氮肥配施生物炭對旱地土壤養分和玉米根系徑級分布的影響

隋陽輝 ，高繼平，王延波，肖萬欣，劉晶，史磊，趙海巖，張洋

1. 遼寧省農業科學院玉米研究所，遼寧 沈陽 110161；2. 沈陽農業大學農學院，遼寧 沈陽 110866

玉米是中國最重要的糧食、飼料和經濟作物之一。玉米增產是保障中國糧食、能源安全的關鍵。在人增地減矛盾日益突出的形勢下，人們通過改良玉米品種、配套先進的栽培技術和加大生產投入穩步提高玉米單產。其中，增加氮肥的投入就是有效措施之一（肖焱波等，2005）。然而，在玉米產量大幅度提升的背后，過量且不合理的氮肥投入也帶來了氮肥利用率下降、生產成本提高、大氣、水體污染等一系列問題，嚴重影響了玉米生產的可持續發展（郭俊娒，2015；巨曉棠等，2014；張衛峰等，2013）。

生物炭一般指農林廢棄物等生物質如作物秸稈、木屑等，在限氧條件下，經熱裂解形成的相對穩定的富炭產物（Lehmann et al.，2009；陳溫福等，2014）。生物炭具有豐富的孔隙結構、較大的比表面積和芳香化結構，因此廣泛用于農業、環境、能源等領域，同時具有農業資源循環再利用、土壤培肥改良和固碳減排等作用（孟軍等，2011）。

目前，中國關于生物炭對土壤養分的研究多數集中在障礙型土壤及貧瘠土壤上（Arif et al.，2017；謝祖彬等，2011）。有研究表明，600 ℃制備的竹炭能夠通過離子交換作用吸附銨態氮，并在70 d內累計減少損失率達15.2%（Ding et al.，2010）。還有研究發現，生物炭能夠通過吸附作用減少土壤中NO3?的流失，提高作物的利用率（蓋霞普等，2015）。隨著研究的不斷深入，研究人員發現生物炭與化肥配施會起到一定的正向作用（Arif et al.，2017）。Lehmann（2002）研究發現，生物炭與肥料配施的情況下，土壤對NH4+的吸附與固持作用明顯增強，水稻對氮肥的利用率顯著提高，從而降低了氮肥損失。生物炭配施氮肥的情況下能顯著促進紅壤上小麥的氮素吸收，進而增加小麥生物量（Van Zwieten et al.，2010）。根系作為營養吸收的主要器官，對生物炭的添加表現出玉米根系表觀形態和生理活性增強（蔣健等，2015）。目前生物炭與氮肥配施對玉米根系不同徑級生長的研究還相對較少，因此有關生物炭配施氮肥是否引起玉米根系徑級分布變化促進玉米地上部生長仍需加強研究。本研究以連作玉米為研究對象，針對玉米生產中根系早衰、旱田養分流失等問題，研究生物炭配施氮肥對玉米不同徑級根系生長、干物質積累及土壤養分儲存的影響，探討生物炭配施氮肥優化根系形態的主要因素，為促進化肥精簡化施用、優化玉米根系結構提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

定位試驗開始于 2017年，試驗地點位于遼寧省農業科學院沈北新區試驗基地（42.0344°N，123.5698°E）。該區域屬于北溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫7.5—8.7 ℃，全年無霜期147—164 d。該地區夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。試驗地土壤類型為棕壤。試驗開始前土壤基本性質如下：pH=6.3，有機質 14.1 g·kg?1，堿解氮 94.7 mg·kg-1，全氮 1.08 g·kg?1，全磷 0.52 g·kg?1，全鉀 18.05 g·kg?1，有效磷 27.2 mg·kg?1，速效鉀 79 mg·kg?1。

1.2 供試材料

供試玉米品種為鄭單958，株型緊湊，是穩產、優質、廣適的玉米品種。試驗用生物炭以玉米秸稈為原材料，在450 ℃缺氧條件下熱裂解產生，再加工處理形成直徑2 mm的顆粒（遼寧省金和福農業開發有限公司提供），碳和氮含量分別為 46.6%和1.21%，pH值為9.2。生物炭的制備參照Sui et al.（2016）的方法，出炭率約為35%。

1.3 試驗設計

大田試驗采用隨機區組設計，設置7個處理：對照（不施氮、不施炭，CK），常規施氮量（N 225 kg·hm?2，N1），減氮 10%（N 203 kg·hm?2，N2），低量生物炭配施常規施氮量（生物炭8.4 t·hm?2配施氮肥 (N 225 kg·hm?2)，C1+N1），低量生物炭配施減氮 10%（生物炭 8.4 t·hm?2配施氮肥 203 kg N·hm?2，C1+N2），高量生物炭配施常規施氮量（生物炭 21 t·hm?2配施氮肥 N 225 kg·hm?2，C2+N1），高量生物炭配施減氮10%（生物炭21 t·hm?2配施氮肥 (N 203 kg·hm?2)，C2+N2）。所有處理均正常施用 P、K肥，其中 P肥施過磷酸鈣（P2O5120 kg·hm?2），K 肥施氯化鉀（K2O 90 kg·hm?2）。生物炭于播前按每個小區不同用量人工撒于地表，均勻旋入土10 cm左右。氮磷鉀肥于播前全部作為基肥一次性施入土壤。每個處理設3次重復，21個小區，每小區面積57.6 m2（6 m×9.6 m）。為研究生物炭配施氮肥的后效作用，故本試驗只采集了生物炭施用后第二年的數據。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤化學性狀

播種前及收獲期隨機選取各處理0—20 cm耕層土壤，按五點法采集，混勻后立即帶回實驗室，去除雜質，經自然風干，研磨后過100目篩，按照土壤農化分析常規方法（鮑士旦，2000）測定土壤基本化學性質。分別用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；用元素分析儀（German Elementar Company，2003）測定土壤全氮、全碳含量；用0.5 mol·L?1NaHCO3浸提?分光光度計比色法測定土壤有效磷含量。

1.4.2 玉米根系生長和形態測定

玉米大喇叭口期/成熟期采用原位取樣法，取長×寬×高為 60 cm×30 cm×60 cm的土體（如圖 1），取2株相鄰的玉米為一次重復，每小區取6株作為3次重復。將根系與土壤分開，用去離子水清洗干凈，放于自封袋中；使用根系掃描儀 Epson Expression 110000XL對根系進行圖像采集，然后使用WinRhizo軟件對圖像進行分析，主要包括根總長、根體積、根表面積、根直徑等指標。并按根系直徑等級（<2 mm，2—3 mm，3—4 mm，>4 mm）進行系統分析。掃描后將每一個樣品裝入紙袋在105 ℃下殺青30 min，85 ℃下烘干至恒質量。

圖1 原位取根Fig. 1 Root sampling in situ

1.5 數據處理與統計分析

采用Excel 2019和SPSS 17.0統計軟件進行數據統計，采用 Duncan新復極差法進行雙因素方差分析，并用OriginPro 8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 氮炭配施對土壤養分的影響

由表1可知，與對照相比，單一施肥處理（N1C0和 N2C0）顯著提高有機質含量，且 N1C0顯著高于N2C0；常規施氮水平（N1）下添加生物炭，隨著施炭量增加，土壤有機質含量顯著降低；減氮條件配施高量生物炭處理N2C2的土壤有機質含量顯著高于對照（P?0.05）。與常規施氮處理相比，減氮處理或配施生物炭處理對土壤有機質的影響均顯著降低。單一施肥（N1C0和N2C0）或配施生物炭處理的土壤堿解氮含量均顯著高于對照，其中單一施氮肥N1C0和N2C0的土壤堿解氮含量較對照分別增加為9.43%和13.55%；常規施氮水平（N1）下，隨著生物炭施用量增加，土壤堿解氮含量升高；相同生物炭量下，隨著氮肥減少，土壤堿解氮含量降低；氮肥配施生物炭處理的土壤堿解氮含量較對照增幅為6.11%—29.86%。與常規施氮處理相比，減氮配施高量生物炭處理顯著提高土壤堿解氮含量（P?0.05），且提高18.68%。與對照相比，單施氮肥顯著提高土壤有效磷含量；常規施氮配施少量生物炭（N1C1）與對照相比，提高土壤有效磷含量41.7%；相同氮水平下，隨著施炭量增加土壤有效磷含量反而降低。

常規氮肥配施生物炭處理的土壤全氮含量隨著生物炭量的增加而顯著提高（P?0.05），減氮條件下配施低量生物炭處理的全氮含量最高，達 1.13 mg·g?1，高于對照（0.91 mg·g?1）24.1%。就土壤全碳含量而言，氮肥配施生物炭能顯著提高土壤全碳含量，并隨生物炭量增加而提高。進一步分析土壤碳氮比，氮肥配施生物炭顯著降低土壤碳氮比（表1）。

表1 生物炭與氮肥配施對收獲期（0—20 cm）耕層土壤常規養分的影響Table 1 Effect of biochar combined with nitrogen fertilizer on topsoil (0–20 cm) nutrient

2.2 氮炭配施對玉米根系形態的影響

如圖2所示，大喇叭口期與成熟期，玉米根系指標對生物炭配施氮肥的響應不一致。與對照（CK）相比，大喇叭口期，單施氮肥或與生物炭配施處理增加玉米根系直徑、根長、根表面積和根體積。其中，N1C1處理顯著增加根直徑；N2C1處理顯著增加根長；N1C1和N2C1處理顯著增加根表面積；N1C1處理顯著增加根體積。成熟期時，與對照（CK）相比只有氮肥配施生物炭N1C1處理根直徑顯著降低；單施氮肥N1C0或配施生物炭N1C1處理顯著增加根長，其中N1C1處理根長最長，達9486.08 cm，比對照提高32.4%。根表面積與根長的表現相似，單施氮肥N1C0或配施生物炭N1C1處理顯著增加根表面積，其中單施氮肥N1C0處理的根表面積最高，達2666.93 cm2。單施氮肥N1C0處理的根體積相比其他處理最高。從大喇叭口期到成熟期，根系形態指標相對變化值各不相同。其中，氮肥配施生物炭N1C1處理對根直徑、根長、根體積的相對變化最大；N1C2和N2C2處理對根長、根表面積、根體積的相對變化最小。

圖2 生物炭與氮肥配施對玉米根系生長的影響Fig. 2 Effects of biochar combined with nitrogen fertilizer on maize root develop

2.3 氮炭配施對玉米根系徑級分布的影響

為了探明炭氮配施對玉米不同粗細級別根系生長的影響，按照根系直徑大小，將玉米根系劃分為0—2、2—3、3—4、>4 mm 4個級別，并對不同徑級的根長特性進行了統計分析（表2）。由表2可知，大喇叭口期，單施氮肥或配施生物炭處理均增加玉米根系各徑級的根長。N1水平下，根系各徑級（除D>4 mm）的根長均隨著生物炭量的增加而降低；減氮10%水平（N2），只有根系徑級3—4、>4 mm的根長隨生物炭量的增加而降低。與對照相比，N2C1處理顯著增加0—2、2—3根系徑級的根長約38.9%和82.5%。與對照相比，成熟期常規施氮或配施低量生物炭處理均顯著提高 0—2 mm徑級根系的總根長26.0%和37.9%；但是，減氮配施高量生物炭顯著降低0—2 mm根系的總根長。單施氮肥或配施生物炭對2—3、3—4徑級的根長無顯著影響；只有常規施氮處理顯著增加根系直徑>4 mm的根長，提高約40.5%。

表2 生物炭與氮肥配施對玉米根系徑級分布的影響Table 2 Effect of biochar combined with nitrogen fertilizer on maize root diameter class distribution

2.4 氮炭配施對玉米根冠生長的影響

比根長指（SRL，m·g?1）是指單位根生物量的根長，這一特性體現了根系的經濟特性。研究認為<2 mm的細根對水分和養分吸收有重要作用，因此本研究選取0—2 mm的細根計算比根長。如表3所示，與對照相比，大喇叭口期，單施氮肥或配施生物炭處理降低比根長，但差異不顯著。成熟期，除常規施氮外，其他處理提高了比根長（P>0.05），其中N1C1處理較CK提高17.6%。從整個生育期來看，N1C1和N2C1處理的比根長變化最大。從玉米單株干物質來看，與 CK相比，N1C1和 N2C1處理顯著增加大喇叭口期玉米單株干物質；而成熟期，僅有N1C0處理顯著增加單株干物質，其他處理差異不顯著。單施氮肥或配施生物炭處理均對玉米根冠比無顯著影響。

表3 生物炭與氮肥配施對玉米對根冠生長的影響Table 3 Effects of biochar combined with nitrogen fertilizer on the growth of shoot and roots

3 討論

土壤養分不僅是供給作物生長的養料，其含量狀況還是耕地土壤肥力的重要標志（高祥照等，2000）。玉米生長過程中，需要大量的營養元素，其中以氮、磷、鉀為主，氮素對作物產量更是起到關鍵作用（趙蘭坡等，2006）。外施氮肥常常作為增加土壤養分有效性、提高產量的有效方法（Sanchez et al.，1983）。研究表明，生物炭可以改變土壤對氮素的截留與轉化（Wang et al.，2020），進而提高土壤氮素的有效性（劉悅等，2017）。雖然，生物炭自身并不提供重要的營養元素，但它能長期滯留在土壤中并有效的增強對 NH4+、K+和Mg2+的吸附作用（Lee et al.，2018；Yu et al.，2020）。孟繁昊等（2018）通過對內蒙古東、西部2點試驗發現，生物炭和氮肥配施可顯著提高土壤有機碳、全氮含量，進而改變土壤碳氮比。在本研究中，單純減氮或配施生物炭與常規施氮量相比，均顯著降低土壤有機質含量的7.2%—24.2%，可能是由于生物炭加快土壤系統中有機質的分解（劉賽男等，2019）。土壤堿解氮能夠表征短期內土壤的供氮能力。與對照相比，常規施氮或配施生物炭顯著提高土壤堿解氮的6.1%—29.9%、全氮的9.9%—24.2%和全碳含量的 12.6%—15.2%，尤其與常規氮量相比，配施生物炭仍提高土壤堿解氮2.9%—18.7%、全氮9%—13%、全碳19.4%—22.2%。本研究結果與孟繁昊等（2020）的研究結果類似。可能與生物炭具有穩定的芳香烴結構和豐富的孔隙結構有關。這一結構特點能促進農田土壤碳素封存，吸附更多的銨離子，減少氮素流失，進而提高土壤全氮含量（Lehmann et al.，2003；尚杰等，2016；戰秀梅等，2015）。包立等（2018）對大棚土壤添加生物炭的研究發現，施用生物炭能提高大棚土壤有效磷含量，這與本研究結果不一致。本研究表明，氮肥配施生物炭與單純施氮肥相比，土壤有效磷含量顯著降低。可能是與生物炭制備條件（Gao et al.，2019；朱艷等，2020）和制備原材料（孫寧婷等，2021）有關。朱艷等（2020）對不同炭化溫度的改性生物炭吸附性能進行研究，對比發現熱裂解溫度是影響磷吸附性能的主要因素，不同炭化溫度制備的生物炭對磷吸附性能差異較大。而不同生物炭種類對磷流失的影響不同，秸稈炭比竹炭對減少全磷流失效果更好（孫寧婷等，2021）。另外，Jin et al.（2019）通過5年的大田試驗研究認為，生物炭配施氮肥對土壤養分的作用效力隨著時間的推移而減弱，這可能本研究有效磷含量降低的另一個原因。

根系作為植物與土壤之間的“橋梁”，是吸收養分最主要的器官，還是與生物炭接觸最密切的部位。根系的生長、發育對植物地上部的生長具有很大的調控作用（Barberon et al.，2014），而根的發育也反映了局部土壤養分狀態（Moller et al.，2011）。程效義等（2016）研究表明，生物炭配施氮肥可改良土壤結構、增加養分，進而促進玉米灌漿期根系生長。而本研究表明，不同生育時期玉米根系對生物炭的響應不一致。大喇叭口期，與常規氮肥相比，低量生物炭配施氮肥提高了根直徑，減氮10%配施低量生物炭促進根長生長，但差異不顯著。成熟期與常規氮肥相比，常規氮肥配施低量生物炭促進玉米根長生長，但差異不顯著；氮肥配施生物炭均顯著降低根系表面積和根體積。說明常規氮肥配施低量生物炭能延緩玉米細根衰老，這與蔣健等（2015）的結果相似。朱倩等（2019）認為，生物炭對大豆根系發育的影響主要是促進了細根（<0.5 mm）的伸長和增長。本研究中，與常規氮肥相比，配施低量生物炭顯著提高玉米成熟期0—2 mm徑級根系的總根長，提高約9.4%。Kim et al.（2016）研究發現，5%（w/w）生物炭添加量配施化肥顯著提高玉米干重。本研究結果與Kim et al.（2016）的結果不完全一致，本研究發現，低量生物炭配施氮肥顯著增加營養生長期玉米單株干物質積累，但對成熟期單株玉米干重影響不顯著。究其原因，可能與土壤類型或生物炭屬性有關。還有研究認為，生物炭對玉米生長的影響與土壤的初始 pH值有關。當生物炭添加到土壤pH值為4.8—5.0的粘質土/砂質土時，玉米生物量顯著增加；當添加到土壤pH值4.8以下時，生物炭對玉米生長的影響不顯著（Pan et al.，2020）。

4 結論

與常規氮肥相比，配施低量生物炭可促使成熟期玉米根系變細，提高0—2 mm徑級根系的根長；配施高量生物炭可提高土壤堿解氮含量。與減氮10%相比，配施低量生物炭可促進營養生長期0—3 mm徑級根系生長。低量生物炭配施常規氮肥可提高營養生長期玉米單株干物質積累。因此，推薦8.4 t·hm?2生物炭配施225 kg·hm?2氮肥可作為沈陽地區適宜玉米植株生長的生物炭施用量。