生物質(zhì)炭施入對(duì)白漿土碳氮變化的影響

代 琳，聶 穎，馮 露，許毛毛，丁弈君，徐紅濤，王宏燕

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

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生物質(zhì)炭施入對(duì)白漿土碳氮變化的影響

代 琳，聶 穎，馮 露，許毛毛，丁弈君，徐紅濤，王宏燕*

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

生物質(zhì)炭；白漿土；碳；氮

生物質(zhì)炭(biochar)是指將生物質(zhì)原料(農(nóng)作物秸稈、木材、畜禽糞便、生活垃圾等)在限氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)崃呀馑a(chǎn)生的一類高度芳香化、含碳豐富、穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)[1]。生物質(zhì)炭特殊的理化性質(zhì)具有固碳減排[2]、提高土壤肥力[3]和改良土壤等特性[4-6]。白漿土是我國(guó)東北地區(qū)廣泛分布的耕地土壤資源之一，其中白漿層的平均厚度在20 cm左右，砂粘比高達(dá)2.0左右，其特征表現(xiàn)為土壤非常緊實(shí)且呈片狀結(jié)構(gòu)，對(duì)作物根系的生長(zhǎng)及發(fā)育具有障礙和阻礙作用。白漿土中白漿層養(yǎng)分含量顯著低于耕層，尤以全N、全P和有機(jī)質(zhì)含量最為匱乏，不足耕層的1/2。白漿層的養(yǎng)分貧瘠可能是因?yàn)楦翟诎诐{層的生長(zhǎng)量少，其向白漿層釋放的有機(jī)物質(zhì)也少，同時(shí)微生物在白漿層的數(shù)量及活動(dòng)強(qiáng)度較低，相應(yīng)的對(duì)礦物的養(yǎng)分活化也較弱所致。白漿層匱乏的養(yǎng)分含量反過來也制約了作物產(chǎn)量的提高。施加生物質(zhì)炭可有效提高土層間的氮素及有機(jī)質(zhì)的含量[7-9]，但目前研究多以模擬試驗(yàn)或短期的小型盆栽試驗(yàn)為主，針對(duì)大田的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)較少。本研究通過2 a的田間定位試驗(yàn)，探討生物質(zhì)炭施入對(duì)農(nóng)田土壤碳、氮變化的影響，旨在為應(yīng)用生物質(zhì)炭提高白漿土田間肥料利用效率提供理論參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆管理局曙光農(nóng)場(chǎng)，地理坐標(biāo)為130°17′—130°39′E，46°13′—46°23′N。農(nóng)場(chǎng)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬長(zhǎng)夏短。年平均氣溫3.6 ℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤為崗地白漿土，其中，0—20 cm為耕層，20—30 cm為白漿層，30 cm以下為沉積層和母質(zhì)層。土壤全氮(TN)、全磷(TP)含量分別為1.31、2.82 g·kg-1，堿解氮(AN)、速效磷含量分別為94.27、85.73 mg·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量24.48 g·kg-1，陽離子交換量(CEC)19.11 cmol·kg-1，土壤pH值6.17。

田間試驗(yàn)所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購(gòu)自南京勤豐秸稈科技有限公司，在700 ℃左右溫度下經(jīng)熱裂解制成，pH值10.4，含水量22.94%，有機(jī)碳含量277.2 g·kg-1，比表面積182.3 m2·g-1，CEC 21.25 cmol·kg-1，TN與TP含量分別為0.65%、0.99%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2014年4月播種前，通過旋耕機(jī)將生物質(zhì)炭一次性深翻施入白漿土中，深度約為20 cm，每處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)面積30 m2(長(zhǎng)×寬為5 m×6 m)，小區(qū)周邊種植同樣品種玉米，以去除邊際影響。試驗(yàn)按照生物炭施入量設(shè)4個(gè)處理：空白對(duì)照(CK)，0 t·hm-2；處理1(B1)，10 t·hm-2；處理2(B2)，20 t·hm-2；處理3(B3)，30 t·hm-2。試驗(yàn)用玉米品種為黑龍江墾區(qū)玉米主栽品種德美亞一號(hào)(黑龍江省墾豐種業(yè)有限公司)。玉米大田底肥施尿素200 kg·hm-2、二銨150 kg·hm-2、鉀肥50 kg·hm-2，追肥施尿素120 kg·hm-2。采取大壟雙行種植，行距60 cm。2014、2015年分別于5月6日、5月10日播種，足墑播種，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，按高產(chǎn)田水平進(jìn)行管理，分別于10月9日、10月6日收獲。

1.4 樣品采集

1.5 指標(biāo)測(cè)定及方法

土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》(第3版)進(jìn)行測(cè)定：土壤全氮量測(cè)定采用半微量凱氏定氮法；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮先用KCl浸提，后用連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定；土壤陽離子交換量(CEC)測(cè)定采用中性乙酸銨法；土壤微生物生物量碳、氮測(cè)定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法；生物質(zhì)炭陽離子交換量(CEC)用硫酸-氯化鋇方法測(cè)定；生物質(zhì)炭比表面積采用3H-2000PS1型比表面積孔徑分析儀測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響

2.1.1 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

從圖1可以看出：2014年，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，在0—10 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比對(duì)照(CK)增加18.23%～43.77%，在10—20 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比CK增加13.78%～31.81%，20—30cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比CK增加6.88%～29.48%；2015年，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，在0—10 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比CK增加15.16%～41.51%，在10—20 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比CK增加19.23%～39.89%，20—30 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的SOM含量比CK增加14.48%～42.01%。

2.1.2 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤全氮含量的影響

從圖2可以看出：2014年，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，在0—10 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加2.29%～12.98%，B2、B3處理與CK差異顯著(P<0.05)，在10—20 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加1.68%～13.45%，在20—30 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加4.55%～15.91%；2015年，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，在0—10 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加2.34%～11.72%，在10—20 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加1.71%～12.82%，在20—30 cm土層，施生物質(zhì)炭處理的土壤TN含量比對(duì)照增加4.40%～14.29%。垂直方向上，20—30 cm土層的土壤全氮含量低于0—10和10—20 cm土層，這可能是由于20—30 cm處土壤為白漿層，土壤過于緊實(shí)，通水通氣性極差，土壤微生物種類及數(shù)量在該土層較少，且作物根系在該層活動(dòng)及分布較弱，導(dǎo)致養(yǎng)分極度匱乏。

圖1 2014、2015年生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.1 Effects of biochar on soil organic matter of albic soil in 2014 and 2015

圖2 2014、2015年生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤全氮含量的影響Fig.2 Effects of biochar on total nitrogen of albic soil in 2014 and 2015

2.1.3 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤碳氮比的影響

由圖3可以看出，與對(duì)照處理相比，生物質(zhì)炭的施入不同程度提高了土壤碳氮比值。2014年，在0—10 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加15.58%～27.25%，在10—20 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加12.90%～25.95%，在20—30 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加2.24%～11.71%；2015年，在0—10 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加12.52%～26.67%，在10—20 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加17.22%～23.99%，在20—30 cm土層，生物質(zhì)炭處理的C/N較對(duì)照增加9.66%～24.26%。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土微生物量碳氮的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土微生物量碳的影響

從圖4可以看出，添加生物質(zhì)炭處理提高了土壤微生物量碳的含量，且不同處理間土壤微生物量碳變幅較大。2014年添加生物質(zhì)炭處理的農(nóng)田土壤MB-C與對(duì)照相比提高了12.27%～60.88%，在玉米生長(zhǎng)期期間，各處理的MB-C整體在6—7月份顯著上升并達(dá)到最大值，之后緩慢降低。2015年生物質(zhì)炭處理的農(nóng)田土壤MB-C與CK相比提高了9.76%～55.25%，各處理MB-C的整體變化趨勢(shì)與2014年相似，說明生物質(zhì)炭一次性施入對(duì)于土壤微生物量的作用效果具有年季持續(xù)性。

圖3 2014、2015年生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤碳氮比的影響Fig.3 Effects of biochar on ratios of soil carbon to nitrogen of albic soil in 2014 and 2015

SS，苗期；JS，拔節(jié)期；GS，藻漿期；M，成熟期。圖5同SS, Seedling stage; JS, Jointing stage; GS, Grainfilling stage; M, Matunity. The same as in Fig. 5圖4 2014、2015年生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤微生物量碳的影響Fig.4 Effects of biochar on microbial biomass carbon of albic soil in 2014 and 2015

2.2.2 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土微生物量氮的影響

從圖5可以看出，土壤微生物量氮變幅較大，在玉米生長(zhǎng)期呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，同土壤微生物量碳含量變化趨勢(shì)相同。添加生物質(zhì)炭處理提高了土壤微生物量氮的含量，且在最大施入量條件下達(dá)到最大值。2014年生物質(zhì)炭處理的MB-N較CK提高了7.74%～68.91%，2015年生物質(zhì)炭處理的MB-N較CK提高了6.72%～65.89%，且在最大施入量條件下與CK處理差異顯著(P<0.05)。與生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物量碳的作用效果相似，生物質(zhì)炭一次性施入對(duì)于土壤微生物量氮的作用同樣具有年季持續(xù)性。

2.2.3 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土微生物量碳氮比的影響

由表1可以看出，與CK相比，土壤微生物生物量碳氮比隨生物質(zhì)炭施用量的增加而上升，且隨著作物不同生育期總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。2014年各月，生物質(zhì)炭處理的土壤MB-C/MB-N值較同期CK高1.77%～21.63%，且均在B3處理?xiàng)l件下達(dá)到最大值。2015年各生物質(zhì)炭處理下，土壤MB-C/MB-N的變化趨勢(shì)與2014年相似，較同期CK高0.46%～22.44%。

圖5 2014、2015年生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤微生物量氮的影響Fig.5 Effects of biochar on microbial biomass nitrogen of albic soil in 2014 and 2015

表1 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤微生物生物量碳氮比的影響

Table 1 Effects of biochar on ratios of microbial biomass carbon to nitrogen

時(shí)間TimeCKB1B2B32014-065.96b6.46b6.54b6.59a2014-076.21b6.32b6.44ab6.81a2014-086.34c6.51c6.63b7.39a2014-096.01c6.32c6.52b7.31a2015-065.66c6.50b6.61ab6.93a2015-076.49c6.52b6.67b7.71a2015-086.52c6.78bc6.89b7.79a2015-096.10c6.53c6.74b7.02a

表中每行數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Data in the same row followed by no same letters indicated significant difference atP<0.05.

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤無機(jī)氮素的影響

A—D依次為2014年6—9月試驗(yàn)結(jié)果A-D represented the results in June， July， August and September in 2014， respectively圖6 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤-N的影響Fig.6 Effects of biochar on -N of albic soil

A—D依次為2015年6—9月試驗(yàn)結(jié)果A-D represented the results in June， July， August and September in 2015， respectively圖7 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤-N的影響Fig.7 Effects of biochar on -N of albic soil

A—D依次為2014年6—9月試驗(yàn)結(jié)果A-D represented the results in June， July， August and September in 2014， respectively圖8 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤-N的影響Fig.8 Effects of biochar on -N of albic soil

A—D依次為2015年6—9月試驗(yàn)結(jié)果A-D represented the results in June， July， August and September in 2015， respectively圖9 生物質(zhì)炭對(duì)白漿土土壤-N的影響Fig.9 Effects of biochar on -N of albic soil

3 討論

農(nóng)業(yè)土壤氮肥利用率低會(huì)造成資源浪費(fèi)，并會(huì)引發(fā)大氣污染、地下水富營(yíng)養(yǎng)化和增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本等問題[10-11]，因此，提高氮肥的利用效率是當(dāng)前農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。生物質(zhì)炭因其特殊的理化性質(zhì)，含有豐富且穩(wěn)定的有機(jī)碳，施入土壤可以有效增加土壤有機(jī)碳[12]、土壤有機(jī)質(zhì)[13]或腐殖質(zhì)含量，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)水平的提高。這是因?yàn)椋阂环矫?，生物炭能吸附土壤有機(jī)分子，通過表面催化活性促進(jìn)小的有機(jī)分子聚合形成有機(jī)質(zhì)；另一方面，生物炭本身極為緩慢的分解有助于腐殖質(zhì)的形成，通過長(zhǎng)期作用，促進(jìn)土壤肥力的提高[14]。Glaser等[15]認(rèn)為，在熱帶地區(qū)，含有生物炭的土壤由于其高度的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，相較其他形式的有機(jī)質(zhì)更難以在高溫高濕環(huán)境下被分解，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。本研究同樣顯示，施用生物炭提高了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量。在0—10和10—20 cm 土層，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量均在生物質(zhì)炭最大施用量(30 t·hm-2)時(shí)達(dá)到最大，同一處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在0—10和10—20 cm土層均明顯高于20—30 cm土層，即同一處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層加深而減少。這可能與作物的根系分布及土壤性狀有關(guān)。白漿土表層土質(zhì)養(yǎng)分豐富，土壤透水透氣性較好，有利于作物根系的生長(zhǎng)及微生物的生存，表層土壤生物活性較高，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層加深而降低。

土壤微生物生物量碳在土壤中的絕對(duì)數(shù)量不大，一般為土壤有機(jī)碳的1%～5%[16]，本試驗(yàn)結(jié)果與此一致。生物質(zhì)炭因其具有多孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面特性以及對(duì)水肥的吸附作用，可為土壤微生物提供良好的生存環(huán)境和空間[17]。Liang等[18]通過生物質(zhì)炭的長(zhǎng)期效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭顯著提高了土壤微生物量，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

土壤氮素主要集中在耕層，其中93.0%～97.0%的氮以有機(jī)氮的形式存在，土壤微生物氮一般占土壤全氮含量的1.0%～5.0%，與土壤水解性氮含量比較一致。土壤微生物氮與微生物碳呈高度正相關(guān)，土壤微生物生物量的C/N約為5.0～7.0，較土壤有機(jī)質(zhì)的C/N(10.0～15.0)低，這說明土壤微生物氮是植物有效氮的重要儲(chǔ)備[19]。本試驗(yàn)中，土壤微生物量碳氮比變幅在5.6～7.8，與之前試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

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(責(zé)任編輯 高 峻)

Effect of biochar on carbon and nitrogen content of albic soil

DAI Lin， NIE Ying, FENG Lu, XU Mao-mao， DING Yi-jun， XU Hong-tao, WANG Hong-yan*

(CollegeofResourcesandEnvironment，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China)

biochar; albic soil; carbon; nitrogen

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.10.17

2016-03-16

黑龍江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(GA10B502)；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后科研基金項(xiàng)目(2012RCB95)

代琳(1987—)，男，黑龍江雞西人，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: penny_hardway@126.com

*通信作者，王宏燕，E-mail: why220@126.com

S156.2

A

1004-1524(2016)10-1745-10

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(10): 1745-1754

代琳，聶穎，馮露,等. 生物質(zhì)炭施入對(duì)白漿土碳氮變化的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，28(10)： 1745-1754.