有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤氮素形態(tài)的影響

樊曉東，孟會生

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

我國擁有豐富的煤炭資源，但大量開采造成一系列環(huán)境問題以及對土地造成大規(guī)模的破壞，使得礦區(qū)土壤復(fù)墾變得尤為迫切[1]。土地復(fù)墾后，由于土壤層次結(jié)構(gòu)的破壞，使得土壤肥力變得很差。而土壤氮素含量是影響土壤肥力的一項重要指標(biāo)，因此，提高復(fù)墾土壤氮素含量以及復(fù)墾土壤氮素利用率是關(guān)鍵[2]。施用生物炭后，土壤肥力得以改善，農(nóng)作物產(chǎn)量得以提高，對改良土壤的肥力和促進(jìn)農(nóng)作物的生長具有積極作用，生物炭的應(yīng)用在直接或間接地改變著土壤質(zhì)量[3]。近年來，相關(guān)學(xué)者研究了生物炭對不同質(zhì)地土壤氮素運(yùn)移規(guī)律的影響、對土壤無機(jī)氮素淋失風(fēng)險的影響、對氮素釋放和轉(zhuǎn)化的影響以及對土壤硝化、反硝化作用、土壤固氮的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物炭對不同土壤氮素的影響存在很大差別。鄒娟[4]研究表明，生物炭的輸入能夠增強(qiáng)土壤有機(jī)氮的礦化，但對土壤微生物生物量氮的影響偏小，添加不同量的生物炭對旱地土壤氮素淋失也有不同的表現(xiàn)，對不同類型土壤如黃棕壤、紅壤、砂壤、紫色土中有效氮、總氮影響各不相同。而關(guān)于生物炭配施在采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤上氮素形態(tài)的影響研究鮮有報道。

本試驗以采煤塌陷區(qū)復(fù)墾5 a 的土壤為研究對象，在化肥和有機(jī)肥處理下通過配施生物炭，探討復(fù)墾土壤氮素形態(tài)的變化，旨在提高氮素含量和氮素利用率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)合理地發(fā)揮復(fù)墾土壤氮素效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

供試土壤采自長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村（36°28′11.95″N，113°00′52.57″E）。該地屬低山丘陵地帶，平均海拔980 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.5 ℃，年平均降水量532.8 mm，無霜期160 d。試驗在塌陷區(qū)復(fù)墾5 a 的土壤上進(jìn)行，土壤類型為石灰性褐土，0～20 cm 土壤pH 值為8.1，有機(jī)質(zhì)為9.82 g/kg，全氮為0.44 g/kg，全磷為0.45g/kg，堿解氮30.28 mg/kg，有效磷4.58 mg/kg，速效鉀118.29 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試作物為玉米，品種為大豐30（由山西大豐種業(yè)有限公司選育而成），生育期131 d。

供試化肥為尿素（含N 46.4%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、硫酸鉀（含K2O 45%）。供試有機(jī)肥為完全腐熟的雞糞，含有機(jī)質(zhì)54.8%、N 1.65%、P2O53.09%、K2O 2.59%，由太谷縣宏昊養(yǎng)殖專業(yè)合作社提供。供試生物炭由平遙縣晟弘生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司提供，裂解溫度為550～600 ℃，含有機(jī)質(zhì)57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計，在長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)西山底村選取復(fù)墾5 a 的試驗田，設(shè)置7 個處理，分別為對照（不施任何肥料，CK）、化肥（CF）、化肥＋生物炭（CFC）、有機(jī)肥（等量CF 養(yǎng)分的雞糞，M）、有機(jī)肥＋生物炭（MC）、有機(jī)肥＋化肥（MCF）、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭（50%的有機(jī)肥氮和50%的化肥氮，MCFC），重復(fù)3 次，共21 個小區(qū)，小區(qū)面積為60 m2（10 m×6 m）。試驗處理生物炭用量為6 000 kg/hm2，計算其CF 養(yǎng)分含量后再確定其他肥料用量，不同處理的肥料用量列于表1。除對照外，各施肥處理中施入等量養(yǎng)分（氮、磷、鉀），即N 198 kg/hm2、P2O5370.8 kg/hm2、K2O 310.8 kg/hm2。試驗于2017 年4 月29 日播種，9 月30 收獲，播種密度為6.0 萬株/hm2。

表1 不同處理的施肥用量 kg/hm2

1.4 測定項目及方法

玉米收獲后，采集0～20 cm 土壤樣品，進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。土壤全氮測定采用凱氏定氮法[5]；土壤堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法[5]；土壤硝態(tài)氮測定采用酚二磺酸比色法[5]；土壤微生物氮測定采用氯仿熏蒸法[6]。土壤有機(jī)氮組分采用Bremner 有機(jī)氮分級方法進(jìn)行分級[7]，其中，酸解性氮采用凱氏法測定；氨態(tài)氮采用MgO 氧化蒸餾法測定；氨+ 氨基糖氮采用磷酸- 硼砂緩沖液（pH＝11.2）蒸餾法測定；氨基酸態(tài)氮采用茚三酮氧化、磷酸- 硼砂緩沖液蒸餾法測定；未知態(tài)氮、氨基糖氮和非酸解氮通過差減法求得。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2010 統(tǒng)計試驗結(jié)果，采用SAS 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影響

從表2 可以看出，在不同施肥處理下，土壤全氮含量范圍為1.223～1.260 g/kg，同對照處理相比，各施肥處理均有效提高了土壤全氮含量，且差異均達(dá)顯著水平。其中，化肥＋生物炭與化肥處理相比，全氮含量增加了0.6%，但差異不顯著；有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比，全氮含量增加了1.5%，且差異顯著；有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥+ 化肥處理相比，全氮含量增加了0.9%，且差異顯著。增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭這3 個處理之間差異不顯著。增施生物炭有效地提高了土壤全氮含量，這與李玥等[8]、郭偉等[9]、程效義[10]的研究結(jié)果基本一致。可能是由于生物炭本身的含氮條件以及作為一種良好的改良劑所具有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)和特性，通過直接或間接地影響土壤條件，吸附保持土壤氮素，減少氮素各種形態(tài)的流失，從而使土壤中的全氮含量有所提高。

表2 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影響

各施肥處理的酸解性氮含量與對照相比均顯著提高。其中，化肥＋生物炭與單施化肥處理相比，差異不顯著；有機(jī)肥＋生物炭相比有機(jī)肥處理增加了2.8%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比增加了3.1%，差異均達(dá)顯著水平。配施生物炭處理的酸解性氮大小為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，且處理間差異顯著；而沒有配施生物炭處理的酸解性氮大小為有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥，且處理間差異達(dá)顯著水平。說明有機(jī)肥對土壤酸解性氮含量具有較大貢獻(xiàn)，這與李萌等[11]的研究結(jié)果相近。

與對照相比，各個施肥處理的非酸解性氮含量均增加，且差異均達(dá)顯著水平，其中，化肥處理的非酸解性氮含量最高。有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理間差異不顯著；化肥＋生物炭與化肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理與有機(jī)肥＋化肥處理相比，非酸解性氮含量分別顯著降低了4.3%，5.1%。說明生物炭的施用可降低復(fù)墾土壤中非酸解性氮含量。配施生物炭處理的非酸解性氮從小到大為有機(jī)肥＋生物炭＜有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，且處理間差異顯著，說明有機(jī)肥＋生物炭處理可使非酸解性氮含量降低；而沒有配施生物炭處理的非酸解性氮從小到大為有機(jī)肥＜有機(jī)肥＋化肥＜化肥，處理間差異顯著。說明有機(jī)肥對土壤非酸解性氮含量降低明顯，這與張玉樹等[12]的研究結(jié)果相近。

2.2 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤酸解性氮組分的影響

由表3 可知，不同處理的復(fù)墾土壤酸解性氮組分發(fā)生了顯著變化，與對照相比，各處理氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮含量、氨基糖氮和未知態(tài)氮含量均顯著提高。化肥＋生物炭與化肥處理相比，氨基酸態(tài)氮含量增加5.3%，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比氨基酸態(tài)氮含量增加7.7%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比氨基酸態(tài)氮含量增加7.4%，且均呈顯著差異。增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥+ 生物炭這3 個處理的氨基酸態(tài)氮含量之間差異顯著，處理間大小順序為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥+ 化肥+ 生物炭＞化肥＋生物炭，有機(jī)肥＋生物炭處理的復(fù)墾土壤氨基酸態(tài)氮含量最高，說明有機(jī)肥與生物炭配施可顯著提高復(fù)墾土壤酸解性氮組分中氨基酸態(tài)氮的含量。

氨態(tài)氮含量化肥＋生物炭與化肥處理間差異不顯著，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理間差異均達(dá)顯著水平，添加生物炭比對應(yīng)不添加生物處理氨態(tài)氮含量分別降低了3.5%，5.7%，5.8%；增施生物炭的化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭3 個處理之間氨態(tài)氮含量差異顯著，化肥＋生物炭處理的復(fù)墾土壤氨態(tài)氮含量最高。各處理間氨基糖氮含量差異不顯著，其中，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理氨基糖氮含量最高。

化肥＋生物炭與化肥處理相比酸解未知態(tài)氮含量增加了5.6%，有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比未知態(tài)氮含量增加了3.6%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比未知態(tài)氮含量增加了4.3%，且差異均達(dá)顯著水平；增施生物炭的化肥+ 生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭這3 個處理之間未知態(tài)氮含量差異顯著，有機(jī)肥＋生物炭較化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理分別提高20.7%，7.8%。說明有機(jī)肥與生物炭配施有利于酸解未知態(tài)氮的提高。

不同施肥處理均降低了未知態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例，化肥、化肥＋生物炭、有機(jī)肥、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理未知態(tài)氮組分占比分別比對照降低了23.8%，23.8%，9.5%，9.5%，14.3%，14.3%，但沒有影響酸解性總氮中各組分比例大小順序，各處理均為氨基酸態(tài)氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。

表3 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤酸解性氮組分的影響

2.3 有機(jī)肥和化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮與微生物量氮的影響

表4 有機(jī)肥、化肥配施生物炭對采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮與微生物量氮組分的影響 mg/kg

從表4 可以看出，復(fù)墾土壤堿解氮含量的變化與硝態(tài)氮、微生物量氮含量變化大致相同，各個施肥處理與對照相比均為差異性顯著，并且有機(jī)肥+生物炭處理中，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量均達(dá)到最高。在各個處理中，化肥+ 生物炭與化肥處理相比，堿解氮和硝態(tài)氮含量差異不顯著，微生物量氮含量顯著增加26.7%；有機(jī)肥＋生物炭與有機(jī)肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量分別增加了11.1%，20.3%，8.8%，有機(jī)肥＋化肥＋生物炭與有機(jī)肥＋化肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量分別增加了16.6%，23.2%，10.4%，且差異均達(dá)顯著水平。配施生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮以及微生物量氮化肥＋生物炭、有機(jī)肥＋生物炭、有機(jī)肥＋化肥＋生物炭處理間差異均顯著，且有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，說明有機(jī)肥＋生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量最大。而沒有配施生物炭處理的堿解氮、硝態(tài)氮以及微生物量氮有機(jī)肥、有機(jī)肥＋化肥、化肥處理間差異顯著，且有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥，有機(jī)肥處理的堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量最大。可能是由于生物炭、有機(jī)肥為固氮菌提供了適宜的生長環(huán)境和豐富的C 源，有利于固氮菌更好地發(fā)揮固氮功效[13]，而且施用生物炭對土壤NO3- N 有吸附截留作用。此結(jié)果與前人[14-15]的研究結(jié)果類似。生物炭、有機(jī)肥也增加了微生物的活性；由于生物炭具有較強(qiáng)的保水和持水能力，在一定用量范圍內(nèi)，土壤含水量隨生物炭施用量的增加而增加[16-17]，李世清等[18]通過培養(yǎng)試驗表明，微生物量氮的含量與水分呈指數(shù)關(guān)系。

3 討論

本研究表明，增施生物炭以后的處理均有效地提高了復(fù)墾土壤中的全氮含量，化肥＋生物炭比化肥處理全氮含量增加了0.6%；有機(jī)肥＋生物炭比有機(jī)肥處理全氮含量增加了1.5%；有機(jī)肥＋化肥＋生物炭比有機(jī)肥＋化肥處理全氮含量增加了0.9%。可能是因為生物炭本身含有少量的氮或者施用生物炭有可能降低了NOx 形式氮素的損失。ZHANG 等[19]基于稻田試驗也發(fā)現(xiàn)，單一施用生物炭使得N2O 的排放量減少了21%～28%。本研究表明，對酸解有機(jī)氮來說，沒有配施生物炭處理的酸解有機(jī)氮含量表現(xiàn)為有機(jī)肥＞有機(jī)肥＋化肥＞化肥；配施生物炭的處理表現(xiàn)為有機(jī)肥＋生物炭＞有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭。而配施生物炭的處理均高于沒有配施生物炭的處理，說明有機(jī)肥對土壤酸解性氮含量有很大貢獻(xiàn)。對于非酸解性氮，增施生物炭各處理從小到大為有機(jī)肥+ 生物炭＜有機(jī)肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，其含量均有所下降，相當(dāng)于其他形態(tài)的氮素所占比例要增加，可礦化氮的比例增加，提高了復(fù)墾土壤氮素有效性，土壤熟化作用增強(qiáng)[20]。

氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮是酸解性氮組分中有效氮的重要來源，占有較大的比例，可轉(zhuǎn)化為土壤中的可礦化態(tài)氮[20]。本研究表明，增施生物炭對氨基酸態(tài)氮含量有明顯的提高，對于氨態(tài)氮、氨基糖氮含量表現(xiàn)差異不明顯。前人研究發(fā)現(xiàn)[21]，酸解氨態(tài)氮與氨基酸態(tài)氮變化趨勢一樣，增施生物炭會降低氨基糖氮的比例，由于試驗地類型、生物炭種類、裂解溫度、試驗地作物等的不同，可能造成試驗結(jié)果的不一致。酸解未知態(tài)氮的含量呈上升趨勢，可能是由于生物炭的施用改變了土壤微生物生存環(huán)境，微生物利用生物炭表面活躍的C，增強(qiáng)了微生物活性，促進(jìn)土壤微生物生長代謝[22]，土壤中比較復(fù)雜的大分子物質(zhì)，經(jīng)微生物作用分解，從而增加了土壤中氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮等的含量。本研究表明，不同施肥處理降低了未知態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例，但沒有影響酸解性總氮中各組分比例大小順序，各處理均為氨基酸氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。這與黑土[23]、棕壤[24]、塿土[25]等土壤類型的研究結(jié)果不同，說明土壤類型是影響有機(jī)氮組分結(jié)構(gòu)的主要因素之一[12]。

生物炭可以影響土壤水分、溫度、酸堿性、通氣性等一系列物理化學(xué)性質(zhì)，從而影響微生物活性，使有效氮、硝態(tài)氮發(fā)生變化。本試驗表明，施用生物炭提高了土壤堿解氮、硝態(tài)氮、微生物量氮的含量，與前人研究結(jié)果基本一致[26]。

4 結(jié)論

本試驗是在有機(jī)肥和化肥處理下通過增施生物炭，研究其對復(fù)墾土壤各種氮素形態(tài)的影響，結(jié)果表明，增施生物炭提高了復(fù)墾土壤全氮、酸解性氮的含量，非酸解性氮含量降低，有機(jī)肥+ 生物炭與單施有機(jī)肥處理相比，酸解性氮含量增加2.8%。

增施生物炭提高了復(fù)墾土壤酸解性氮組分中的氨基酸態(tài)氮、氨基糖氮和未知態(tài)氮的含量，氨態(tài)氮含量降低，其中，有機(jī)肥+ 生物炭與單施有機(jī)肥處理相比，氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的含量分別增加了7.7%和3.6%，化肥＋有機(jī)肥＋生物炭與化肥＋有機(jī)肥處理相比，氨基糖氮含量增加了16.3%。

增施生物炭也提高了復(fù)墾土壤堿解氮、硝態(tài)氮和微生物量氮的含量，并且有機(jī)肥+ 生物炭處理與單施有機(jī)肥處理相比，堿解氮、硝態(tài)氮和微生物量氮的含量分別增加了11.1%，20.3%和8.8%；酸解性總氮中各組分比例的大小順序為氨基酸氮＞氨態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨基糖氮。