不同氮水平下生物炭與菌肥對采煤塌陷復墾土壤養分與氮素利用率的影響

許劍敏，梁利寶

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

山西是我國的煤炭大省，全省118個縣中有94個縣區儲存煤炭資源，91個縣有煤礦，山西省因采煤造成的地下采空區面積達1萬km2，受災人口超過230萬人，其中，因采煤引起的不適合人類居住的村莊已超過700個，而全省的土地復墾率只有不到5%[1-3]。我國人口多耕地少，采煤塌陷區土地復墾熟化工作十分重要[4]。生物炭是有機生物材料在缺氧條件下經高溫熱裂解后產生的固體產物。生物炭擁有較大的孔隙度和比表面積，因此，具有良好的通氣性和吸附能力，對水分、化肥有一定的持留作用[5-6]。生物炭還可以改善微生物的生存環境，為多種重要微生物的生長和繁殖提供了有利的條件[7]。它多為小麥、玉米秸稈制成，這樣既減少大氣污染，又實現了秸稈還田，對農田廢棄物的循環利用，實現農業的可持續發展。

山西農業大學資源環境學院肥料的開發與高效利用課題組[8]已經進行了等氮水平不同施肥制度對采煤塌陷土壤理化性質的研究，對利用生物炭與菌肥配施在不同氮水平調節下對采煤塌陷土壤性質影響研究尚未開展。本試驗以采煤塌陷區復墾1 a土壤為供試對象，探討不同氮水平條件下施入生物炭與生物菌肥對土壤養分和土壤的氮素利用率影響機制，從而為加快復墾土壤熟化提供一定依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試菌劑為山西農業大學資源環境學院從當地礦區熟土中分離的功能性微生物（包括固氮菌、解磷菌、解鉀菌），菌肥含活性有益菌為1×107cfu/g。

供試生物炭購自遼寧金和福農業開發有限公司，為玉米秸稈在缺氧條件下450℃高溫裂解而成，粒徑1.5～2.0 mm，其中，全氮1.51%，全磷0.76%，全鉀1.62%，pH值為9.11。

供試玉米品種為澤玉41號，種植時間為2017年5月2日至9月30日。

1.2 試驗區概況

試驗地點為山西省晉城市北石店鎮的采煤塌陷復墾區，塌陷深度2～3 m，采用混推模式就地平整法進行復墾。復墾土壤年限為1 a，土壤類型為石灰性褐土，pH值為8.01，土壤有機質、全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量依次為7.74，0.30，0.32 g/kg和 5.52，48.8，26.9 mg/kg。

1.3 試驗設計

試驗采用二因素隨機設計，每個處理重復3次。試驗共設置4個施氮水平，分別為0，120，210，300kg/hm2，2個施肥方式，即生物炭和生物炭+菌肥，共7個處理（表1）。每個小區40 m2。所有處理均施磷肥和鉀肥，磷肥和鉀肥施入量相同。試驗所用肥料：氮肥為尿素，磷肥（過磷酸鈣）P2O590 kg/hm2，鉀肥（硫酸鉀）K2O 90 kg/hm2，菌肥 350 kg/hm2，生物炭3 000 kg/hm2。

表1 試驗處理

1.4 樣品的采集和測定

在玉米收獲期，對表層土壤0～20 cm進行采樣，將風干土樣研磨過1 mm土壤篩。土壤pH采用酸度計測定；全氮采用開氏法測定；全磷采用鉬銻抗比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定；有機質采用油浴加熱K2Cr2O7容量法測定[9]。

氮肥農學效率＝（施氮區玉米產量－無氮區玉米產量）/施氮量；氮肥利用率＝（施氮區玉米地上部吸氮量－無氮區玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[10-11]。

1.5 數據分析

采用Excel2007和SPSS19進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤養分的影響

從表2可以看出，在玉米收獲期，隨著施氮量的增加，生物炭和生物炭＋菌肥2種方式下復墾土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷顯著提高，且與CK間差異顯著。

表2 不同處理對土壤養分的影響

不同施氮水平、同一施肥方式，生物炭與生物炭+菌肥處理土壤有機質、全氮、全磷含量兩兩之間差異顯著。生物炭處理土壤速效磷、堿解氮含量N1，N2處理間差異不顯著；生物炭＋菌肥處理土壤堿解氮、速效磷含量N3M與N2M處理間差異不顯著，但與其他處理差異顯著。

同一施氮水平不同施肥方式下，生物炭與生物炭＋菌肥處理之間土壤全氮、全磷含量差異不顯著；復墾土壤有機質含量N3與N3M處理之間差異顯著，其他處理之間差異不顯著；N3與N3M，N2M與N2處理間土壤堿解氮含量差異顯著；N2M與N2處理間土壤速效磷含量差異顯著。生物炭+菌肥處理的土壤養分含量均高于生物炭處理。

2.2 不同處理對玉米產量的影響

由圖1可知，生物炭與生物炭+菌肥這2種施肥方式隨著施氮水平的增加，玉米產量出現先增加后減少的趨勢，N2和N2M處理的產量較高，分別為5 012，5 164 kg/hm2，N3和N3M處理的產量分別為 4 936，5 021 kg/hm2，與 N2，N2M處理產量相比分別減少1.52%，2.77%。可以看出，過高的施氮量并沒有帶來玉米的高產，反而可能導致產量降低。同一施氮水平，生物炭與生物炭+菌肥處理之間，玉米產量差異不顯著。

2.3 不同處理對氮肥利用率的影響

從表3可以看出，隨著施氮量的增加生物炭處理和生物炭＋菌肥處理對玉米地上部分吸氮量均有不同程度增加，在N3M和N3處理下吸氮量較高，分別為107.7，101.5 kg/hm2。同一施氮水平玉米地上部吸氮量，N3M和N3處理間差異顯著，N2M和N2處理間差異顯著。

表3 不同處理對土壤養分的影響

氮肥農學效率和氮肥利用率隨著施氮量的增加呈遞減趨勢。生物炭處理氮肥農學效率為3.2%～6.4%，氮肥利用率為6.7%～11.0%；生物炭＋菌肥處理氮肥農學效率為3.4%～6.8%，氮肥利用率為8.7%～13.2%。可以看出，生物炭＋菌肥比生物炭處理提高了氮肥農學效率和氮肥利用率。

3 討論

生物炭處理和生物炭+菌肥處理均有效提高了復墾土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量。這可能是由于生物炭在低溫碳化的過程中生成多孔結構，因而具有巨大的表面積，可吸附大量化合物，在土壤中形成較大粒徑的團聚體，從而改善土壤結構，減少有機質的淋失。生物炭對NO3-，NH4+也有較強的吸附能力，可減少土壤的氨揮發與土壤氮素流失，提高氮肥利用率；生物炭能有效減少鐵氧化物對磷的吸附和降低有效磷的淋失，從而提高土壤速效磷的含量[12]。

生物炭＋菌肥對復墾土壤效果好于生物炭處理，這可能是由于生物炭具有良好的保水保肥能力，以及生物炭的多孔性為微生物提供了良好的棲息地，改善了土壤微生物生長環境，生物炭所含的C，P，Mo等營養元素及微量元素為微生物生長提供了食物。有研究表明[13-14]，生物的小孔降低了氧濃度，利于固氮菌的生長（固氮菌在低氧濃度下氮氣容易還原為氨）。也有學者[15]檢測到添加木炭后細菌活性增強，微生物呼吸速率也增強。本試驗表明，在復墾土壤施用菌肥可以增加微生物數量和活性的提高，對土壤理化性質有一定改善，促進植物對養分的吸收。

氮肥的施用對作物的增產有著極其重要的作用[16-18]。隨著近年來學者的研究，多數報道表明，適量的氮肥可以增加玉米產量，過度用氮甚至會減產，隨著氮肥施入量的提高，氮肥利用率不斷降低[19-20]。本研究結果表明，施氮量為210 kg/hm2時，產量最高，氮利用率最高，當施氮量達到300 kg/hm2時，產量有所下降，氮利用率明顯降低，表明高施肥量不能帶來高產。

4 結論

隨著施氮量的增加，生物炭處理和生物炭＋菌肥處理均有效提高了復墾土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量。在施氮量210 kg/hm2水平下土壤堿解氮、速效磷含量生物炭＋菌肥與生物炭處理差異顯著。

隨著施氮水平的增加，玉米產量出現先增加后減少的趨勢，在施氮量為210 kg/hm2時，生物炭＋菌肥與生物炭2種施肥方式產量均達到最高，且二者間產量差異不顯著。

氮肥農學效率和氮肥利用率隨著施氮量的增加呈遞減趨勢，生物炭＋菌肥的氮肥農學效率和氮肥利用率高于生物炭處理。