老化棉稈炭對土壤性質(zhì)和小麥氮肥利用的影響

林玲　朱玉潔　馮雷　唐光木　張云舒　徐萬里

摘要：為研究不同老化棉稈炭（凍融老化、干濕老化、檸檬酸老化）對土壤性質(zhì)、小麥氮肥利用效率的影響，設(shè)置不施氮、低氮（200 mg·kg?1）、高氮（400 mg·kg?1）3個施氮水平和不添加棉稈炭（B0）、添加新鮮棉稈炭（BC）、添加干濕老化棉稈炭（DB）、添加凍融老化棉稈炭（EB）、添加檸檬酸老化棉稈炭（CB）5個棉稈炭處理，分析小麥干物質(zhì)量及氮素吸收量、土壤理化性質(zhì)的變化。結(jié)果表明，與未添加棉稈炭處理相比，不同施氮水平下老化棉稈炭處理的土壤有機質(zhì)含量顯著增加、電導(dǎo)率無顯著差異，凍融循環(huán)和干濕交替老化棉稈炭處理的土壤pH顯著增加，檸檬酸老化和凍融循環(huán)老化棉稈炭處理的土壤全氮含量顯著增加；與新鮮棉稈炭處理相比，不同施氮水平下檸檬酸老化棉稈炭處理的土壤全氮和有機質(zhì)含量顯著增加，土壤pH顯著降低。低量施氮時不同處理小麥干物質(zhì)量、氮素累積吸收量、氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率最高，檸檬酸老化棉稈炭與低量氮肥配施小麥氮肥吸收量較高，氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率分別為68.27%和46.69%。綜上可知，檸檬酸老化棉稈炭的添加有利于土壤氮素的固持，可以增加土壤氮素和有機質(zhì)含量，減弱對土壤pH和電導(dǎo)率的提升效果，在低量施氮時作物氮素吸收利用效果較好。以上結(jié)果為棉稈炭的長期應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：棉稈炭；老化；氮肥利用

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0803

中圖分類號：S158 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）05018408

氮素是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，氮肥的施用與農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)[1]。但氮肥施用方法不當或比例過高導(dǎo)致氮素利用率低和環(huán)境污染[23]。生物炭是生物質(zhì)在缺氧或限氧條件下通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的固態(tài)產(chǎn)物，可以改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分，提高氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的土壤微生物多樣性和酶活性，提高肥料利用率，對作物氮素利用有顯著影響[45]。生物炭在農(nóng)田環(huán)境中的老化[6] 改變作物對氮肥的利用，進而影響其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上長期應(yīng)用的生產(chǎn)效益。

研究表明，生物對土壤NH+4、NO-3 具有較強的吸附作用，可以減少氨的揮發(fā)、降低NH+4-N、NO-3-N的淋洗率，從而滿足植株生長對氮素的需求[7]。生物炭和氮肥配施能有效減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失，進而節(jié)約肥料并提高作物氮肥利用率[89]。張愛平等[10]研究表明，水稻氮肥利用率隨生物炭用量的增加從15.7%提高到37.8%。但生物炭施入土壤后隨時間推移其理化性質(zhì)會緩慢發(fā)生變化，進而有可能對土壤性質(zhì)、作物產(chǎn)量等產(chǎn)生影響。王朝旭等[11]研究發(fā)現(xiàn)，與新鮮生物炭相比，老化生物炭較強的土壤氨氧化促進作用和NH+4-N吸附能力可以減少農(nóng)田土壤氨揮發(fā)。張軍等[12]研究表明，通過恒濕和干濕循環(huán)老化后的生物炭提高了基質(zhì)的飽和導(dǎo)水率、滯留能力，降低了氮素的累積淋失量，且對氮的累積淋失減控能力隨生物炭老化作用的增強而增強。Mia等[13]通過15N氮示蹤技術(shù)研究表明，21個月的田間老化生物炭可以通過減少沙質(zhì)土壤中氮的淋失或氣體損失來提高氮肥利用率。

生物炭的應(yīng)用研究主要集中在新鮮生物炭改善土壤理化性質(zhì)、增加作物產(chǎn)量和提高氮肥利用率方面，關(guān)于生物炭的長期應(yīng)用效應(yīng)及老化生物炭對小麥氮肥利用的研究較少。生物炭在農(nóng)田環(huán)境中隨時間發(fā)生老化，需研究老化棉稈炭對土壤基本理化性質(zhì)和作物氮肥利用的影響。因此，本研究以不同老化棉稈炭為研究對象，通過小麥盆栽試驗探究老化棉稈炭對土壤理化性質(zhì)和小麥氮肥利用的影響，以期為棉稈炭應(yīng)用的長期效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自新疆建設(shè)兵團第八師121團炮臺土壤改良試驗站，取耕層0—20 cm 土樣進行自然風(fēng)干，剔除較大石子和雜物，過2 mm篩，混合均勻。土壤類型為風(fēng)沙土，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土（粘粒2%、粉砂38%、砂粒59%）。土壤的基本性質(zhì)見表1。

新鮮棉稈炭由課題組2021年4月在新疆第八師炮臺試驗站制備獲得。將棉花秸稈整株粉碎為8～10 cm長，在450 ℃限氧條件下維持90 min燒制而成。將制備的棉稈炭自然風(fēng)干24 h后，在烘箱中105 ℃烘干8 h，冷卻，粉碎后過0.15 mm孔徑篩。

老化棉稈炭的制備：采用干濕老化、凍融老化和檸檬酸老化3種方式制備老化棉稈炭。①凍融老化：稱取100 g新鮮棉稈炭于1 L玻璃燒杯中，加入100 mL蒸餾水混合均勻后用保鮮膜封口，每天采用8 h（?20 ℃，BC/BD-200 HES 型冰箱，海爾）+16 h（25 ℃，GHP-250恒溫培養(yǎng)箱，鴻科）模式培養(yǎng)60 d[1415]。②干濕老化：稱取100 g新鮮棉稈炭于1 L玻璃燒杯中，加入100 mL蒸餾水攪拌均勻，記錄燒杯、蒸餾水與棉稈炭混合物的重量，每天采用8 h（?20 ℃，DHG-9140A型鼓風(fēng)干燥箱，恒科）+16 h（25 ℃，GHP-250 恒溫培養(yǎng)箱，鴻科）模式培養(yǎng)60 d[14]。③檸檬酸老化：稱取10 g新鮮棉稈炭加入到60 mL 0.3 mol·L?1 的檸檬酸溶液中，在磁力攪拌器（78-1，普天）上維持（25±2） ℃均勻攪拌30 min，將混合均勻的棉稈炭靜置24 h，置于烘箱中以60 ℃恒溫干燥24 h，然后在120 ℃維持90 min。將檸檬酸老化處理的棉稈炭用蒸餾水清洗多次至濾液透明以去除多余檸檬酸[1617]。老化處理結(jié)束后，將棉稈炭置于60 ℃干燥箱中烘干至恒重。新鮮和不同老化棉稈炭基本性質(zhì)見表１。

1.2 試驗設(shè)計

供試小麥品種為‘新冬18號，供試氮肥為尿素（N≥46%）。小麥盆栽試驗設(shè)氮肥施用量和棉稈炭2 因素，氮肥施用量設(shè)不施氮肥（N0）、低氮（200 mg·kg?1，N200）和高氮（400 mg·kg?1，N400）3 個水平；棉稈炭設(shè)不添加棉稈炭（B0）、添加新鮮棉稈炭（BC）、添加干濕老化棉稈炭（DB）、添加凍融老化棉稈炭（EB）和添加檸檬酸老化棉稈炭（CB）5個處理；共計15個處理，每個處理重復(fù)4次。每個處理施加等量的磷肥（P2O5-0.2 g·kg?1，磷酸二銨）和鉀肥（K2O-0.09 g·kg?1，硫酸鉀），棉稈炭添加量設(shè)為土壤重量的1.5%（占土壤干重的比例）。

試驗于2021年8月26日在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧渠綜合試驗場灰漠土試驗基地進行。盆栽花盆高18 cm，直徑22 cm，每盆裝干土3 kg。盆底鋪2層濾紙，將每個處理對應(yīng)的土壤、棉稈炭、磷肥和鉀肥混合均勻裝于花盆中，每盆播種30顆小麥種子，氮肥（尿素）播種后10% 隨水基施，90% 追施。小麥出苗后定苗至每盆20株，在定苗、分蘗期、起身期、拔節(jié)期、抽穗期追施氮肥，氮肥隨水追施比例分別為10%、20%、20%、20%、20%。小麥生長期根據(jù)每盆土壤干濕狀況給每個處理施加等量水分，以確保小麥生長水分需求。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 土壤指標測定

于12月4日小麥收獲后，采用4分法取適量土壤風(fēng)干后過篩。土壤pH、電導(dǎo)率采用電位計法（土水比為1 g∶5 mL）測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮含量采用凱氏定氮法[18]測定。

1.3.2 作物指標測定

小麥收獲時，采集每盆地上部植株于牛皮紙袋中。將分裝有植株樣品的牛皮紙袋在105 ℃殺青30 min后，60 ℃烘干至恒重，分別稱取質(zhì)量并計算干物質(zhì)累積量；將烘干稱重后的植株樣品粉碎，取0.20～0.25 g，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，采用凱氏定氮法[19]測定植物氮含量。

1.3.3 相關(guān)參數(shù)計算

氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率[20]采用以下公式計算。

氮素吸收效率=小麥植株氮素積累量/施氮量×100% （1）

氮肥表觀利用率=（施氮區(qū)小麥氮素吸收量?空白區(qū)小麥氮素吸收量）/施氮量×100% （2）

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25進行方差分析，采用LSD（leastsignificant difference）法進行多重比較，采用Origin2021軟件作圖，數(shù)據(jù)均以“平均值±標準差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈炭對土壤pH 和電導(dǎo)率的影響

如圖1所示，添加棉稈炭提高了土壤pH。在N0水平下，施入新鮮和不同老化棉稈炭后土壤pH表現(xiàn)為BC>EB、DB>CB、B0，新鮮棉稈炭處理的土壤pH較高，為8.86；與添加新鮮棉稈炭處理相比，不同老化棉稈炭處理土壤pH 顯著降低0.20～0.31個單位（P<0.05），檸檬酸老化棉稈炭處理土壤pH降幅最大。在N200水平下，除添加凍融老化棉稈炭處理外，不同老化棉稈炭處理土壤pH較新鮮棉稈炭處理均顯著降低。在N400水平下，凍融老化和檸檬酸老化處理棉稈炭土壤pH較新鮮棉稈炭處理分別顯著降低0.15和0.25個單位。

棉稈炭對土壤電導(dǎo)率的影響如圖2所示，在不同施氮水平下添加新鮮棉稈炭處理土壤電導(dǎo)率均較高，分別為1.31、1.32和1.39 mS·cm?1；與新鮮棉稈炭處理相比，不同老化棉稈炭施入后土壤電導(dǎo)率無顯著變化。綜合來看，與新鮮棉稈炭相比，棉稈炭老化后降低了土壤pH，檸檬酸老化棉稈炭處理土壤pH最低。

2.2 棉稈炭對土壤全氮和有機質(zhì)含量的影響

如圖3所示，各處理土壤全氮含量隨施氮量的增加而增高。在不同施氮水平下，檸檬酸老化棉稈炭處理土壤全氮含量均最高，顯著高于其他處理，其次是凍融老化棉稈炭處理；與添加新鮮棉稈炭處理相比，檸檬酸老化處理土壤全氮含量在N0、N200 和N400 水平下分別顯著增加0.16、0.15和0.12 g·kg?1，凍融老化棉稈炭處理土壤全氮含量在N0 和N400 水平下分別顯著增加0.09 和0.05 g·kg?1，干濕老化棉稈炭處理土壤全氮含量無顯著變化。

如圖4所示，在不同施氮水平下添加棉稈炭各處理土壤有機質(zhì)含量均顯著提高。與添加新鮮棉稈炭處理相比，檸檬酸老化棉稈炭處理土壤有機質(zhì)含量在N0、N200 和N400 水平下分別顯著增加21.77%、11.45%和16.17%；凍融老化棉稈炭處理土壤有機質(zhì)含量在N200和N400水平下則分別顯著降低12.48%和7.56%，干濕老化棉稈炭處理土壤有機質(zhì)含量無顯著顯著。總體上看，檸檬酸老化棉稈炭處理土壤全氮和有機質(zhì)含量均最高。

2.3 棉稈炭對小麥地上部干物質(zhì)量和氮素養(yǎng)分吸收的影響

通過對不同施氮量和不同棉稈炭添加處理下小麥干物質(zhì)量的分析可知（表2），小麥干物質(zhì)量并不是隨著施氮水平的增高而增加，氮肥施用量過多會抑制小麥生長。在N0水平下，添加新鮮棉稈炭處理小麥地上部干物質(zhì)量較高，為10.11 g，顯著高于未添加棉稈炭和檸檬酸老化棉稈炭處理，凍融老化和干濕老化棉稈炭處理小麥干物質(zhì)量顯著高于未添加棉稈炭處理，說明棉稈炭經(jīng)凍融老化和干濕老化后依然可以促進小麥生長。在N200 水平下，新鮮和干濕老化棉稈炭與氮肥互作可以促進小麥生長；在N400水平下，凍融老化和檸檬酸老化棉稈炭與氮肥互作小麥干物質(zhì)量均顯著降低，說明凍融老化和檸檬酸老化棉稈炭沒有緩解過量氮肥施入所造成的抑制小麥植株生長的現(xiàn)象，反而進一步抑制了小麥生長。

由表2可知，施用氮肥后小麥地上部氮素累積吸收量明顯增加，總體表現(xiàn)為N200>N400>N0。同一施氮水平下，各處理小麥氮素累積吸收量差異不顯著；N0水平下凍融老化棉稈炭處理小麥氮素累積吸收量較高，N200 水平下檸檬酸老化棉稈炭處理小麥植株氮素累積吸收量較高，N400 水平下未添加棉稈炭處理小麥氮素累積吸收量較高。

各處理小麥氮肥表觀利用率與氮肥吸收效率表現(xiàn)相似趨勢，總體呈現(xiàn)N200>N400。同一施氮水平下，各處理小麥氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率差異不顯著。N200水平下各處理小麥氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率平均為65.27%和43.69%，檸檬酸老化棉稈炭處理最高，分別為68.27% 和46.69%；N400水平下各處理小麥氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率平均為29.59%和18.79%，未添加棉稈炭處理最高，分別為30.62%和19.83%。

3 討論

3.1 添加棉稈炭后的土壤性質(zhì)變化

生物炭多為堿性，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、碳含量高等特點，施入土壤后能夠改變土壤理化特性。研究表明，生物炭對土壤的改善效果主要體現(xiàn)在土壤pH及土壤養(yǎng)分含量上[21]，且土壤pH、電導(dǎo)率隨生物炭施加量的增加而顯著提高[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮水平下添加新鮮棉稈炭后土壤pH、電導(dǎo)率均提高，這與已有研究結(jié)果相似[23]。土壤pH和電導(dǎo)率的提高主要是由于棉稈炭自身含有的Na、K、Ca、Mg和堿性物質(zhì)等施入到土壤中導(dǎo)致[2425]。老化作用改變了生物炭的特性及其對土壤理化性質(zhì)的影響。Zhao等[26]研究表明，短期老化后的生物炭pH下降，使其對土壤酸性改善的有效性下降。劉艷等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在同一添加比例下，老化生物炭提高土壤pH的效果相對原始炭較弱。本研究中，棉稈炭老化后各處理土壤pH、電導(dǎo)率較新鮮棉稈炭均降低，主要是因為老化棉稈炭自身pH、電導(dǎo)率降低，減弱了棉稈炭對土壤pH、電導(dǎo)率的提升效果[28]。

生物炭富含碳、氮等養(yǎng)分，施入土壤后能夠提高土壤養(yǎng)分，同時生物炭的多孔特性有利于吸附養(yǎng)分，增加土壤養(yǎng)分的持留量。徐廣平等[29]研究表明，施加生物炭后土壤有機質(zhì)含量提高50.8%～140.8%；武夢娟等[30]研究表明，施加生物炭能夠提高土壤有機質(zhì)和全氮含量。本研究中，不同施氮水平下添加棉稈炭處理顯著增加土壤有機質(zhì)含量，低量氮肥與棉稈炭配施時土壤全氮含量顯著增加，與已有研究結(jié)果相似[2930]。但生物炭的理化性質(zhì)會隨著時間推移而發(fā)生緩慢變化，進而對土壤養(yǎng)分固持和增加產(chǎn)生影響。林慶毅[31] 研究發(fā)現(xiàn)，老化生物炭依然可以提高土壤速效鉀和有機質(zhì)的含量，但比新鮮生物炭對土壤速效養(yǎng)分增加的趨勢減弱。但也有研究表明，生物炭在田間應(yīng)用10 年后土壤全氮含量較對照提高11.3%～21.9%[32]。本研究中，檸檬酸老化棉稈炭處理土壤全氮含量較新鮮棉稈炭處理顯著增加，可能是生物炭老化后自身吸附性有所提高[33]，減少了氮素的損失，進而提升了對土壤氮素的固持。

3.2 添加棉稈炭下的小麥氮肥利用情況

干物質(zhì)量是衡量植物有機物積累的重要指標，施入適量的生物炭能提高作物干物質(zhì)量。研究表明，施用生物炭基肥料可顯著提高作物干物質(zhì)重[3435]。本研究中，與不添加棉稈炭相比，單施新鮮棉稈炭及其與低氮互作下小麥干物質(zhì)量提高，主要原因是生物炭改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力[3637]，進而促進作物生長提高了生物量。此外，棉稈炭與氮肥配施時，凍融老化和檸檬酸老化棉稈炭處理小麥干物質(zhì)量較新鮮棉稈炭處理降低，可能是棉稈炭老化后自身養(yǎng)分減少，對土壤提供的養(yǎng)分減少，減弱了對小麥生長的促進作用。

生物炭對土壤養(yǎng)分有較強的吸附作用，有利于提高作物養(yǎng)分利用效率，施入適量的生物炭能提高作物氮肥利用效率[3839]。但本研究發(fā)現(xiàn)，同一施氮水平下各棉稈炭處理小麥氮素累積吸收量和氮肥表觀利用率無顯著差異，主要是因為生物炭材料和施用量差異使其對作物氮肥利用效率的影響效果不同；低量氮肥下老化棉稈炭各處理小麥氮肥表觀利用率略高于未添加棉稈炭處理，檸檬酸老化棉稈炭處理小麥氮肥利用率較高，可能是檸檬酸老化棉稈炭較大的比表面積能夠吸附土壤中的氮素并促進小麥對氮素吸收[40]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，低量施氮下各處理小麥氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率高于高量氮肥，因此，合理施用氮肥有利于提高作物的氮素吸收量。綜上，在實際生產(chǎn)中棉稈炭與低量氮肥配施可以顯著增加土壤全氮和有機質(zhì)含量，作物氮肥吸收效率和氮肥表觀利用率較高，且檸檬酸老化棉稈炭對土壤氮素的固持和作物氮素吸收利用效果較好。

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（責任編輯：胡立霞）

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項（2022A02007-5）。