生物炭結(jié)合氮肥減量對玉米產(chǎn)量和氮效率的影響

崔文芳，陳 靜，魯富寬，秦 麗，秦德志，王利平，高聚林

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 a.職業(yè)技術(shù)學院；b.農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

玉米是內(nèi)蒙古自治區(qū)的第一大作物。內(nèi)蒙古平原灌區(qū)玉米高產(chǎn)創(chuàng)建的經(jīng)驗表明，為了給予高密群體充足的營養(yǎng)供應(yīng)以達到產(chǎn)量目標，氮肥投入明顯增多。這樣一來，雖然實現(xiàn)了高光效和高產(chǎn)量，但氮效率較低。過量的氮肥投入和較低的氮效率給具有灌溉優(yōu)勢玉米產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量挖掘和大面積增效帶來了諸多問題：第一，過量的氮肥投入使得生產(chǎn)成本和勞動成本明顯增加。第二，過量的氮肥投入和較低的氮效率使得耕層氮素過量，限制根系伸展，從而加重了氮素吸收效率的降低。王啟現(xiàn)等研究表明，在高強度的氮素供應(yīng)條件下，根系與側(cè)根的生長實際上處于受抑制的狀態(tài)，表現(xiàn)為總根量低，根系分布淺，吸收效率低。高氮供應(yīng)降低了根系向深層土體穿插的能力，從而抑制了其利用深層養(yǎng)分和水分的能力，限制了作物產(chǎn)量和水肥資源利用效率的提高。第三，氮肥的過量投入和較低的氮效率，使得土壤中的硝酸鹽大量淋洗，大量的養(yǎng)分流失使得土壤越來越“薄”，酸化、板結(jié)等現(xiàn)象嚴重，土壤質(zhì)量明顯下降，同時也易導致水體富營養(yǎng)化等環(huán)境風險。在內(nèi)蒙古平原灌區(qū)多次大量灌溉和大量施氮的條件下，土壤硝態(tài)氮淋洗的量更大，因此減少硝酸鹽淋洗已成為提高當?shù)氐实闹饕P(guān)注點之一。在此背景下，如何實現(xiàn)玉米氮效率的持續(xù)提高，已成為內(nèi)蒙古平原灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的核心問題之一。

挖掘氮高效玉米品種的氮效率潛力是提升氮肥利用率、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染的有效途徑。要大幅度提高氮肥的利用率，就必須充分利用土壤和環(huán)境中的養(yǎng)分資源，實現(xiàn)土壤供應(yīng)、根層吸收與氮高效品種的冠層利用在數(shù)量上匹配、時間上同步、空間上一致。

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)熱裂解而形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物，具有原材料來源廣、孔隙結(jié)構(gòu)好、吸附能力強等特點，且對氮、磷等作物所需的養(yǎng)分有較好的持留作用，可有效改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤保水、保肥能力，增加作物產(chǎn)量。生物炭的應(yīng)用，一方面，可有效破解“秸稈焚燒”難題，減輕環(huán)境污染；另一方面，有利于解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)長期從土壤“取多給少”而造成的地力下降的問題。充分發(fā)揮生物炭的來源、結(jié)構(gòu)和特性優(yōu)勢，特別是生物炭對土壤性狀、養(yǎng)分離子、作物生長等的良好作用，可與化肥配施產(chǎn)生良好的“減量增效”作用，對提高作物的肥料利用效率，提升土壤肥力水平和地力，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義。

在玉米養(yǎng)分吸收利用方面，國內(nèi)外學者做過較多研究，但相關(guān)研究多注重于玉米冠層在單一生物炭條件下的養(yǎng)分吸收特征，關(guān)于生物炭結(jié)合減氮調(diào)控條件下氮高效玉米氮效率的研究相對欠缺。作者團隊前期已就玉米氮高效品種及其氮高效特征進行了一些研究。在此基礎(chǔ)上，本研究重點考查生物炭結(jié)合減氮調(diào)控措施下，氮高效和氮低效玉米品種的氮效率差異，以期為進一步提高玉米氮效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學中國·敕勒川農(nóng)業(yè)博覽園(土默特右旗薩拉齊鎮(zhèn)北只圖村)進行。試驗地前茬作物也是玉米，土質(zhì)是壤土，土壤有機質(zhì)含量24.65 g·kg，堿解氮含量41.56 mg·kg，速效磷含量8.19 mg·kg，速效鉀含量74.98 mg·kg。

1.2 試驗材料

供試玉米品種：氮高效品種鄭單958(ZD)，氮低效品種先玉508(XY)。

供試生物炭為玉米秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供，熱解溫度為500～600 ℃，基本性質(zhì)如下：全碳42.5%，全氮8.9 g·kg，全磷3.8 g·kg，全鉀32.3 g·kg，速效磷120 mg·kg，速效鉀289 mg·kg，速效氮未檢出。

1.3 試驗設(shè)計

采用裂區(qū)試驗設(shè)計，減氮處理是主區(qū)(對應(yīng)于主處理)，品種是副區(qū)(對應(yīng)于副處理)。主處理包括：C0(不加生物炭，純N 300 kg·hm)，C1(生物炭3 000 kg·hm+純N 300 kg·hm)，C2(生物炭3 000 kg·hm+純N 255 kg·hm)，C3(生物炭3 000 kg·hm+純N 210 kg·hm)，C4(生物炭3 000 kg·hm+純N 165 kg·hm)。副處理包括ZD和XY兩個品種。共10個處理，每處理重復3次。試驗小區(qū)寬6 m，長4 m，南北行向，株距20 cm，行距60 cm，9行種植，種植密度為82 500株·hm。

生物炭于播種前結(jié)合耙地施入，耙地前均勻撒施，之后耙入深約10 cm土中。氮肥在拔節(jié)期和大喇叭口期以3∶7的比例施用，施用量按試驗設(shè)計；磷、鉀肥作基肥一次性施入，將肥料均勻撒于地表，結(jié)合翻地將其翻入耕作層中，施用量折純分別為210 kg·hm(以PO計)和90 kg·hm(以KO計)。供試氮肥為尿素(N≥46.0%，四川瀘天化股份有限公司)，磷肥為過磷酸鈣(PO≥12.0%，陜西邦田化工有限公司)，鉀肥為硫酸鉀(KO≥52%，唐山三孚鉀肥有限公司)。

供試玉米品種于2019年4月27日播種，5月10日出苗，6月23日拔節(jié)期追肥、灌第1次水，7月13日大喇叭口期追肥、灌第2次水，7月25日開花期灌第3次水，8月12日灌漿期灌第4次水，灌水總量為750 m·hm(第2次灌水210 m·hm，其余3次每次180 m·hm)，9月25日收獲。

1.4 測試指標與方法

1.4.1 植株氮含量測定

分別于大喇叭口期(7月13日)、吐絲期(7月26日)、灌漿期(8月12日)、乳熟期(8月28日)、臘熟期(9月10日)，在各處理內(nèi)選取整齊一致的植株3株取樣，每株作為1個重復，將植株分為葉片、莖稈、穗軸、籽粒各部分，105 ℃殺青30 min，然后在80 ℃烘至恒重，用HSO-HO消煮-凱氏定氮法(K9840型全自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司)測定氮含量。

1.4.2 葉綠素相對含量測定

利用SPAD-502型葉綠素儀(日本Konica Minolta)，分別于大喇叭口期、吐絲期、灌漿期，每個處理定5株測定葉片的SPAD值，以測定的SPAD值的平均值作為該時期的SPAD值。以所測得的各時期SPAD值中的最大值作為SPAD值峰值。

1.4.3 光合速率測定

采用3051D型植物光合作用測定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)，對1.4.2節(jié)選定的定株進行光合速率測定。以所測得的各生育時期光合速率的最大值作為光合速率峰值。

1.4.4 氮素相關(guān)指標計算

依據(jù)Moll等的計算方法，測算不同時期的植株氮積累量(kg·hm)、氮效率(NUE，kg·kg)、氮吸收效率(NUpE，kg·kg)、氮利用效率(NUtE，kg·kg)、氮收獲指數(shù)(NHI)。

成熟期植株氮積累量為成熟期時植株地上部(包括籽粒)的氮素積累量。營養(yǎng)器官最大氮積累量是指植株地上部莖和葉氮積累量的最大值。籽粒氮積累量是指植株收獲時籽粒中積累的氮量。營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)移量是指莖、葉向籽粒中轉(zhuǎn)移的氮量，借助于營養(yǎng)器官最大氮積累量與籽粒氮積累量的和與成熟期植株氮積累量的差值表示；花粒期根系氮轉(zhuǎn)移量是指花粒期由根系向籽粒中轉(zhuǎn)移的氮量，借助于籽料氮積累量與營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)移量的差值表示。

氮效率=產(chǎn)量/供氮量；

氮吸收效率=成熟期植株氮積累量/供氮量；

氮利用效率=產(chǎn)量/成熟期植株氮積累量；

氮收獲指數(shù)=籽粒氮積累量/植株氮積累量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) V18.10官方高級版進行方差分析和相關(guān)分析，對有顯著(<0.05)差異的，采用新復極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭結(jié)合氮肥減量對玉米氮積累的影響

不加生物炭的C0處理下，氮高效品種ZD的成熟期植株氮積累量和籽粒氮積累量均顯著(<0.05)低于氮低效品種XY(表1)，但ZD的營養(yǎng)器官最大氮積累量卻顯著(<0.05)高于XY；同樣施氮量添加生物炭的C1處理下，ZD的成熟期植株氮積累量和籽粒氮積累量反而顯著(<0.05)高于XY，但營養(yǎng)器官最大氮積累量卻顯著(<0.05)低于XY。添加生物炭后，在165～300 kg·hm的施氮量下，ZD均以C4處理的成熟期植株氮積累量、籽粒氮積累量和營養(yǎng)器官最大氮積累量最高，這說明，生物炭配合氮肥減量，既節(jié)省了肥料投入，同時又能保證玉米對氮素的吸收和積累。C4處理下，ZD的成熟期植株氮積累量和籽粒氮積累量均顯著(<0.05)高于XY，但營養(yǎng)器官最大氮積累量卻顯著(<0.05)低于XY，與C0處理下的情形剛好相反。

表1 不同處理對玉米氮積累的影響

將成熟期籽粒氮積累分解為從營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移至籽粒的部分(營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)移)和從根系轉(zhuǎn)移至籽粒的部分(花粒期根系氮轉(zhuǎn)移)，可以看出，在不添加生物炭的C0處理下，ZD的營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)移量高于XY，而花粒期根系氮轉(zhuǎn)移量低于XY；在添加生物炭的C1～C4處理下，ZD的營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)移量均低于XY，且其花粒期根系氮轉(zhuǎn)移對籽粒氮的貢獻率均高于XY。這說明，生物炭結(jié)合減氮調(diào)控措施下，氮高效品種在花粒期根系對氮的吸收活力要優(yōu)于氮低效品種。這可能是由于氮高效品種根系吸收能力強，氮吸收量大，因而籽粒氮中的大部分都來源于粒重形成階段根系吸收氮的轉(zhuǎn)移。

2.2 生物炭結(jié)合氮肥減量對玉米產(chǎn)量和氮效率的影響

方差分析與多重比較的結(jié)果顯示：主處理間相比，C3、C4處理的氮吸收效率、氮利用效率、氮效率、產(chǎn)量均顯著(<0.05)高于其他處理，其中，C3處理具有高的氮利用效率，C4處理具有高的氮吸收效率。得益于較高的氮利用效率和氮吸收效率，這2個處理的氮效率和產(chǎn)量均顯著(<0.05)優(yōu)于其他處理。副處理間比較，ZD、XY的產(chǎn)量、氮吸收效率、氮利用效率和氮效率均具有顯著(<0.05)差異。

C3處理下，氮高效品種ZD和氮低效品種XY的產(chǎn)量均最高，分別為18 105、18 345 kg·hm(表2)，兩者無顯著差異，但均顯著(<0.05)高于CK處理下的相應(yīng)品種，增幅分別為6.91%、16.92%，ZD在C3與C4處理下的產(chǎn)量差異不顯著，但XY在C3與C4處理下的產(chǎn)量差異顯著(<0.05)。在氮效率和氮吸收效率方面，無論是對于氮高效品種ZD還是氮低效品種XY來說，均以C4處理下最高，C3處理下次之，且均顯著(<0.05)高于其他處理；在氮利用效率方面，兩者均以C3和C0處理最高。對于氮高效品種ZD來說，各處理下氮效率、氮吸收效率的最高值分別是最低值的2.05、2.85倍；對于氮低效品種XY來說，各處理下氮效率、氮吸收效率的最高值分別是最低值的1.96、2.59倍?？偟膩砜?，生物炭結(jié)合氮肥減量，可使氮高效品種在較低的供氮量下仍保持較高的產(chǎn)量，且其氮效率、氮吸收效率等指標也都保持在較高水平上。與氮高效品種相比，氮低效品種的減氮潛力較低，當施氮量從210 kg·hm進一步降低到165 kg·hm時，其產(chǎn)量顯著(<0.05)下降。

表2 不同處理對玉米產(chǎn)量和氮效率的影響

2.3 生物炭結(jié)合氮肥減量下各主要指標的相關(guān)性

對氮效率與相關(guān)指標的相關(guān)性進行分析(表3)：SPAD值峰值(PCS，數(shù)據(jù)另文發(fā)表)和光合速率峰值(PPR，數(shù)據(jù)另文發(fā)表)與氮效率(NUE)的相關(guān)性均未達到顯著水平(>0.05)。NUE與氮吸收效率(NUpE)呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.910 8，但與氮利用效率(NUtE)的相關(guān)性不顯著(>0.05)，表明氮吸收效率與氮效率的關(guān)系更密切，推測其對氮效率的貢獻更大，是本研究中決定各處理氮效率差異的主要因素。此外，NUE與營養(yǎng)器官最大氮積累量(MA)呈顯著(<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.653 0；籽粒氮積累量(GA)與成熟期植株氮積累量(TA)呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，與NUpE呈顯著(<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.959 8、0.7469；TA與NUpE呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.820 6，MA與NUpE呈顯著(<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.637 2。根據(jù)以上結(jié)果推測，在本試驗條件下，氮高效品種的玉米在營養(yǎng)生長階段地上部營養(yǎng)器官積累氮的能力強，氮積累量高，有助于保證其在后期功能葉和根系不早衰，并向籽粒適度分配轉(zhuǎn)移氮素，同時保障根系對氮素的吸收能力，從而最終實現(xiàn)氮效率的提高。

表3 不同處理下各指標的相關(guān)性

3 討論

目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中，對大量秸稈進行資源化利用的有效途徑之一就是秸稈炭化還田。許多研究表明，向農(nóng)田中施用生物炭可以有效地降低土壤容重和緊實度，提高土壤含水量，以及土壤堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)含量等，從而改良地力。劉慧嶼等通過多年的田間定位試驗研究了不同氮水平下，添加秸稈生物炭對玉米氮素利用和土壤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響，認為添加秸稈生物炭可以促進植株對養(yǎng)分的吸收，能夠有效節(jié)肥45 kg·hm(以N計)，并保證玉米產(chǎn)量，同時能使土壤理化性質(zhì)向良性循環(huán)方向發(fā)展，對土壤氮素具有“削峰填谷”的調(diào)節(jié)功能。Xi等研究表明，當生物炭施用量達20 t·hm以上時，約可減少10%的化肥用量；Chan等發(fā)現(xiàn)，當生物炭的施用量為20 t·hm或40 t·hm時，水稻的氮肥利用率分別提高7.2%和20.3%。Khan等、高海英等認為，生物炭基肥可顯著延長肥料中的養(yǎng)分在土壤溶液中的釋放期，使土壤的供氮能力與玉米的氮素需求更加協(xié)調(diào)，可使玉米在產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期(籽粒灌漿期)充分吸收和利用氮素；同時，生物炭能促進莖稈中的氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，從而提高籽粒中的氮素積累量。程效義等研究表明，生物炭與氮肥配施處理下，玉米氮素積累總量增加5.60%，籽粒中的氮素積累量增加17.25%。上述結(jié)果都說明，生物炭配施肥料可提高肥料利用率，有助于實現(xiàn)肥料減量。本研究結(jié)果也支持上述結(jié)論。在本研究中，生物炭3 000 kg·hm+純N 165 kg·hm處理的氮效率顯著高于不加生物炭僅純N 300 kg·hm，及生物炭3 000 kg·hm+純N 300 kg·hm的處理。也就是說，生物炭搭配減氮調(diào)控的效果要優(yōu)于單施化肥和生物炭搭配常規(guī)用量的氮肥，生物炭與適宜的減氮量在“化肥減量、玉米增效”上表現(xiàn)出較為理想的互作效應(yīng)，這可能主要得益于生物炭對土壤的改良作用，特別是提升了土壤總體的供肥水平。

本研究同時選用氮高效品種和氮低效品種玉米進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于氮高效品種來說，在搭配施用3 000 kg·hm生物炭的條件下，綜合考慮氮效率和玉米產(chǎn)量，氮肥的適宜用量為165～210 kg·hm，較常規(guī)施氮量300 kg·hm可節(jié)氮90～135 kg·hm，節(jié)氮比例在30%～45%，且氮效率可較不加生物炭僅純N 300 kg·hm的處理提高52.8%～93.3%。對于氮低效品種來說，在搭配施用3 000 kg·hm生物炭的條件下，當?shù)视昧繌?10 kg·hm進一步降低至165 kg·hm時，玉米產(chǎn)量顯著降低。綜合來看，相較于氮低效品種，減氮調(diào)控措施配合生物炭施用能更好地發(fā)揮氮高效品種優(yōu)越的氮吸收能力和氮利用能力，從而在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高的減氮量。