zhì)量、養(yǎng)分供應和陽離子交換能力，從而促進土壤養(yǎng)分有效性。趙紅玉等[6]研究發(fā)現(xiàn)添加15 t/hm2生物炭可以提高小麥籽粒產(chǎn)量。Arhtar等[7]發(fā)現(xiàn)在減少番茄灌水量時，添加生物炭能夠提高番茄產(chǎn)量和水分利用效率。李帥霖等[8]發(fā)現(xiàn)1%和2%生物炭和氮肥存在協(xié)調(diào)增產(chǎn)作用，但過量生物炭會產(chǎn)生負作用。勾芒芒等[9]發(fā)現(xiàn)生物炭和氮肥有明顯的交互作用，適量生物炭對肥力較低土壤具有更好的增產(chǎn)效果，能夠達到節(jié)肥增產(chǎn)的目的。

【切入點】目前，國內(nèi)外大量研究關(guān)注生物炭與水分或養(yǎng)分單個因素對作物生長影響，不同水氮條件和生物炭相結(jié)合對夏玉米生長影響研究較少。因此，探明在節(jié)水節(jié)肥下生物炭對土壤持水保肥效果以及夏玉米根系生長和耦合效應的影響，對水資源短缺地區(qū)具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究將深入了解生物炭對土壤保水保肥能力以及減水減氮下生物炭對夏玉米根系生長和水氮耦合效應的影響，探尋旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水節(jié)肥方面新的有效途徑和最佳生物炭量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于河海大學江寧節(jié)水園區(qū)（31°57'N，118°50'E），屬亞熱帶季風氣候，全年日照時間為2 200 h，年平均降水量為1 025.12 mm，多年平均氣溫為15.7 ℃，年平均蒸發(fā)量約為900 mm。試驗區(qū)土壤為砂壤土，有機質(zhì)量8.76 g/kg，速效鉀量116 mg/kg，速效磷量14.62 mg/kg，硝態(tài)氮量39.53 mg/kg，銨態(tài)氮量5.43 mg/kg。生物炭是在500～600 ℃的密封窯中通過熱解小麥秸稈5～8 h獲得，有機質(zhì)量16.8 g/kg，速效鉀量58.67 mg/kg，速效磷量11.53 mg/kg，硝態(tài)氮量2.26 mg/kg，銨態(tài)氮量6.62 mg/kg，比表面積為9.5 m2/g。

1.2 試驗設(shè)計

供試夏玉米為蘇玉29號，2020年6月30日—10月10日于透明避雨大棚進行田間小區(qū)試驗。本試驗采用三因素裂區(qū)設(shè)計，生物炭量為主區(qū)，灌水量，施氮量為副區(qū)，共設(shè)置4個生物炭添加水平（0、5、10、15 t/hm2，分別記為C0、C1、C2、C3）、2種灌溉方式（正常灌溉I1、虧缺灌溉I2）、2種施氮水平（常規(guī)施氮N1、虧缺施氮N2），正常灌溉水量為400 mm左右（ETC根據(jù)Penman-Monteith公式計算），虧缺灌溉水量為50%ETC（200 mm）；正常施氮量為200 kg/hm2，虧缺施氮量為正常施氮量的50%（100 kg/hm2）。每個處理重復3次，每個小區(qū)長300 cm，寬200 cm，為了防止小區(qū)的邊行效應，小區(qū)四周埋設(shè)1 m深度的隔水板，防止水分側(cè)滲和肥料影響。玉米株距25 cm，行距40 cm，1條灌溉帶控制2行玉米。根據(jù)試驗地內(nèi)的氣象站數(shù)據(jù)利用Penman-Monteith公式計算夏玉米日需水量，當需水量累計達到20 mm時進行滴灌，水分充足下滴灌每次的灌水定額為20 mm，水分虧缺下每次的灌水定額為10 mm。鉀肥和磷肥分別選用氯化鉀和磷酸二銨，施加量均為100 kg/hm2，隨水一起施入，生物炭在夏玉米播種前一次性均勻地撒鋪在土壤表層，且通過人工翻耕與0～30 cm土壤充分混合。具體灌水和施肥情況見表1。試驗區(qū)土壤初始含水率基本達到田間持水率，以保證幼苗正常生長發(fā)育，六葉期后開始控水處理。試驗共16個處理（4種生物炭水平×2種灌水量×2種施氮量）。

表1 夏玉米不同生育期灌水施肥情況Table 1 Irrigation and fertilization status during growing stage of maize

1.3 指標測定方法

夏玉米收獲后用環(huán)刀和土鉆對表層30 cm土壤進行取樣。土壤總孔隙度通過環(huán)刀法測定；土壤田間持水率和凋萎系數(shù)使用壓力膜儀進行測定，田間持水率為3.0×104Pa土壤吸力時的含水率，凋萎系數(shù)為1.5×106Pa土壤吸力時的含水率，在抽雄期（播后57 d）和成熟期（播后91 d）采用硝酸試粉比色法測定土壤中的硝態(tài)氮量；鈉式色劑比色法測定土壤中的銨態(tài)氮量。夏玉米根系傷流量分別于抽雄期、成熟期每小區(qū)選取長勢一致的植株3株，當天18:00在距地面10 cm處將玉米割斷，套上已稱量（W1）的裝有脫脂棉的自封袋密封，并用皮筋將其扎緊，12 h后取下稱量（W2），傷流量（g/株）為W2與W1之差[10]。在收獲時各處理隨機選取3株具有代表性夏玉米進行根系樣品采集，根系取樣面積為30 cm×30 cm正方形，取樣深度為100 cm，然后用低壓水槍進行沖洗干凈快速吸干后分層裝袋，用EPSON Perfection V700型根系掃描儀進行根系掃描，WinRHIZO Pro軟件進行根系分析，得出根長和根表面積等參數(shù)指標。

耗水量（evapotranspiration，ET）由水量平衡公式計算可得出，因為是在避雨條件下，且地下水埋深較深，且灌溉過程中土壤含水率不超過田間持水率，不考慮降雨及地下水補給，排水等因素，計算式為：

式中：ET為作物耗水量（mm）；I灌溉定額（mm）；ΔW生育期前后計劃濕潤層土壤含水率變化（mm）。六葉期到拔節(jié)期計劃濕潤層取0～40 cm，拔節(jié)期到收獲時計劃濕潤層取0～100 cm，采用烘干法測量土壤含水率。

在收獲時選取小區(qū)中間2列玉米進行測產(chǎn)，將植株分剪，105 ℃下殺青1～2 h，然后在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量以確定穗粒數(shù)，百粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量。水分利用效率（WUE）計算式為：

式中：Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）。

氮素偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，計算式為：

式中：Y為施氮后獲得的籽粒產(chǎn)量；F為氮肥的投入量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析在SPSS 25中進行，并采用Duncan法進行多重比較，以不同小寫字母表示差異性顯著（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮條件下生物炭對土壤持水能力的影響

表2為不同水氮炭下土壤總孔隙度和持水能力。添加生物炭明顯提高了土壤總孔隙度（P<0.05），C3處理下土壤總孔隙度達到最大，較C0處理平均增加了15.94%，C1處理和C2處理分別平均增加了4.33%和10.82%。同時，C2處理對土壤田間持水率和有效含水率改良效果最佳，較C0處理平均增加了17.08%和10.16%，其次為C1處理，平均增加了8.80%和9.09%。C3處理下，田間持水率和土壤有效含水率高于C0處理卻較C2處理有所下降（P<0.05），較C2處理平均減少了9.92%和8.98%。土壤凋萎系數(shù)隨著生物炭的變化趨勢與田間持水率相似，均在C2處理下達到最大，較C0處理平均增加了30.41%%，C1處理和C3處理較C0處理分別平均增加了9.79%和15.46%。

表2 不同水氮炭下土壤總孔隙度和持水能力Table 2 Total soil porosity and water holding capacity under different water and nitrogen biochar

2.2 不同水氮條件下生物炭對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

表3為不同水氮炭下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量。在抽雄期，I2N1處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮最大，較I1N1處理平均增加了6.79%和5.47%，而I1N2處理最小，較I1N1處理平均減少了10.42%和13.43%，其次為I1N1處理和I2N2處理，高灌溉水量使表層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量下降，有向深層淋洗的風險[11]。在施加生物炭下，C1處理和C2處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量較未施炭組分別平均增加了15.96%和31.94%、13.00%和57.45%，但C3處理較C0處理分別平均減少了8.68%和13.33%。在成熟期，從水氮條件看，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量從大到小依次為I2N1、I1N1、I2N2、I1N2處理，在施加生物炭下，C1處理和C2處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量較C0處理分別平均增加了6.08%和17.10%、14.74%和34.37%，C3處理分別平均減少了9.89%和12.05%。

表3 不同水氮炭下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮Table 3 Soil ammonium and nitrate nitrogen under different water and nitrogen biochar

2.3 不同水氮條件下生物炭對夏玉米根系生長的影響

表4為不同水氮炭下夏玉米根系相關(guān)特性。從水氮條件看，I1N1處理下總根長和根表面積明顯優(yōu)于其他處理，而I2N1處理最小，I1N2處理總根長和根表面積較I1N1處理分別平均減少了6.66%和6.92%，I2N2處理較I1N1處理分別平均減少了21.37%和24.98%。在施加生物炭下，C1、C2、C3處理的總根長和根表面積較未施炭組分別平均增加了8.20%、18.20%、4.37%和7.90%、15.28%、2.28%。從交互效應看，適量生物炭添加明顯促進了部分減水減氮下作物根系生長。C2處理下I1N2、I2N1、I2N2處理總根長分別較C0處理增加了22.72%、16.00%和18.24%，根表面積分別增加了19.78%、15.38%和16.79%。

表4 不同水氮炭下夏玉米根系相關(guān)特性Table 4 Root-related characteristics of summer maize under different water and nitrogen biochar

在抽雄和成熟期，I1N1處理的傷流量最大，而I2N1處理下最小。在抽雄期，I1N2、I2N2處理傷流

量較I1N1處理分別平均減少了1.47%和8.73%，在成熟期較I1N1處理平均減少了1.62%和5.18%。在抽雄期，C1、C2處理的傷流量較C0處理分別平均增加了5.39%和10.25%，在成熟期分別平均增加了13.30%和23.68%。然而，C3處理下抽雄期和成熟期傷流量有所下降（P<0.05），較C0處理分別平均減少了8.91%和3.10%。從交互作用看，在抽雄和成熟期，C2處理明顯提高了部分減水減氮下玉米傷流量。抽雄期，C2處理下I1N2、I2N1、I2N2處理傷流量較C0處理增加了9.49%、11.83%和12.07%。成熟期，C2處理下I1N2、I2N1、I2N2處理傷流量較C0處理增加了26.46%、22.69%和22.79%。

2.4 不同水氮條件下生物炭對夏玉米生產(chǎn)的影響

表5為不同水氮炭下夏玉米產(chǎn)量特性、水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力。從水氮條件看，I1N1處理下的產(chǎn)量高，其次為I1N2、I2N2、I2N1處理，分別較I1N1處理平均減少了2.15%、13.49%和16.62%。C1處理和C2處理對產(chǎn)量均有明顯的促進作用，較C0處理分別平均增加了5.03%和11.21%。然而，C3處理產(chǎn)量與C0處理產(chǎn)量差異不顯著。從交互作用看，適量生物炭施加能明顯促進水氮協(xié)同作用，C1處理和C2處理提高了水氮虧缺下產(chǎn)量，C1處理下I1N2、I2N1、I2N2處理產(chǎn)量較C0處理分別增加了7.78%、4.50%和5.60%，C2處理下I1N2、I2N1、I2N2處理產(chǎn)量較C0處理分別增加了13.12%、12.80%和12.84。穗粒數(shù)隨生物炭變化趨勢和產(chǎn)量一致，均在C2處理下達到最大（P<0.05），較C0處理平均增加了10.80%，其次為C1處理平均增加了4.18%，在C3處理下穗粒數(shù)較C2處理平均減少了8.37%。施生物炭下I1N1、I1N2、I2N1、I2N2處理的百粒質(zhì)量都有不同程度的提高，只有在C3處理下的百粒質(zhì)量有所下降，較C0處理平均下降了2.14%。從表5可以看出，C1、C2處理水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力明顯上升，較C0處理分別平均增加了7.47%、15.65%和5.60%、11.80%，但在C3處理有所下降。從交互作用看，C1、C2生物炭施加量促進了水氮虧缺下夏玉米對水分和養(yǎng)分的吸收利用，C1處理下I1N2、I2N1、I2N2處理水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力較C0處理分別增加了10.34%、5.94%、10.32%和7.78%、4.50%、5.60%。C2處理下I1N2、I2N1、I2N2處理水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力較C0處理分別增加了16.93%、14.88%、19.48%和13.12%、12.80%、12.84%。

表5 不同水氮炭下夏玉米產(chǎn)量特性、水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力Table 5 Yield characteristics, water use efficiency and nitrogen bias productivity of summer maize under different water and nitrogen biochar

3 討 論

生物炭固有的結(jié)構(gòu)特征與理化特性，使其施入后對土壤持水能力、總孔隙度、養(yǎng)分量等均有明顯的促進效果[12]。研究表明，施加生物炭后，可使土壤總孔隙率由45.7%提高到50.6%[13]，同時其自身巨大的表面積和多微孔結(jié)構(gòu)也增強了土壤的持水能力，尤其是提高了土壤的有效含水率[14-16]。本試驗中，生物炭處理的總孔隙度較未施炭組增加3.96%～16.80%，持水能力和有效含水率也隨著生物炭的添加顯著提高，但在15 t/hm2生物炭下效果不顯著，可能是因為高量生物炭對水分吸附能力增強，使得土壤凋萎系數(shù)上升，進而有效含水率變化幅度降低。此外，施加5 t/hm2和10 t/hm2生物炭均顯著提高了土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量，這與魏永霞等[17]、董成等[18]研究結(jié)果相似，可能是生物炭較大的比表面積對NH4+具有較強吸附性，降低了土壤可溶性NH4+[19]，延緩NH4+向NO3-轉(zhuǎn)化的速率，進而減少速效氮的損失；高德才等[20]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭達2%以上可以有效降低總氮和NH4+淋洗，減少土壤中氮素損失和提高氮素的利用效率，其次適量生物炭改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，增強了土壤持水能力，使土壤中水分能夠保留更長時間，成為養(yǎng)分的緩釋體[21]。然而，在C3處理下有一定程度下降，可能是過高的C/N影響了土壤中氮素的固定，使得土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量下降。

施加生物炭明顯提高了不同水氮條件下玉米總根長、根表面積和傷流量，C2處理下效果最為顯著，這與李瑞霞等[22]、張偉明等[23]研究結(jié)果相似，生物炭可以增加玉米總根長和根系活力，延緩根系衰老，增強對水肥的吸收利用能力[24]。在C3處理下，總根長、根表面積和傷流量始終高于C0處理，卻較C2處理有所下降，這可能是因為高量生物炭增加土壤的氮固定，根際土壤肥力下降，進而影響了根系正常生長。生物炭有利于提高水氮協(xié)同效應，促進水氮虧缺條件下夏玉米產(chǎn)量及水氮利用效率，尤其是C2處理下效果更好，I1N1、I1N2、I2N1、I2N2處理下產(chǎn)量較C0處理分別增加了6.74%、13.12%、12.80%和12.84%。C1處理下I1N2處理產(chǎn)量較未施炭下正常水氮供給產(chǎn)量增加了1.37%，C2處理下I1N2處理產(chǎn)量較未施炭下正常水氮供給產(chǎn)量增加了6.40%，這與袁晶晶等[25]研究結(jié)果相似，生物炭施加可以降低肥料的投入，并且不影響作物產(chǎn)量。楊浩鵬等[26]研究發(fā)現(xiàn)20 t/hm2生物炭下減少20%化肥用量可以達到玉米不減產(chǎn)的目的。C2處理下I2N2處理產(chǎn)量與C0處理下I1N2處理產(chǎn)量間沒有顯著差異。在水氮虧缺處理下，產(chǎn)量隨著生物炭施加與C0處理下I1N1處理產(chǎn)量之間差異越來越小。試驗發(fā)現(xiàn)隨著生物炭添加玉米水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力呈先增后減的變化趨勢，這與張愛平等[27]、劉慧嶼等[28]研究結(jié)果相似。添加適宜生物炭提高了生育后期對氮素的供給，提高了夏玉米對水氮的吸收利用，使得水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力上升。

生物炭改善了根際土壤的水氮條件，增強了根系活力及對水氮的吸收利用，同時，生物炭自身較強的吸附能力及對土壤持水能力的提高，使得水分和養(yǎng)分能夠在土壤保留更長時間供作物吸收利用，進而有利于充分發(fā)揮水氮耦合協(xié)同效應，進一步實現(xiàn)增產(chǎn)增效[29]。I1N2、I2N2處理下施炭增產(chǎn)明顯可能是因為生物炭降提高了土壤持水能力，還降低了土壤氮素淋洗，從而減輕了因水氮虧缺對作物的影響。I2N1處理下生物炭改善了土壤水氮條件，促進了夏玉米對水氮的吸收。C2處理下I1N2處理不僅減少了50%氮肥的使用，而且達到增產(chǎn)的目的。這與程效義等[30]研究結(jié)果相似。然而，在C3處理下的產(chǎn)量和水氮利用效率均出現(xiàn)不同程度下降，可能是因為高生物炭的強吸附能力降低了夏玉米對水氮的吸收利用，而且高量生物炭使得根系生長冗雜，消耗了大量光合產(chǎn)物，向籽粒轉(zhuǎn)移量有所降低最終導致產(chǎn)量下降。C1、C2處理都可以顯著促進水氮協(xié)同作用，提高夏玉米產(chǎn)量，其中C2處理對水氮耦合效應促進效果更佳，尤其是在I1N2處理下。施加生物炭更好地提高了水氮協(xié)同作用，且降低了水氮虧缺對夏玉米的影響，為旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。然而，該研究結(jié)果僅建立在一年田間試驗下，生物炭對水氮耦合效應的影響仍需在不同氣候，不同土壤條件和生物炭量下進行長期研究。

4 結(jié) 論

1）在5 t/hm2和10 t/hm2生物炭下土壤持水能力明顯提高，對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋洗顯著下降，尤其是在10 t/hm2生物炭下效果最佳，但在15 t/hm2生物炭下土壤的保水保肥能力有所下降。

2）5、10、15 t/hm2生物炭對夏玉米根系生長和產(chǎn)量均有一定的促進作用。同時，生物炭還促進了夏玉米對水氮的吸收利用，5 t/hm2和10 t/hm2處理下水分利用效率和氮素偏生產(chǎn)力較未施炭組分別平均增加了7.47%、5.60%和15.65%、11.80%，然而，15 t/hm2生物炭下對水氮吸收利用有所下降。