秸稈生物炭配施氮肥對潮土土壤碳氮含量及作物產(chǎn)量的影響

宋大利，習(xí)向銀，黃紹敏，張水清，袁秀梅，黃伏森，劉陽，王秀斌

（1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002）

秸稈生物炭配施氮肥對潮土土壤碳氮含量及作物產(chǎn)量的影響

宋大利1,2，習(xí)向銀1*，黃紹敏3，張水清3，袁秀梅1，黃伏森1，劉陽1，王秀斌2*

（1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002）

【目的】探討玉米秸稈生物炭配施氮肥對華北潮土區(qū)土壤理化特性和作物產(chǎn)量的影響，闡明土壤和植株對生物炭和氮肥施用的響應(yīng)，旨在為該區(qū)域秸稈資源高效利用、培肥土壤及作物增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳匀A北冬小麥-夏玉米輪作區(qū)為研究對象，研究玉米秸稈生物炭 (缺氧條件下 450℃ 熱裂解 1 小時獲得) 配施氮肥對土壤養(yǎng)分含量、微生物量以及作物產(chǎn)量的影響。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，以秸稈生物炭施用量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)。秸稈生物炭用量設(shè) 0、7.5 和22.5 t/hm23 個 水 平(以 BC0、BC7.5、BC22.5表示)；氮肥用量設(shè) 0、150、 225和 300 kg/hm24 個水平 (以 N0、N150、N225、N300表示)。小麥在 2014 年 10 月 9 日播種，次年 6 月 8 日收獲；玉米在 2015 年 6 月 10 日播種，當(dāng)年 9 月 28 日收獲。在作物成熟期進(jìn)行產(chǎn)量測定，并采集 0—20 cm 土壤樣品以及采用常規(guī)方法進(jìn)行土壤有機(jī)碳 (SOC)、全氮 (TN)、可溶性有機(jī)碳 (DOC)、銨態(tài)氮 (NH4+-N)、硝態(tài)氮 (NO3

玉米秸稈炭；氮肥用量；潮土；土壤理化性質(zhì)；產(chǎn)量

soil physical and chemical properties; crop yield

生物炭 (Biochar) 是指生物質(zhì)在缺氧和相對溫度“較低” (＜700℃) 條件下熱解而形成的富含碳的產(chǎn)物[1]，其孔隙豐富、比表面積大，具有高度的芳香族結(jié)構(gòu)[2]。基于生物炭特有的性質(zhì)，其不僅影響土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性[3]，而且在許多生物地球化學(xué)過程中起著關(guān)鍵性作用[4]，尤其是在碳、氮循環(huán)中尤為突出[5]。大量研究表明，生物炭作為土壤改良劑能夠提高土壤肥力和庫存碳[6-7]，如增加土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量，提高土壤中的碳氮比和提高土壤對氮、磷、鉀等元素的吸持容量[8-10]。也有些研究顯示，生物炭對土壤肥力參數(shù)和碳庫存潛力有抑制作用或沒有影響[11-12]。這些差異性結(jié)果主要取決于土壤類型、生物炭種類及用量等[13]。此外，礦質(zhì)肥料也能夠顯著影響土壤碳、氮的轉(zhuǎn)化過程[14]。已有研究表明，過量施氮會影響土壤有機(jī)碳、氮的組成與數(shù)量，進(jìn)而改變土壤供氮能力[15-16]。

合理施肥對作物產(chǎn)量有顯著影響。基于 Metaanalysis 方法，Jeffery 等[17]系統(tǒng)分析了施用生物炭與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，生物炭改良土壤后的平均增產(chǎn)幅度約為10%，但變異性較大 (-28%～39%)。其中，從土壤類型看，在酸性與中性土壤，粗質(zhì)地與中等質(zhì)地土壤中增產(chǎn)幅度較大；從施用量看，生物炭與礦質(zhì)肥料配施作物增產(chǎn)效果較為明顯[18]，且混施或配施在保持原有產(chǎn)量不變的條件下，降低10% 化肥用量[19]?？梢姡锾康淖罴言霎a(chǎn)作用還需考慮到土壤類型以及施肥狀況等因素。

華北平原是我國主要的糧食基地，小麥和玉米產(chǎn)量分別占全國的 50% 和 35%[20]。然而，該區(qū)域過量施肥現(xiàn)象十分突出，氮肥平均用量高達(dá) 500～600 kg/hm2，未顯著增加作物產(chǎn)量，但導(dǎo)致了較低的氮肥利用率和嚴(yán)重的環(huán)境污染[21]。因此，探討科學(xué)的施肥管理措施是迫切需要的。迄今為止，有關(guān)生物炭在土壤環(huán)境領(lǐng)域的研究多數(shù)是基于風(fēng)化土及典型熱帶貧瘠土壤，且多是室內(nèi)模擬試驗(yàn)條件下的結(jié)果[22-23]，而有關(guān)生物炭配施氮肥對華北石灰性潮土土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量的影響尚不清楚。因此，本研究針對秸稈生物炭配施氮肥對華北冬小麥/夏玉米輪作區(qū)土壤肥力及作物產(chǎn)量的影響這一問題，采用一年田間試驗(yàn)，研究玉米秸稈生物炭配施氮肥對石灰性潮土土壤碳、氮的轉(zhuǎn)化特征及作物產(chǎn)量的影響，闡明土壤和作物對玉米秸稈生物炭和氮肥施用的響應(yīng)，旨在為生物炭與氮肥合理施用、作物增產(chǎn)增效、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于 2014 年 9 月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地 (N34°47′、E113°40′) 進(jìn)行，該區(qū)地處暖溫帶，年均氣溫 14.4℃，年降雨量 640.9 mm，無霜期約 225 d，年日照時數(shù) 2400 h。主要種植方式為冬小麥- 夏玉米輪作。供試冬小麥品種為鄭麥 7698、玉米品種為浚單 20。供試土壤類型為石灰性潮土，采集 0—20 cm 耕層土壤樣品進(jìn)行基礎(chǔ)養(yǎng)分測定，其有機(jī)質(zhì)含量為 9.27 g/kg，全氮 0.71 g/kg，速效磷和速效鉀分別為 24.98 和 154.65 mg/kg，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為 1.97 和 8.58 mg/kg，pH 為 8.17。

試驗(yàn)所用生物炭以玉米秸稈為原料，在 450℃缺氧條件下熱裂解 1 小時獲得，購自河南省新發(fā)農(nóng)業(yè)科技有限公司。生物炭比表面積為 4.00 m2/g，孔體積為 0.01 mL/g，碳、氮含量分別為 45.2%、1.5%，EC 值為 4.62 mS/cm，pH 為 10.62。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，以生物炭施用量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)。秸稈生物炭設(shè) 0、7.5 和 22.5 t/hm23個水 平 ，分別以 BC0、BC7.5和 BC22.5表示，生 物 炭在冬小麥播種前一次性撒施后旋耕，玉米季不再施用；施氮量設(shè)為 0、150、225 和 300 kg/hm24 個水平，以 N0、N150、N225和 N300表示，施氮方式在小麥季基肥和拔節(jié)期追肥各占 1/2，玉米季基肥和大喇叭期追肥各占 1/2。小麥季和玉米季各小區(qū)磷、鉀肥用量相同，分別為 P2O5150 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，全部做底肥一次施入。每個處理 3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積 20 m2(長 5 m、寬 4 m)，小區(qū)間隔 0.5 m。供試氮、磷、鉀肥分別為尿素 (N46%)，過磷酸鈣 (P2O512%) 和氯化鉀 (K2O60%)。小麥在2014 年 10 月 9 日播種，次年 6 月 8 日收獲；玉米在2015 年 6 月 10 日播種，當(dāng)年 9 月 28 日收獲。田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田一致。

1.3 樣品采集與測定

在冬小麥和夏玉米成熟期分別采集 0—20 cm 耕層土壤樣品，按四分法分取兩份，一份取回風(fēng)干研磨，分別過 0.85 mm 和 0.15 mm 篩測定土壤養(yǎng)分含量；另一份用無菌袋帶回放入 4℃ 冰箱保存，測定土壤微生物量碳、氮以及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。每個小區(qū)單獨(dú)收割測定作物籽粒產(chǎn)量。

土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法測定[24]。土壤有機(jī)碳 (SOC) 用 K2Cr2O7氧化—外加熱法測定；土壤全氮 (TN) 用凱氏蒸餾法測定；土壤銨態(tài)氮 (NH4+-N) 和硝態(tài)氮 (NO3

--N) 用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提—SEALAA3 流動注射分析儀測定；土壤微生物量氮 (MBN)、微生物量碳(MBC):氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4浸提，浸提液過濾后用 ANALYTIKJENA multi N/C3100 儀測定有機(jī)氮、碳，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機(jī)氮之差除以 KE(0.45) 得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和 未 熏 蒸 土 壤 的 有 機(jī) 碳 之 差 除 以 KE(0.38) 得 到[25]；土壤可溶性有機(jī)碳 (DOC) 采用 0.5 mol/L K2SO4浸提—ANALYTIKJENA multi N/C3100 儀測定有機(jī)碳。其中生物炭的元素組成采用德國 Elementar 公司生產(chǎn)的Vario EL Ⅲ 型元素分析儀測定；比表面積和孔結(jié)構(gòu)表 征 利 用 全 自 動 物 理 化 學(xué) 吸 附 儀 (ASAP2020，Mieromeritics，USA)，采用容量法，通過BET吸附方程進(jìn)行計算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SAS9.1 軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用 LSD 最小極差法。用 Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳、全氮含量及其比值

由表 1 可知，冬小麥和夏玉米收獲后，生物炭用量對土壤有機(jī)碳 (SOC) 含量均具有極顯著影響(P＜0.01)，且均以 BC22.5N150處理的土壤 SOC 含量最高，分別為 9.53 和 11.83 g/kg。從生物炭用量看，增加生物炭用量可以顯著增加土壤 SOC 含量 (P＜0.05)，且均以 BC22.5含量最高，在四種氮水平下 (N0、N150、N225、和 N300) BC22.5與 BC0相比，其含量在冬小麥季分別提高了 101.0%、115.0%、108.4% 和 105.0%，夏玉米季分別提高了 111.4%、147.5%、165.0% 和84.5%，BC22.5與 BC7.5相比其含量同樣顯著增加，平均提高了 47.8% (冬小麥季) 和 54.9% (夏玉米季)。而從施氮水平來看，在施氮水平為 150 kg/hm2時，冬小麥和夏玉米季土壤 SOC 含量均達(dá)最大值，但同一生物炭用量下不同施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)。夏玉米收獲后土壤 SOC 平均含量較冬小麥?zhǔn)斋@后顯著增加，其增加幅度不同，生物炭用量間差異顯著，分別為 3.6% (BC0)、7.8% (BC7.5) 和 13.3% (BC22.5)；而不同施氮水平間差異不顯著 (P＞0.05)。

表1 不同處理對土壤有機(jī)碳、全氮含量及其比值的影響Table 1 Effects of different treatments on SOC, TN and SOC/TN in soil

同一氮肥用量下土壤全氮含量隨生物炭用量的增加而顯著增加 (P＜0.05)，均以 BC22.5處理土壤全氮含量最高。同一生物炭用量下土壤全氮含量隨施氮量增加而增加，以 N300處理土壤全氮含量最高。在兩季作物中均是以 BC22.5N300處理土壤全氮含量最高，較BC0N300處理分別增加 58.4% 和 60.4%。生物炭對土壤全氮含量具有顯著影響 (P＜0.01)，BC22.5與 BC0和BC7.5處理相比均有顯著增加，冬小麥其含量分別平均提高了 54.5% 和 18.5%，夏玉米分別平均提高了64.9% 和 32.3%；而增加施氮量雖能增加土壤全氮含量，但施氮水平對土壤全氮含量影響不顯著 (P＞0.05)。

兩季作物中各處理的土壤 C/N 比略低，基本維持在 8～11 之間。施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)，而在同一施氮水平下土壤 SOC/TN 比值隨生物炭用量的增加而增加，均是以 BC22.5處理土壤 SOC/TN 比值最大，冬小麥季和夏玉米季 BC22.5與 BC0相比其增加幅度分別為 22.5%～41.4% 和 32.7%～44.0%，與BC7.5相 比 其 增 加 幅 度 分 別 為 12.6%～41.6% 和6.0%～16.0%。添加生物炭對土壤 SOC/TN 比值具有極顯著的影響 (P＜0.01)，能夠顯著增加土壤 SOC/TN比值。

2.2 土壤可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量

由表 2 可知，冬小麥和夏玉米收獲后土壤銨態(tài)氮 (NH4+-N) 含量較低，其變化范圍分別為 0.66～1.51 和 2.87～4.93 mg/kg，而且施氮對 NH4+-N 含量影響并不大，施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)。兩季作物添加生物炭均能降低土壤 NH4+-N 含量，但生物炭處理間其含量差異不顯著 (P＞0.05)，而施氮及其與生物炭的交互作用在兩季作物中均不顯著 (P＞0.05)。夏玉米收獲后 NH4+-N 含量較冬小麥?zhǔn)斋@后雖有顯著增加，但其增加幅度各處理之間差異不顯著 (P＞0.05)。

表2 不同處理對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機(jī)碳含量的影響Table 2 Effects of different treatments on the contents of NH4+-N, NO3--N and DOC in soil

生物炭用量、施氮水平及其交互作用對土壤硝態(tài)氮 (NO3--N) 含量具有顯著影響 (P＜0.05)，其含量隨著氮肥用量的增加而增加，同時也隨著生物炭用量的增加而增加。兩季作物中均以 BC22.5N300處理土壤 N-N 含 量最 高， 與 所有 未添 加 生物 炭 (BC) 的

0處理相比，BC22.5N300處理增加幅度冬小麥和夏玉米季分別為 41.7%～85.0%、75.1%～326.2%。BC7.5和BC22.5與 BC0相比均有顯著增加，冬小麥季其含量分別平均提高了 24.9% 和 40.0%，夏玉米季分別平均提高了 10.4% 和 43.8%，而 BC7.5和 BC22.5其含量差異 不 顯著。夏 玉 米收獲 后 土壤 N-N 含量較冬 小麥?zhǔn)斋@后顯著增加，其增加幅度在 N300處理下隨生物炭用量的增加而顯著增加，分別為 322.7% (N300)、364.8% (BC7.5N300) 和 421.7% (BC22.5N300)；在 N225處理下不同生物炭處理間差異不顯著；在 N150處理下其增加幅度添加生物炭處理顯著低于未添加生物炭處理，分別為 320.0% (BC0N150)、198.8% (BC7.5N150) 和220.1% (BC22.5N150)。

冬小麥和夏玉米收獲后土壤可溶性有機(jī)碳 (DOC)含量平均值分別為 92.38 和 71.46 mg/kg，夏玉米季含量顯著低于冬小麥季，且添加生物炭及其與氮肥的交互作用對其含量有顯著影響 (P＜0.05)，其含量隨生物炭用量的增加而增加，隨氮肥用量的增加而先增后降，以 N150的含量達(dá)最大值。同一施氮水平下添加生物炭顯著增加土壤 DOC 含量，而從施氮水平看，施氮高于不施氮處理，施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)。

2.3 土壤微生物量碳、氮含量及其比值

由表 3 可以看出，生物炭用量和施氮水平對土壤微生物量碳 (MBC) 含量有極顯著影響 (P＜0.01)。在同一施氮水平下土壤 MBC 含量隨生物炭用量的增加呈先增后降的趨勢，其中以 BC7.5處理含量最高，較 BC0處理平均提高 34.0% (冬小麥季) 和 26.3% (夏玉米季)，較 BC22.5處理平均提高 22.8% (冬小麥季)和 9.2% (夏玉米季)；在同一生物炭用量下土壤微生物量碳含量隨氮肥用量的增加同樣呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，以 N150含量達(dá)最大值。從各處理來看，土壤 MBC 含量施氮的顯著高于不施氮處理，施氮處理間差異不顯著，BC7.5處理下冬小麥季不同施氮處理間其含量變化幅度在 14.2%～21.4%，夏玉米季幾乎沒有影響；施用生物炭處理顯著高于不施用生物炭的，添加生物炭可以顯著提高土壤 MBC 含量。夏玉米收獲后各處理土壤 MBC 平均含量較冬小麥顯著增加，其增幅施氮處理間差異顯著 (P＜0.05)，而不同生物炭用量間差異不顯著 (P＞0.05)。

表3 不同處理對土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影響Table 3 Effects of different treatments on MBC , MBN and MBC/MBN in soil

添加生物炭對土壤微生物量氮 (MBN) 含量有極顯著影響 (P＜0.01)，而在玉米季施氮及其交互作用對其含量無顯著影響 (P＞0.05)，冬小麥季和夏玉米季土壤 MBN 含量變化趨勢與土壤 MBC 相似，不管是同一生物炭用量下增加氮肥水平，還是同一施氮水平下增加生物炭用量，土壤 MBN 含量均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，分別以 N150和 BC7.5處理的土壤MBN 含量最高。土壤 MBN 含量施用生物炭處理顯著高于不施用生物炭的，較 BC0處理提高幅度冬小麥 季 為32.2% ～ 57.6% (BC7.5) 和 12.4%～120.5% (BC22.5)， 夏 玉 米 季 為18.0% ～ 36.2% (BC7.5) 和13.0%～36.1% (BC22.5)。在冬小麥季 BC7.5處理其含量顯著高于 BC22.5(N0除外)，平均高出 17.5%，而在夏玉米季兩者差異不顯著。施氮顯著高于不施氮處理，但施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)?？偟膩砜矗珺C7.5N150處 理 土 壤 MBN 含 量 最 高 。 夏 玉 米 收 獲 后MBN 含量較冬小麥?zhǔn)斋@后顯著增加，但其增加幅度各處理之間差異不顯著 (P＞0.05)。

冬小麥和夏玉米收獲后，各處理土壤 MBC 與MBN 的比值 (MBC/MBN) 略低，小麥季 MBC/MBN比處于 4.01～9.12 之間，而玉米季比值基本在 4 左右。在兩季作物中添加生物炭對 MBC/MBN 比均有極顯著的影響 (P＜0.01)，而在玉米季施氮及其交互作用對其比值無顯著影響 (P＞0.05)，同一施氮水平下其比值隨生物炭用量的增加而顯著降低；而在同一生物炭用量下其比值隨施氮水平增加先增后降，均以N150處理最大。在所有處理中以 BC0N150處理的MBC/MBN 比值最大，BC22.5N300處理的最小，兩者分別相差 127.3% (冬小麥季) 和 49.9% (夏玉米季)。夏玉米收獲后土壤 MBC/MBN 比值較冬小麥?zhǔn)斋@后顯著降低，其降低幅度不同生物炭用量間差異顯著，分別為 55.2% (BC0)、26.4% (BC7.5) 和 2.3% (BC22.5)，而不同施氮水平間差異不顯著 (P＞0.05)。

2.4 作物產(chǎn)量

由表 4 可知，生物炭用量和施氮水平均對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量具有極顯著影響 (P＜0.01)。兩季作物均以 BC7.5N150處理的產(chǎn)量最高，分別為 9.91 和 11.80 t/hm2。同一生物炭用量下，作物產(chǎn)量隨著施氮水平的增加而先增后降，最大值分別為 N225(BC0)、N150(BC7.5) 和N150(BC22.5) 處理，而且施氮顯著高于不施氮處理，施氮處理間差異不顯著 (P＞0.05)。在同一施氮水平下，作物產(chǎn)量隨著生物炭用量的增加同樣先增后降，在本研究中均以 BC7.5生物炭處理的產(chǎn)量最高，其產(chǎn)量在小麥季較 BC0處理分別提高了 58.3% (N0)、33.7% (N150)、15.7% (N225) 和 14.0% (N300)，高于 BC22.5處理12.0% (N0)、16.0% (N150)、11.3% (N225) 和 12.6% (N300)， 在 玉 米 季 較 BC0處 理 分 別 提 高 了46.1% (N0)、21.4% (N150)、12.4% (N225) 和 12.6% (N300)，高于 BC22.5處理 5.8% (N0)、12.7% (N150)、9.1% (N225) 和6.9% (N300)，施用生物炭處理高于不施生物炭處理，生物炭處理間差異不顯著 (P＞0.05)。而且 BC7.5處理下的三種施氮水平 (N150、N225和 N300) 作物產(chǎn)量均較未施生物炭處理的最高產(chǎn)量 (BC0N225) 高。

表4 不同處理對冬小麥和夏玉米籽粒產(chǎn)量的影響(t/hm2)Table 4 Effects of different treatments on grain yields of winter wheat and summer maize

2.5 土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析

運(yùn)用 Pearson 雙側(cè)檢驗(yàn)對冬小麥和夏玉米季土壤肥力構(gòu)成因素進(jìn)行相關(guān)性分析 (表 5 和表 6)，兩季作物中全氮 (TN) 與 NO3--N、SOC、DOC、MBN 和SOC/TN 呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系 (P＜0.01)；DOC與 SOC、MBC、MBN 之間均具有極顯著的正相關(guān)性 (P＜0.01)，與 SOC/TN 同樣表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P＜0.05)。MBN 與 SOC 和 MBC 之間均為極顯著正相 關(guān) 性(P＜0.01)；MBC/MBN 與 TN、 NO3--N、SOC、DOC 和 SOC/TN 之間均有極顯著的負(fù)相關(guān)性(P＜0.01)。作物產(chǎn)量與 NO3--N、MBC 和 MBN 之間均具有顯著正相關(guān)性 (P＜0.05)，與 DOC 間的相關(guān)性既有顯著 (冬小麥季)，又有不顯著 (夏玉米季)，而與TN、NH4

+-N、SOC、MBC/MBN 和 SOC/TN 的相關(guān)性則不顯著 (P＞0.05)。

3 討論

3.1 生物炭配施氮肥對土壤養(yǎng)分的影響

土壤有機(jī)碳 (SOC) 作為衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一，被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和功能的核心[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，同一生物炭用量下，不同氮肥用量對SOC 含量的影響較小，差異未達(dá)顯著水平，這與李文 西 等[27]的 研 究 相 一 致 。 而 不 同 生 物 炭 添 加 量 對SOC 含量有極顯著影響，在同一施氮水平下其含量隨生物炭用量的增加而顯著增加，這與前人的研究結(jié)果相一致[28]。夏玉米收獲后 SOC 含量較冬小麥?zhǔn)斋@后顯著增加，增加幅度隨生物炭用量的增加而顯著增加，SOC 含量的增加是由于生物炭中含有不穩(wěn)定的有機(jī)碳被釋放到土壤[29]，其含量增加幅度主要與生物炭的施用量和穩(wěn)定性有關(guān)[28,30]?？梢姡锾刻砑訉μ岣咄寥?SOC 含量，培肥農(nóng)田土壤具有重要意義。

可溶性有機(jī)碳 (DOC) 作為土壤有機(jī)碳中較為活躍和容易變化的部分，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭對土壤 DOC含量有極顯著影響，且隨其用量的增加而顯著增加，這與 Beesley等[31]和 EL-Mahrouky等[32]的研究結(jié)果相一致。然而，Jones 等[33]研究認(rèn)為添加生物炭對土壤 DOC 含量有較小影響。隨氮肥用量的增加土壤DOC 含量呈先增后減的趨勢，但差異未達(dá)顯著水平，施氮肥對其無顯著影響，這與楊馨逸等[34]的研究結(jié)果一致，適量氮的輸入可以為微生物提供更多的氮源，促進(jìn)微生物的活性，進(jìn)而促進(jìn)了土壤中難溶性物質(zhì)的活化與分解[35]；而高量氮肥的輸入增加了碳的微生物固定，減少可溶性有機(jī)碳的含量[36]。

表5 冬小麥季土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil fertility factors in the winter wheat season

表6 夏玉米季土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of soil fertility factors in the summer maize season

土壤全氮含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，通常用于指導(dǎo)施肥。在本試驗(yàn)中，添加生物炭對土壤全氮含量有極顯著影響，且隨施用量的增加而顯著增加，這與 Liang等[13]和郭俊娒等[37]報道的結(jié)果相吻合，原因是生物炭中本身含有一定的氮，其易分解和難分解兩部分氮在測定土壤全氮時一起被測出[29]。減去施肥和生物炭帶入的氮，土壤全氮的增加量隨生物炭用量的增加而增加，可見生物炭對氮素的截留具有很好的作用，使氮素較穩(wěn)定的儲存在耕層土壤中，減少了氮素?fù)p失。而未施用生物炭 (BC0) 和施用低量生物炭 (BC7.5) 處理土壤全氮含量冬小麥和夏玉米收獲后均低于播種前，其原因主要是作物的吸收和氮素自身的遷移與轉(zhuǎn)化。施用氮肥土壤全氮含量雖較不施氮肥 (N0) 有所增加，但三個施氮肥處理間差異不顯著。土壤礦質(zhì)態(tài)氮是植物可直接吸收利用的氮素，反映了土壤短期內(nèi)的氮素供應(yīng)狀況。研究結(jié)果表明，土壤 NO3--N 含量隨氮肥用量的增加而顯著增加，而氮肥對土壤 NH4+-N 含量無顯著影響，這與王爽等[38]的研究結(jié)果相一致，土壤 NH4+-N 含量無顯著影響的原因可能在于旱地土壤硝化作用強(qiáng)，被礦化產(chǎn)生的 NH4+-N 很快被轉(zhuǎn)化為 NO3--N[39]。隨生物炭用量的添加土壤 NO3--N 含量顯著增加，土壤NH4

+-N 含 量 有 所 降 低 ， 但 不 顯 著 ， 與Wang 等[40]利用盆栽試驗(yàn)生物炭施用量為 0、25 和 50 t/hm2的研究結(jié)果一致，而與尚杰等[41]的研究結(jié)果隨生物炭施用量增加土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量顯著增加不一致，其生物炭用量為 20、40、60、80 t/hm2，遠(yuǎn)高于本試驗(yàn)的生物炭施用水平。夏玉米收獲后土壤 NH4+-N 和 NO3

--N含量顯著高于種植作物前和冬小麥?zhǔn)斋@后，原因在于作物吸收、氣候條件等多種因素綜合影響土壤無機(jī)氮含量的變化和分布[42-43]，而且土壤有機(jī)氮的礦化和施入土壤的肥料氮被生物固定后的再礦化均是土壤無機(jī)氮的主要來源[44]。在潮土中適量的添加生物炭能夠減少氮的淋溶損失，增加氮素截留，提高肥料的利用率，對氮肥的減施增效具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 生物炭配施氮肥對微生物量碳、氮的影響

微生物量在土壤和植物的動態(tài)變化中是一種重要的碳、氮庫，控制著養(yǎng)分的供應(yīng)[45]。在本研究中，氮肥施用量對兩季作物土壤微生物量碳含量均有極顯著影響，而對土壤微生物量氮含量只在冬小麥季有極顯著影響。隨施氮水平的增加土壤微生物量碳、氮含量在兩季作物中均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，以施氮量為 150 t/hm2最高，這與楊馨逸等[34]研究的不同品種小麥下土壤微生物量和可溶性有機(jī)物對不同施氮量 (0、45、90、135、180、225 t/hm2) 的響應(yīng)類似，土壤微生物量碳氮和可溶性有機(jī)碳氮在施氮量為 135 t/hm2達(dá)到最大，然后隨施氮量的增加而降低的結(jié)論相一致。然而，添加生物炭對土壤微生物量碳、氮的影響各異。Dempster 等[46]利用砂土進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，在樹枝生物炭用量為 0、5 和 25 t/hm2時，隨生物炭的添加土壤 MBC、MBN 含量均下降；Chen 等[47]在砂質(zhì)壤土上進(jìn)行大田試驗(yàn)小麥秸稈生物炭施用量為 0、20 和 40 t/hm2時，隨生物炭添加MBC、MBN 含量呈現(xiàn)上升趨勢；而本研究石灰性潮土添加不同玉米秸稈生物炭對土壤 MBC、MBN 含量均有極顯著影響，且隨其用量的增加 (0、7.5 和22.5 t/hm2) 呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，導(dǎo)致這些不同結(jié)果的可能原因是取決于土壤類型、生物炭原料和用量的變化[13,46]。

MBC/MBN 的變化能夠反映土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)信息[48]。在本研究土壤中較低，小麥季 MBC/MBN比處于 4.01～9.12 之間，而玉米季比值基本在 4 左右。尚杰等[41]研究發(fā)現(xiàn)，利用廢棄的果樹枝條熱裂解制成生物炭在施氮量為 225 kg/hm2時，MBC/MBN隨生物炭用量的增加同樣有下降的趨勢。夏玉米收獲后 MBC/MBN 較冬小麥?zhǔn)斋@后顯著下降，而下降幅度隨生物炭的添加而降低，一般認(rèn)為土壤微生物組成的不同會導(dǎo)致土壤微生物量碳氮比的變化[49]，因此其具體變化影響機(jī)制有待于后期研究。

3.3 生物炭配施氮肥對作物產(chǎn)量的影響

生物炭對作物產(chǎn)量的影響除了與土壤類型、種植作物和肥水管理有關(guān)外，與生物炭本身和用量，以及施肥種類和施肥量有關(guān)[50]。本研究表明，氮肥用量、生物炭用量均對作物產(chǎn)量具有極顯著影響，且添加生物炭能夠顯著增加作物產(chǎn)量。而隨氮肥用量的增加其產(chǎn)量呈先增后降的趨勢，這與蔡祖聰?shù)萚51]在河南潮土進(jìn)行長期試驗(yàn)研究結(jié)果相一致，即冬小麥和夏玉米每季施氮 150 kg/hm2時產(chǎn)量最高。同時，在配施不同氮水平下添加中量生物炭 (BC7.5) 冬小麥和夏玉米產(chǎn)量較其它處理均顯著增加，而添加高量生物炭 (BC22.5) 產(chǎn)量有所降低，但均高于未施生物炭處理 (BC0)，這與大多數(shù)的研究結(jié)論一致[52]，添加大量生物炭作物產(chǎn)量略有降低的可能原因是大量生物炭導(dǎo)致土壤可溶性有機(jī)碳增加，促使土壤微生物與作物競爭土壤氮[53]。此外，作物產(chǎn)量與 NO3--N、MBC 和 MBN 之間均具有極顯著正相關(guān)性，生物炭對土壤 NO3--N、MBC 和 MBN 含量具有極顯著影響。可見，生物炭通過激發(fā)土壤微生物活性和土壤養(yǎng)分循環(huán)，而對作物產(chǎn)量的影響起間接作用。

4 結(jié)論

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針對華北潮土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，短期內(nèi)(1 年) N150BC7.5處理顯著提升了土壤全氮、有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及微生物量碳等肥力參數(shù)；研究還發(fā)現(xiàn)，N150BC7.5處理產(chǎn)量最高，較單施 N225(農(nóng)民習(xí)慣施肥) 作物增產(chǎn) 17.18%～22.65%，節(jié)氮肥 33%，闡明了土壤肥力和作物產(chǎn)量對生物炭和氮肥施用的響應(yīng)。可見，短期內(nèi) N150BC7.5處理對提升土壤肥力和作物產(chǎn)量的效果最佳，是較為理想的施肥方式。生物炭配施氮肥對潮土土壤碳、氮轉(zhuǎn)化的影響本研究有了初步的結(jié)論，但兩者配施的作用機(jī)理尚不完善，及其對作物養(yǎng)分吸收的影響尚不清楚，仍需要繼續(xù)開展長期田間試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。

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Effects of combined application of straw biochar and nitrogen on soil carbon and nitrogen contents and crop yields in a fluvo-aquic soil

SONG Da-li1,2, XI Xiang-yin1*, HUANG Shao-min3, ZHANG Shui-qing3, YUAN Xiu-mei1,
HUANG Fu-sen1, LIU Yang1, WANG Xiu-bin2*
( 1 College of Resource and Environments, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3 Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China )

【Objectives】The objectives of this study were to explore effects of combined application of maize straw biochar (BC) and nitrogen (N) on soil physical and chemical properties as well as crop yields in NorthChina. This study could elucidate the responses of soil and plant to the BC and N application in a fluvo-aquic soil, provide a scientific evidence for efficient use of straw resources, and enhance soil fertility and crop production .【Methods】A two-factor split plot experiment was conducted to investigate the effects of the combined application of BC and N on soil nutrient, microbial biomass, and crop yields under a winter wheat-summer maize rotation in North China. The BC used in this study was produced from maize straw at pyrolysis temperature of approximately 450℃ and maximum temperatures were maintained for 1 h. The main plot was three BC rates, 0, 7.5 and 22.5 t/hm2, and expressed as BC0, BC7.5, and BC22.5, respectively. The subplot was four N rates, 0, 150, 225 and 300 kg/hm2, and expressed as N0, N150, N225, and N300, respectively. Wheat was sown on October 9, 2014, and harvested on June 8 next year. Maize was sown on June 10, 2015, and harvested on September 28, 2015. The soil samples (0-20 cm) were collected after the harvest, and the contents of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), soluble organic carbon (DOC), ammonium (NH4+-N), nitrate (NO3--N), microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) were analyzed using regular methods.【Results】BC rates significantly affected the contents of the soil nutrients, microbial biomass and crop yields (P＜0.01). The contents of SOC, TN, DOC, N-N and SOC/TN were significantly increased with the increase of the BC application rates (P＜0.05) by 165.0%, 74.1%, 39.1%, 75.1% and 44.0%, respectively, compared to the BC0. The contents of MBC, MBN, and crop yields with a BC rate of 7.5 t/hm2reache the largest value, and were increased by 49.2%, 57.6% and 46.1% compared to the BC0, and the contents of the BC22.5were reduced by 12.1%, 7.3% and 9.7% compared to the BC7.5respectively. The contents of NH4+-N were descended with the increase of the BC rates, the BC7.5and BC22.5were reduced by 18.4% and 23.7% compared to the BC0respectively. The contents of SOC, DOC, NH4+-N, MBC and MBN had the greatest values at the N rate of 150 kg/hm2, and were significantly increased by 29.7%, 22.9%, 44.8%, 79.4% and 115.3% compared to the BC0, respectively. The crop yields in all N treatments were higher than the N0, but there were no significant differences among the three N treatments.【Conclusions】The N150BC7.5treatment was more effective to improve soil fertility and maintain high crop yields in a short term, which could be used as an effective way of management practice. Further studies are needed to estimate its effective mechanisms and long-term effects under the combined application of BC and N.

maize straw-derived biochar; nitrogen fertilizer rate; fluvo-aquic soil;

2016-10-25 接受日期：2017-01-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31372135）；國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項(xiàng)目（2013CB127405）；河南省科技攻關(guān)“典型潮土活性有機(jī)質(zhì)增產(chǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目（162102110010）資助。

宋大利（1989—），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事作物高效施肥方面的研究。E-mail:songdalisdl@163.com

* 通信作者 E-mail:xixiangyin@swu.edu.com；E-mail:wangxb@caas.ac.cn

--N)、土壤微生物量碳 (MBC) 和微生物量氮 (MBN) 的測定?！窘Y(jié)果】生物炭對土壤養(yǎng)分含量、微生物量碳氮及作物產(chǎn)量有極顯著影響。生物炭用量增加，土壤 SOC、TN、DOC、NO3--N 含量以及土壤 SOC/TN 比值均顯著增加，較 BC0最大增加幅度分別為 165.0%、74.1%、39.1%、75.1% 和 44.0%。MBC、MBN 含量和作物產(chǎn)量均以BC7.5處理 達(dá) 最 大值，較 BC0最大 增 加 幅度分別為49.2%、 57.6% 和 46.1%，BC22.5較 BC7.5處理 平 均 降低 12.1%、7.3% 和 9.7%；施用生物炭降低 NH4+-N 含量，BC7.5和 BC22.5處理較 BC0分別下降 18.4% 和 23.7%。隨著氮肥施用量的增加，SOC、DOC、NH4+-N、MBC、MBN 含量均先增后減，在施氮水平為 150 kg/hm2時，其含量均達(dá)

最大值，較 N0最大增加幅度分別為 29.7%、22.9%、44.8%、79.4% 和 115.3%。所有施氮的處理作物產(chǎn)量較 N0均顯著增加，而三個施氮處理間其產(chǎn)量差異不顯著 (P＞0.05)。【結(jié)論】在維持作物產(chǎn)量不降低的情況下，短期內(nèi) N150BC7.5處理對提升土壤肥力的效果最佳，是較為理想的施肥方式，但其有效機(jī)制及長期效果還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。