胡朝華, 劉曰明, 龐孜欽, 袁照年

(福建農(nóng)林大學(xué)， 國家甘蔗工程技術(shù)研究中心， 福州 350002)

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加速，農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化水平逐年提高，不同農(nóng)作物輪作、同一作物連作的栽培模式在各大產(chǎn)區(qū)廣泛應(yīng)用，產(chǎn)區(qū)農(nóng)田土壤普遍高強(qiáng)度利用或過度利用，為了高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)而過度依賴大量施用氮肥，從而導(dǎo)致農(nóng)田活性氮損失和污染日趨嚴(yán)重[15-16]。在我國，許多水田和旱地作物普遍采用輪作或連作栽培模式，這些農(nóng)田生產(chǎn)過程往往長期大量施用氮肥，導(dǎo)致農(nóng)田土壤加速酸化、土壤微生物活性和群落結(jié)構(gòu)失調(diào)、肥料氮大量損失，不僅影響作物的種植效益，同時也影響耕地土壤質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此引發(fā)的農(nóng)業(yè)源活性氮污染也不容忽視[4-5, 9, 16]。例如，甘蔗是我國重要的糖料和能源作物[17-18]，然而甘蔗大田種植普遍采用連作和宿根栽培模式，由于甘蔗生長周期長、立地條件差，往往偏施或過量施用氮肥，加之蔗區(qū)多為丘陵地帶，酸性紅壤廣泛分布，有機(jī)質(zhì)含量低，且常年高溫多雨的亞熱帶氣候加速了蔗田水土流失，導(dǎo)致蔗田連作土壤加速酸化，肥料尤其是氮肥損失日益嚴(yán)重[17, 19-20]。

1 農(nóng)田活性氮損失現(xiàn)狀

1.1 活性氮損失特征

1.2 活性氮損失的主要影響因素

2 農(nóng)田土壤活性氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物過程

2.1 硝化和反硝化作用

2.2 氨氧化作用

3 生物炭在農(nóng)田活性氮損失與土壤改良效應(yīng)中的調(diào)控途徑

3.1 減少N2O排放

3.2 控制土壤淋失

3.3 調(diào)節(jié)土壤微生物群落

生物炭對農(nóng)田土壤硝化菌和反硝化菌等微生物活性和群落結(jié)構(gòu)具有一定的調(diào)節(jié)作用，從而影響土壤活性氮的轉(zhuǎn)化與損失。研究表明，生物炭能提高可還原氧化亞氮的細(xì)菌活性，促進(jìn)N2O徹底還原成N2，從而對農(nóng)田N2O減排發(fā)揮積極作用[14]。張夢陽等[23]研究發(fā)現(xiàn)，短期施用生物炭后黃棕壤和潮土中微生物豐富度和多樣性顯著提高，黑土中微生物群落和多樣性變化不明顯，但3種土壤在添加生物炭處理后氨氧化細(xì)菌的豐度均明顯高于氨氧化古菌。胡瑞文等[53]研究了生物炭對烤煙種植土壤微生物群落調(diào)控中的作用，結(jié)果表明，添加適量的生物炭(3.75×103kg·hm-2)能提高烤煙田土壤微生物多樣性，顯著提高羧酸類和聚合物類碳源的利用能力。許多研究證實，向農(nóng)田施入生物炭后，土壤細(xì)菌群落組成和多樣性的變化最為明顯，土壤pH和有效氮含量是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要控制因素[50, 54-55]。生物炭不僅能利用自身特殊的孔隙結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分為土壤微生物提供良好的棲息環(huán)境和生長必需的營養(yǎng)元素，同時也能通過激發(fā)群落選擇性進(jìn)行調(diào)節(jié)并優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，抑制病原菌的生長[24, 56]。作為一種土壤調(diào)理改良劑，生物炭通過改良農(nóng)田土壤理化性狀，在一定程度影響土壤微生物群落多樣性和代謝活性，而土壤微生物活性的改變又反過來影響農(nóng)田土壤活性氮轉(zhuǎn)化利用和作物生長發(fā)育。

3.4 改良土壤和農(nóng)學(xué)效應(yīng)

隨著生物炭技術(shù)的不斷發(fā)展，生物炭在農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)方面的應(yīng)用也受到越來越多的關(guān)注。生物炭的增產(chǎn)效應(yīng)與不同種植體系、土壤類型和氣候條件等因素有密切關(guān)系。生物炭作為養(yǎng)分吸附和遷移載體，施入農(nóng)田后可延緩肥料養(yǎng)分的釋放， 促進(jìn)土壤中植物營養(yǎng)元素的遷移利用，進(jìn)一步改善農(nóng)作生長發(fā)育和產(chǎn)量性狀。陳慶華等[51]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以增加油菜的有效分支數(shù)和單株有效角果數(shù)，從而提高油菜產(chǎn)量，主要歸因于生物炭作為一種緩釋載體，延緩了肥料養(yǎng)分在油菜根系土壤中的釋放周期，降低了肥料的損失，從而使生物炭和肥料之間產(chǎn)生互補和協(xié)同增效。在旱作農(nóng)田中，施入生物炭后能顯著增加棉花葉綠素含量并降低葉片丙二醛含量和過氧化氫酶活性，從而改善植株抗逆性和生長狀況[59]。也有研究表明，施用生物炭對我國甘蔗主栽品種苗期生長特性具有明顯的改善效應(yīng)(如優(yōu)化根冠比例)，同時生物炭也提高了甘蔗根系土壤中有機(jī)質(zhì)含量、pH、以及養(yǎng)分有效性[60]。在水田耕作條件下，施用生物炭可使水稻產(chǎn)量提高約10%，同時顯著提高氮肥利用率，并對稻田N2O產(chǎn)生減排效應(yīng)[5]。然而，生物炭對作物的農(nóng)學(xué)效應(yīng)也難以給出統(tǒng)一的結(jié)論，除了生物炭自身的理化特性存在一定差異，不同種植體系下農(nóng)田土壤類型和養(yǎng)分循環(huán)利用的途徑也會對農(nóng)作物的生長發(fā)育和增產(chǎn)效應(yīng)產(chǎn)生持續(xù)的影響。

4 展望

生物炭在我國農(nóng)田土壤活性氮損失阻控、以及土壤改良與農(nóng)作物增產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用潛力。然而，在不同農(nóng)業(yè)種植區(qū)域，農(nóng)田土壤活性氮的來源和轉(zhuǎn)化途徑具有典型的區(qū)域多樣性和環(huán)境復(fù)雜性，不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤活性氮損失的時空特征存在明顯的地域性差異，有關(guān)不同氣候條件和耕作制度下農(nóng)田土壤活性氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物過程及其作用機(jī)制至今仍不完全清楚。目前，國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤活性氮損失規(guī)律及其控制機(jī)理方面的研究雖然取得一定的進(jìn)展，但不同種植體系下，尤其是大面積連作的集約化農(nóng)田中土壤活性氮轉(zhuǎn)化過程和生物炭調(diào)控效應(yīng)與傳統(tǒng)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)還存在較大差異，有待于今后結(jié)合非連作農(nóng)田與連作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步開展綜合研究。因此，基于我國農(nóng)田活性氮損失研究現(xiàn)狀和生物炭在土壤改良和氮素轉(zhuǎn)化調(diào)控中所面臨的挑戰(zhàn)，提出以下幾方面建議。

②區(qū)域化的不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中活性氮轉(zhuǎn)化與調(diào)控方面仍需更系統(tǒng)的研究。受耕作模式和氣候條件的影響，不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤硝化和反硝化微生物對生物炭的響應(yīng)特征可能存在較大差別，相應(yīng)的農(nóng)田活性氮轉(zhuǎn)化與調(diào)控過程還需要更廣泛的系統(tǒng)研究。例如，不同連作耕作模式下生物炭對農(nóng)田土壤活性氮轉(zhuǎn)化的作用機(jī)理、以及農(nóng)作物增產(chǎn)的綜合調(diào)控效應(yīng)和關(guān)鍵影響因素的相關(guān)研究目前還很少見報道。今后應(yīng)綜合考慮不同種植區(qū)域的耕作方式和生產(chǎn)條件、土壤類型和理化特性、不同原料來源生物炭的應(yīng)用特性、以及關(guān)鍵土壤微生物學(xué)過程和環(huán)境宏基因組學(xué)等微生物分子生態(tài)學(xué)的前沿技術(shù)進(jìn)行多學(xué)科交叉研究，相關(guān)研究結(jié)果將有力促進(jìn)我國不同耕作制度下農(nóng)田土壤氮素的高效循環(huán)利用和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

③連作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中活性氮損失規(guī)律及生物炭的調(diào)控效應(yīng)也有待進(jìn)一步研究。我國甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物長期連作且普遍過量施用氮肥，導(dǎo)致大面積農(nóng)田土壤加速酸化和活性氮損失日益嚴(yán)重。目前，有關(guān)蔗田等連作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中活性氮損失規(guī)律及其生物炭調(diào)控效應(yīng)的研究還很缺乏。因此，今后有待加強(qiáng)連作農(nóng)田土壤活性氮損失的微生物過程和生物炭調(diào)控方面的研究，探討優(yōu)化施氮和生物炭調(diào)控下連作農(nóng)田土壤活性氮損失和氮肥高效利用的關(guān)鍵生物過程和環(huán)境主控因子，以期為蔗田等連作種植體系下土壤氮素定向轉(zhuǎn)化與氮肥減施增效提供新的研究思路。