郭俊娒, 姜慧敏, 張建峰, 李玲玲, 張水勤, 謝義琴，李 先, 劉 曉, 周貴宇, 楊俊誠*

(1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，耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 2四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130; 3湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，長沙 410125; 4遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，沈陽 110036)

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玉米秸稈炭還田對黑土土壤肥力特性和氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響

郭俊娒1, 姜慧敏1, 張建峰1, 李玲玲1, 張水勤1, 謝義琴2，李 先3, 劉 曉1, 周貴宇4, 楊俊誠1*

(1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，耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 2四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130; 3湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，長沙 410125; 4遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，沈陽 110036)

【目的】探索玉米秸稈炭對東北黑土土壤肥力特性和氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響，可為東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用和培肥土壤提供理論和實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)。【方法】本研究以東北典型黑土區(qū)春玉米種植體系為研究對象，通過連續(xù)兩年的田間原位試驗(yàn)，研究了添加500℃厭氧條件熱解的玉米秸稈炭對土壤養(yǎng)分含量、 微生物和酶活性的影響及玉米秸稈炭對作物產(chǎn)量和氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響。試驗(yàn)設(shè)三個(gè)處理: 1)PK+4t/hm2秸稈還田(CK); 2)NPK+4t/hm2秸稈還田; 3)NPK+4t/hm2秸稈還田+2t/hm2秸稈生產(chǎn)秸稈碳,在玉米成熟期取0—20cm土壤樣品和植株樣品，采用常規(guī)方法進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的測定。【結(jié)果】 1)土壤養(yǎng)分分析結(jié)果。與秸稈還田相比，秸稈炭處理在2013和2014年土壤堿解氮含量(AN)分別提高了10.1%和9.7%，均達(dá)到顯著水平(P<0.05); 土壤速效磷含量(AP)分別提高了13.7%和27.3%，在2014年達(dá)到顯著水平(P<0.05); 土壤微生物量碳含量(SMBC)分別提高了13.5%和26.9%，土壤脲酶活性(URE)分別提高了22.3%和31.8%，2014年SMBC和URE升高均達(dá)顯著(P<0.05)。秸稈炭對土壤有機(jī)質(zhì)(OM)、 全氮(TN)、 速效鉀(AK)、 土壤微生物量氮(SMBN)和蔗糖酶活性(SUC)的提升效果在兩年試驗(yàn)中均沒有達(dá)到顯著水平， 2)氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)影響結(jié)果。與處理2相比，處理3肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)分別提高了3.3%和9.6%，肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(EBN)分別提高了12.9%和27.5%，均在2014年表現(xiàn)出顯著提高(P<0.05); 而兩年間處理3的玉米產(chǎn)量分別提高3.3%和9.5%、 肥料氮利用率(UEN)分別提高了3.9%和14.0%、 肥料氮農(nóng)學(xué)效率(AEN)分別提高了11.6%和23.9%，但均未達(dá)顯著水平?！窘Y(jié)論】2年試驗(yàn)初步表明施用玉米秸稈炭可以提高土壤微生物活性和土壤酶活性，調(diào)節(jié)土壤與作物之間的養(yǎng)分供需，改善土壤養(yǎng)分狀況,對提升氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)有作用。因此，玉米秸稈炭可作為秸稈資源高效利用的有效形式，其長期效果還需進(jìn)一步試驗(yàn)。關(guān)鍵詞: 玉米秸稈炭; 土壤肥力; 微生物量碳、 氮; 土壤酶活性; 氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)

nitrogenagronomyeffect

東北是我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，擁有極其豐富的玉米秸稈資源[1]。玉米秸稈中富含碳源及氮、 磷、 鉀等養(yǎng)分，如果能有效還田利用，在維持東北黑土區(qū)土壤肥力方面將發(fā)揮重要的作用[2]。但由于東北地區(qū)冬春低溫、 秸稈自然腐解速度慢和缺乏切實(shí)可行的利用技術(shù)等因素，玉米秸稈有效還田率低(僅為19.8%)且效果不明顯[3]，大量玉米秸稈得不到有效利用，為不影響下茬種植而被直接焚燒，不僅造成秸稈資源的巨大浪費(fèi)，還對大氣和環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[4]?；诖?，探討玉米秸稈炭化還田的理論與方法，突破制約秸稈有效還田的技術(shù)瓶頸，是提高東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用效率和培肥土壤的迫切需求。

秸稈炭是生物炭的一種，是作物秸稈在無氧條件下炭化的產(chǎn)物，具有改善土壤物理性狀[5-7]，增加土壤對養(yǎng)分的吸附、 減少養(yǎng)分淋失[8,9]，促進(jìn)微生物活性[10]，提高作物生產(chǎn)力，增加產(chǎn)量等的作用或潛在功效[11,12]。目前秸稈炭已成為當(dāng)今世界資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外關(guān)于秸稈炭對土壤肥力、 微生物學(xué)性狀、 酶活性和產(chǎn)量的影響均作了一定的研究，并取得了許多成果。

土壤微生物是土壤中對環(huán)境變化最為敏感的部分，土壤微生物量既是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力，又可作為植物有效養(yǎng)分的儲備庫[13]，Liang等[14]對亞馬遜流域黑土研究認(rèn)為生物炭可提高土壤微生物活性達(dá)125%。在土壤酶中，脲酶主要作用是催化土壤中尿素的水解，其活性可以用來表示土壤氮素狀況[15]。蔗糖酶活性可以反映對土壤中易溶性物質(zhì)的利用，反映了土壤有機(jī)碳的積累和分解轉(zhuǎn)化規(guī)律[15]。馮愛青等[16]研究結(jié)果表明冬小麥炭化施入土壤可顯著提高土壤脲酶活性。而張玉蘭等[17]研究認(rèn)為玉米秸稈炭施入黑土對土壤蔗糖酶活性沒有顯著影響。由于研究的土壤基礎(chǔ)肥力、 秸稈炭種類、 施用量和作物品種等不同，關(guān)于秸稈炭對作物產(chǎn)量的影響有不同的報(bào)道,Liang等[18]的研究認(rèn)為與不施用秸稈炭處理相比，施用秸稈炭處理后，玉米產(chǎn)量有大幅增加。而高海英等[19]研究認(rèn)為生物炭單施在不同土壤上均會(huì)導(dǎo)致小麥和糜子增產(chǎn)效果不明顯甚至減產(chǎn)。Lehmann等[20]研究認(rèn)為秸稈炭施入土壤可減少土壤氮素淋失，提高氮肥利用率。

鑒于我國對秸稈炭的研究結(jié)果多數(shù)是基于熱帶地區(qū)肥力貧瘠的土壤，且多是室內(nèi)模擬試驗(yàn)條件下的結(jié)果，而關(guān)于秸稈炭對東北冷涼地區(qū)高肥力土壤的實(shí)際田間情況下土壤養(yǎng)分、 微生物和酶活性及氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響尚不清楚。本研究針對玉米秸稈炭對東北春玉米種植區(qū)土壤肥力和氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響這一問題，采用連續(xù)兩年的田間原位試驗(yàn)，研究玉米秸稈炭對東北黑土土壤肥力效應(yīng)和氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響，旨在為提高我國東北玉米集約化生產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用效率和土壤肥力提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)種植制度為一年一熟春玉米，供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N龍單42號，試驗(yàn)從2013年5月開始，到2014年10月已連續(xù)種植了兩季春玉米。供試玉米秸稈炭由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，玉米秸稈炭是由玉米秸稈在500℃厭氧條件下熱解而成的高度芳香化產(chǎn)物，其性質(zhì)較為穩(wěn)定，且含有一定的養(yǎng)分，其基本理化性質(zhì): 全氮6.10g/kg、 全磷5.17g/kg、 全鉀22.8g/kg、CEC9.98cmol/kg、pH9.07、 固定碳77.1%、 灰分13.3%。玉米秸稈炭全氮、 全磷、 全鉀、CEC及pH含量測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[21]，固定碳和灰分含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17664-1999《木炭和木炭試驗(yàn)方法》測定。

試驗(yàn)設(shè)為3個(gè)處理，分別為: (1)PK+秸稈還田(CK)，(2)NPK+秸稈還田(C1); (3)NPK+秸稈還田+玉米秸稈炭(C2)。C1處理秸稈還田量為4t/hm2,C2處理秸稈還田量為2t/hm2,生物碳添加量由2t/hm2玉米秸稈生產(chǎn)，供試氮肥按60%速效氮+20%有機(jī)肥氮+20%緩釋肥氮的比例添加，速效氮肥為尿素，含N量為46%，商品有機(jī)肥N、P2O5、K2O含量分別為1.86%、 3.11%和0.85%，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院提供; 緩釋氮肥為緩釋尿素，含N量為41.8%，由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供。氮肥施用量為N165kg/hm2，其中速效氮按照基肥、 大喇叭期和抽雄期追肥比例1 ∶1 ∶1施入，有機(jī)肥和緩釋肥全部基施; 磷肥為磷酸二銨(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O60%)，磷肥施用量為P2O560kg/hm2，鉀肥用量為K2O75kg/hm2，磷鉀肥全部基施; 秸稈還田量為4t/hm2，平均N、P2O5、K2O含量分別為0.70%、 0.11%和1.42%。每個(gè)處理重復(fù)4次，區(qū)組隨機(jī)排列，小區(qū)面積為60m2。

1.3樣品采集與測試

成熟期采集0—20cm耕層土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采五個(gè)點(diǎn)將土壤混合，按四分法分取兩份，一份取回風(fēng)干研磨，分別過2mm和0.15mm篩測定土壤養(yǎng)分含量; 另一份用白色棉布袋裝取，放入4℃冰箱保存，用于測定土壤微生物量碳氮及酶活性。成熟期測產(chǎn)并采集植株樣品，于離地2cm處收獲，秸稈與籽粒單獨(dú)采收。

土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮、 堿解氮、 速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量采用土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法測定[21]，土壤脲酶活性(URE)采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[15]進(jìn)行測定，土壤蔗糖酶活性(SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法[20]進(jìn)行測定，土壤微生物量碳含量(SMBC)和微生物量氮含量(SMBN)用氯仿熏蒸培養(yǎng)法[22]測定，植物氮含量按照H2SO4-H2O2消煮法測定[21]。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果采用SAS9.1統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，不同處理間采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，用Originpro8.6軟件進(jìn)行作圖。

氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)主要考慮肥料氮利用率、 肥料氮偏生產(chǎn)力、 肥料氮農(nóng)學(xué)效率和肥料氮經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算公式分別如下:

肥料氮利用率(utilizationefficiencyofappliedN,UEN)=(收獲期施氮區(qū)地上部總吸氮量-收獲期不施氮區(qū)地上部總吸氮量)/肥料氮施用量×100%

肥料氮偏生產(chǎn)力(partialfactorproductivityfromappliedN,PFPN)= 施氮區(qū)產(chǎn)量/肥料氮施用量

肥料氮農(nóng)學(xué)效率(agronomicefficiencyofappliedN,AEN)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/肥料氮施用量

肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(economicbenefitsofappliedN,EBN)= 施氮區(qū)凈收益-不施氮區(qū)凈收益

2　結(jié)果與分析

2.1玉米秸稈炭對土壤肥力的影響

2.1.1 對土壤養(yǎng)分的影響由圖1可以看出，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，在2014年成熟期，C2處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量與2013年基本持平，土壤全氮、 速效磷和速效鉀含量較上一年分別提高7.5%、 12.0%和5.3%，均沒有顯著差異。對不同處理間土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析表明，與C1處理相比較，兩年試驗(yàn)中C2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高2.3%和3.0%、 土壤全氮含量分別提高1.3%和1.9%、 土壤堿解氮含量分別提高了10.1%和9.7%、 土壤速效磷分別提高了13.7%和27.3%、 土壤速效鉀分別提高了9.9%和3.1%，其中土壤堿解氮含量在兩年中差異均達(dá)到了顯著(P<0.05)，土壤速效磷含量在2014年表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

以上結(jié)果表明，與不添加秸稈炭處理相比，添加玉米秸稈炭對土壤堿解氮和速效磷含量均有顯著提升作用，而對土壤有機(jī)質(zhì)含量、 土壤全氮含量和速效鉀含量雖表現(xiàn)出了一定的提高但差異未達(dá)顯著水平，這可能是由于受秸稈炭施用年限短的限制。2.1.2 對土壤微生物量碳、 氮含量及土壤酶活性的影響由圖2可知，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，2014年C2處理的土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性與2013年均沒有顯著變化。兩年試驗(yàn)中C2處理土壤微生物量碳含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且與C1處理相比分別提高了13.5%和26.9%，其中在2014年達(dá)到顯著水平(P<0.05); 與C1相比，C2處理土壤微生物量氮含量兩年分別提高了1.1%和1.4%，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上未達(dá)顯著水平; 土壤脲酶活性兩年均顯著高于CK處理(P<0.05)，且較C1處理分別提高了22.3%和31.8%，在2014年差異達(dá)到顯著水平(P<0.05); 土壤蔗糖酶活性兩年均顯著高于CK處理(P<0.05)，且較C1處理分別提高10.1%和1.1%，但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均不顯著。

由此可知，經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，在2014年成熟期C2處理對土壤微生物量碳含量及土壤脲酶活性表現(xiàn)出顯著提升效應(yīng)，而對土壤微生物量氮含量和土壤蔗糖酶活性的影響在兩年試驗(yàn)中沒有表現(xiàn)出顯著作用。

圖1　秸稈炭對黑土土壤養(yǎng)分含量的影響Fig.1　Effect of biochar on soil nutrient content of black soil

[注(Note): 柱上不同大寫字母表示年際間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，豎線為平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤Capitallettersmeansignificantdifferencesat5%levelbetweenthetwoyears,andlowercaselettersmeansignificantdifferencesat5%levelbetweendifferenttreatments,thebarmeansthestandarderrorofmeanvalue. ]

圖2　秸稈炭對土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性的影響Fig.2　Effect of biochar on SMBC, SMBN and soil urease and sucrase activities

2.2土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析

通過連續(xù)兩年田間定位試驗(yàn)，對2014年土壤肥力構(gòu)成因素和產(chǎn)量差異(Yield)進(jìn)行相關(guān)分析(表1)，結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量之間具有極顯著正相關(guān)性(r=0.762，P<0.01，n=12); 土壤全氮含量與土壤堿解氮含量之間具有顯著正相關(guān)(r=0.625，P<0.05，n=12)。土壤堿解氮含量與土壤微生物量碳含量為顯著相關(guān)(r=0.659，P<0.05，n=12)，與微生物量氮含量和土壤蔗糖酶活性之間均表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(r=0.778,0.709，P<0.01，n=12)，與產(chǎn)量之間也表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(r=0.956，P<0.01，n=12)。土壤微生物量碳含量與土壤微生物量氮含量(r=0.673)和土壤蔗糖酶活性(r=0.679)之間均為顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05，n=12)，與土壤脲酶活性表現(xiàn)為極顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.779，P<0.01，n=12)。土壤微生物量氮含量與土壤堿解氮(r=0.778)和土壤蔗糖酶活性(r=0.878)間均為極顯著相關(guān)性(P<0.01，n=12)，與土壤脲酶活性也表現(xiàn)為顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.621，P<0.05，n=12)。作物產(chǎn)量與土壤堿解氮(r=0.886)、 土壤微生物量氮含量(r=0.956)和土壤蔗糖酶活性(r=0.874)之間均具有極顯著相關(guān)性(P<0.01，n=12)，與土壤脲酶活性間也表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(r=0.635，P<0.05，n=12)，而與土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮含量和土壤速效磷、 速效鉀含量的相關(guān)性則不顯著。

上述相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤堿解氮含量與土壤微生物量碳、 氮含量和土壤脲酶、 蔗糖酶活性之間具有同步性，,對產(chǎn)量也表現(xiàn)出有顯著的促進(jìn)效應(yīng)，這說明在兩年試驗(yàn)中土壤堿解氮含量、 微生物量碳氮含量、 土壤脲酶和蔗糖酶活性是影響土壤肥力的關(guān)鍵因子。

2.3玉米秸稈炭對氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響

由表2可知，在兩年田間試驗(yàn)中，C1與C2兩處理產(chǎn)量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且與C1處理相比，C2處理產(chǎn)量分別提高了3.3%和9.5%; 對C1和C2兩處理的肥料氮利用率(UEN)、 肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)、 肥料氮農(nóng)學(xué)效率(AEN)和肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(EBN)的t檢驗(yàn)分析結(jié)果比較表明，C2處理的肥料氮利用率(UEN)較C1處理分別提高了3.9%和14.0%，肥料氮偏因子生產(chǎn)力(PFPN)分別提高了3.3%和9.6%，肥料氮農(nóng)學(xué)效率(AEN)分別提高了11.6%和23.9%，肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(EBN)分別提高了12.9%和27.5%，其中PFPN和EBN在2014年均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭后，肥料偏因子生產(chǎn)力(PFPN)和肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(EBN)均有顯著提高。

表1　土壤肥力構(gòu)成因素相關(guān)性分析Table 1　Correlation analysis of soil fertility factors

注(Note):OM—土壤有機(jī)質(zhì)Soilorganicmatter;TN—全氮TotalN;AN—堿解氮Alkali-hydr.N;AP—速效磷AvailableP;AK—速效鉀AvailableK. *—表示顯著(P<0.05)Meanssignificantlevel(P<0.05); **—表示極顯著(P<0.01)Meansverysignificantlevel(P<0.01).

表2　添加玉米秸稈炭對肥料氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響Table 2　Effect of biochar application on fertilizer nitrogen agronomy effect

注(Note):UEN—Nuseefficiency;PFPN—PartialproductivityefficiencyofN;AEN—Agronomiceffciency;EBN—EconomicbenefitofN; 數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Valuesfollowedbydifferentlettersatthesamestagemeansignificantat5%level.

3　討論

3.1添加玉米秸稈炭對土壤肥力效應(yīng)的影響分析

許多學(xué)者曾就秸稈炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響做過研究，得出不同的結(jié)論。Zwieten等[23]研究認(rèn)為秸稈炭可提高土壤有機(jī)碳的含量，而章明奎等[24]對小麥秸稈生物炭的研究結(jié)果表明長期單一施用生物炭會(huì)導(dǎo)致土壤水溶性有機(jī)質(zhì)的下降，與有機(jī)肥配合施用則可提高土壤水溶性有機(jī)質(zhì)的含量。本研究用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，結(jié)果表明，經(jīng)過兩年定位試驗(yàn)，添加玉米秸稈炭處理土壤有機(jī)質(zhì)含量與秸稈直接還田處理相比略有提高，但沒有顯著差異，其原因可能是，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)重鉻酸鉀容量法難以直接測定秸稈炭，而秸稈炭是高度穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)，短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化成的土壤有機(jī)質(zhì)較少，而東北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)本底值較高，添加玉米秸稈炭來增加土壤有機(jī)碳儲備是一個(gè)長期的作用過程; 另一方面本研究為田間試驗(yàn)，為考慮生產(chǎn)實(shí)際，玉米秸稈炭添加量較低，僅相當(dāng)于單位面積50%的秸稈量，因此短期內(nèi)對土壤有機(jī)質(zhì)的影響不顯著，而一些試驗(yàn)秸稈炭添加量相對于本試驗(yàn)要高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍[25]，因此可在短期內(nèi)得出較顯著的結(jié)果，但在生產(chǎn)中的實(shí)踐意義值得商榷?？梢娊斩捥繉ν寥烙袡C(jī)質(zhì)的提升潛力需要在一個(gè)長期的尺度上進(jìn)一步研究探索。

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，本研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭處理土壤全氮含量略有提高，但不顯著，這與張晗芝等[25]研究結(jié)果一致。土壤堿解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，添加玉米秸稈炭對土壤堿解氮的影響較土壤全氮更加明顯，在兩年試驗(yàn)中均顯著提高了土壤堿解氮含量(P<0.05)，曾愛等[26]通過田間試驗(yàn)研究生物炭對塿土土壤堿解氮的影響，認(rèn)為低量生物炭顯著提高土壤堿解氮含量達(dá)11.2%，這與本研究結(jié)果一致，陳心想等[27]在塿土和新積土上的試驗(yàn)也得出了類似結(jié)果。其原因?yàn)橐环矫娼斩捥勘旧砗猩倭康厍医斩捥烤哂休^大比表面積和多種官能團(tuán)，可吸附土壤溶液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮以減少其淋失[26,28]; 另一方面秸稈炭的添加可提高土壤碳氮比[29]，促進(jìn)了土壤微生物的活性，加速了土壤有機(jī)氮的礦化速率，從而提高了土壤速效氮含量。因此玉米秸稈炭在短期內(nèi)對土壤堿解氮提升效應(yīng)較土壤全氮更為顯著。

土壤速效磷和速效鉀是可供植物直接吸收利用的磷、 鉀養(yǎng)分，本研究通過對土壤速效磷、 鉀的分析，結(jié)果表明，在兩年試驗(yàn)中添加玉米秸稈炭均提高了土壤速效磷和速效鉀的含量，尤其土壤速效磷在2014年顯著增加(P<0.05)。這與曾愛等[26]研究結(jié)果一致，其原因?yàn)橛衩捉斩捥课滞寥廊芤褐械牧姿岣詼p少其淋溶并且減少土壤中鐵鋁氧化物膠體對磷的固定[11]，同時(shí)秸稈炭可促進(jìn)土壤有機(jī)磷的礦化[25]。

經(jīng)過連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭試驗(yàn)對微生物量碳含量影響的研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭在2104年成熟期顯著提高了土壤微生物量碳含量(P<0.05)。這是因?yàn)橐环矫娼斩捥勘旧砀叻枷銦N的結(jié)構(gòu)和其孔隙結(jié)構(gòu)為微生物生長提供了棲息點(diǎn)和繁衍空間[31-33]; 另一方面秸稈炭對土壤理化性質(zhì)的改變，如促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成、 提高了土壤C/N比[29]、 提高土壤養(yǎng)分有效性和提供微生物生長所需的養(yǎng)分等，從而提高土壤微生物活性[34-36]。何莉莉等[23]研究得出生物炭適合作為微生物的載體，并提供碳源，有利于提高土壤微生物量及其活性，與本研究結(jié)果一致。而土壤微生物量氮含量的提高則在兩年試驗(yàn)中均沒有達(dá)到顯著水平，可能是由于秸稈炭的投入提供了碳源，提高了土壤C/N比[29]，導(dǎo)致微生物可利用的氮源減少?？梢娞砑咏斩捥繉ν寥牢⑸锘钚跃哂幸欢ǖ拇龠M(jìn)效應(yīng)。

對土壤脲酶和蔗糖酶活性的影響研究結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭土壤脲酶活性兩年均有所提高，且在2014年達(dá)到顯著水平(P<0.05)，這與陳心想等[37]在塿土上對小麥-玉米輪作系統(tǒng)研究和黃劍等[38]在砂姜黑土上對小麥-玉米輪作系統(tǒng)的研究結(jié)果一致，其原因可能為秸稈炭對施入土壤中的尿素的吸附作用為脲酶反應(yīng)提供了底物，且秸稈炭自身多孔性和高pH值可改善土壤物理性質(zhì)，為脲酶反應(yīng)提供了適合的環(huán)境。而添加玉米秸稈炭在兩年試驗(yàn)中對土壤蔗糖酶的活性的提升作用均沒有達(dá)到顯著水平，這可能是由于秸稈炭吸附固定土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)，使蔗糖酶反應(yīng)底物減少導(dǎo)致的，這與張玉蘭等[17]和陳心想等[37]研究結(jié)果一致。因此添加秸稈炭對土壤脲酶活性的影響更顯著，而對土壤蔗糖酶活性的影響尚需進(jìn)一步研究。

本文就添加玉米秸稈炭對土壤肥力效應(yīng)的影響進(jìn)行了方差分析，同時(shí)對不同處理土壤肥力構(gòu)成因素之間相關(guān)性進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明，添加玉米秸稈炭處理在提高土壤氮、 磷等養(yǎng)分方面具有一定的優(yōu)勢，尤其是對土壤速效氮影響更為明顯，且添加秸稈炭更顯著提高了土壤微生物量碳含量和土壤脲酶活性。同時(shí)土壤堿解氮、 微生物量氮含量、 脲酶及蔗糖酶活性等因素之間均為顯著相關(guān)，且與產(chǎn)量之間均為顯著相關(guān)關(guān)系，說明添加玉米秸稈炭在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮和速效鉀等養(yǎng)分產(chǎn)生直接的影響，而是通過激發(fā)土壤微生物活性從而能提高土壤酶活性，并以此來間接調(diào)節(jié)土壤與作物之間的養(yǎng)分供需，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的循環(huán)，而對于產(chǎn)量的貢獻(xiàn)也是通過影響土壤微生物活性和土壤酶活性來間接作用的。

3.2添加玉米秸稈炭對氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響分析

對氮素利用效率研究結(jié)果表明，經(jīng)過兩年連續(xù)田間試驗(yàn)，添加秸稈炭對肥料氮的偏因子生產(chǎn)力(PFPN)和肥料氮經(jīng)濟(jì)效益(EBN)在2014年均有顯著提高(P<0.05)，這可能是由于生物炭具有巨大比表面積和含有多種官能團(tuán)，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，且可以提高土壤陽離子交換量，吸附投入土壤中未被作物吸收的氮素以減少其淋失。而添加秸稈炭對肥料氮肥料氮利用率(UEN)和肥料氮農(nóng)學(xué)效率(AEN)雖有提高作用，但兩年間均沒有達(dá)到顯著水平，而曲晶晶等[40]研究認(rèn)為小麥秸稈炭添加量為20t/hm2時(shí)顯著提高了肥料氮利用率和肥料氮農(nóng)學(xué)效率，與本文的研究結(jié)果不一致，可能是由于本研究秸稈炭添加量較低且施用年限較短，導(dǎo)致其對肥料氮利用率和農(nóng)學(xué)效率的提高作用尚未達(dá)顯著水平。

4　結(jié)論

將玉米秸稈制成生物碳后施于土壤，比直接還田可更有效地提高土壤堿解氮、 土壤微生物量碳含量及脲酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求協(xié)調(diào)，連續(xù)兩年添加玉米秸稈炭效果好于一年，需要繼續(xù)進(jìn)行田間試驗(yàn)以觀測長期添加玉米秸稈炭對土壤肥力和肥料氮農(nóng)學(xué)效率持續(xù)提高的影響。

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Effectsofmaizestrawderivedbiocharonthesoilfertilityandnitrogenagronomicresponsesinblacksoil

GUOJun-mei1,JIANGHui-min1,ZHANGJian-feng1,LILing-ling1,ZHANGShui-qin1,XIEYi-qin2,LIXian3,LIUXiao1,ZHOUGui-yu4,YANGJun-cheng1*

(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS, National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130, China; 3 Hunan Institute of Nuclear Agronomy and Astronautics Breeding, Changsha 410125, China;4 College of Environment, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

【Objectives】ToexploretheeffectofbiocharmadeofmaizestrawonthesoilfertilityandnitrogenagronomicresponseswillprovidetheoreticalandpracticalsupportforthestrawresourcesutilizationandsoilfertilityimprovementinthemaizebeltintheNortheastChina.【Methods】Fieldexperimentwasconductedwithmaizestrawandmaizestrawderivedbiochar(fastpyrolysisat500℃underlowoxygen)intheblacksoilregioninNortheastChina.Threetreatmentsweredesigned: 1)PK+maizestraw; 2)NPK+4t/hm2maizestraw; 3)NPK+2t/hm2maizestraw+biocharfrom2t/hm2maizestraw.Theplantandsoilsamples(0-20cm)werecollectedatharvest,therelativeitemswereanalyzedwithregularmethods.【Results】 1)Comparedwithtreatment2in2013and2014,thesoilavailableNintreatment3wassignificantlyincreasedby10.1%and9.7% (P<0.05),thesoilavailablePby13.7%and27.3%withasignificantimprovementat2014 (P<0.05),thesoilmicrobialbiomasscarbon(SMBC)by13.5%and26.9%,thesoilureaseactivityby22.3%and31.8%respectively.TheSMBCandthesoilureaseactivitysignificantlyimprovedin2014 (P<0.05).Thesoilorganicmatter,soiltotalN,availableK,SMBNandsoilsucraseactivitywerenotimprovedsignificantly. 2)AnalysisofnitrogenagronomicresponsesshowedthattheNpartialfactorproductivityintreatment3wasenhancedby3.3%in2013andsignificantlyby9.6%in2014 (P<0.05);thebenefitofeconomyofappliedN(EBN)wasincreasedby12.9%in2013andsignificantlyby27.5%in2014 (P<0.05);whiletheyield,theNfertilizeruseefficiency(UEN)andtheagronomicefficiencydidn’tshowsignificantincrease.【Conclusions】Biochararemoreeffectivetoimprovetheactivitiesofsoilmicrobeandthesoilenzymes,andsotoenhancethesoilnutrientsupplyformaize.Thenitrogenagronomyeffectwillbeimprovedasaresult.TheapplicationofmaizestrawasbiocharisaneffectivewayforstrawefficientutilizationinNortheastChina.

maizestraw-derivedbiochar;soilfertility;soilmicrobialbiomassCandN;soilenzymeactivities;

2013-12-22接收日期: 2014-04-03網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-04-21

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”課題(2013CB127406); 中央級公益性科研院所專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(IARRP-2015-21); 國家國際科技合作專項(xiàng)(2015DFA20790); 農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)(201103007); 科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金(2012EG134235)。

郭俊娒(1990—)， 男， 山西忻州人， 碩士研究生， 主要從事土壤培肥與改良研究。

Tel: 010-82106728，E-mail:gjm19900321@163.com。*通信作者Tel: 010-82106728，E-mail:yangjuncheng@caas.cn

S141.4;S153.6+2

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1008-505X(2016)01-0067-09