生物炭施用對土壤氮素及玉米植株吸氮量的影響*

王 娟，孫旭光，張 君

（南陽師范學(xué)院水資源與環(huán)境工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

生物炭是由枯枝、枯葉、作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物及動物尸體在絕對無氧或低氧條件下所產(chǎn)生的高含碳量固體微粒[1]。由于其具有弱堿性、疏松多孔的特點，使得其具有較好的吸收性，因此能夠儲存水和營養(yǎng)物質(zhì)，提高土壤中的有機質(zhì)含量。生物炭中的孔隙和表層也可以為微生物提供生長條件，增加土壤微生物的數(shù)量和活力。因此，近年來生物炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)保等方面的應(yīng)用越來越受到重視。

土壤中的生物炭通過微生物的分解后，被釋放入土壤，促進了土壤有機物質(zhì)的分解、營養(yǎng)的循環(huán)，成為土壤的一個重要的指標(biāo)[2]。因此，營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)是一個非常重要的因素，其活力依賴于微生物活性、微生物活力以及養(yǎng)分的循環(huán)系統(tǒng)。

目前，生物炭對土壤酶活性的影響研究結(jié)論較少。大多數(shù)研究集中在碳氮物質(zhì)循環(huán)中涉及的幾種酶上，受到土壤種類、生物炭表面結(jié)構(gòu)及添加劑用量的綜合影響而復(fù)雜變化[3-5]。由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)及特性，生物炭在糧食生產(chǎn)中的用途十分廣泛，如利用生物碳來改善土壤理化性質(zhì)，施用后，可改善土壤酸堿度；有利于土壤中的重金屬吸收[6-7]；提高土壤通透性，減少土壤容重和土壤的質(zhì)量[8-9]；增加土壤離子交換量，提高土壤中有機物及有機碳濃度[10]；調(diào)節(jié)土壤脲酶、過氧化氫酶等的含量，提高微生物種群數(shù)量[11]。生物炭可以修復(fù)土壤，又能夠起到施肥效果，促使作物生長。生物炭可提高土壤鉀和其他微量元素的含量。生物炭施入土壤后，能夠提高玉米種子的萌發(fā)率、提高玉米植株的生物量，進而有效增加作物產(chǎn)量[12-13]。因此，本研究以玉米秸稈生物炭為試驗材料，探究生物炭施用對土壤氮素及玉米植株吸氮量的影響，為作物氮素的吸收提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生物炭為河南三利新能源公司產(chǎn)品，利用玉米秸稈在400～500 ℃高溫下熱解4 h制取，生物炭的基本理化性質(zhì)分別為：pH=8.2、全碳31.07%、全氮（N）0.45%、全磷（P2O5）0.75%、全鉀（K2O）4.6%、比表面積26.9 m2/g、孔徑2.14 nm、灰分含量24.3%。

供試作物：玉米品種為鄭單958。

1.2 試驗設(shè)計

本研究共設(shè)5個處理，分別為：不施生物炭對照組（CK），生物炭處理濃度：30 g/kg（BC1）、60 g/kg（BC2）、90 g/kg（BC3）、120 g/kg（BC4），選用內(nèi)徑為30 cm，高度20 cm的盆缽，每盆裝經(jīng)5 mm孔徑過篩的風(fēng)干土5 kg，復(fù)合肥一次性基施2 g/kg。在本次試驗土壤處理工作開始前，澆水達到田間土壤持水量80%左右。玉米種子置25 ℃溫水浸泡24 h后于2021年3月20日進行播種，每盆播8粒種子，播種一周后每盆定苗4株。取樣測定土壤氮轉(zhuǎn)化及理化指標(biāo)。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集

于玉米生長30 d后采集土壤樣品。將樣本分為兩份，一份在樣品盤上鋪成薄層，置于透氣、陰涼處，防止日光照射。將風(fēng)干后的土樣進行研磨，過孔徑為0.149 mm的細篩后將土壤樣本篩入貯存袋中；另一份鮮樣冷凍保存，用于檢測土壤酶的活性。

1.3.2 玉米氮素含量測定

于玉米生長30 d后各處理采集2株植株，將植株按葉片、莖稈、苞葉、莖軸、玉米籽粒等分離，將表面浮塵清洗干凈后在烘箱105 ℃的溫度條件下殺青30 min，以去除雜物和細菌，再80 ℃烘干直至恒重，用電子天平稱量玉米葉片、莖稈等干物質(zhì)重。將植物樣品碾碎后，用H2SO4-H2O2方法進行消煮，用AA3雙流路流速測定系統(tǒng)測定氮濃度。

1.3.3 玉米干物質(zhì)量測定

于玉米生長30 d后各處理隨機選取2株植株，分地上部和地下部將表面浮塵清洗干凈后在烘箱105 ℃的溫度條件下殺青30 min，去除雜物和細菌80 ℃烘干直至恒重，用天平稱量各器官干物質(zhì)重。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)測定方法

利用水浸提電勢測定土壤pH，浸提劑與土壤比例為2.5∶1；利用重鉻酸鹽測定土壤中的有機物；采用堿解-漫射儀測定土壤的堿解氮含量；采用氫氧化鈉溶液浸提-氧化銻的方法對高效磷進行分析；利用NH4OAc溶液萃取和火焰分光光度計，對有效鉀進行分析。

1.3.5 土壤酶活性測定方法

1.3.5.1 土壤脲酶活性

土壤脲酶用水楊酸鈉比色法進行比較測定：取5 g冷凍保存的土壤，添加2.5 mL、0.08 mol/L的尿素溶液，再添加20 mL、pH為10的硼酸緩沖液，37 ℃培養(yǎng)2 h。培養(yǎng)結(jié)束后添加30 mL1 mol/L氯化鉀溶液和0.01 mol/L鹽酸溶液的混合溶液，均勻過濾。利用水楊酸鈉與氫氧化鈉的混合溶液進行比色，以每克土壤2 h內(nèi)所生成的NH4+-N濃度來表示，單位為mg/g[3]。

1.3.5.2 土壤過氧化氫酶活性

利用滴定法來檢驗過氧化氫酶：首先在2 g土樣中加入40 mL蒸餾水和0.3% H2O2溶液5 mL，振蕩后加入1.5 mol/LH2SO4溶液5 mL立即停止反應(yīng)，用濃度為0.02 mol/L的KMnO4溶液對殘留的H2O2溶液進行滴定。土壤過氧化氫酶活性可以通過每克干土所消耗的KMnO4溶液的毫升數(shù)表示，單位為mL/g[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

對已經(jīng)培養(yǎng)了30 d的盆栽土壤進行養(yǎng)分測定（見表1），與CK相比，BC4處理pH顯著提高，提高了0.64，施用生物有機碳處理的植物有機質(zhì)含量增加范圍為12.9%～35.8%；施用生物炭可以提高土壤中銨態(tài)氮含量，以BC3處理較CK相比，銨態(tài)氮含量顯著增加。施用生物炭后，各處理與CK 相比，硝態(tài)氮含量有不同程度的降低；但施用生物炭各處理土壤全氮含量與CK差異不顯著。

表1 生物炭對土壤氮素含量的影響

2.2 不同處理對土壤酶活性的影響

生物炭具有特殊的理化性質(zhì)，加入后土壤理化性質(zhì)有所改變，同時也對土壤中的酶活力產(chǎn)生影響。由圖1可以看出，不同濃度的生物碳對土壤中的酶活力均有一定的提升作用。其中脲酶活性在BC3處理中達到最高值，與BC2和BC4處理差異不顯著，與CK處理比較，則顯著增加了28.4%；施用生物炭對土壤中過氧化氫酶的影響較小，各處理與CK相比差異不明顯（圖2）。

圖1 施用生物炭對土壤脲酶活性的影響

圖2 施用生物炭對土壤過氧化氫酶活性的影響

2.3 不同處理對玉米干物質(zhì)量的影響

不同處理對玉米干物質(zhì)量產(chǎn)生的影響（圖3）表明：地上部和地下部玉米干物質(zhì)量隨著生物炭施用量的增加而呈上升態(tài)勢，植株干物質(zhì)量的活性在BC3處理中達到了最高。不同生物炭處理之間地上部玉米干物質(zhì)積累量差異不顯著，但與CK處理相比，生物炭處理增加了地上部干物質(zhì)量。玉米地下部，BC3與BC2和BC4處理差異顯著，BC3與CK處理相比，顯著增加105.3%。

圖3 施用生物炭對玉米干物質(zhì)量的影響

2.4 不同處理對玉米植株氮素吸收量的影響

由生物炭對玉米植株氮素吸收量的影響（表2）可知，玉米氮素吸收量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)增加趨勢。玉米地上部，氮素的含量在BC3處理中達到最高水平，BC3處理與BC2、BC4處理的差異不顯著，BC3處理與CK處理相比玉米地上部氮素吸收量略有提升；玉米地下部，氮素吸收量在BC3處理中達到峰值，而BC3處理與BC2、BC4的處理差異顯著，BC2、BC3、BC4處理與CK處理相比氮素吸收量均有大幅提升。

表2 施用生物炭對玉米各器官氮素吸收量的影響

3 討論

近年來，關(guān)于施用生物炭對土壤理化性質(zhì)影響的研究受到了研究者的廣泛重視，因為生物炭的多孔特性可截留大量營養(yǎng)物質(zhì)，施用后可緩解土壤養(yǎng)分流失。本實驗結(jié)果表明，施用生物炭土壤pH和養(yǎng)分濃度都有所提高，主要由于原生炭的灰分中含有大量的弱堿性化合物，如碳酸鹽（CaCO3和MgCO3）和有機酸根（-COO-）等，在施用后提高了土壤鹽基飽和度，因而提高了土壤的pH。

3.1 生物炭對土壤酶活性的影響

實驗結(jié)果表明，通過一次性施炭能夠改善土壤脲酶和過氧化氫酶活性，土壤酶活性與土壤肥力水平呈正相關(guān)。脲酶作為一種重要的水解酶，參與了土壤氮素的循環(huán)，而過氧化氫酶的活性則能反應(yīng)土壤的氧化與腐熟程度[14]。

施入生物炭后，土壤脲酶的活性得到了顯著的提高。有研究表明，生物炭可有效地吸附植物根中的反應(yīng)基質(zhì)，從而促進酶的活力；但是由于生物炭成分及其對有機物吸收的特殊性，其對酶活力的影響也不是單一的，土壤酶活性變化的程度與其本身特性、特性及添加量有關(guān)[15]。本研究結(jié)果顯示：生物炭施用量30～120 g/kg時，土壤中的脲酶、過氧化氫酶活力都有顯著提高，且隨著施用劑量的增大呈上升的趨勢。在一定程度上，利用生物炭能促進微生物的增殖，并提高過氧化氫酶和脲酶的活性；另一方面脲酶促進尿素水解產(chǎn)生NH4+，施用生物炭可以對NH4+進行吸收，進而加速NH4+的消耗。在施用生物炭后，土壤磷酸鹽的含量降低13.5%～19.4%，這與土壤的pH呈負相關(guān)。這是因為經(jīng)生物炭中和后的土壤pH升高，使酸性磷酸酶活力下降。

前人研究結(jié)果表明，生物炭與化肥配合施用可以顯著提高土壤脲酶和過氧化氫酶的活力，并與氮肥協(xié)同作用促進了土壤微生物的生長，進而增強土壤酶活性[14]，而本實驗結(jié)果也驗證了這一理論。

3.2 生物炭對玉米植株干物質(zhì)量的影響

配施生物炭可以提高玉米干物質(zhì)重，且隨著生物炭的施入量增加出現(xiàn)上升態(tài)勢。合理使用生物炭可有效提高玉米全株干物質(zhì)積累量。在玉米產(chǎn)量構(gòu)成中，大部分來自地上部干物質(zhì)積累，而對其它營養(yǎng)器官貯藏物料的運輸，又具有十分關(guān)鍵的意義。本研究中各生物炭處理均提高了干物質(zhì)運輸率、轉(zhuǎn)運率以及對籽粒干物積累貢獻率，從而提高了籽粒重量比，為后來玉米生產(chǎn)率的進一步提高，打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是BC3處理干物質(zhì)量明顯提高，這對籽粒形成及增產(chǎn)必不可少[16]。

3.3 生物炭對玉米各器官氮素吸收量的影響

土壤全氮和硝態(tài)氮含量隨著生物炭的施用濃度的增加先升高后降低，土壤中銨態(tài)氮含量與生物炭施用量成反比關(guān)系，這與先前研究結(jié)論一致。通過適度的氮肥與合理生物炭配施，能夠提高作物根際區(qū)土壤中有效氮的供給水平。呂貝貝[17]等實驗結(jié)果表明，施用生物碳與氮素可以提高土壤中全氮和堿解氮含量。其主要的作用有，一是由于生物碳具有良好的吸附性，可以幫助吸收和固定土壤和化肥中的氮，進而顯著降低了氮素流失，而且可以增加可供使用的營養(yǎng)元素的含量；二是由于生物炭的多孔性，對于進入生物炭中的氮素能延遲釋放，并延長化肥有效期，從而為植物提供生長周期所需要的養(yǎng)分；再者，利用生物炭可以增加土壤的含水量和孔隙，增加土壤的透氣性，從而增加微生物的活力，抑制氮類有機物的抗硝化作用，降低N2的產(chǎn)生與釋放，從而使土壤中的全氮含量明顯提高。其對土壤中銨態(tài)氮含量的影響主要原因有：（1）利用生物碳直接吸附苯酚（對硝化作用有一定的抑制作用）。（2）生物炭由于加大了土壤氨氧化細菌的含量，也間接加快了NH4+催化氧化的速度[18]。

4 小結(jié)

生物炭能夠有效改善土壤pH，配施生物炭可以提高玉米干物質(zhì)重，且隨著生物炭的施入量增加出現(xiàn)上升態(tài)勢。通過適度的氮肥與合理生物炭配施，能夠提高作物根際區(qū)土壤中有效氮的供給水平，促進玉米對氮素的吸收。在生物炭處理達到90 g/kg時，對提高土壤酶活性、玉米干物質(zhì)量、玉米植株氮素吸收量等方面效果最顯著。