陳紅衛(wèi)， 代 琳， 馮 露， 李曉慶， 孟雨田

(1.河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150030)

氮素是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，土壤氮素可利用性與土壤氮素轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)[1]。近些年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的使用量逐年上升，而氮素綜合利用效率處于較低水平，國際上氮肥利用率僅為33%左右[2]，我國氮肥作物利用率平均約為35%，損失率約為45%[3]，過量施用氮肥不僅導(dǎo)致肥料利用率下降，且未被作物吸收利用的氮素會對環(huán)境造成不同程度的污染，與之相關(guān)的環(huán)境污染、土壤退化等問題正引起人們的廣泛關(guān)注。

生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究，為提高氮肥利用率提供了新的思路和方法。生物質(zhì)炭是有機(jī)質(zhì)高溫?zé)崃呀獾漠a(chǎn)物，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和極強的吸附力，將其施入土壤不僅能夠使土壤孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，還可以提高肥料利用率、減少養(yǎng)分淋失、增加土壤碳庫量，進(jìn)而通過影響營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化(如氮的有效性)提升土壤肥力，對作物生長產(chǎn)生影響[4]。郭偉等指出，生物質(zhì)炭施入土壤后可有效提高土壤全氮含量[5-6]，對作物的氮素吸收有一定促進(jìn)作用[7]。因此本試驗采用玉米秸稈生物質(zhì)炭，探討添加該生物炭對沙壤土根際土壤氮素轉(zhuǎn)化強度及無機(jī)氮含量的影響，旨在為秸稈生物質(zhì)炭的合理利用提供理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)，對于肥料的高效利用以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于河南省河南科技學(xué)院試驗田，供試土壤質(zhì)地為沙壤土，地勢平坦。土壤基本的理化性質(zhì)：pH值7.17，陽離子交換量(CEC)19.11 cmol/kg，全氮含量1.19 g/kg，全磷含量2.82 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量21.24 g/kg，土壤容重 1.23 g/cm3。本試驗所用生物質(zhì)炭是以玉米秸稈為原料，由沈陽隆泰生物工程有限公司于500 ℃高溫?zé)崃呀庵频玫?。生物質(zhì)炭理化性質(zhì)：pH值9.57，CEC 18.4 cmol/kg，比表面積 186.7 m2/g，有機(jī)碳含量277.2 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2016年4月開始，采用大功率旋耕機(jī)將生物質(zhì)炭翻入土壤中，平均深度20 cm左右，每個小區(qū)面積20 m2，長×寬為4 m×5 m；生物質(zhì)炭設(shè)4個處理，其中空白對照(CK)生物質(zhì)炭投加量為0 t/hm2，處理1(B1)投加量為 10 t/hm2，處理2(B2)投加量為20 t/hm2，處理3(B3)投加量為30 t/hm2，每個處理3次重復(fù)。玉米(品種為農(nóng)華101)播種時間為2016年5月6日，采用手提式穴播機(jī)人工播種(播種密度為1～3粒/穴)。施肥量為底肥(尿素) 100 kg/hm2，磷酸二銨75 kg/hm2，鉀肥25 kg/hm2，追肥(尿素)80 kg/hm2。整個生育期無人工灌溉，田間管理保持一致并于2016年10月9日收獲。

1.3 樣品采集

分別于苗期(5月26日)、拔節(jié)期(6月24日)、乳熟期(8月5日)和成熟期(10月2日)采集土壤樣品。每個處理采集長勢相同的3株玉米植株，以抖落法收集根際土壤，裝袋后帶回實驗室。將采回的新鮮土樣置于無污染潔凈的室內(nèi)風(fēng)干，研磨并過10、20、100目篩后保存，供土壤理化性質(zhì)測定。

1.4 測定方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007、OriginPro 8、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及作圖，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對根系土壤固氮作用強度的影響

如圖1所示，生物質(zhì)炭的施入對根系土壤固氮作用具有一定的促進(jìn)作用，固氮作用強度在乳熟期達(dá)到最大值，此后呈逐漸降低的趨勢。在苗期，B1、B2、B3處理下根際土壤固氮作用強度與對照(CK)處理相比分別顯著提高了41.67%、58.33%、29.17%。在拔節(jié)期，B1、B2處理下根際土壤固氮作用強度分別比CK處理顯著提高了13.51%、43.24%。在乳熟期，B1、B2處理下根際土壤固氮作用強度分別比CK處理顯著提高了 15.56%、42.22%。成熟期B1、B2處理與CK差異不顯著。

2.2 生物質(zhì)炭對根系土壤氨化作用強度的影響

由圖2可以看出，整個生育期氨化作用強度大致呈先上升后下降趨勢，且各生育期氨化作用強度均在生物質(zhì)炭施入量為20 t/hm2的條件下達(dá)到最大值，總體表現(xiàn)為B2處理>B1處理>B3處理。在苗期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別提高了61.33%、90.67%、22.67%。在拔節(jié)期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別提高了 38.24%、70.59%、29.41%。在乳熟期，B1、B2、B3處理下根際土壤氨化作用強度比CK處理分別顯著提高了16.26%、56.10%、23.58%。綜上所述，生物質(zhì)炭可以在一定程度上提高玉米各生育期根際土壤氨化作用強度，但不同處理間效果有所不同。

2.3 生物質(zhì)炭對根系土壤硝化作用強度的影響

由圖3可以看出，在整個生育期B2處理下的根際土壤硝化作用強度均高于其他處理?？傮w來看，硝化作用強度由高到低排序為B2處理>B1處理>B3處理，且在拔節(jié)期達(dá)到最大值。在玉米生長的苗期和拔節(jié)期，B1和B2處理下的根際土壤硝化作用強度與CK處理差異顯著，苗期、拔節(jié)期分別提高了41.74%、73.07% 和23.94%、77.73%。在乳熟期和成熟期B2處理與CK差異顯著，分別提高了26.89%、25.57%。綜上所述，生物黑炭在一定程度上能提高根際土壤硝化作用強度。

2.4 生物質(zhì)炭對根系土壤無機(jī)氮素的影響

如圖4所示，各處理條件下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在整個生長期有略微波動，在苗期銨態(tài)氮含量達(dá)到最大值。由圖4還可知，同一時期不同處理之間的差異不同。在苗期，B1、B2、B3處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了60.95%、68.07%、52.32%。在拔節(jié)期B1、B2、B3處理下的根際土壤銨態(tài)氮含量，與CK相比分別提高了16.39%、36.81%、31.00%。在乳熟期和成熟期，只有B2處理與CK的銨態(tài)氮含量差異顯著，根際土壤銨態(tài)氮含量比CK處理分別提高了 35.71%、41.79%。從整個生育期來看，生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮含量的增加起到了促進(jìn)作用，表明各處理能在一定程度上延緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。由圖4-b可以看出，在苗期B1、B2、B3處理下的根際土壤硝態(tài)氮含量與CK處理相比分別提高了42.74%、47.49%、42.93%；拔節(jié)期和乳熟期均表現(xiàn)為B2、B3處理與CK差異顯著，分別提高了32.86%、37.93%和52.41%、49.90%，但成熟期各處理間差異不顯著。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對根系土壤氮素轉(zhuǎn)化強度的影響

對于生物質(zhì)炭在土壤氮素轉(zhuǎn)化方面的影響，已有的研究結(jié)果尚不統(tǒng)一[10-11]。本試驗表明，生物質(zhì)炭能有效提高根系土壤的氮素轉(zhuǎn)化強度， 這可能是由于生物質(zhì)炭豐富的碳含量有效改變了土壤的碳氮比(C/N)，同時其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有效提高了根系土壤微生物量，促進(jìn)了土壤微生物對根茬的降解，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[12-13]和土壤氮素轉(zhuǎn)化強度[14]。本試驗結(jié)果表明，生物質(zhì)炭對根際土壤生物固氮作用具有促進(jìn)作用，在苗期、拔節(jié)期和乳熟期與CK處理間均存在顯著差異。其中，在B1、B2處理下，玉米整個生育期氨化作用強度均明顯高于CK處理；在玉米生育苗期和拔節(jié)期，生物炭處理組根際土壤硝化作用強度與CK處理顯著差異，而在乳熟期和成熟期，僅B2處理與CK處理差異顯著，比CK分別提高了26.89%、25.57%。本試驗從轉(zhuǎn)化強度來看，生物質(zhì)炭對土壤生化強度的影響具有階段性差異，同時可以看出，過高量地施入生物質(zhì)炭不利于氮素的轉(zhuǎn)化。

3.2 生物質(zhì)炭對根系土壤無機(jī)氮素含量的影響

土壤銨態(tài)氮含量受作物品種、溫度、水分等多種因素影響[15]，一般是施肥點表層和作物苗期的含量最高。本試驗結(jié)果表明，在整個玉米生育期生物質(zhì)炭的各處理均有效提高了土壤銨態(tài)氮含量，總體呈現(xiàn)先降低后上升趨勢。這主要受作物生長對養(yǎng)分的大量需求和降水的影響；但是與CK處理相比，在整個玉米生育期生物質(zhì)炭處理的土壤均保持較高含量的無機(jī)氮素，這確保了玉米在苗期到乳熟期對氮肥的需求，有效改善了土壤氮素的流失并提高了氮肥利用效率。郭偉等研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可有效改善土壤呼吸狀況，抑制反硝化作用，進(jìn)而提高土壤氮素含量[16]；同時生物質(zhì)炭表面大量的官能團(tuán)以及較高的陽離子交換量可有效提高對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附能力[17]，進(jìn)而降低土壤氮素的損失及提高作物生長所需的氮素含量，本試驗結(jié)果與Lehmann等的研究結(jié)果一致[18]。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭的適量施入可有效改善玉米根際土壤固氮作用和氨化作用強度，提高根系土壤的銨態(tài)氮含量，在一定程度上延緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，對于提高根系土壤氮素的利用率和綜合利用效果具有一定的促進(jìn)作用。綜合本試驗結(jié)果，建議北方旱作農(nóng)田生物質(zhì)炭施用量為20 t/hm2，但目前受制炭工藝、原料來源、供試作物、土壤性狀等因素影響，今后針對不同類型土壤和不同種類的生物質(zhì)炭及其施入量有待進(jìn)一步研究和豐富。