生物黑炭和氮肥耦合提升紅壤地力的效果

孫永明 熊文 劉祖香 黃欠如 李鐘平 郭書亞

摘要：以江西省典型紅壤旱地為對象，采用生物黑炭（用量0、6、12、24、48 t/hm2）與氮肥（用量90、120、150 kg/hm2）配施的方法來研究其對典型旱地紅壤基礎地力的提升效果。結果表明：旱地紅壤的容重不同程度降低，0～15 cm土層以C5N3處理降幅最高，達14.90%，與對照相比降幅增加11.01百分點，且隨著生物黑炭用量的增加，容重大致上逐漸減小；總孔隙度不同程度提高，0～15 cm土層C5N3處理的總孔隙度比處理前提高了9.32百分點，顯著高于其余處理（P<0.05）；土壤養(yǎng)分有機碳、總氮含量均有不同程度提高，0～15 cm土層有機碳含量以C4N2處理提高最多，與對照相比變化量提高了50.06百分點，總氮含量以C4N3處理最好，全氮含量相對變化量比對照提高了40.38百分點；油菜產量與對照相比提高2.90%～49.26%，其中C4N3處理產量最高，比CK高680.94 kg/hm2，顯著高于其余處理（P<0.05）。

關鍵詞：生物黑炭；氮肥；耦合；紅壤旱地；物理結構；土壤養(yǎng)分；油菜產量

中圖分類號： S158.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0352-04

收稿日期：2015-01-15

基金項目：江西省科技計劃（編號：20122BBF60087）。

作者簡介：孫永明 （1981—），男，江西新干人，碩士，助理研究員，主要從事土壤環(huán)境研究。E-mail：sym19811122@163.com。

通信作者：李鐘平，副研究員，主要從事土壤肥料研究。E-mail：Lzp1963@163.com。紅壤是我國主要的土壤類型之一，主要分布在長江以南各省（區(qū)），遍及南方13個省（區(qū)），一直是開發(fā)利用研究的重點。紅壤地區(qū)光、溫、水等氣候資源豐富，是我國農業(yè)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)和重要的農林產品基地，以占全國28%的耕地養(yǎng)活了全國43%的人口[1]；同時該地區(qū)也是我國生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一，主要表現為水土流失嚴重，土壤質量和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生嚴重退化，土壤緊實、侵蝕、酸化、元素失衡、化學污染、有機質流失和動植物區(qū)系的退化等[2]，這些問題嚴重制約了該區(qū)域農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

生物黑炭由于具有多芳香環(huán)、非芳香環(huán)的復雜結構，使其表現出高度的化學和微生物惰性，施進土壤后難以被土壤微生物利用；同時，由于其復雜成分中豐富的碳水化合物、長鏈烯烴等有機大分子，具有與土壤中的礦物質形成有機、無機復合體的功能活性，在提高酸性土壤pH值、改善土壤的質量、增加土壤有效養(yǎng)分、提高作物產量等方面有重要的作用[3-5]。為此，本研究以江西省典型紅壤旱地為研究對象，采用生物黑炭與氮肥配施的方法來研究其對典型旱地紅壤基礎地力的提升效果，以研究能最大限度提升旱地紅壤地力的配方，為紅壤地區(qū)農田地力的提升和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗于2013年10月在江西省紅壤研究所引育中心基地進行。供試作物為油菜，品種為豐油730；施用的生物黑炭為河南省商丘三利新能源公司出品，原料為小麥秸稈，炭化溫度為350～500 ℃，其養(yǎng)分含量分別為有機碳426 g/kg、氮（N）7.7 g/kg，磷（P2O5）2.2 g/kg、鉀（K2O）267 g/kg；供試土壤為紅壤旱地，基本肥力狀況為pH值4.70，有機質含量11.47 g/kg ，全氮含量0.61 g/kg ，全磷含量0.38 g/kg ，全鉀含量13.99 g/kg ，速效氮含量51.50 mg/kg ，速效磷含量13.37 mg/kg ，速效鉀含量184.95 mg/kg 。1.2試驗設計

試驗采用5×3完全方案設計，隨機區(qū)組排列，加上1個完全空白對照處理（CK），共計16個處理，3次重復，共48個小區(qū)，小區(qū)面積20 m2（4 m×5 m）。其中A因素（生物黑炭）用量5個水平，分別為A1：0；A2：6 t/hm2；A3：12 t/hm2；A4：24 t/hm2；A5：48 t/hm2；B因素（氮肥為純氮）用量3個水平，B1：90 kg/hm2；B2：120 kg/hm2；B3：150 kg/hm2。各處理詳見表1。

1.3測定項目及方法

分別在油菜種植前、收獲后采集耕層土壤樣品，每個小區(qū)隨機采集5點，混勻后自然風干，去除石塊和植物殘根，過2.00、0.25 mm篩，作為分析待測土樣。土壤有機質的測定：采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮的測定：采用半微量凱氏法；土壤容重采樣利用100 cm3的環(huán)刀，每個小區(qū)采集3個點，烘干后稱質量。孔隙度測定參照魯如坤方法測定[6]。

2結果與分析

2.1生物黑炭和氮肥耦合對旱地紅壤物理結構的影響

2.1.1土壤容重由表2可知，生物黑炭與氮肥配施后0～15 cm土層的容重隨著生物黑炭用量的增加而大致表現為減小，與試驗前相比，各處理旱地紅壤的容重下降幅度為2.66%～14.90%，表明生物黑炭與氮肥配施起到了改良旱地紅壤土壤結構的作用。在0～15cm土層，C5N2、C5N3處理的容重變化幅度顯著大于其余處理（P<0.05），與對照相比降幅分別增加了10.04、11.01百分點；此外，生物黑炭不同用量間和氮肥不同用量間差異也較為明顯。在15～30 cm土層，土壤容重的變化幅度低于0～15 cm土層，這可能是因為生物黑炭施入土壤后，首先與土壤表層混合，達到亞表層還需要更長的時間，因此亞表層土壤的容重變化不太明顯；此外，在15～30 cm 土層，除C1N1、C1N2處理外，其余處理的土壤容重均有不同程度的降低，其中C5N1處理容重下降最顯著（P<0.05），達 7.95%，比對照降幅增加了5.69百分點。

表3至表5同。

2.1.2總孔隙度表3結果顯示，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，各處理土壤的總孔隙度均有提高。在0～15 cm土層，提高幅度為3.97%～19.51%，其中C5N3處理的總孔隙度提升幅度最大，比對照高15.54百分點；方差分析表明，除C1N1、C1N2、C1N3和C2N1處理外，其余處理土壤總孔隙度與對照相比均達到顯著差異（P<0.05）。在氮肥水平相同的情況下，土壤總孔隙度隨著生物黑炭施用量的增加大致呈現增加趨勢；在同一生物黑炭施用量下，不同氮肥水平土壤孔隙度變化基本無差異。說明氮肥對土壤總孔隙度的影響較小，主要是因為氮肥為化學肥料，它對土壤結構的影響遠低于其對土壤養(yǎng)分的影響。在15～30 cm土層，各處理總孔隙度的提高幅度為2.72%～11.81%，較0～15 cm土層土壤總孔隙度升高幅度有所下降；方差分析表明，與對照相比各處理表現出不同的差異，其中C5N2處理的總孔隙度增幅最大，相對變化量比對照高 9.09百分點（P<0.05）。同一氮肥水平、不同生物黑炭施用量條件下，土壤總孔隙度差異明顯；同一生物黑炭施用量、不同肥水平條件下，C1N1、C1N2和C1N3處理差異不顯著。這說明生物黑炭在改善土壤通氣方面起到了一定的作用，主要是因為生物黑炭為多孔體系，具有較大的比表面積，與土壤混合后，在一定程度上能起到改變土壤孔隙狀況的作用。

2.2生物黑炭和氮肥耦合對紅壤旱地養(yǎng)分的影響

2.2.1有機碳（SOC）表4結果顯示，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，0～15 cm土層SOC含量除對照降低外，其余處理均有不同程度的提高，其中C4N2處理提高幅度最大，顯著高于其他處理（P<0.05），與對照相比相對增幅高50.06 百分點。同一氮肥用量水平下，隨著生物黑炭用量的增加，SOC含量大致呈增加趨勢。在15～30 cm土層，SOC含量除未施生物黑炭處理外，其余處理均有提高，提高幅度普遍低于0～15 cm土層，其中C3N2處理SOC含量的增幅最大，顯著高于其他處理（P<0.05），增幅較對照高出55.66百分點。結果表明，生物黑炭能夠有效提高土壤有機碳的含量。

2.2.2總氮（TN）由表5可以看出，施用生物黑炭、氮肥后與施用前相比，0～15 cm土層土壤的TN含量除CK、C1N1處理較之前降低外，其余處理均表現為升高，升高幅度為2.88%～27.83%，其中C4N3、C5N1處理TN含量提升幅度最大，與對照相比增幅分別提高了40.38、39.63百分點，顯著高于其他處理（P<0.05）。

肥施用水平、同一氮肥施用量不同生物黑炭施用水平可知，處理與處理之間存在明顯差異，表明生物黑炭和氮肥對土壤中全氮含量均有影響，其影響程度、貢獻率大小有待進一步研究。15～30 cm土層各處理TN含量提高幅度明顯低于0～15 cm土層，其中C3N2處理TN含量提高幅度最大，與對照相比相對變化量提高了18.17百分點，顯著高于其他大部分處理（P<005）。方差分析表明，除CK、C1N1、C1N2、C2N1、C3N2和C5N1等處理外，其余大部分處理間差異不顯著，說明生物黑炭和氮肥對15～30 cm土層TN含量作用不明顯。

2.3生物黑炭和氮肥耦合對作物產量的影響

由圖1可知，試驗結束后，各處理油菜的產量與對照相比增幅為2.90%～49.26%，其中C4N3處理油菜產量最高，比對照高680.94 kg/hm2。方差分析表明，各處理油菜產量與對照相比均達到顯著差異（P<0.05）。同一生物黑炭施用量不同氮肥水平下，隨著氮肥的增加，產量呈增加趨勢；同一氮肥水平不同生物黑炭施用量下，隨著生物黑炭施用量的增加，油菜產量呈現出先增后降的趨勢，在生物黑炭施用量為 24 t/hm2 時達到峰值。

3討論

容重是土壤的重要物理性質，是衡量土壤緊實程度的一個指標。土壤容重過大，則土壤緊實，不利于土壤通氣透水，進而對作物的生長造成影響[7]；土壤容重過小，又不利于土壤保水保肥，養(yǎng)分易于流失。本研究發(fā)現，生物黑炭與氮肥配施后，旱地紅壤的容重有不同程度的下降，且隨著生物黑炭用量的增加，容重也大致逐漸減小，其原因主要是生物黑炭為多孔體系，具有較大的比表面積，與土壤混合后能在一定程度上改變土壤的孔隙狀況，降低土壤的拉伸強度，進而提高作物根系在土壤中的穿透能力，降低土壤容重。

土壤SOC不僅是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉化的核心，而且對土壤結構的形成及其穩(wěn)定性具有重要影響。土壤SOC含量的變化，一直是國內外土地利用、土壤肥力和土壤質量變化研究與評價的核心內容[8]。本研究發(fā)現，生物黑炭的施入對旱地紅壤有機碳的提升起到了顯著效果。

有大量的有機碳，而紅壤富含鐵、鋁氧化物的特性使其具備較強的吸附有機碳能力[9]，土壤有機物作用加強，形成更多有機膠體及其有機無機復合體，改變土壤有機質的組成，穩(wěn)定了土壤有機碳庫，形成了穩(wěn)定的SOC，提高了土壤肥力[10]。

生物黑炭不僅有改善土壤的質量、增加土壤有效養(yǎng)分，而且在提高作物產量等方面有重要的作用。Zhang等研究表明，在常規(guī)施氮條件下，施用生物黑炭10、40 t/hm2分別可以使作物產量提高8.8%、12.1%；在不施氮肥條件下施用生物黑炭10、40 t/hm2分別可以使作物產量提高12%、14%[11]，充分印證了本研究生物黑炭對油菜的增產作用。

4結論

（1）生物黑炭和氮肥耦合改善了旱地紅壤物理結構，旱地紅壤的容重得到了不同程度的降低，以C5N3處理降幅最高，變化幅度比對照（CK）高11.01百分點，且隨著生物黑炭用量的增加，容重逐漸減小。總孔隙度也得到了不同程度的提高，C5N3處理的總孔隙度比處理前提高了9.32百分點，相對變化量顯著高于其余處理（P<0.05）。

（2）生物黑炭和氮肥耦合提高了紅壤旱地養(yǎng)分，0～30 cm 土層SOC含量均有不同程度的提高。對于0～15 cm土層，在同一氮肥用量水平下，生物黑炭用量越大，SOC含量提高越多。C4N2處理中SOC含量的相對升高百分比與其余處理間差異顯著（P<0.05），與對照相比，提高了50.06百分點。在15～30 cm土層，C3N2處理SOC含量的相對升高百分比最大，與其余處理間差異顯著（P<0.05），較對照（CK）高55.66百分點。TN含量以C4N3處理最好，相對變化量較對照（CK）提高了40.38百分點。

（3）生物黑炭與氮肥配施后增加了油菜的產量，與對照相比增產2.90%～49.26%，其中C4N3處理單位面積油菜實際產量最高，比CK（對照）高680.94 kg/hm2，增產49.26%，顯著高于其余處理（P<0.05）。

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