崔瑩光 徐凡珍 劉敏 徐興良

(濱州市第二中學(xué)，濱州，256600) (來(lái)賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院) (中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所)

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的大量元素，且在多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中是限制植物生長(zhǎng)的重要因素[1-3]。為了增加產(chǎn)量，大量的氮肥常被施加到土壤中，但多余的氮素因不能被植物及時(shí)吸收利用，會(huì)通過(guò)淋溶流失，或者經(jīng)硝化作用和反硝化作用以含氮?dú)怏w的形式釋放到大氣中[4-5]。這不僅降低了氮肥的利用效率，還會(huì)增加環(huán)境污染[6]。基于此，近年來(lái)多種生物添加劑常被添加到土壤中，通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)和功能來(lái)達(dá)到提高養(yǎng)分利用效率、增加經(jīng)濟(jì)效益的目的[7-8]。其中，生物炭是生物添加劑的重要代表，受到了廣泛關(guān)注[9-10]。

生物炭是生物有機(jī)材料在缺氧條件下，高溫燜燒而成[11]。生物炭通常疏松多孔且具有較大的表面積，可以有效改善土壤的結(jié)構(gòu)和理化性狀，還能提高土壤水分的保持能力，為植物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境[9]。普遍認(rèn)為，生物炭添加會(huì)顯著提高土壤養(yǎng)分及微生物群落的多樣性進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[12]。由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較大表面積，施加的生物炭能夠吸附土壤中的氮素，改變氮的可利用性進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[13-15]。同時(shí)，生物炭添加還能改變根際土壤的微生物活性，調(diào)節(jié)根際微生物與植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的競(jìng)爭(zhēng)[13，16]。生物炭添加對(duì)植物生產(chǎn)力的影響存在不同效應(yīng)，常取決于生物炭的添加量[17]。

1 研究區(qū)概況

本研究開(kāi)展于西雙版納生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(21°54′N，101°17′E，海拔569 m)，該站位于中國(guó)云南省南部。該地區(qū)為典型熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.8 ℃，年平均降水量1 493 mm。土壤類型為赤紅壤，成土母質(zhì)為硅質(zhì)巖[23-25]。

2 材料與方法

2.1 生物炭處理

選取2012年春季種植的2.5 a幼齡橡膠樹(shù)人工林樣地，樣地位于西雙版納熱帶植物園園內(nèi)，坡向北偏西12°，坡度21°。于2013年1月份對(duì)其進(jìn)行生物炭添加，株高約1.1 m，株距2.5 m，行距3 m，1 350株·hm-2，樹(shù)木立地條件一致，生長(zhǎng)均一。設(shè)計(jì)無(wú)生物炭添加(0 t·hm-2)、低生物炭添加(30 t·hm-2)和高生物炭添加(60 t·hm-2)3個(gè)處理，每種處理隨機(jī)布設(shè)4個(gè)2 m×8 m的小樣方。所添加生物炭由橡膠樹(shù)枝干在400～500 ℃下?tīng)F燒而成[26]。添加時(shí)先將大塊生物炭敲碎，保持直徑2 cm左右，后將粉碎好的生物炭均勻鋪到土壤表面，小心而均勻地在不損傷橡膠樹(shù)根系的情況下翻耕至20 cm深度，最后用洛陽(yáng)鏟翻耕一次，以保證混勻充分。添加完成后，對(duì)橡膠樹(shù)人工林進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)管理，2.5 a后開(kāi)展15N標(biāo)記試驗(yàn)。

2.2 15N標(biāo)記

2014年10月份，分別在3種生物炭添加的人工林小樣方內(nèi)隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀況相似的橡膠樹(shù)1～2株(其中3個(gè)小樣方中各取1株，第4個(gè)小樣方取2株)，每株樹(shù)的株高約5.3 m，5株樹(shù)作為5個(gè)重復(fù)。沿每棵樹(shù)的基部沿四個(gè)等角度的方位各挖取一對(duì)細(xì)根，細(xì)根的直徑不超過(guò)2 mm，長(zhǎng)度大約為15 cm，質(zhì)量為0.05～0.20 g[28]。每對(duì)細(xì)根挖出來(lái)后用蒸餾水小心清洗，然后分別置于15 cm長(zhǎng)的盛有標(biāo)記液的離心管中[28]。4個(gè)方位的四對(duì)細(xì)根分別對(duì)應(yīng)4種處理，即3種15N標(biāo)記液和1個(gè)對(duì)照。

2.3 樣品采集

標(biāo)記2 h之后，將細(xì)根切下并用50 mmol·L-1的KCl溶液沖洗3 min，后用蒸餾水輕柔的沖洗以去掉根表面吸附的15N。將清洗后的細(xì)根在70 ℃下烘干48 h至恒定質(zhì)量，稱量并記錄根系的生物量。將烘干的根系剪成小段，用球磨儀(M200，F(xiàn)a. Retsch, Haan, Germany)研成粉末狀用于測(cè)定植物的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和15N同位素。同時(shí)，收集根系周圍土壤，混勻后取約200 g裝于自封袋內(nèi)，4 ℃保存，用于測(cè)定氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和甘氨酸氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 樣品測(cè)定

2.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

15N原子百分超(%)由15N標(biāo)記處理的植物材料15N原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15N標(biāo)記)與未標(biāo)記處理的植物材料15N原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15N對(duì)照)的差值計(jì)算得來(lái)(式1)。

15N原子百分超(%)=15N標(biāo)記-15N對(duì)照

(1)

15N吸收速率(μg·g-1·h-1)=(氮質(zhì)量摩爾濃度(μmol·g-1)×15N原子摩爾質(zhì)量(g·mol-1)×15N原子百分超(%))/(標(biāo)記時(shí)間(h)×標(biāo)記液15N豐度(%))。

(2)

不同生物炭添加水平下土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮素吸收速率及貢獻(xiàn)率的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，用LSD的方法進(jìn)行事后檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS 18處理，顯著水平都為p<0.05。由SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物炭添加對(duì)土壤可利用氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表1不同生物炭添加水平下土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸氮和總氨基酸氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

處理水平/t·hm-2氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/μg·g-1硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/μg·g-1甘氨酸氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/μg·g-1總氨基酸氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/μg·g-1CK(10.60±1.43)a(7.10±2.86)a(0.17±0.03)ab(1.86±0.38)a30(8.85±1.11)a(3.43±0.77)a(0.14±0.01)b(1.57±0.12)a60(9.68±0.80)a(2.98±0.82)a(0.58±0.24)a(4.55±1.76)a

注：表中數(shù)值為5個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p=0.05)。

3.2 生物炭添加對(duì)幼齡橡膠樹(shù)15N吸收速率的影響

表2 不同生物炭添加水平下幼齡橡膠樹(shù)15N吸收速率

注：表中數(shù)值為5個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p=0.05)。

3.3 生物炭對(duì)氮吸收貢獻(xiàn)率的影響

圖1 生物炭添加對(duì)橡膠樹(shù)幼苗3種氮形態(tài)貢獻(xiàn)率的影響

4 結(jié)論與討論