徐紅濤　代琳　高敬堯　孫巖　馮露　孟雨田　王宏燕

摘要：通過大田試驗研究炭基土壤改良劑的不同施入量（0、10、20、30 thm2）對旱作農(nóng)田土壤碳、氮含量的影響。結(jié)果表明，炭基土壤改良劑可有效提高土壤有機質(zhì)、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮的含量，且隨著施入量的增加而提高。與CK相比，處理組土壤有機質(zhì)含量提高319%～2593%，土壤全氮含量提高220%～1618%，土壤微生物生物量碳含量提高1923%～7393%，微生物生物量氮含量提高2494%～8951%，且均在施入30 thm2炭基土壤改良劑時達到最大值。因此，添加炭基土壤改良劑具有提高土壤有機質(zhì)及碳、氮的含量、提升土壤養(yǎng)分持續(xù)供給的效用。炭基土壤改良劑的推薦用量為20 thm2。

關(guān)鍵詞：炭基土壤改良劑；白漿土；碳；氮；微生物生物量碳；微生物生物量氮

中圖分類號： S1562文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0281-04

收稿日期：2016-06-07

基金項目：黑龍江省科技計劃（編號：GA10B502）；東北農(nóng)業(yè)大學博士后科研基金（編號：2012RCB95）。

作者簡介：徐紅濤（1990—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學及土壤改良研究。E-mail：1395407787@qqcom。

通信作者：王宏燕，博士，教授，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學研究。E-mail：why220@126com。

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)高溫熱裂解所產(chǎn)生的一類具有高度芳香化、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)具有提高土壤的固碳減排能力2-3]、提高土壤肥力4-5]和改良不良土壤等特性6-8]。目前，全球?qū)W者對于生物質(zhì)炭作為土壤改良劑及固碳劑的研究相繼展開，逐漸拉開了生物質(zhì)炭相關(guān)研究的序幕。

碳、氮作為土壤中重要的組成部分，對整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響作用。土壤碳、氮含量既是土壤質(zhì)量的核心，也是評價土壤地力的重要指標。土壤中碳、氮的協(xié)調(diào)作用以及碳、氮庫的穩(wěn)定對于農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)以及農(nóng)田系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的意義9]。氮是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，參與作物新陳代謝的所有過程。氮素化肥利用率低是一個世界難題，國際上氮肥的作物利用率約為33%10]，我國氮肥的作物利用率平均約為35%，損失率約為45%11]，淋溶作用是土壤氮素損失的主要途徑12]，可引起湖泊、河流和地下水的污染，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。因此，如何提高氮肥利用率、減少氮素損失是目前亟待解決的問題。

目前，關(guān)于炭基土壤改良劑改良土壤的研究大多為模擬試驗或短期的盆栽小型試驗，針對大田的長期定位試驗較少。本研究通過2年的田間定位試驗，探討以生物質(zhì)炭為基質(zhì)的炭基土壤改良劑的施入對農(nóng)田土壤碳、氮動態(tài)變化的影響，以期為提高炭基土壤改良劑作為白漿土田間肥料的利用效率及土壤改良劑的推廣應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1材料與方法

11試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆管理局曙光農(nóng)場，地理坐標為東經(jīng)130°17′～130°39′、北緯46°13′～46°23′。農(nóng)場屬寒溫帶大陸性季風氣候，氣候四季分明，冬長夏短。年平均氣溫36 ℃，年平均降水量5234 mm，土壤類型為典型的東北地區(qū)崗地白漿土。

12試驗材料

121供試土壤

供試土壤為典型的東北地區(qū)崗地白漿土，其中0～20 cm為耕層土壤，21～40 cm為白漿層，40 cm以下為沉積層和母質(zhì)層。土壤理化性質(zhì)的具體信息如表1所示。

123大田作物

2年試驗選用的玉米品種均為黑龍江墾區(qū)玉米主要的栽培品種，即德美亞1號，購自黑龍江省墾豐種業(yè)有限公司。玉米大田施肥量為200 kghm2底肥（尿素）、150 kghm2二銨、50 kghm2鉀肥，120 kghm2追肥（尿素）。采取大壟雙行種植，行距60 cm。分別于2014年5月6日、2015年5月10日足墑播種玉米，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，按高產(chǎn)田水平進行管理，分別于2014年10月9日、2015年10月6日收獲。

13試驗設(shè)計

本試驗自2014年開始進行定位試驗，自2014年4月播種前通過旋耕機將炭基土壤改良劑一次性深翻施入白漿土中，深度約為20 cm，為達到數(shù)據(jù)更加準確和監(jiān)測、取樣方便，每個處理3次重復(fù)；每個小區(qū)面積為30 m2，尺寸為5 m×6 m；小區(qū)周邊種植同樣品種玉米，以去除邊際影響。生物質(zhì)炭基土壤改良劑試驗設(shè)4個處理，施用量分別為0、10、20、30 thm2（分別標記為CK、G1、G2、G3）。分別于2014年6月8日（苗期）、7月10日（拔節(jié)期）、8月2日（灌漿期）、9月25日（成熟期），2015年6月10日（苗期）、7月14日（拔節(jié)期）、8月5日（灌漿期）、9月27日（成熟期），用分層土鉆采集0～10、11～20、21～30 cm土壤樣品，取約100 g鮮土于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量碳、氮含量的測定，其余土樣于陰涼處風干后粉碎過篩，用于測定其他指標。

14測定指標及方法

土壤的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法測定，其中土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定；土壤微生物生物量碳、氮含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定13]。

15數(shù)據(jù)處理

本試驗所測數(shù)據(jù)分別采用Office 2007、SPSS 170和OriginPro 90進行處理、統(tǒng)計分析、制作圖表。

2結(jié)果與分析

21炭基土壤改良劑對白漿土土壤有機質(zhì)含量和全氮含量的影響

211炭基土壤改良劑對白漿土土壤有機質(zhì)含量的影響endprint

由圖1可知，添加炭基土壤改良劑的處理對土壤有機質(zhì)含量的影響較大。隨著炭基土壤改良劑施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土層，2014年施生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤有機質(zhì)含量分別比CK增加974%～2436%、319%～2243%、1323%～2533%，2015年施生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤有機質(zhì)含量分別比CK增加 669%～2297%、365%～1428%、1021%～2593%。這是因為炭基土壤改良劑中含有大量的有機物，施入后使土壤有機質(zhì)積累量明顯增加；同時，施用土壤改良劑打破了原有的碳氮關(guān)系，為作物與土壤微生物提供了足夠的營養(yǎng)元素，促進了土壤微生物對根茬的降解，提高了作物根茬在土壤中的殘留量，從而提高了土壤中有機質(zhì)的含量。同一處理的土壤有機質(zhì)含量在0～10、11～20 cm土層均明顯高于 21～30 cm 土層，其含量表現(xiàn)為0～10 cm土層>11～20 cm土層>21～30 cm土層，說明土層深度也會對土壤有機質(zhì)含量產(chǎn)生影響，即同一處理的土壤有機質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少。

FK（W12]TPXHT1tif]

212炭基土壤改良劑對白漿土土壤全氮含量的影響

由圖2可知，添加炭基土壤改良劑的處理對土壤全氮含量有較大的影響，隨著炭基土壤改良劑施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土層，2014年施用生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤全氮含量分別比CK增加382%～1450%、1092%～1618%、795%～1477%，2015年施用生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤全氮含量分別比CK增加 313%～1172%、342%～1026%、220%～1319%。土壤全氮含量在21～30 cm土層明顯低于0～10、11～20 cm土層土壤，21～30 cm土層土壤全氮含量小于 10 mgkg，這是由于21～30 cm土層土壤為白漿層，土壤過于緊實，通水通氣性極差，養(yǎng)分極度匱乏所致。

213炭基土壤改良劑對白漿土土壤碳氮比的影響

由圖3可知，與CK相比，施用炭基土壤改良劑不同程度上提高了各層土壤的碳氮比。在0～10、11～20、21～30 cm土層，2014年施生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤碳氮比分別比CK增加571%～861%、084%～1362%、498%～920%，2015年施生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理的土壤碳氮比分別比CK增加346%%～1168%、022%～365%、784%～1126%。

22炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量碳、氮含量的影響

221炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量碳含量的影響

土壤微生物是土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的重要參與者，土壤微生物量是活性的營養(yǎng)庫14]。其中，土壤微生物量碳是土壤有機質(zhì)中最活躍、最易變化的部分，是土壤生物肥力的重要標志15]。土壤微生物量反映了土壤的同化和礦化能力，是土壤活性的標志。微生物對有機碳的利用率是反映土壤質(zhì)量的重要特性16]。利用率越高，維持相同微生物量所需的能源越少，說明土壤環(huán)境有利于土壤微生物的生長，土壤質(zhì)量較高。

由圖4可知，添加炭基土壤改良劑的處理明顯提高土壤微生物量碳的含量，土壤微生物量碳含量變幅較大，2014年土壤微生物量碳含量變化范圍為26758～68286 mgkg，2015年土壤微生物量碳含量變化范圍為27027～62835 mgkg，這表明不同處理對土壤微生物量碳含量的變化影響較大。2015年，與CK相比，炭基土壤改良劑處理的土壤微生物量碳含量提高2129%～7393%。土壤微生物量碳含量在玉米生長全過程期間整體變化為6—7月急劇上升達到最大值，8—9月緩慢下降，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，呈倒“V”形。

2014年農(nóng)田土壤微生物炭基土壤改良劑處理的土壤微生物量碳含量與CK相比提高4920%～12018%，尤其在6月炭基土壤改良劑G3處理與CK相比提高12018%。與2014年相比，2015年炭基土壤改良劑對土壤微生物量碳的作用有所下降，但整體趨勢和效果相同，說明炭基土壤改良劑對土壤微生物量的作用具有持續(xù)性。

222炭基土壤改良劑對白漿土土壤微生物量氮含量的影響

由圖5可知，土壤微生物量氮含量變幅較大。土壤微生物量氮含量在玉米生長全過程期間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與土壤微生物量碳含量的變化趨勢相同。添加炭基土壤改良劑的處理顯著提高了土壤微生物量氮的含量，且在G3處理下達到最大值。2014年土壤微生物量氮含量為4050～12107 mgkg，與CK相比，炭基土壤改良劑處理下提高2494%～8951%，且G3處理的土壤微生物量氮含量與CK存在顯著差異（P<005）。2015年土壤微生物量氮含量為4011～9919 mgkg，與CK相比，炭基土壤改良劑處理下提高2552%～7649%，且G3處理的土壤微生物量氮含量與CK差異顯著（P<005）。與2014年相比，2015年炭基土壤改良劑對土壤微生物量氮的作用有所下降，但整體趨勢相同，說明炭基土壤改良劑對于土壤微生物量氮的作用具有持續(xù)性。其中，2015年土壤微生物量氮含量與2014年相同處理條件下相比下降幅度較大，可能是因為經(jīng)過一個作物生長季，炭基土壤改良劑內(nèi)的養(yǎng)分經(jīng)過作物吸收以及雨水淋溶等影響，比第1年施入土壤時有所降低，可提供于微生物生長的養(yǎng)分比第1年有所減少。

3討論與結(jié)論

農(nóng)業(yè)土壤氮肥利用率低會造成資源浪費、大氣污染、地下水富營養(yǎng)化和增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本等問題17-18]，提高氮肥的利用效率是當前農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究的熱點之一。本研究結(jié)果表明，施用炭基土壤改良劑可明顯提高土壤有機質(zhì)和全氮的含量，這與前人的研究結(jié)果19-20]基本一致。原因是炭基土壤改良劑能為固氮菌提供適宜的生境和豐富的碳源，刺激固氮細菌的活性，有利于固氮菌更好地發(fā)揮固氮功效21]。有研究結(jié)果表明，當生物炭添加量≥2%時，旱地土壤全氮含量隨生物炭添加量的增加而增大，減少了氮素的淋失22]。本研究結(jié)果顯示，在0～10、11～20 cm土層中，土壤全氮和有機質(zhì)的含量均在炭基土壤改良劑最大施用量（30 thm2）時達到最大值。endprint

土壤微生物碳含量在土壤中的絕對數(shù)量不大，一般為土壤有機碳的1%～5%23]，本研究的結(jié)果與之相符。土壤微生物碳含量變幅較大，變化范圍為110～2 240 kghm2，且與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)24]，我國土壤微生物生物量碳含量變幅為42～2 046 kghm2，占土壤有機碳含量的2%～4%25]，本研究的結(jié)果與之基本相符。土壤氮素主要集中在耕層，其中930%～970%以有機氮的形勢存在。土壤微生物氮含量一般占土壤全氮含量的10%～50%，與土壤水解性氮含量相一致。土壤微生物氮含量與微生物碳含量呈高度正相關(guān)，土壤微生物量的碳氮比（50～70）低于土壤有機質(zhì)的碳氮比（100～150），這一點也說明土壤微生物氮是植物有效氮的重要儲備26]，本研究中土壤微生物量的碳氮比為61～72，與之基本一致。

炭基土壤改良劑施入土壤對土壤有機質(zhì)含量的影響較大，土壤有機質(zhì)含量隨著炭基土壤改良劑施入量的增加而增大，說明炭基土壤改良劑可以有效提高土壤肥力，進而改良不良土壤。炭基土壤改良劑施入土壤能在一定程度上改善土壤的碳氮比，提高氮素綜合利用效果。綜合生產(chǎn)成本及作用效果等因素，建議北方旱作農(nóng)田炭基土壤改良劑的最佳施用量為20 thm2。

炭基土壤改良劑對土壤碳、氮的長期作用機理尚不明確，同時受制炭工藝、原料來源、供試作物、土壤類型、炭基土壤改良劑配方等因素的影響，今后對不同類型土壤、不同種類的供試作物、不同種類炭基土壤改良劑及施入量應(yīng)建立有針對性的數(shù)據(jù)庫，做到有的放矢，提高效率。

參考文獻：

1]ZK（#]zimen D，Ersoy-Meriboyu A Characterization of biochar and bio-oil samples obtained from carbonization of various biomass materialsJ] Renewable Energy，2010，35（6）：1319-1324

2]Sanchez M E，Lindao E，Margaleff D，et al Pyrolysis of agricultural residues from rape and sunflowers：production and characterization of bio-fuels and biochar soil managementJ] Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2009，85（12）：142-144

3]Lehmann J，Rondon M Bio-char soil management on highly weathered soils in the humid tropicsM] Noeman U，Andrew S B，Cheryl P，et al Biological Approaches to Sustainable Soil Systems Boca Raton：CRC Press，2006：517-530

4]Lehmann J，Gaunt J，Rondon M Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems—a reviewJ] Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2006，11（2）：395-419

5]Rondon M A，Molina D，Hurtado M，et al Enhancing the productivity of crops and grasses while reducing greenhouse gas emissions through bio-char amendments to unfertile tropical soilsJ] International Journal of Numerical Analysis & Modeling，2006，7（4）：9-15

6]袁金華，徐仁扣 稻殼制備的生物質(zhì)炭對紅壤和黃棕壤酸度的改良效果J] 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2010，26（5）：472-476

7]Liang B，Lehmann J，Solomon D，et al Black carbon increases cation exchange capacity in soilsJ] Soil Science Society of America Journal，2006，70（5）：1719-1730

8]王寧，侯艷偉，彭靜靜，等 生物炭吸附有機污染物的研究進展J] 環(huán)境化學，2012，31（3）：287-295

9]Lal R Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food securityJ] Science，2004，304（5677）：1623-1627

10]ZK（#]Raun W R，Johnson G V Improving nitrogen use efficiency for cereal productionJ] Agronomy Journal，1999，91（3）：357-363

11]朱兆良 中國土壤氮素研究J] 土壤學報，2008，45（5）：778-783LM]

12]ZK（#]Delgado J A Quantifying the loss mechanisms of nitrogenJ] Journal of Soil and Water Conservation，2002，57（6）：389-398endprint

13]鮑士旦 土壤農(nóng)化分析M] 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000

14]Singh J S，Raghubanshi A S，Singh R S，et al Microbial biomass acts as a source of plant nutrients in dry tropical forest and savannaJ] Nature，1989，338（6215）：499-500

15]張春霞，郝明德，魏孝榮，等 不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量碳的變化研究J] 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2006，14（1）：81-83

16]Srivastava S C，Singh J S Microbial C，N and P in dry tropical forest soils：effects of alternate land-uses and nutrient fluxJ] Soil Biology & Biochemistry，1991，23（2）：117-124

17]Galloway J N，Aber J D，Erisman J W，et al The nitrogen cascadeJ] Bioscience，2003，53（4）：341-356

18]Zheng H，Wang Z，Deng X，et al Impacts of adding biochar on nitrogen retention and bioavailability in agricultural soilJ] Geoderma，2013，206（9）：32-39

19]周桂玉，竇森，劉世杰 生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其對土壤有效養(yǎng)分和腐殖質(zhì)組成的影響J] 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30（10）：2075-2080

20]Lehmann J，da Silva J J P，Steiner C，et al Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of the central amazon basin：fertilizer，manure and charcoal amendmentsJ] Plant and Soil，2003，249（2）：343-357

21]Thies J E，Rillig M C Characteristics of biochar：biological propertiesJ] Biochar for Environmental Management，2009：85-105

22]高德才，張蕾，劉強，等 旱地土壤施用生物炭減少土壤氮損失及提高氮素利用率J] 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（6）：54-61

23]Sparling G P Ratio of microbial biomass carbon to soil organic carbon as a sensitive indicator of changes in soil organic matterJ] Soil Research，1992，30（2）：195-207

24]Smith J L，Paul E A，Lefroy R D B，et al The significance of soil microbialbiomass estimationsM] Bollag J M，Stotzky G Soil Biochemistry New York：Marcel Dekker，1990：359-396

25]何振立 土壤微生物量及其在養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境質(zhì)量評價中的意義J] 土壤，1997，29（2）：61-69

26]趙先麗，程海濤，呂國紅，等 土壤微生物生物量研究進展J] 氣象與環(huán)境學報，2006，22（4）：68-72endprint