陳澤林，林逸帆，陳國(guó)豪，劉琪琪，劉 鵬，張志新，何學(xué)青

（西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100）

在實(shí)際生產(chǎn)中，養(yǎng)分管理水平低會(huì)嚴(yán)重影響牧草產(chǎn)量，是制約畜牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素[1]。尤其在雨養(yǎng)系統(tǒng)中，飼用作物對(duì)降水以及土壤養(yǎng)分變化非常敏感，因此如何增加土壤養(yǎng)分在土壤中的保存時(shí)間以及存量是提高飼用作物產(chǎn)量的關(guān)鍵問(wèn)題[2]。生物炭在改變土壤結(jié)構(gòu)和理化特征、提高農(nóng)作物生產(chǎn)率、治理環(huán)境污染等方面有很大作用[3-4]，而且其原料獲取途徑廣泛[5-6]。在土壤改良方面，生物炭能夠改善土壤的pH、水分、孔隙度、密度、陽(yáng)離子交換量等理化性質(zhì)，并促進(jìn)礦化作用，調(diào)節(jié)土壤中氮素持留的時(shí)間，降低土壤當(dāng)中的營(yíng)養(yǎng)流失[7-9]，在改善養(yǎng)分利用方面具有較好的應(yīng)用潛力。

生物炭施加后可以改變土壤對(duì)氮元素的固持能力，影響作物氮素利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的不同影響[10-11]。玉米(Zea mays)籽粒氮素主要來(lái)源分為根系從土壤吸收和營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移兩部分，在施加生物炭條件下，玉米的吐絲到灌漿期中期玉米籽粒中的氮素主要來(lái)自于根系對(duì)氮素的吸收；在灌漿后期，籽粒氮素以營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)為主[11]。 在水稻(Oryza sativa)種植方面，氮肥的大量施用會(huì)促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官過(guò)度發(fā)育，增加了無(wú)效分蘗的數(shù)量，不僅消耗了大量養(yǎng)分，還容易出現(xiàn)因倒伏而導(dǎo)致產(chǎn)量降低[12]，將氮肥與生物炭配合使用可以降低30%氮肥施加量，改善水稻成穗機(jī)率，而且生物炭在低氮處理下還可以提高光合產(chǎn)物向籽粒的輸送[13]。另有研究表明，生物炭對(duì)于氮素的調(diào)節(jié)是通過(guò)影響不同氮素形式在土層間的分布實(shí)現(xiàn)的，生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)提高了土壤的持水能力，有效地減少了土壤中水分的垂直輸送，影響了不同土層之間氮素運(yùn)移。土壤膠體顆粒表面主要積累負(fù)電荷，通過(guò)靜電吸引銨離子，硝酸根離子帶負(fù)電荷，被土壤膠體顆粒所攜帶的負(fù)電荷排斥，在上層土壤中水的連續(xù)滲透和浸出下，硝態(tài)氮將會(huì)被土壤水帶到土層的深處[14-15]。在相同環(huán)境下，銨態(tài)氮在土壤中的淋溶比硝態(tài)氮弱，生物炭的施加可以提高土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附和保持能力[16]。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其形態(tài)和土壤中的空間分布對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用有顯著影響，在養(yǎng)分、水分高效利用中起關(guān)鍵作用，合理的施肥深度有利于作物根的生長(zhǎng)。因此，生產(chǎn)中明確施肥深度可增加下層根系的活力并提高葉片的光合效率[17]。

目前，對(duì)于生物炭在農(nóng)業(yè)方面的研究主要集中在其對(duì)于土壤理化性質(zhì)的改良方面，對(duì)于生物炭施加條件下，植物發(fā)生的生理變化缺乏研究[18-19]；飼用玉米作為黃土高原主要的飼用作物之一，如何施加生物炭能發(fā)揮其肥力效應(yīng)仍需進(jìn)一步探索。因此本研究擬通過(guò)設(shè)置不同施用深度處理，分析生物炭對(duì)植株地上地下部分氮素分配規(guī)律及對(duì)土壤氮素的固持效果，明確適宜的施用深度，為牧草氮素高效管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于內(nèi)陸黃土高原腹地，鄂爾多斯盆地邊緣，109°21′18″ E，36°48′32″ N，在陜西省延安市安塞區(qū)石窯溝進(jìn)行，屬典型中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，年日照時(shí)數(shù)為2395.6 h，全年無(wú)霜期157 d，土壤類(lèi)型為典型的黃綿土。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用飼用玉米品種為‘中原單32’，購(gòu)自寧夏科豐種業(yè)有限公司，生物炭為小麥秸稈生物炭。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置不施加生物炭處理(T1)、0－20 cm 施加深度處理(T2)、20－40 cm 施加深度處理(T3)以及40－60 cm施加深度處理(T4)，設(shè)3 次重復(fù)。試驗(yàn)在2020 年于野外條件開(kāi)展，播種前在種植位置挖直徑60 cm、深度60 cm 的圓柱形土槽，土壤按0－20、20－40、40－60 cm 分開(kāi)放置。后將同樣尺寸尼龍袋嵌入并將土壤按順序填入，按處理在對(duì)應(yīng)深度混勻施入生物炭，施用量為15 t·hm-2。于4 月20 日播種3 粒飼用玉米種子，在三葉期進(jìn)行間苗，保留1 株。

1.3 樣品采集

在飼用玉米長(zhǎng)至成熟期，將植株齊地面收獲，分離葉片、葉鞘、莖、果實(shí)，并用挖掘法獲取完整根系。土壤樣品由土鉆在0－20、20－40、40－60 cm處采集，陰干過(guò)0.15 mm 篩備用。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

將根系清洗干凈后用根系掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描，采用WinRhizo 軟件進(jìn)行根長(zhǎng)、表面積與體積分析。將不同部位植物樣品在80 ℃下烘至恒重，測(cè)定生物量。植物氮采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)由Excel 2019 進(jìn)行整理，用SPSS 26.0軟件對(duì)各處理下不同指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，使用LSD 法對(duì)均值進(jìn)行多重比較(P＜ 0.05)，用Origin 2018 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量及植株氮含量

處理T2總生物量最高，其他不同處理下與T1相比無(wú)顯著差異 (P＞ 0.05) (圖1)。T2處理各構(gòu)件生物量相較于T1差異主要體現(xiàn)在果實(shí)部位，其他處理中僅有T4處理下葉片生物量相較于T1有顯著提升(P＜ 0.05)。0－20 cm 施加深度下總生物量、果實(shí)、葉鞘分別比T1高出19.3%、24.6%和20.2%。T1處理下的莖比20－40 cm 處理高22.3%。

圖1 不同生物碳施加深度下玉米地上部分指標(biāo)Figure 1 Index of maize aboveground component under different biochar application depths

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的總氮含量最高，其余處理與T1相比無(wú)顯著差異 (P＞0.05) (圖1)。0－20 和40－60 cm 施加深度下玉米果實(shí)部分和葉鞘部分的氮含量顯著高于T1(P＜ 0.05)，T2處理表現(xiàn)最佳，其總氮含量、玉米果實(shí)、葉鞘分別比T1提高了29.9%、29.7%和42.3%。

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的氮產(chǎn)量最高，其余處理與T1相比無(wú)顯著差異 (P＞ 0.05)(圖1)。0－20 cm 施加深度下玉米果實(shí)部分氮產(chǎn)量顯著高于T3(P＜ 0.05)；40－60 cm 施加深度下玉米的葉片部分氮產(chǎn)量顯著高于T3處理38.7%；0－20 cm 施加深度下各構(gòu)件氮產(chǎn)量均高于T1處理，總氮產(chǎn)量相較于T1高出23.2%，其中玉米果實(shí)、莖分別高出 24.3%和38.5%。

2.2 土壤氮

除T3處理以外，其余3 組處理在各土層深度下的硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)相似，在0－40 cm 土層內(nèi)隨著土層深度的加深而逐漸減少，40－60 cm 土層內(nèi)有一定回升。T3處理硝態(tài)氮含量在0－40 cm 土壤深度內(nèi)隨著土層深度的加深略升高，40－60 cm 土壤深度內(nèi)快速減少(圖2)；在土層各深度下T2處理的硝態(tài)氮含量高于其他3 組處理，相較T1提高約20.0%，T3處理在0－10 和40－60 cm 土層顯著低于同土層下其余3 組(P＜ 0.05)。

圖2 不同生物炭施加深度下各土層土壤氮素含量Figure 2 Soil nitrogen content under different biochar application depths

除T3處理外，土壤銨態(tài)氮含量其他3 組處理均呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)：在0－40 cm土層中，隨土層深度的加深，銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在40－60 cm 深度下又有所增加。而T3處理則呈先上升后下降再回升的趨勢(shì)(圖2)，T3和T4處理在0－60 cm 土 層 銨 態(tài) 氮 含 量 顯 著 高 于T1處 理 (P＜0.05)。T3處理在10－60 cm土層下銨態(tài)氮含量均高于其他3 組，T4處理在0－10 cm 土層銨態(tài)氮含量高于其他3 組。

2.3 植物根系特征

施加生物炭后，在0－60 cm 土層深度中，根系總根長(zhǎng)、總根系表面積以及總根系體積均有提升：T2處理總根長(zhǎng)、0－10 和20－40 cm 根長(zhǎng)比T1處理分別高26.5%、22.0%、242.9% (圖3)，其中在20－40 cm 土層差異顯著(P＜ 0.05)；T2處理的根系總表面積最大，其中0－10 cm 土層中顯著大于其他3 組處理(P＜ 0.05)，相較于T1處理高出75.4%；T2處理根系總體積最大，高于T1處理215.1%，且兩者間差異顯著(P＜ 0.05) ；T3處理在20－40 cm 土層下的根表面積顯著大于其他3 個(gè)處理(P＜ 0.05)，高于T1處理178.2%，且該處理在20－40 cm 土層下的根體積高于T1處理227.8%；T4處理在40－60 cm 土層下根體積以及根表面積大于其他處理，但差異不顯著(P＞ 0.05)。

圖3 不同生物炭施加深度下玉米根系形態(tài)指標(biāo)Figure 3 Maize root morphological indices under different biochar application depths

3 討論

明確適宜的生物炭施用深度是優(yōu)化植物養(yǎng)分供給與利用的前提條件。有研究表明，生物炭能夠減少土壤水分垂直流動(dòng)對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)和遷移，從而預(yù)防氮素從土壤中淋溶流失過(guò)多[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭增加了土壤對(duì)硝態(tài)氮的固持，且0－20 cm 施加深度效果更為顯著。比較土壤剖面，T2處理各土層均高于T1處理，同時(shí)T3處理中表層硝態(tài)氮含量下降，可能與T2處理在表施生物炭后對(duì)硝態(tài)氮的固定作用減少了淋溶效應(yīng)的影響有關(guān)[22-23]；T3處理由于改變了土壤物理性質(zhì)，增加了水分流通，導(dǎo)致施加生物炭土層外其余深度硝態(tài)氮含量降低，T4處理由于施加深度處于尼龍袋底部，下滲作用不明顯，可以累積更多硝態(tài)氮，隨水分運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到各個(gè)土壤深度，增加了土壤整體硝態(tài)氮含量。

生物炭施加對(duì)不同形態(tài)可利用氮影響存在差異[24]。由于土壤膠體顆粒表面帶有負(fù)電荷對(duì)銨離子有吸引作用，因此更利于銨態(tài)氮的固持[14]。本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭在20－40 和40－60 cm 的深度施加生物炭有利于土壤銨態(tài)氮的積累，其中T3處理效果最佳，與上述研究結(jié)果一致，而T2處理銨態(tài)氮含量最低。有研究表明，在一定水分含量范圍內(nèi)，硝化速率隨水分含量的增加而增加，當(dāng)土壤水分趨于飽和時(shí)，硝化速率顯著降低[25]。因此，這個(gè)結(jié)果可能由于施加生物炭后T2處理下土壤物理結(jié)構(gòu)變化引起土壤含水量以及通氣透氣能力增加，進(jìn)而促進(jìn)了銨態(tài)氮的硝化所引起。而其他兩組處理因施加深度較深，生物炭只表現(xiàn)出吸附力，延緩了硝化作用的影響，從而使得表層土壤銨態(tài)氮含量增加。

施加生物炭對(duì)土壤氮素的固持效應(yīng)有助于根系生長(zhǎng)，其根長(zhǎng)、表面積、體積的促進(jìn)效果明顯[26]。本研究發(fā)現(xiàn)不同生物炭施用深度處理下根系形態(tài)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)，生物炭施加所在深度的根系增長(zhǎng)幅度最大，與該結(jié)果一致。而T2處理下，土壤中硝態(tài)氮含量最高，飼用玉米總根長(zhǎng)、總根表面積促進(jìn)效果最佳，生物炭對(duì)根系形態(tài)變化的影響體現(xiàn)了其對(duì)飼用玉米根系養(yǎng)分獲取策略的調(diào)控，也表明淺施生物炭在提高養(yǎng)分吸收方面相較于其他施用深度更具優(yōu)勢(shì)[27]。

生物炭的施加促進(jìn)了氮素向植物各構(gòu)件的轉(zhuǎn)移[28-32]。本研究同樣表明：施加生物炭后，不同施加深度對(duì)玉米不同構(gòu)件的生物量以及氮含量有不同程度改良。由于生物炭施加后對(duì)土壤中有效氮的調(diào)控可以改變氮素的轉(zhuǎn)移途徑與累積效率[32-33]。從產(chǎn)量結(jié)果可以得出：T2處理促進(jìn)了干物質(zhì)向果實(shí)轉(zhuǎn)移；T4處理向葉片轉(zhuǎn)移明顯。從構(gòu)件氮含量可以得出：上述構(gòu)件中，氮元素含量均高于T1處理。同時(shí)，在構(gòu)件氮產(chǎn)量方面，T2處理的玉米果實(shí)部分比T1高24.30%，T4處理玉米葉片部分氮產(chǎn)量顯著高于T1處理，高出38.65%。表明生物炭施用可以改變植物養(yǎng)分供給的源庫(kù)關(guān)系。T2處理更利于植物生產(chǎn)，而T4處理可以通過(guò)促進(jìn)葉片生長(zhǎng)改善飼用玉米品質(zhì)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，生物炭施用對(duì)玉米生長(zhǎng)具有調(diào)控作用，可以增加生物量和氮含量積累，同時(shí)影響土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，其中20－40 cm 施加深度處理在10－60 cm 土層中銨態(tài)氮含量均顯著高于不施加生物炭；0－20 cm 施加深度處理的硝態(tài)氮含量在各個(gè)深度都高于其他3 組處理。土壤氮素的改變促進(jìn)了土壤根系的生長(zhǎng)，不同施用深度下根系增長(zhǎng)幅度最大。在各處理中，0－20 cm 施加深度對(duì)玉米生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最為顯著，其作用機(jī)制是通過(guò)調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)改變土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，促進(jìn)玉米根系發(fā)育，增強(qiáng)吸收和運(yùn)輸?shù)啬芰?，從而促進(jìn)葉片生長(zhǎng)和果實(shí)增產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)效果。后續(xù)研究中會(huì)加入表施生物炭后對(duì)土壤水分以及養(yǎng)分的調(diào)節(jié)研究，探索水分與養(yǎng)分之間如何相互作用以及施加生物炭后對(duì)植物的水分、養(yǎng)分的利用調(diào)控機(jī)制。