劉興，王學(xué)敏，郝麗英，關(guān)松，解宏圖，張玉蘭,5,6*

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) a 環(huán)境與資源學(xué)院，b 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.東北大學(xué) 生命科學(xué)與健康學(xué)院，遼寧 沈陽 110169；4.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130018；5.中國(guó)科學(xué)院綠色肥料工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016；6.中國(guó)科學(xué)院保護(hù)性耕作研發(fā)基地，吉林 梨樹 136500)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中適量施用化學(xué)肥料能保證農(nóng)作物健康生長(zhǎng)，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，但當(dāng)前化學(xué)肥料的過量投入造成農(nóng)田土壤中大量氮(N)、磷(P)通過地表徑流、侵蝕和淋溶途徑流失入周圍環(huán)境，不僅導(dǎo)致肥料利用率不高、土壤肥力和土壤質(zhì)量下降，還會(huì)引發(fā)溫室氣體增多、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題。與此同時(shí)，鉀(K)肥用量明顯不足，導(dǎo)致土壤中K含量偏低[1]。如何科學(xué)合理地提高作物養(yǎng)分利用率、減少氮磷淋溶損失、補(bǔ)充農(nóng)田土壤鉀素是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上亟待解決的問題之一。

目前，有關(guān)生物炭增加土壤氮磷鉀供應(yīng)、減少氮磷鉀損失的研究較多，但關(guān)于生物炭對(duì)肥料氮磷鉀吸附富集和存留效應(yīng)的研究尚少，且大多都采用的是室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)，主要關(guān)注了養(yǎng)分元素的垂直淋溶和運(yùn)移[14-15]，在田間原位研究生物炭替代化肥持留氮磷鉀元素的報(bào)道在本研究檢索范圍內(nèi)還很少見。為此，特在減量施用化肥的條件下，向不同類型的土壤添加農(nóng)田廢棄物來源的生物炭(稻殼炭)，探查不同土層氮磷鉀元素的截獲與存留情況，以揭示生物炭對(duì)肥料和土壤養(yǎng)分的富集和留存效應(yīng)，旨在為農(nóng)業(yè)的高效生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用和生物炭推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

黑土區(qū)試驗(yàn)。研究區(qū)位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地(43°48′40″N，125°23′38″E)，土壤類型為中層黑土，壤質(zhì)黏土，發(fā)育于黃土母質(zhì)，以玉米連作為主，經(jīng)歷多年傳統(tǒng)耕作。該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔高度210 m，年平均氣溫5.8 ℃，平均相對(duì)濕度69%，年均降水量500～600 mm，主要集中在6—8月。土壤基本理化性質(zhì)：pH值6.28，有機(jī)碳13.41 g·kg-1，全氮1.08 g·kg-1，全磷0.53 g·kg-1，全鉀24.32 g·kg-1，速效氮19.00 mg·kg-1，速效磷12.21 mg·kg-1，速效鉀130.20 mg·kg-1。

棕壤區(qū)試驗(yàn)：研究區(qū)位于遼寧沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(41°31′N，123°24′E)，地處松遼平原西部農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，土壤類型為潮棕壤。該區(qū)域?qū)儆谥袦貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔41 m，年均氣溫7～8 ℃，年均降水量650～700 mm。土壤基本理化性質(zhì)：pH值5.92，有機(jī)碳12.80 g·kg-1，全氮1.11 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1，全鉀0.35 g·kg-1，速效氮15.02 mg·kg-1，速效磷8.53 mg·kg-1，速效鉀18.20 mg·kg-1。

1.2 供試材料

稻殼炭具有來源廣泛、粒徑相對(duì)均一、易炭化的特點(diǎn)，本試驗(yàn)選擇稻殼炭作為試驗(yàn)材料，由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。稻殼取自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，稻殼用自來水清洗以去除表面灰塵，然后風(fēng)干3 d，再將其放到80 ℃烘箱中過夜，在限氧條件下加熱(450～550 ℃，3 h)稻殼制備。該條件下制得的生物炭比高溫(≥700 ℃)條件下制備的炭含有更多的氮磷鉀養(yǎng)分[16]。稻殼炭制備好后，將其放到塑料自封袋中。試驗(yàn)前，生物炭研磨過篩(0.25 mm)備用。供試生物炭的基本特性：pH值7.96，有機(jī)碳436.40 g·kg-1，全氮4.56 g·kg-1，全磷0.38 g·kg-1，全鉀3.23 g·kg-1，速效氮131.36 mg·kg-1，速效磷263.67 mg·kg-1，速效鉀701.30 mg·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年5月分別在吉林黑土區(qū)和遼寧棕壤區(qū)布置田間原位埋放炭袋試驗(yàn)。每處試驗(yàn)地兩側(cè)各選2壟作為保護(hù)行，中央為試驗(yàn)區(qū)，設(shè)置2個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次，共布設(shè)12處，供3次采樣。處理分別為：(1)CK，常規(guī)施肥；(2)BC，肥料減施20%，配施稻殼炭。

依據(jù)當(dāng)?shù)厥┓柿亢陀衩撞シN密度計(jì)算單株玉米用肥量(黑土區(qū)：N 225 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2；棕壤區(qū)：N 180·kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O，75 kg·hm-2)和玉米播種密度(黑土區(qū)：株距0.33 m，行距0.60 m，計(jì)5.00萬株·hm-2；棕壤區(qū)，株距0.33 m，行距0.55 m，計(jì)5.45萬株·hm-2)。BC處理的肥料用量是CK的80%(減量20%)。計(jì)算每株苗所需肥料，精確稱重裝入10 cm×16 cm炭袋內(nèi)，于春播時(shí)一次性施入。兩地區(qū)種植作物均為玉米，出苗1月左右間苗、定苗，按常規(guī)方法管理。

自玉米壟起始5 m處于壟臺(tái)位置(20 cm×20 cm)挖坑，每間隔1 m依次挖坑，按照0～15 cm和15～30 cm兩層將土壤分別挖出并存放，備用于原土層回填。在BC處理中，將裝有100 g(干基計(jì))土壤(15～30 cm土層，過篩2 mm)的尼龍袋(12 cm×18 cm)和裝有10 g稻殼炭(過篩0.84～0.11 mm)的尼龍袋(10 cm×16 cm，180目)分別放在30 cm深度處(土袋在下，炭袋在上)，然后回填15～30 cm土層土壤，再將裝有10 g(過篩0.84～0.11 mm)稻殼炭的尼龍袋(10 cm×16 cm)和裝有200 g(干基計(jì))土壤(0～15 cm土層，過篩2 mm)的尼龍袋(12 cm×18 cm)分別放在15 cm土壤深度處(炭袋在上，土袋在下)，回填0～15 cm土層土壤。CK處理無生物炭。炭袋、土袋埋設(shè)4～5 d后(待土壤狀態(tài)自然恢復(fù))，在埋設(shè)炭袋(土袋)處和間隔處播種玉米，株距約30 cm。每株玉米的施肥方式為側(cè)位穴施，肥穴位于炭袋上方。

1.4 樣品采集與測(cè)定

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤氮的影響

如圖1所示，黑土區(qū)種植玉米90 d(玉米生長(zhǎng)旺季)后，BC15和BC30的土壤速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均顯著高于相應(yīng)的對(duì)照(CK15和CK30)，且銨態(tài)氮的含量高于硝態(tài)氮；而種植玉米30和180 d后，各處理的土壤速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量并無顯著差異。

相同時(shí)間柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3、4同。

棕壤區(qū)，在土壤15 cm處，種植玉米30、90、180 d后，BC15的土壤速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均顯著高于CK15。在土壤30 cm處，種植玉米30 d后，BC30的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CK30，其他指標(biāo)各處理間無顯著差異；種植玉米180 d后，BC30的土壤速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均顯著高于CK30。

黑土區(qū)CK15的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在玉米種植30～90 d隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，但棕壤地區(qū)CK15的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量卻在玉米種植90 d時(shí)最高，說明黑土區(qū)的氮素淋溶弱于棕壤(圖1)。隨時(shí)間延長(zhǎng)，黑土區(qū)CK和BC處理15 cm和30 cm深度土壤樣品硝態(tài)氮占速效氮的比例降低，即黑土中硝態(tài)氮比例變小，硝態(tài)氮發(fā)生淋溶的可能性較??；而棕壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮占速效氮的比例隨時(shí)間變化相對(duì)平緩，硝態(tài)氮占比較黑土中高，發(fā)生淋溶的可能性大(圖2)。棕壤區(qū)，BC15的銨態(tài)氮含量在90 d時(shí)升高，且顯著大于CK15，可能是因?yàn)榉柿现械牡剞D(zhuǎn)化成速效氮的速率高于對(duì)照且被生物炭截存。BC15的硝態(tài)氮含量在各檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)均最高，且BC30的土壤硝態(tài)氮含量高于CK30，說明15 cm和30 cm處埋放炭袋對(duì)硝態(tài)氮發(fā)揮了截存作用。

圖2 不同處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮占土壤速效氮的比例

本研究中，BC處理的15 cm和30 cm土壤處，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效氮含量高于對(duì)照，說明生物炭對(duì)肥料中的氮素具有一定的截存作用。生物炭對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的富集與生物炭的吸附性有關(guān)，也可能與其離子交換能力有關(guān)[20]，即可以通過提高土壤含水量間接加強(qiáng)對(duì)硝態(tài)氮的富集和持留[8]。Hollister等[21]研究表明，生物炭對(duì)硝態(tài)氮的吸附作用不明顯。施用肥料后，土壤中的銨態(tài)氮會(huì)向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，生物炭能夠吸附不利于硝化作用進(jìn)行的因子，提高參與硝化作用的微生物的活性[22-23]。從黑土區(qū)施肥30 d的取樣結(jié)果看，生物炭處理對(duì)土壤氮素具有一定的富集作用，推測(cè)是生物炭自身攜帶氮素養(yǎng)分、吸附肥料養(yǎng)分、增強(qiáng)土壤持水保水能力，以及促進(jìn)微生物增殖等多方面作用的綜合效果，從而增加了土壤有效氮的存留[15, 24-27]。但該組數(shù)據(jù)誤差較大，導(dǎo)致處理間差異不顯著，今后需進(jìn)一步展開研究加以驗(yàn)證。玉米種植180 d，黑土區(qū)BC處理對(duì)氮素未表現(xiàn)出明顯的富集作用，與棕壤區(qū)的結(jié)果不同。推測(cè)這可能與試驗(yàn)區(qū)的土壤性狀、氣溫等環(huán)境因素有關(guān)。有研究報(bào)道，短期內(nèi)生物炭對(duì)速效氮養(yǎng)分的貢獻(xiàn)大于其吸附作用[28]。本研究中生物炭袋也攜帶少量有效氮輸入土壤，該方面的效應(yīng)值得深入研究，可采用15N同位素示蹤技術(shù)追蹤土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮增加部分的來源(生物炭或肥料或土壤)。

2.2 生物炭對(duì)土壤磷的影響

如圖3所示，黑土區(qū)和棕壤區(qū)CK15和CK30的土壤速效磷含量均在種植玉米90 d最高，說明土壤中的磷在被植物吸收的同時(shí)也在向下遷移，90～180 d速效磷被作物大量利用，遷移到下層的較少。除棕壤區(qū)玉米種植90 d外，黑土區(qū)和棕壤區(qū)BC15的土壤速效磷含量均顯著高于CK15，說明生物炭對(duì)速效磷具有截獲作用，且具有較長(zhǎng)的存留效應(yīng)。黑土區(qū)，種植玉米90和180 d后，BC30的土壤速效磷含量與CK30無顯著差異；棕壤區(qū)，BC30的土壤速效磷含量在種植玉米30 d和180 d時(shí)與CK30無顯著差異，但在種植玉米90 d時(shí)卻顯著低于CK30。該現(xiàn)象的誘因仍有待進(jìn)一步研究。

圖3 生物炭對(duì)土壤速效磷的影響

本研究表明，在黑土區(qū)和棕壤區(qū)，BC15可截存有效磷。這一方面是因?yàn)樯锾繉?duì)肥料中磷素的吸附和持留，另一方面是因?yàn)樽陨淼目扇苄粤滓部沙蔀橥寥乐辛椎闹苯觼碓碵9]。同時(shí)，生物炭能夠通過對(duì)其附近土壤pH值和陽離子交換量(CEC)的影響，從而增加或降低土壤中磷素的有效性[29-31]。雖然本研究中生物炭沒有摻混于土壤中，但生物炭仍能吸附酚類等物質(zhì)從而減少其對(duì)無機(jī)磷的固定[32-33]。而且，生物炭自身的獨(dú)特性質(zhì)也能影響土壤微生物的數(shù)量和活力，進(jìn)而影響土壤磷的有效性[34]。

2.3 生物炭對(duì)土壤鉀的影響

隨著作物生育期延長(zhǎng)，黑土區(qū)和棕壤區(qū)CK15的土壤速效鉀含量在種植玉米90 d時(shí)達(dá)到最大值。這是肥料中的鉀素被植物吸收和淋溶到下層綜合作用的結(jié)果(圖4)。種植玉米30 d后，CK15的土壤速效鉀含量高于CK30，這可歸因于肥料氮的貢獻(xiàn)；種植玉米90和180 d后，CK15和CK30的土壤速效鉀含量接近，說明CK處理下土壤中有一定量的肥料鉀素向下遷移。

圖4 生物炭對(duì)土壤速效鉀的影響

除棕壤區(qū)種植玉米90 d時(shí)土壤30 cm處外，在黑土區(qū)和棕壤區(qū)，BC15和BC30的土壤速效鉀含量均顯著高于相應(yīng)的CK15和CK30，且BC處理對(duì)土壤15 cm處速效鉀含量的提升幅度要高于30 cm處，反映了生物炭對(duì)速效鉀的富集作用。種植玉米90 d時(shí)，黑土區(qū)BC15的土壤速效鉀含量較種植玉米30 d時(shí)降低，但仍顯著高于對(duì)照，BC30的土壤速效鉀含量升高，BC15與BC30的土壤速效鉀含量相近，說明土壤上層的鉀元素在被作物利用的同時(shí)向下遷移，然后被下層炭袋富集并留存。種植玉米180 d后，BC15和BC30的土壤速效鉀含量均顯著高于對(duì)照，說明炭袋富集肥料鉀素后能夠持續(xù)留存長(zhǎng)達(dá)180 d。

3 小結(jié)與討論

本研究表明，化肥減量施用配合埋設(shè)生物炭袋在黑土區(qū)和棕壤區(qū)均可增加土壤速效養(yǎng)分含量，且對(duì)表層(15 cm)土壤的提高效果優(yōu)于深層(30 cm)土壤，說明供試生物炭發(fā)揮了對(duì)肥料養(yǎng)分的富集作用。供試生物炭的富集存留效應(yīng)在作物生育前期明顯，說明對(duì)作物生長(zhǎng)有極大的促進(jìn)作用。土壤15 cm深度在種植玉米180 d后仍保有較高量的速效磷、速效鉀，說明供試生物炭對(duì)元素的存留效果顯著且有長(zhǎng)期效果。黑土區(qū)和棕壤區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果并不完全一致，說明供試生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的富集存留效果還受到土壤類型的影響。

本研究?jī)H針對(duì)2種類型的土壤進(jìn)行試驗(yàn)，沒有關(guān)聯(lián)影響因子展開研究，且關(guān)于生物炭富集存留養(yǎng)分的機(jī)理尚不明晰，得出的結(jié)論也尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。建議今后研究中結(jié)合作物對(duì)養(yǎng)分的吸收量，精準(zhǔn)合算肥料中、土壤中和生物炭中各養(yǎng)分的總量及去向。當(dāng)前，有關(guān)生物炭對(duì)土壤氮磷鉀素影響的相關(guān)研究多以土柱模擬和室內(nèi)盆栽的短期試驗(yàn)居多，因此，有必要建立生物炭應(yīng)用于不同類型土壤的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證其田間應(yīng)用效果。