生物炭與綠肥配施對(duì)不同粒徑黃壤無機(jī)氮含量及其貢獻(xiàn)率的影響

陳云梅，趙堂甫，趙 歡，肖厚軍，謝婷婷，胡 崗，秦 松

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴州貴陽 550006）

貴州黃壤面積超過700 萬hm2，約占全國(guó)黃壤總面積的30%，占全省土壤總面積的46%［1］。黃壤鹽基離子少、黏度大、酸性強(qiáng)，氮素轉(zhuǎn)化淋溶嚴(yán)重，導(dǎo)致黃壤氮庫虧缺明顯［2-3］。生物炭不僅可以改良土壤物理性狀，還能通過陽離子交換［4-6］、孔結(jié)構(gòu)和本身位點(diǎn)吸附養(yǎng)分，為土壤保留更多養(yǎng)分［7-8］，也可直接為土壤微生物提供生存環(huán)境和養(yǎng)分，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性［9-10］，從而間接增強(qiáng)微生物對(duì)無機(jī)氮的固持能力，有效減少NH4+-N和NO3--N的淋溶［11］。然而，生物炭對(duì)土壤微生物群落組成以及土壤氮素養(yǎng)分循環(huán)的作用效果受多種因素的影響，有研究表明單施生物炭對(duì)土壤無顯著作用［6］。因此，生物炭復(fù)配型綜合施肥技術(shù)是今后改土培肥發(fā)展的趨勢(shì)。

綠肥作為一種純天然的清潔有機(jī)肥源，改土培肥的同時(shí)可以固氮活磷，還可增加地表覆蓋度，減少水土流失［12］。目前，未見生物炭與綠肥配施在黃壤上的研究。因此，以玉米秸稈生物炭和綠肥作為試驗(yàn)材料，在常規(guī)化肥條件下，以等量生物炭配施不同量綠肥（箭筈豌豆）翻壓于萵筍/玉米輪作盆栽黃壤中，分析生物炭與綠肥配施對(duì)不同粒徑黃壤無機(jī)氮素形態(tài)及其貢獻(xiàn)率的影響，旨在為貴州黃壤礦質(zhì)氮素有效性提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所試驗(yàn)基地的黃壤，自然風(fēng)干后過5 mm 篩，其理化性質(zhì)為：pH 6.16，w（有機(jī)質(zhì)）21.21 g/kg，w（堿解氮）65.69 mg/kg，w（有效磷）6.05 mg/kg，w（速效鉀）50.0 mg/kg，w（全氮）1.52 g/kg，w（全磷）0.36 g/kg，w（全鉀）11.68 g/kg。供試化肥，尿素（w（N）46%）、過磷酸鈣（w（P2O5）12%）、硫酸鉀（w（K2O）50%），均購(gòu)自本地經(jīng)銷商；供試生物炭，玉米秸稈在450 ℃炭化而得，pH 7.95，w（有機(jī)碳）473.61 g/kg，w（全氮）8.04 g/kg，w（全磷）1.88 g/kg，w（全鉀）47.53 g/kg；供試綠肥，箭筈豌豆（w（全氮）36.5 g/kg，w（全磷）37.78 g/kg，w（全鉀）20.7 g/kg）；供試作物，萵筍（青碧8號(hào)），玉米（金玉886），二者采用輪作模式。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018 年10 月至2019 年9 月進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn)，共設(shè)置6 個(gè)處理，分別為不施氮肥（T1）、常規(guī)化肥（T2）、常規(guī)化肥+生物炭（T3）、常規(guī)化肥+生物炭+綠肥50 g（T4）、常規(guī)化肥+生物炭+綠肥100 g（T5）及常規(guī)化肥+生物炭+綠肥200 g（T6）。每個(gè)處理5 盆，共30 盆，盆規(guī)格為40 cm×40 cm×40 cm，每盆裝土25 kg。萵筍每盆3株，玉米每盆1株，種植方式為萵筍/玉米輪作，萵筍季和玉米季化學(xué)肥料用量、施肥模式及氮肥基追比均相同（見表1）。萵筍季生物炭、綠肥與土充分混勻作基肥一次性施入，玉米季不再做任何添加，氮肥按基追比7∶3 施入，作物栽培管理與正常生產(chǎn)保持一致。

表1 各處理施肥量g/盆

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1） 土壤樣品采集與預(yù)處理 玉米收獲結(jié)束后，采耕層土壤樣品。將土樣沿自然裂縫掰開并過10 mm篩，于避光處自然風(fēng)干，挑去風(fēng)干土中的細(xì)根和石塊，取部分研磨過0.830 mm（20 目）和0.150 mm（100 目）篩，一部分用于土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定，另一部分用于土壤粒徑測(cè)定。

2） 土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 土樣pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用pH 計(jì)、凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計(jì)法、堿解擴(kuò)散法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定［13］。

3） 土壤不同粒徑團(tuán)粒的篩分 土壤粒徑篩分參照Elliott（1986）水穩(wěn)定性團(tuán)聚體測(cè)定方法及步驟，將土樣分為大粒徑（＞2.00 mm）、較大粒徑（＞0.25 ～2.00 mm）、微粒（0.053 ～0.250 mm）和黏粒（＜0.053 mm），分別收集至鋁盒中，電熱板60 ℃烘干，室溫下保存?zhèn)溆靡詼y(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

4） 不同粒徑土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測(cè)定 靛酚藍(lán)比色法測(cè)銨態(tài)氮含量，紫外分光光度法測(cè)硝態(tài)氮含量［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各粒級(jí)銨態(tài)氮對(duì)土壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率及和各粒級(jí)硝態(tài)氮對(duì)土壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率R計(jì)算公式［14］：

使用WPS 處理數(shù)據(jù)及計(jì)算，SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析及通徑分析（包括相關(guān)分析和回歸分析），Origin 2017軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與綠肥配施對(duì)黃壤無機(jī)氮含量的影響

生物炭與100 g 綠肥配施可顯著提高黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量（見圖1）。添加生物炭（T3）較常規(guī)化肥（T2）處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加5.01、3.74 mg/kg，可見添加生物炭有利于促進(jìn)黃壤無機(jī)氮累積。對(duì)比T4、T5和T6處理，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨綠肥添加量增加呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，其中添加100 g 綠肥處理黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均達(dá)最大值，分別為62.88 mg/kg 和155.92 mg/kg，顯著高于其余處理，可見少量及過量翻壓綠肥對(duì)黃壤無機(jī)氮富集不利，但翻壓適量綠肥，可有效提升土壤無機(jī)氮含量。綜上所述，添加生物炭能顯著提高黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，生物炭配施適量（100 g）綠肥處理黃壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量提高最顯著。

圖1 不同處理土壤無機(jī)氮含量

2.2 生物炭與綠肥配施下不同粒徑黃壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量

各處理不同粒徑黃壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量分別見表2、表3。由表2可知，各處理銨態(tài)氮主要集中在＞0.25 ～2.00 mm 粒徑中，＞2.00 mm 粒級(jí)次之，說明＞0.25 ～2.00 mm和＞2.00 mm粒徑土壤銨態(tài)氮含量對(duì)土壤無機(jī)氮有重要意義。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，＞0.25 ～2.00 mm和0.053 ～0.250 mm粒徑中，處理T5 銨態(tài)氮較其他處理分別增加10.23%～25.76%和33.72%～101.29%，且較其余處理差異均達(dá)顯著水平，說明生物炭配施100 g 綠肥可以顯著提高0.053～0.250 mm和＞0.25～2.00 mm粒徑黃壤銨態(tài)氮含量，對(duì)培肥土壤有明顯的積極作用。對(duì)比各處理＜0.053 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮含量，T3 處理最大，較其他處理增幅為56.86%～93.37%，其余處理之間差異不顯著，可見添加生物炭有利于促進(jìn)小粒徑黃壤中銨態(tài)氮的富集。

表2 各處理不同粒徑黃壤銨態(tài)氮含量

由表3 可知，＜0.053 mm 粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量最高，說明硝態(tài)氮主要貯存于土壤黏粒中。除0.053 ～0.250 mm 外，T5 處理各粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量均達(dá)最大值，較其余處理增幅分別為49.95%～633.39%、1.36%～122.87%和2.75%～22.09%，說明生物炭與100 g 綠肥配施顯著增加不同粒徑黃壤中硝態(tài)氮含量。綜上所述，生物炭與100 g 綠肥翻壓對(duì)不同粒徑土壤硝態(tài)氮有影響，對(duì)大粒徑硝態(tài)氮含量提升效果最佳，較大粒徑提升效果次之。

表3 各處理不同粒徑黃壤硝態(tài)氮含量

2.3 生物炭與綠肥配施下不同粒徑黃壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的貢獻(xiàn)率

不同處理各粒徑黃壤銨態(tài)氮對(duì)黃壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率的影響見圖2。分析發(fā)現(xiàn)，＞0.25 ～2.00 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮對(duì)黃壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率最高，對(duì)黃壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率范圍為35.98%～39.75%，即35.98%以上的銨態(tài)氮儲(chǔ)存在＞0.25 ～2.00 mm團(tuán)粒中。對(duì)比各處理，T5 處理顯著提高了0.053 ～0.250 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮對(duì)黃壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率。此外，T5 處理較其余處理＜0.053 mm 粒徑黃壤銨態(tài)氮的貢獻(xiàn)率最低。可見，生物炭配施適量（100 g）綠肥顯著提高了0.053～0.250 mm粒徑銨態(tài)氮的貢獻(xiàn)率。

圖2 不同處理各粒徑黃壤銨態(tài)氮對(duì)黃壤銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率

不同施肥方式下各粒徑黃壤硝態(tài)氮對(duì)黃壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率表現(xiàn)出不同的變化特征（見圖3）。分析可知，＞2.00 mm 粒徑中，T5 處理硝態(tài)氮在黃壤硝態(tài)氮中的貢獻(xiàn)率最大，較其他處理增幅為10.44% ～365.83%，差異達(dá)顯著水平。T3 與T2 處理相比，＞0.25 ～2.00 mm 和＞0.053 ～0.250 mm、粒徑硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率分別提高22.61%和22.34%。綜上，與其余處理相比，T5處理顯著提高＞2.00 mm粒徑硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率，可見生物炭配施適量（100 g）綠肥提高了黃壤大粒徑硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率。此外，添加生物炭顯著提高了較大粒徑和微粒硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率。

圖3 不同處理各粒徑黃壤硝態(tài)氮對(duì)黃壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率

3 討論

本研究也得出生物炭可明顯提高土壤無機(jī)氮含量。究其緣由，可能是生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積影響了土壤的物理和化學(xué)吸附作用，直接吸附土壤中氮素，減少氮淋失；也可能與生物炭提高土壤微生物活性從而增強(qiáng)微生物對(duì)無機(jī)氮的固持能力有關(guān)［15］。此外，本研究還表明，綠肥添加量不同對(duì)土壤氮素有影響，本研究中，生物炭配施100 g 綠肥對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮提升效果最佳，可能是因?yàn)樯锾磕芨纳仆寥览砘再|(zhì)，綠肥翻壓入土腐解可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累［16］，有機(jī)質(zhì)可以攜帶部分氮素，從而減少氮素?fù)p失。

不同粒徑土壤對(duì)氮的保持，供應(yīng)和轉(zhuǎn)化能力有差異。本研究中，大粒徑、較大粒徑團(tuán)粒儲(chǔ)銨態(tài)氮能力好，這與文獻(xiàn)［17］研究結(jié)果一致，因?yàn)榇罅街杏袡C(jī)質(zhì)易礦化轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮。本研究中，硝態(tài)氮主要分布在＜0.053 mm 黏粒中，這與黃容［14］研究結(jié)果一致。主要因?yàn)榛瘜W(xué)氮肥施入土壤后，快速分解成無機(jī)氮優(yōu)先進(jìn)入較小粒徑（微粒和黏粒）中［18］，粒徑越小，比表面積越大，對(duì)無機(jī)氮的吸附能力就越強(qiáng)［19］。本研究中，添加生物炭或生物炭配施綠肥不同程度改變了無機(jī)氮在不同粒徑土壤中的分布，添加生物炭或生物炭配施綠肥較常規(guī)化肥不同程度提高了大粒徑、較大粒徑及微粒中的銨態(tài)氮含量，其中以生物炭配施100 g 綠肥對(duì)大粒徑、較大粒徑及微粒銨態(tài)氮含量提升效果最佳。此外，生物炭配施綠肥還提高了各粒徑黃壤硝態(tài)氮含量，其中以生物炭配施100 g 綠肥對(duì)各粒徑硝態(tài)氮提升效果最好。

本研究中，＞0.25 ～2.00 mm粒徑黃壤中銨態(tài)氮貢獻(xiàn)率大于其他粒徑，這可能與該粒徑黃壤中銨態(tài)氮含量高于其他粒徑有關(guān)。對(duì)于各粒徑硝態(tài)氮而言，各處理＜0.053 mm 粒徑中硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率仍最大，可能是＜0.053 mm 粒徑中硝態(tài)氮含量最高的緣故。生物炭配施100 g 綠肥較常規(guī)化肥處理顯著提高了＞2.00 mm粒徑硝態(tài)氮貢獻(xiàn)率。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，生物炭與綠肥配施能夠顯著提高黃壤無機(jī)氮儲(chǔ)量，有利于促進(jìn)各粒徑（除黏粒）銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的富集，其中生物炭500 g+綠肥100 g（土25 kg）配施方式更適宜貴州黃壤礦質(zhì)氮的提升。