追施生物炭對稻麥輪作中麥季氨揮發和氮肥利用率的影響

董玉兵，吳 震，李 博，許 欣，熊正琴

（南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210008）

追施生物炭對稻麥輪作中麥季氨揮發和氮肥利用率的影響

董玉兵，吳 震，李 博，許 欣，熊正琴*

（南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210008）

【目的】利用田間定位試驗，對比研究生物炭施入土壤經過三年老化及追施新生物炭對稻麥輪作體系中麥季土壤氨 (NH3) 揮發、氮肥利用率和產量的影響?！痉椒ā吭囼灩苍O6個處理，其中對照處理2個為N0B0(不施氮肥+不施生物炭)、N1B0 (單施N 250 kg/hm2)；2012年施用生物炭處理2個為N1B1 (N 250 kg/hm2+ 生物炭20 t/hm2)、N1B2 (N 250 kg/hm2+ 生物炭40 t/hm2)；2015年追施生物炭處理2個為N1B1 + B (N1B1 + 生物炭10 t/hm2)、N1B2 + B1 (N1B2 + 生物炭20 t/hm2)?！窘Y果】與N1B0處理相比，N1B1和N1B1 + B處理NH3揮發累積量分別減少36.6%、6.4%，氮肥利用率提高30.1%和14.1%，小麥產量增加55.6%和26.9%；而N1B2、N1B2 + B1處理NH3揮發累積量分別增加20.3%、40.5%，氮肥利用率提高35.9%和14.3%，小麥產量增加72.5%和18.9%。與老化生物炭處理相比，追施生物炭處理顯著增加了小麥季氨揮發累積量，并顯著降低了小麥氮肥利用率和產量?！窘Y論】農田中施用生物炭可明顯增加小麥季產量和氮肥利用率。老化生物炭低施用量(20 t/hm2) 處理能顯著減少NH3揮發損失，并且更有效的提高小麥氮肥利用率和產量。

生物炭；追施生物炭；氨揮發；氮肥利用率；產量

自20世紀70年代以來，我國的氮肥用量不斷增加[1]。至2011年，中國平均氮肥用量已達到N 180 kg/hm2，比世界平均用量高75%[2]。在太湖流域，稻田每年氮素綜合使用量高達500～600 kg/hm2[3]。氮肥應用極大地提高了我國糧食作物產量，但過量氮肥施用也帶來了嚴重的環境問題[4]。氮肥施入到農田中除一部分殘留在土壤中或被作物吸收外，一部分通過徑流、氨 (NH3) 揮發以及硝化、反硝化作用產生的氧化亞氮 (N2O)、一氧化氮 (NO) 和氮氣 (N2) 形式損失[5–6]。有研究報道，在南方典型稻麥輪作體系下，NH3揮發是氮肥損失的主要途徑[7–8]。氮肥以NH3形態的大量氣態損失，造成了作物氮肥利用率下降[9]。中國小麥的氮肥利用率僅為28.2%，遠遠低于國際水平[10]。大氣中NH3有80%～90%來自于農田，占氮肥用量的20%～30%[11]；大氣中NH3通過干濕沉降進入農田、森林以及河流湖泊等生態系統，還會造成土壤酸化以及水體富營養化等負面環境影響[12]。因此，在南方典型稻麥輪作生產中，尋找切實可行的措施減少NH3揮發并提高作物氮肥利用率，是實現稻麥輪作健康發展的當務之急。

生物炭是由秸稈、糞便等有機原料在厭氧條件下經高溫裂解產生的一種高穩定性的富碳、芳香化有機物質，可以提高土壤碳庫，改善土壤質量[13]。生物炭對土壤特性的影響與生物炭類型、熱解條件、土壤類型、試驗條件等因素均密切相關。在干旱地區施入生物炭可以提高作物耐旱性和土壤持水量[14]；在熱帶高風化土壤中施入椰殼生物炭可以改良酸化土壤、減少養分流失[15]；生物炭的施用還能提高氮肥利用率與土壤養分殘留[16]；稻麥輪作體系下添加小麥秸稈生物炭可以減少溫室氣體排放[17–18]以及增加作物產量[19–20]。有研究表明，農田中施入低溫炭化的生物炭可以吸附土壤中的氣態氨 (NH3) 及銨根離子(NH4+)[21]。經老化后的酸性生物炭在堿性沙質鋁土中可以減少NH3揮發損失[22]。Qu等[23]研究表明，在酸性土壤中施加生物炭可以明顯促進作物產量、提高氮肥利用率。一些研究發現生物炭施用后對于不同的作物還出現了減產的作用[24–25]。近年來，生物炭越來越被廣泛的應用到農田中，用來減緩對環境的污染效應。生物炭具有較高的穩定性，在土壤中不易分解[26]，長期存在土壤中會對土壤質量產生一些負面影響等[27]。目前缺乏關于新施生物炭和老化生物炭對稻田土壤NH3揮發的對比研究。因此，我們假設稻田中施用新鮮的堿性生物炭會促進氨揮發，而老化后則會減緩氨揮發、提高氮肥利用率，新老生物炭之間具有明顯不同的反應，并利用試驗進行驗證，為長江中下游地區典型的稻麥輪作體系下減緩面源污染提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗地位于江蘇省南京市秣陵鎮 (31°48′N，118°50′E)。本試驗于2015年11月至2016年5月稻麥輪作系統小麥季開展。該地區位于典型的亞熱帶季風氣候區，常年平均降雨117天，平均降雨量1106.5 mm，年均氣溫15.6℃，年均日照時間為1927.4 h， ≥10℃年均積溫為5068℃，無霜期237天。試驗地土壤類型為潛育型水稻土，質地為粘壤土[28]，是典型的稻麥輪作土壤。試驗中施用的生物炭為小麥秸稈經350～500℃的高溫條件下炭化所得。試驗區土壤(0—20 cm) 及生物炭基本性質如表1所示。

1.2 試驗設計

采用田間定位試驗，共設6個處理，其中對照處理2個為N0B0 (不施肥 + 不施生物炭)，N1B0 (單施N 250 kg/hm2)；2012年施用生物炭處理2個為N1B1 (N 250 kg/hm2+ 生物炭 20 t/hm2)，N1B2 (N 250kg/hm2+ 40 t/hm2生物炭)；2015年追施生物炭處理2個為N1B1 + B (N1B1 + 生物炭10 t/hm2)，N1B2 +B1 (N1B2 + 生物炭20 t/hm2)。考慮到生物炭的穩定性，因此N1B1 + B、N1B2 + B1在2015年生物炭施用量減半。每個處理3次重復，各小區面積為20 m2(5 m × 4 m)。為防止養分在地下隨水分遷移，各小區之間設有20 cm寬、40 cm深的水泥隔板。每個小區都具有獨立的灌排水系統。試驗田周圍設有2 m的保護行。

表1 土壤及生物炭基本理化性質Table 1 Basic chemical and physical property of tested soil and biochar

1.3 試驗管理

試驗管理方案均按照當地農民常規管理措施。本試驗于2015年11月10日施入基肥同時播種小麥，2016年1月15日小麥分蘗期第一次追肥，2016年4月7日小麥拔節期第二次追肥，5月25小麥收獲。整個麥季不進行人為灌水，小麥生長所需水分均來自于降雨。小麥生育期月降雨量月平均溫度和采樣期氣溫如圖1所示。所有氮肥均使用尿素，每季作物施用量 (以 N 計) 為 250 kg/hm2，以 4∶3∶3 (基肥∶追肥∶追肥) 的比例分三次施入。磷鉀肥分別以(以P2O5計) 60 kg/hm2的過磷酸鈣和 (以K2O計) 120 kg/hm2的氯化鉀在基肥時一次性施入。所有生物炭均在水稻收獲后土地翻耕前施入，以便使生物炭和土壤混合均勻。

1.4 樣品采集

土壤NH3揮發測量采用海綿通氣法[29]。將直徑為16 cm、厚度為2 cm的海綿用15 mL磷酸–甘油溶液均勻浸泡，分上下兩塊放置于內徑15 cm、高25 cm的圓形聚乙烯塑料管內，置于田間吸收土壤NH3揮發。于施肥前一天采集一次，然后在施肥后的一周內每天采集、一周后每隔兩天采集一次，至觀測到施肥處理與不施肥處理之間NH3揮發無明顯差異為止。每次采樣累積24 h換一次海綿 (均在上午9點放置或取回)，將下層海綿用密封袋密封帶回實驗室，用300 mL 1 mol/L氯化鉀溶液震蕩浸提1 h，用連續流動分析儀 (TRACCS2000) 測定。每次采樣時取表層0—10 cm土壤，以2 mol/L氯化鉀溶液浸提用連續流動分析儀 (TRACCS2000) 測定土壤銨根離子 (NH4+) 濃度，用pH計 (PHS-3C) 測定土壤pH值(水土比為2.5∶1)。每次更換海綿同時測定土壤溫度。

小麥收獲后每個小區隨機取3點1 m × 1 m區域計產，測定生物量。每個小區取10株成熟小麥 (包含0—10 cm土層根系)，分別測定根、莖、穗的氮(N) 含量。

1.5 數據處理和分析

氨揮發速率計算：

式中：C為流動分析儀測定NH3-N的濃度 (mg/L)；V為浸提體積 (L)；T為累積時間 (h)；A為圓形管橫截面積 (m2)。

圖1 小麥生育期降雨量和溫度Fig. 1 Monthly rainfall and temperature during the wheat growing season

在國際上有很多計算氮肥利用率的參數，不同的計算參數有著不同的目的[30]。國內比較常用的有以下幾個，這些參數從不同的角度描述作物對肥料的利用效率[10]。計算方法如下：

氮素吸收 (kg/hm2) = 各組織干物重 × 含氮率；

氮偏生產力 (kg/kg) = 施氮區作物產量/氮肥施用量；

氮素農學利用率 (kg/kg) = (施氮區作物產量 – 無氮區作物產量)/氮肥施用量；

氮素生理利用率 (kg/kg) = (施氮區作物產量 – 無氮區作物產量)/(施氮區植株總吸氮量 – 無氮區植株總吸氮量)；

氮素吸收利用率 = (施氮區植株總吸氮量 – 無氮區植株總吸氮量)/氮肥施用量 × 100%；

百千克籽粒吸氮量 (kg) = 100 ×總吸氮量/作物產量 。

采用Excel 2010軟件進行數據計算；采用SPSS 22.0軟件進行處理之間方差分析及多重比較(SNK法，α = 0.05)；采用Origin Lab軟件進行作圖和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 小麥季NH3揮發和產量

2.1.1 小麥季NH3揮發累積量 由表2可以看出，基肥期NH3揮發累計量占整個生育期的43.2%～51.1%。N1B2 + B1處理在各施肥期NH3揮發累計量均為最高，總累積量為N 32.90 kg/hm2，比N1B0增加40.5%；與N1B0處理相比，N1B2處理NH3揮發總累積量提高20.3%；N1B1和N1B1 + B處理NH3揮發總累積量分別減少36.6%、6.4%。N1B2處理NH3揮發總累積量比N1B2 + B1處理減少14.7%；N1B1處理NH3揮發總累積量比N1B1 + B處理減少32.3%。N1B1、N1B2、N1B1 + B處理單位產量揮發量顯著低于N1B0 (P＜ 0.05)，而N1B2 + B1處理與N1B0處理無顯著差異。

2.1.2 小麥季土壤NH3揮發速率動態變化 由圖2可以看出，小麥季施用基肥和兩次追肥后，土壤NH3揮發趨勢相同。施肥后土壤NH3揮發迅速增加，所有施氮處理均在施入基肥后第4天、第一次追肥后第5天以及第二次追肥后第3天達到峰值；隨后土壤NH3揮發速率迅速減少，至基肥和第一次追肥施用后第16天、第二次追肥后第9天已無明顯的NH3揮發。不施氮處理在整個生育期均無明顯NH3揮發?；蕰r土壤NH3揮發速率最高 (圖2)，N1B0、N1B1、N1B2、N1B1 + B、N1B2 + B1處理基肥階段土壤NH3揮發峰值分別為第一次追肥峰值的3.5、4.1、2.2、4.9、3.5倍，第二次追肥峰值的3.3、2.1、2.6、3.8、2.8倍?；势?，N1B2、N1B2 + B1處理峰值分別比N1B0增加13.5%、26.0%；N1B1、N1B1 + B處理峰值分別比N1B0減少46.5%、3.7%。

2.1.3 小麥季產量 由圖3可以看出，生物炭施用顯著提高了小麥產量。由2015年小麥產量數據比較看出，N1B1、N1B2處理產量比N1B0處理顯著提高55.6% 和 72.5% (P＜ 0.05)，N1B1 + B、N1B2 + B1 處理產量比N1B0處理分別提高26.9%和18.9%。此外，N1B1處理產量比N1B1 + B處理顯著增加22.3%，而N1B2處理產量比N1B2 + B1處理顯著增加45.3%。對比2012年小麥產量，N1B0處理2015年小麥產量明顯減少25.4%，N1B1和N1B2處理小麥產量分別增加2.3%、4.4%。

表2 2015～2016年小麥季NH3揮發累積量和小麥產量Table 2 Accumulation of NH3 volatilization loss and wheat yield during wheat season of 2015–2016

圖2 2015～2016年小麥季施肥后NH3揮發動態變化Fig. 2 Dynamic changes of NH3 volatilization flux after fertilizer application during wheat season of 2015 to 2016

圖3 2012年和2015年小麥產量Fig. 3 Wheat yield in 2012 and 2015

2.2.2 小麥季土壤pH動態變化 由圖4 B可以看出，施肥后土壤pH迅速升高，在1～2天內達到最高值隨后下降，施肥后4～5天內土壤pH下降至最低值并趨于平緩且有所上升，各施氮處理變化具有相同的趨勢。而N0B0處理整個生育期內土壤pH均無明顯變化。施肥前各施肥處理土壤pH明顯低于N0B0處理。氮肥配施生物炭 (N1B1、N1B2、N1B1 +B、N1B2 + B1) 處理相比于單施氮肥 (N1B0) 處理土壤pH均有所提高。

2.3 小麥生物量及氮吸收

由圖5可以看出，與單施氮肥 (N1B0) 相比，施生物炭處理小麥總生物量增加17.1%～70.6%。小麥秸稈生物量和穗生物量與總生物量具有相同變化趨勢；老化生物炭 (N1B1、N1B2) 處理植株氮吸收顯著高于追施生物炭 (N1B1 + B、N1B2 + B1) 處理；且施用生物炭處理植株氮吸收顯著高于單施氮肥 (N1B0)處理 (P＜ 0.05)。

2.4 小麥季氮肥利用率

由表3可以看出，N1B1、N1B2處理氮素偏生產力最高，顯著高于其他處理。氮素農學利用率N1B0最低，僅為7.63 kg/kg。氮素生理利用率各處理之間無顯著性差異。施肥處理百千克籽粒吸氮量比N0B0處理均顯著提高。施用生物炭處理氮素吸收利用率顯著高于單施氮肥處理。其中，N1B1、N1B2處理比N1B0處理顯著提高30.1%和35.9%；N1B1 + B、N1B2 + B1處理比N1B0處理顯著提高14.1%、14.3% (P＜ 0.05)。

圖4 2015～2016年小麥季施肥后土壤和pH變化Fig. 4 Dynamic changes ofconcentration and pH after fertilization during wheat season of 2015 to 2016

圖5 2015～2016年小麥各組織生物量和氮吸收累積量Fig. 5 Biomass and N uptake of different parts during wheat season of 2015 to 2016

2.5 土壤NH3揮發與施肥天數、土壤濃度、pH和溫度的相關性分析

相關性分析(圖6)表明，NH3揮發與施肥天數呈極顯著高斯分布關系 (P＜ 0.001)；而土壤NH4+離子濃度與NH3揮發顯示出極顯著的正相關線性關系(R2= 0.80，P＜ 0.001)；土壤溫度、pH與NH3揮發也顯示出極顯著正相關性 (P＜ 0.001)。

表3 2015～2016小麥季氮肥利用率Table 3 Nitrogen utilization efficiency during wheat season of 2015 to 2016

圖6 施肥后天數、土壤、pH和溫度與NH3揮發的相關性分析Fig. 6 The relationship between NH3 flux with days after fertilization, concentration of -N, pH and soil temperature

3 討論

3.1 追施和老化生物炭對小麥季NH3揮發的影響

本試驗各施肥處理之間小麥季NH3揮發損失率在5.9%～13.2% (表2)，而Kang等[31]通過添加脲酶和硝化抑制劑試驗研究發現，德國北部冬小麥NH3揮發損失率占整個氮肥施用量的2.7%～24.0%，且NH3揮發損失率與氣象條件具有非常顯著的相關性。Turner等[32]在包膜尿素替代常規尿素的研究中，冬小麥常規氮肥處理的NH3揮發損失率為9.5%，本研究中單施氮肥 (N1B0) 處理NH3揮發損失率為9.4%。IPCC估算農田中施入氮肥NH3揮發損失率約為10%[33]，本研究具有相似的水平，試驗各處理NH3揮發平均損失率為9.5%。小麥季基肥時NH3揮發損失占整個生育期比例最高，這與山楠等[34]研究結果一致。

追施生物炭處理相比于老化生物炭處理，NH3揮發累積量顯著增加16.8%～47.7%。這可能因為新施生物炭增加了土壤呼吸，加快土壤氣體交換[35]；另外，在酸性土壤中新施生物炭會抑制硝化作用[36]，降低的轉化速率，并在土壤中表現出較高的濃度 (圖4)。而土壤NH4+濃度與NH3揮發具有極顯著的正相關性 (圖6，P＜ 0.001)，這也說明了土壤NH4+是影響NH3揮發的重要因素。

與N1B0相比，施用高用量的生物炭 (N1B2、N1B2 + B1) 會促進NH3揮發，這可能是因為生物炭的pH呈堿性 (表1)，隨著生物炭施用量的增加進一步提高土壤pH (圖4)。許欣等[37]的研究結果同樣表明，生物炭和氮肥配施可明顯提高土壤pH。同時土壤pH提高進一步促進了NH3揮發[8,38]，而土壤pH和NH3揮發速率表現出極顯著正相關關系 (圖6，P＜ 0.001)。

N1B1處理生物炭施入土壤經過三年老化能顯著減少小麥季NH3揮發損失 (表2)，這可能因為生物炭具有較高的pH和陽離子，施入到土壤中可以提高土壤pH[39]。隨著生物炭老化，陽離子逐漸減少，因此對土壤pH的提高作用逐漸減弱。而且多年施用氮肥，由于硝化作用會造成土壤的二次酸化[39]。且生物炭經過老化其表面官能團中含有更高比例的含氧官能團 (羥基、酚羥基等)[22]，而NH4+離子與含氧官能團具有很大的親和能力[40]，因此老化生物炭能夠增加土壤對的吸附能力[22]。說明低用量 (20 t/hm2)的生物炭在稻田土壤中老化后可減少NH3揮發損失，是一種環境友好型農田減排措施。

3.2 追施和老化生物炭對小麥產量、生物量、氮吸收及氮肥利用率的影響

本研究中，施用生物炭處理小麥產量顯著增加18.8%～72.5% (表3，P＜ 0.05)。Alburquerque 等[41]研究發現，小麥秸稈生物炭和氮肥配施在沙壤土中可以提高20%～30%的小麥產量；Vaccari等[42]研究，小麥秸稈生物炭施入到農田中可以提高30%的小麥產量。本試驗中小麥增產效果明顯高于其他研究，這是因為本試驗單施氮肥處理在該年僅獲得較低的小麥產量 (圖3)，以及施用生物炭三年處理有較高的氮肥利用率 (表3)。

施用生物炭顯著提高小麥生物量，其主要增加了小麥地上部生物量，而Zavalloni等[43]研究也表明施加生物炭明顯增加小麥生物量。且生物炭施用后通過增加小麥生物量可顯著提高小麥植株氮素吸收能力 (圖5)，并顯著提高小麥季氮素利用率 (表3)，這可能是因為施入生物炭可以增加土壤氮殘留量[44]、提高土壤總氮和有機碳，改善土壤養分供應[45]。Petter等[46]、Han 等[47]、Dias等[48]研究也表明，施用生物炭可明顯增加作物氮肥利用率。

老化生物炭處理 (N1B1和N1B2) 小麥產量、生物量和氮肥利用率明顯高于追施生物炭 (N1B1 + B和N1B2 + B1) 處理，這可能是因為老化生物炭能夠提高土壤對的吸附能力，增加了土壤氮素殘留[22]；且新施入生物炭具有不穩定的有機質吸附物質，減少了生物可利用性[49–50]，影響土壤原有微生物群落[51]，因此抑制了微生物活性[26]；并且追施生物炭處理增加了NH3揮發損失 (表2)，造成小麥可利用氮減少[48]，進而影響小麥生長，降低了小麥產量、生物量和氮肥利用率。

4 結論

在稻田土壤中，低用量 (20 t/hm2) 的老化生物炭處理，能夠顯著減少小麥季NH3揮發損失，并能提高小麥產量、生物量及氮肥利用率；高用量 (40 t/hm2) 的生物炭處理雖然促進了NH3的揮發損失，但同樣提高了小麥產量、生物量和氮肥利用率。與老化生物炭處理相比，追施生物炭處理分別顯著增加了稻田NH3揮發累積量，并顯著降低了小麥氮肥利用率和產量。從長期效益判斷，20 t/hm2的生物炭既可增加作物的經濟效益，又可減少環境風險，對進一步研究在我國稻麥輪作體系下減緩面源污染、提高氮肥利用率的方法具有指導意義。但本研究沒有對生物炭老化過程連續觀測，關于追施生物炭在老化過程中對土壤NH3揮發的影響有待進一步研究。

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Effects of biochar reapplication on ammonia volatilization and nitrogen use efficiency during wheat season in a rice-wheat annual rotation system

DONG Yu-bing, WU Zhen, LI Bo, XU Xin, XIONG Zheng-qin*(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210008,China)

【Objectives】A field experiment was conducted to investigate the effect of aged and fresh biochar amendment on ammonia volatilization, nitrogen use efficiencies and wheat yield during wheat season in a ricewheat rotation system.【Methods】Six treatments were carried out in this experiment, including two control treatments N0B0 (no nitrogen + no biochar), N1B0 (N 250 kg/hm2nitrogen); two aged biochar amendment treatments N1B1 (N 250 kg/hm2nitrogen + 20 t/hm2biochar), N1B2 (N 250 kg /hm2nitrogen + 40 t/hm2biochar);two aged with fresh biochar amendment treatments N1B1 + B (N1B1 add 10 t/hm2biochar), N1B2 + B1 (N1B2 add 20 t/hm2biochar).【Results】Results showed that the N1B1 and N1B1 + B treatments significantly decreased the cumulative NH3volatilization by 36.6% and 6.4%, increased the nitrogen use efficiency by 30.1%and 14.1% and increased the wheat yield by 55.6%, 26.9% compare with N1B0. In contrast, compared with N1B0 treatment, N1B2，N1B2 + B1 treatments significantly increased the cumulative NH3volatilization by 20.3% and 40.5%, the nitrogen use efficiency increase by 35.9% and 14.3% and the wheat yield significantly increased by 72.5%, 18.9%, respectively. Moreover, compared with the aged biochar amendment, biochar topdressing significantly increased the NH3volatilization, and decreased the nitrogen use efficiency and wheat yield.【Conclusions】Biochar amendment could significantly increase the nitrogen use efficiency and wheat yieldduring wheat season in paddy field. Aged biochar at the rate of 20 t/hm2can decrease the ammonia volatilization loss while increase the nitrogen use efficiency and wheat yield.

biochar; biochar reapplication; ammonia volatilization; nitrogen utilization; yield

2017–02–23 接受日期：2017–05–12

公益性行業（農業）科研專項（201503106）；國家自然科學基金項目（41471192）；國家科技支撐計劃項目（2013BAD11B01）資助。

董玉兵（1992—），男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事農業面源污染防治及土壤氮素循環研究。E-mail：2015103087@njau.edu.cn。 *通信作者 E-mail：zqxiong@njau.edu.cn