氮肥減量配施生物炭對水稻氮素吸收和土壤理化性質(zhì)的影響

阮澤斌，王蘭鴿，藍王凱寧，徐 彥，陳俊輝，柳 丹

(浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300)

氮肥在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，在一定范圍內(nèi)，氮肥的施用量決定著作物的生長發(fā)育情況和產(chǎn)量[1]。自20世紀80年代以來，我國化肥用量持續(xù)增加，2015年全國農(nóng)用化肥用量達到最大值(6 022.6萬t)。但是，氮肥的過量施用極易造成氮素損失，加重環(huán)境污染[2]。長期過量施氮易使土壤質(zhì)量退化，土壤養(yǎng)分失衡，降低土壤生產(chǎn)能力。同時，過量施用的氮素一方面可通過徑流、淋溶進入水體，造成水體富營養(yǎng)化和地下水污染；另一方面，可經(jīng)過硝化和反硝化作用產(chǎn)生NO和N2O，加劇溫室效應(yīng)[3-4]。當下，在氮肥減量的大背景下，如何提高氮肥利用率，是保障作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

土壤酶是養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的核心驅(qū)動力，其活性能有效表征土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)狀況[13]。研究表明，在施用有機肥的條件下，土壤脲酶、蔗糖酶活性增加[14]，且土壤脲酶、蔗糖酶活性與土壤全氮、速效磷、有機碳含量呈顯著相關(guān)關(guān)系[15]。

在當前氮肥減量增效的背景下，如何利用生物炭來促進水稻生長、提高氮肥利用率備受關(guān)注。生物炭在氮肥減量條件下能否增進水稻的氮素利用效率，及其與土壤碳、氮、磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的活性有何關(guān)系等，目前尚缺乏系統(tǒng)研究。為此，本研究特開展水稻盆栽試驗，研究不同氮肥減量水平下生物炭施用對水稻氮素吸收，土壤養(yǎng)分含量，以及土壤碳、氮、磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的影響，以期為化肥減量背景下的生物炭農(nóng)用提質(zhì)增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

生物炭由死豬在650 ℃高溫、常壓條件下熱裂解4 h制成，基本理化性質(zhì)如下：pH值9.96，全碳(C)質(zhì)量分數(shù)25.4%，全氮(N)質(zhì)量分數(shù)1.6%，全磷(P)質(zhì)量分數(shù)7.8%，全鉀(K)質(zhì)量分數(shù)2.4%，C/N為16.3。

供試土壤采自浙江省金華市洋埠鎮(zhèn)五都錢村(119°21′57″E，29°5′13″N)，土壤類型屬于鐵鋁型水稻土。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，為典型水稻種植區(qū)。供試土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH值5.60，有機碳含量13.11 g·kg-1，堿解氮含量131.30 mg·kg-1，有效磷含量11.50 mg·kg-1，速效鉀含量245.00 mg·kg-1。

供試水稻品種為甬優(yōu)1540。

供試用氮肥為尿素(N質(zhì)量分數(shù)46%)，靈谷化工集團有限公司生產(chǎn)；磷肥為過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分數(shù)12%)，浙江銘隆化工有限公司生產(chǎn)；鉀肥為氯化鉀(K2O質(zhì)量分數(shù)60%)，中化化肥有限公司生產(chǎn)。

測定儀器：FE20實驗室pH計，梅特勒-托利多(Mettler Toledo)；D-8紫外可見分光光度計，南京菲勒儀器有限公司；FP640火焰光度計，上海儀電分析儀器有限公司；Synergy H1多功能酶標儀，美國BioTek。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)7個處理：CK，不施氮肥的對照；N100，常規(guī)施氮；BN100，常規(guī)施氮配施生物炭，氮肥用量折純164 kg·hm-2；N80，在常規(guī)施氮量的基礎(chǔ)上減氮20%；BN80，在N80的基礎(chǔ)上配施生物炭；N60，在常規(guī)施氮量的基礎(chǔ)上減氮40%；BN60，在N60的基礎(chǔ)上配施生物炭。這7個處理統(tǒng)一施用磷、鉀肥，其用量折純分別為67.5(以P2O5計)、82.0(以K2O計)kg·hm-2。配施生物炭的處理統(tǒng)一按照盆栽土壤質(zhì)量0.5%的比例添加生物炭。

盆栽試驗于溫室大棚內(nèi)進行，水稻生育期長120 d。對盆栽進行淹水管理，于分蘗期結(jié)束后曬田，以結(jié)束無效分蘗。

每盆盆栽裝土2.5 kg，按照試驗設(shè)計，將各處理60%的氮肥和全部的磷、鉀肥，以及需要配施的生物炭作基肥施用，與土壤混合均勻。淹水穩(wěn)定一周后移栽水稻幼苗。剩余的40%的氮肥于水稻幼苗移栽7 d后作追肥施用。

水稻于8月4日移栽，每盆栽種水稻1株，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。于水稻成熟后(12月2日)進行破壞式取樣，將水稻和土壤分離。水稻洗凈，分為根、莖、葉、穗4部分，殺青1 h，烘至恒重。將土壤分成兩部分：一部分直接儲存于4 ℃冰箱，用于測定土壤酶活性；一部分自然風(fēng)干并分別過10目和100目篩，用于測定土壤pH值，及有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.3 指標測定

參照《土壤農(nóng)化分析》[16]中的方法：水土體積質(zhì)量比2.5∶1的比例浸提，用pH計測定土壤pH值；用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定土壤有機碳含量；用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；用鹽酸-氟化銨浸提—鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；用醋酸銨浸提—原子吸收法測定土壤速效鉀含量；用KCl浸提—靛酚蘭比色法測定土壤銨態(tài)氮含量；用紫外分光光度校正因數(shù)法測定土壤硝態(tài)氮含量。

采用H2SO4-H2O2消煮—靛酚藍比色法測定水稻植株氮含量。參照文獻[17]的方法測算水稻地上部氮積累量和氮肥表觀利用率。

采用微孔板熒光法[18]測定土壤α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CB)、木聚糖苷酶(XYL)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(PHOS)活性。以4-羥甲基-7-香豆素(MUB)和7-氨基-4-甲基香豆素(MUC)熒光標記的底物作為酶活性反應(yīng)底物，通過MUB和MUC熒光強度的變化反映酶活性。用多功能酶標儀，在激發(fā)光波長365 nm和檢測光波長450 nm下測定反應(yīng)液熒光值。以單位質(zhì)量(1 g)土壤單位時間(1 h)的產(chǎn)物量(nmol)表征酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)。使用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，對有顯著(P<0.05)差異的，采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較。用Origin 2021軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

與常規(guī)施氮處理(N100)相比，添加生物炭處理的土壤pH值和有效磷含量分別顯著(P<0.05)提升0.23～0.31個pH單位和16.1%～29.2%，BN100和BN80處理的速效鉀含量相比常規(guī)施氮處理(N100)顯著(P<0.05)提升182.0%和294.5%(表1)；化肥減量處理(N80、BN80、N60、BN60)的土壤銨態(tài)氮含量顯著(P<0.05)提升37.5%～49.2%，但硝態(tài)氮含量無顯著變化。與CK和N100處理相比，僅添加了生物炭的BN100處理顯著(P<0.05)提高了土壤有機碳含量，較N100增加了24.0%。

表1 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同處理對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是表征土壤肥力的重要指標。與常規(guī)施氮處理(N100)相比，適量減氮和添加生物炭可顯著(P<0.05)提高土壤酶活性(表2)。

表2 不同處理對土壤酶活性的影響

與常規(guī)施氮處理(N100)相比，BN80和BN60處理的α-葡萄糖苷酶(AG)活性分別顯著(P<0.05)提升26.4%和23.6%；BN80處理的β-葡萄糖苷酶(BG)和木聚糖苷酶(XYL)活性顯著(P<0.05)提升13.0%和27.2%。與常規(guī)施氮處理(N100)相比，化肥減量處理(N80、BN80、N60、BN60)的N-乙?；?β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性顯著(P<0.05)提升9.3%～24.4%。與常規(guī)施氮處理(N100)相比，添加生物炭處理(BN100、BN80、BN60)的纖維二糖水解酶(CB)和酸性磷酸酶(PHOS)活性分別顯著(P<0.05)提升11.2～12.8%和16.3%～20.6%。但是，各處理之下，土壤LAP活性均無顯著差異。

2.3 不同處理對水稻各部位氮含量、氮積累量和氮肥表觀利用率的影響

于水稻成熟期檢測水稻不同部位的氮含量(圖1)。與N100和N80處理相比，等氮量條件下配施生物炭的處理(BN100和BN80)顯著(P<0.05)提高了水稻根系的含氮量。在莖中，BN80處理的氮含量最高，較N100處理顯著(P<0.05)提升38.4%。同時，與N80和N60處理相比，等氮量條件下配施生物炭的處理(BN80和BN60)均顯著(P<0.05)提高了水稻莖中的含氮量。各處理中，BN80處理的水稻葉片氮含量最高，較N100處理顯著(P<0.05)提高12.9%。當?shù)昧繛槌Ｒ?guī)施氮量的80%時，水稻穗中的氮含量最高， BN80和N80處理下，水稻穗中的氮含量較N100處理分別顯著(P<0.05)提高18.8%和11.1%。

同一部位柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters in the same part indicated significant difference at P<0.05.圖1 不同處理對水稻各部位氮含量的影響Fig.1 Effect of different treatments on nitrogen content in various parts of rice

與N100處理相比，各處理中，僅BN80處理的地上部氮積累量顯著(P<0.05)增加16.0%(圖2)。N60處理的水稻地上部氮積累量較N100處理顯著(P<0.05)下降，BN60處理的地上部氮積累量較N60處理顯著(P<0.05)增加，與N100無顯著差異。以上結(jié)果說明，適量減氮并配施生物炭可以促進水稻地上部的氮素積累。

與N100處理相比，BN80、N80、BN60處理的氮肥表觀利用率較N100處理分別顯著(P<0.05)提升25.5、16.3和19.4百分點(表3)，說明適量減少氮肥施用，以及在氮肥適當減量的基礎(chǔ)上合理配施生物炭能夠提高水稻的氮肥表觀利用率。

圖中數(shù)據(jù)以盆計。柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Data in the above figure was recorded by pot. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖2 不同處理對水稻地上部氮積累量的影響Fig.2 Effect of different treatments on nitrogen accumulation in aboveground parts of rice

表3 減氮配施生物炭對水稻氮肥表觀利用率的影響

2.4 土壤胞外酶與土壤養(yǎng)分和水稻氮素吸收的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)果(圖3)顯示：NAG活性與土壤銨態(tài)氮，水稻根、莖、葉、穗氮含量，及土壤速效鉀含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。土壤pH值與AG、BG、CB、LAP、PHOS和XYL酶活性呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。CB、PHOS活性與土壤堿解氮含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，PHOS、BG、XYL活性還與土壤有效磷含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。氮肥表觀利用率與土壤銨態(tài)氮和速效鉀，水稻根、莖、穗氮含量，以及NAG、XYL、AG、BG、PHOS活性呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。

OC，土壤有機碳；AN，土壤銨態(tài)氮；NN，土壤硝態(tài)氮；EN，土壤堿解氮；AP，土壤有效磷；AK，土壤速效鉀；RN，根氮含量；SN，莖氮含量；LN，葉氮含量；PN，穗氮含量;NC，地上部氮積累量；NUE，氮肥表觀利用率?！?”表示顯著(P<0.05)相關(guān)。OC， Soil organic carbon； AN， Soil ammonium nitrogen； NN， Soil nitrate nitrogen； EN， Soil effective N； AP， Soil available P； AK， Soil available K； RN， Nitrogen content in root； SN， Nitrogen content in stem； LN， Nitrogen content in leaf； PN， Nitrogen content in panicle； NC， Nitrogen accumulation in aboveground parts； NUE， Apparent nitrogen use efficiency. “*” indicates significant correlation at P<0.05.圖3 土壤胞外酶活性、土壤養(yǎng)分含量與水稻氮素吸收的相關(guān)性Fig.3 Correlation of soil extracellular enzymes activities， soil nutrients contents and nitrogen uptake in rice

3 討論

在本研究中，不同氮施用量下配施生物炭均能顯著提高土壤pH值。這與前人研究結(jié)果[19]一致。生物炭之所以能夠提高土壤的pH值，這可能與生物炭本身pH值較高，且含有K、Na、Ca、Mg等鹽基離子有關(guān)[20]。單一施氮處理下的土壤pH值較不施氮的CK略降，這可能與水稻對銨的偏好吸收有關(guān)。水稻吸收土壤中的銨態(tài)氮，導(dǎo)致土壤中存在過量陰離子，為保持電荷平衡，水稻根系表面分泌H+至土壤中，進而使得土壤酸化[21]。田冬等[22]開展的室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗也顯示，在添加尿素后，土壤pH值顯著降低。

有研究表明，施用生物炭能夠提高土壤有機碳水平[23]。土壤中的生物炭表面鈍化后，會與土壤相互作用形成一種保護基質(zhì)，增加有機碳的氧化穩(wěn)定性，有助于土壤有機碳的積累[24]。不同材料制成的生物炭，其本身的碳含量就有所不同，對土壤有機碳含量的影響也會不同[25]。本試驗所用豬炭的全碳含量比其他竹炭、秸稈炭等植物性炭源要低。在本研究中，在常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上添加生物炭，能夠顯著提高土壤有機碳含量。這可能與施用生物炭有助于土壤中腐殖質(zhì)的形成有關(guān)[26]。章明奎等[27]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后，土壤中的易氧化有機碳含量顯著降低，認為這是促進土壤有機質(zhì)積累的重要因素之一。汪峰等[28]研究表明，單一減氮對土壤有機質(zhì)含量的影響并不顯著，與本試驗結(jié)果一致。

雖然生物炭中的總氮含量較高，但其礦化態(tài)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量甚微，較土壤礦化態(tài)氮相比可以忽略不計[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，適量減氮能顯著提升水稻成熟期土壤中的銨態(tài)氮含量。于春曉等[30]利用15N標記尿素進行試驗，結(jié)果表明，成熟期水稻土中的銨態(tài)氮極少量來源于所施加的尿素。成熟期，水稻對氮素的需求降低。由此推測，水稻成熟期的土壤銨態(tài)氮含量與土壤氮素礦化具有緊密聯(lián)系。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤銨態(tài)氮含量與土壤NAG活性顯著相關(guān)。

磷和鉀是植物生長所需的大量元素[25]。研究表明，添加生物炭能夠提高土壤中的有效磷和速效鉀含量，從而促進作物增產(chǎn)[31]。本研究中，與CK和N100相比，BN100和BN80處理的土壤有效磷、速效鉀含量均顯著提升，但速效鉀含量的增幅更大。這可能是因為：一方面，生物炭本身就含有大量的鉀，施入土壤后能夠直接提高土壤速效鉀的含量；另一方面，生物炭的多孔性結(jié)構(gòu)能夠固持施用到土壤中的鉀，減少其向環(huán)境的淋失，從而提升土壤中的可交換性鉀含量[32]。另外，本研究中水稻成熟期CK處理的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量與N100處理并無顯著差異，這可能是因為雖然CK沒有施入外源肥料，但該處理下水稻的長勢較差，對土壤中氮、磷、鉀元素的吸收量較少，因而盆栽土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀存留相對較多。

土壤酶是土壤中具有生物催化能力的特殊蛋白質(zhì)類化合物的總稱。土壤酶大多來自土壤中的植物、動物和微生物，是反映土壤質(zhì)量的生物活性指標和評價土壤肥力的重要指標[33-34]。有研究表明，在稻田上施用化肥后，能有效提升土壤碳循環(huán)水解酶BG和氮循環(huán)水解酶NAG的活性[35]。在本研究中，適宜的減氮量配施生物炭能進一步提高土壤BG、NAG活性。這可能是由于施用生物炭提高了土壤的孔隙度，調(diào)節(jié)了土壤碳氮比，因而有助于提高碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的活性[30]。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤速效鉀含量與NAG活性呈顯著正相關(guān)，由此推測，土壤酶活性的變化也受到土壤養(yǎng)分含量的調(diào)控。這與李其勝等[36]提出的土壤酶活性與土壤養(yǎng)分存在顯著正相關(guān)性的結(jié)果一致。本研究中，PHOS活性與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)，添加生物炭后，土壤有效磷含量顯著提升，推測這有助于促進土壤PHOS活性的增強。Paz-Ferreiro等[37]研究表明，生物炭不僅能夠給土壤中的微生物提供能源物質(zhì)，而且其多孔隙結(jié)構(gòu)也有利于微生物繁殖，刺激微生物活性，從而提高土壤酶活性。孟繁昊等[38]認為，生物炭中的碳源使得微生物活動加快，進而提高酶活性。本研究中，土壤有效磷含量與BG活性呈顯著正相關(guān)，但與CB活性無顯著相關(guān)性，可見不同胞外酶對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)不同。另外，本研究顯示，土壤AG、BG、CB、XYL、LAP、PHOS活性與土壤pH值均呈顯著正相關(guān)。推測這可能是因為生物炭的添加提高了土壤pH值，同時增加了土壤微生物豐度，使土壤酶活性增強[39]。

添加生物炭能夠改善作物的生長發(fā)育，提升作物氮素積累，提高氮肥表觀利用率[40-41]。本研究發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)施氮量，減氮20%并配施生物炭的BN80處理在提高水稻各部位氮含量上效果最佳。這與楊天昱[42]通過施用生物炭基肥顯著提高水稻秸稈與稻米氮素含量的結(jié)果一致。同時，本研究中BN80處理的氮肥表觀利用率最高。研究表明，在施用高量氮肥的基礎(chǔ)上，適量減少氮肥的施用可以提升植物對氮素的吸收，減少氮磷流失風(fēng)險[43]。鄭小龍等[44]的研究揭示，減少氮肥施用能有效減少水稻田面水的氮濃度，從而降低氮素流失。在適量減氮的同時配施生物炭，不僅能改良土壤的理化性質(zhì)，還能直接或間接提高氮素轉(zhuǎn)換相關(guān)酶的活性，因而更有利于提高氮素的生物有效性[45]。