生物炭对宁夏低质土壤中油菜生长及氮素利用的影响❋

王震宇， 宋晓娜， 陈 蕾， 刘旻慧， 李 冬， 郑 浩

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.海洋科学与技术青岛协同创新中心，山东 青岛 266100；3.宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002)



生物炭对宁夏低质土壤中油菜生长及氮素利用的影响❋

王震宇1,2， 宋晓娜1,2， 陈 蕾1,2， 刘旻慧1,2， 李 冬3， 郑 浩1,2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.海洋科学与技术青岛协同创新中心，山东 青岛 266100；3.宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002)

宁夏地区的淡灰钙土壤养分含量低、保水性差，已成为该地区农业生产的主要限制性土壤。近年来，生物炭在土壤改良方面表现出的巨大潜力,为淡灰钙土壤的改良提供了一种新途径。本文采用花生壳生物炭(BC)及其改良剂(AD)，分别按照0%、1.5%、3%和5%(w/w)的量添加到淡灰钙土壤中，采用室内盆栽试验探究其对“宁杂1号”油菜(BrassicanapusL.)生长及氮(N)素利用有效性的影响。研究表明：BC的添加对油菜生物量和株高无显著影响，但显著增加了N的利用有效性，增幅达31.3%～31.9%。AD的施用使油菜生物量和株高分别增加了106%～140%和30.7%～35.0%，但对N的利用有效性无显著影响。AD增产的主要原因可能是AD中的养分弥补了BC养分不足的缺陷，增强了油菜的根际效应，从而促进了油菜生长。可见，宁夏淡灰钙土壤中BC的施用能减少油菜对N肥的需求，而AD能显著提高油菜产量。这些研究结果为开发适宜于北方干旱地区低质土壤改良的生物炭技术提供了重要的理论数据。

生物炭；改良剂；淡灰钙土；油菜；根际效应；氮素

淡灰钙土壤(Light sierozem)是宁夏地区的主要低质土壤。该类土壤中氮(N)、磷(P)养分和有机质含量低，保水性差，已成为宁夏地区农业生产的主要限制性土壤[1-2]。宁夏淡灰钙土壤面积约为77.2万hm2，占中国淡灰钙土壤总面积的32.9%[3]。低质土壤改良技术的缺乏严重制约着宁夏地区农业和经济的可持续发展。生物炭技术的兴起，为淡灰钙土壤的改良提供了一种新的途径。

生物炭是指生物质在限氧或绝氧的条件下经高温热解形成的一种富含碳素的固体材料，主要用作土壤改良剂[4]。作为一种新型环境友好功能材料，生物炭在缓解全球温室效应[5]，改良培肥土壤[6]，修复污染土壤和水体[7-9]以及资源化利用废弃生物质[10]等方面都表现出巨大的潜能。

生物炭在农业方面表现出巨大的效益和潜力，主要表现在：减少农林废弃物污染[11]；减少土壤养分淋失[12]；增强土壤保水能力[13]；促进作物养分吸收[14]；促进作物的生长，增加作物产量[15]。然而，Spokas等[16]认为并不是所有生物炭对作物的生长都表现出正效应，在其统计研究中发现，只有50%的研究表现出正效应，而30%的研究中生物炭对作物产量没有显著影响，甚至有20%的表现出负效应。这种结果的差异主要是由于生物炭对作物产量的影响不仅与生物炭的原料和制备条件、植物种类以及土壤类型有关，也与土壤是否施加肥料有关[17-19]。因此，一种生物炭并不能解决所有的土壤问题。针对特定的土壤及作物类型，开发“功能生物炭(Designer biochar)”已成为农业领域中生物炭研究的热点[20]。目前，零星研究表明生物炭和肥料同时施加到土壤时，对于作物增产效果显著[19]。这主要是一方面肥料弥补了生物炭养分低的缺陷，另一方面生物炭可将肥料中的养分吸附并长期持留于生物炭中，使养分起到了缓释的特性，减少了肥料中养分因淋溶等作用造成的损失[6]。因此，生物炭与肥料混合施用为“功能生物炭”的开发提供了一种新思路。

本研究选用农业废弃物花生壳为原料制备生物炭，并将生物炭与肥料混合制成一种生物炭改良剂，采用温室盆栽试验研究花生壳生物炭及其改良剂对宁夏淡灰钙土壤中油菜生长及N素利用的影响，探究生物炭作用下的植物根际效应，以期为生物炭技术的应用及推广提供重要的理论数据。

1 材料与方法

1.1 土壤

1.2 生物炭及其改良剂的制备

将花生壳(含水量低于10%)置于生物炭炭化炉中，在350℃厌氧条件下热解2h，然后在冷却罐中密闭厌氧冷却到室温，制成花生壳生物炭(BC)。生物炭改良剂(AD)采用掺混法制备，将NH4NO3、KH2PO4和KCl按N∶P∶K=1∶1∶2的比例与BC、花生壳粉末等原料混合堆制30d，将所得的堆制产品风干、过筛后即为AD。BC和AD的基本理化性质参照李冬等[21]的研究。

1.3 盆栽试验

将BC和AD分别以0%、1.5%、3%、5%(w/w，相当于0、3.15、6.3和10.5t·ha-1)的比例与供试土壤混合均匀，装入20cm×20cm(直径×高)的塑料花盆中，每盆装入2.0kg土壤混合物。各处理分别标记为CK、1.5%BC、3%BC、5%BC和1.5%AD、3%AD、5%AD。每个处理设置4个重复。保持土壤含水量为土壤最大持水量的60%，稳定3d后种植作物。

选用“宁杂1号”油菜(BrassicanapusL.)作为供试植物，采用育苗移栽法，将油菜育苗10d后移栽，每盆3棵。保持土壤含水量为土壤最大持水量的60%。缓苗2周后，每5天测定株高，第40天收获采集样品。

1.4 样品采集与测定

BC和AD的表征：采用元素分析仪(MicroCube, Elementar,德国)测定BC和AD样品中C、H、O、N和S的含量；BC和AD的表面官能团采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)(Tensor 27，Bruker，德国)进行测定，扫描区域为4000～500cm-1，分辨率4cm-1；采用Hitachi S-4800扫描电镜(SEM)测定BC和AD的表面特征和孔隙结构。

植物样品 待油菜成熟后收获，将整株油菜分为地上部和地下部，其中油菜根系为地下部，根系以上为地上部。用自来水冲洗晾干后，105℃杀青30min，然后60℃烘干至恒重，测定干重。油菜株高采用直尺测定。植物TN含量采用H2SO4-H2O2消煮、奈氏比色法测定[22]，氮的利用有效性(NUE)指单位质量的N所生产的生物量，NUE(g·mg-1)=生物量总干重(g)/植物总氮含量(mg)[23]。

1.5 数据分析

利用Excel 2010对所有数据统计与处理，采用DPS和SPSS进行显著性分析。其中DPS采用的分析方法为LSD法(p<0.05)，SPSS采用的分析方法为LSD和Duncan检验(p<0.05)。

2 结果分析

2.1 BC和AD的物化性质

从表1可以看出，BC和AD元素组成存在差异。BC中除O含量低于AD外，C、H、N、S的含量均高于AD。AD中C、H、N、S的含量较低可能是因为化学肥料、花生壳粉末的添加降低了这几种元素的相对含量。

表1 BC和AD的元素含量

图1(a)、(b)所示为不同放大倍数下利用扫描电镜，观察到的BC和AD的表面形态和孔隙结构。从图中可以看到BC和AD中孔隙结构丰富，孔隙中填充了许多矿物晶体[24]，且AD孔隙中含有的量更多。这可能是因为AD中混合了诸如NH4NO3、KH2PO4和KCl等化学肥料，在堆制过程中这些化学组分逐渐进入BC孔隙内或附着在其表面。若将AD与土壤混施，表面的养分物质可与土壤、水分直接接触，而孔隙中的养分物质则通过孔扩散与土壤水分接触，缓慢地释放到土壤中，进而增加土壤中的养分含量。

图1 BC(a)和AD(b)的SEM图像和FTIR光谱图(c)Fig.1 The SEM image of BC (a)， AD (b) and the stacked FTIR spectra of BC and AD (c)

图2 BC(a)和AD(b)对油菜株高的影响Fig.2 The effect of adding BC (a) and AD (b) on the height of rape

2.2 BC和AD对油菜生长的影响

油菜株高 BC和AD的添加对油菜株高的影响如图2所示。BC处理中，在生长期的前25d，只有1.5%BC处理显著增加了油菜的株高，增幅为16.9%。25d以后，所有BC处理与CK相比对油菜株高无显著性影响。AD处理中，在生长期的前20d，所有AD处理与CK相比对油菜株高无显著性影响。20d以后，1.5%AD和3%AD处理显著增加了油菜的株高，增幅分别为7.78%和22.6%。第40d收获时，与CK相比，AD处理显著增加了油菜株高，增幅为30.7%～35.0%。

(不同小写字母表示不同处理之间油菜地上部或地下部生物量存在显著性差异(p<0.05)；不同大写字母表示不同处理之间油菜总生物量存在显著性差异(p<0.05)。The different small letters indicated significant difference for the shoot biomass/root biomass between different treatments (p<0.05); The different capital letters indicated significent difference for the total biomass between the treatments.)

图3 BC和AD对油菜生物量的影响
Fig.3 The effect of adding BC and AD on the biomass of rape

油菜生物量 BC和AD对油菜生物量的影响如图3所示。与CK相比，BC处理对油菜地上部和地下部生物量无显著性影响。AD处理中，1.5%AD和3%AD显著增加了油菜地上部生物量，增幅分别为105%和116%，两个处理中只有1.5%AD显著增加了地下部生物量，增幅为58.0%。5%AD处理对油菜地上部和地下部生物量无显著性影响。对油菜总生物量，BC处理对油菜的增产效果不显著，而1.5%AD和3%AD处理显著增加了油菜的总生物量，其增幅分别为140%和106%。因此，AD较BC对油菜的增产效果更好。

油菜中N的吸收 BC和AD处理对油菜TN含量的影响如图4所示。BC和AD对油菜地上部和地下部TN含量影响不同。与CK相比，BC处理的油菜地下部TN含量显著下降(除3%BC除外)，降幅为19.6%～26.0%。而BC处理对地上部TN含量无显著性影响。AD处理中，只有5%AD处理显著降低了油菜地下部和地上部TN含量，降幅分别为60.3%和34.0%。其余AD处理对油菜地下部和地上部TN含量无显著性影响。

2.3 BC和AD对根际效应的影响

根际pH BC和AD对油菜根际土壤和非根际土壤pH的影响如图5所示。与CK相比，1.5%BC和3%BC对根际土壤pH无显著性影响，而5%BC处理显著降低了0.27个单位pH。除1.5%BC外，3%BC和5%BC显著增加了非根际土壤pH，增幅为0.17～0.21个单位。除1.5%AD外，3%AD和5%AD均显著降低了根际土壤pH，降幅为0.11～0.18个单位，并且这两个处理均显著降低了0.24个单位的非根际土壤pH。BC和AD在相同添加量时，根际土壤pH无显著差异(除3%除外)，而BC处理非根际土壤的pH均显著高于AD处理的非根际土壤pH。这说明BC和AD对油菜根际pH表现了不同效应。

根际土壤N BC和AD对油菜根际土壤和非根际土壤TN含量的影响如图6(a)、(b)所示。除5%BC处理使根际土壤TN显著增加了59.9%外，其余BC处理对根际土壤和非根际土壤TN均无显著性影响。AD处理，1.5%AD处理使根际土壤TN显著增加了53.1%，而对非根际土壤TN无显著性影响。其余AD处理显著增加了根际土壤和非根际土壤TN含量，增幅分别为123%～157%和66.1%～104%。这表明与BC相比，AD明显增加了土壤中TN含量。

(不同小写字母表示不同处理之间油菜地上部或地下部TN含量存在显著性差异(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference (p<0.05).)

图4 BC(a)和AD(b)对油菜TN含量的影响
Fig.4 The effect of adding BC (a) and AD (b) on the TN content in rape

(不同小写字母表示不同处理之间根际土壤或非根际土壤 pH存在显著性差异(p<0.05)；星号表示同一处理之间根际土与非根际土壤pH存在显著性差异(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference for pH value between different treatments in rhizosohere or non-rhizosohere soils (p<0.05). The asterisk indicated the significant difference for pH values between rhizosphere and non-rhizosohere soils in the same treatment (p<0.05).)

图5 BC和AD对土壤pH的影响
Fig.5 The effect of adding BC and AD on soil pH

BC和AD对油菜NUE的影响如图7所示。BC的添加增大了油菜的NUE，且在1.5%BC时达到最大，增幅为31.95%。而AD的施入对油菜的NUE无显著影响。BC和AD在相同添加量时，除5%BC的NUE显著高于5%AD的NUE，其余相同添加处理间均无显著差异。

3 讨论

(不同小写字母表示不同处理之间根际土壤或非根际土壤TN(a,b)或(c,d)含量存在显著性差异(p<0.05)；星号表示同一处理之间根际土壤与非根际土壤存在显著性差异(p<0.05)。The different small letters indicated the significant difference for TN for H+4-N aritent in the rhizosphere or non-rhizosohere soils between different treatments (p<0.05). The asterisk indicated and significant difference between rhizosphere and non-rhizosohere soils in the same treatment.)

图6 BC和AD对土壤TN(a,b)和NH+4-N(c,d)含量的影响
Fig.6 The effect of adding BC and AD on the content of TN (a, b) and NH+4-N (c, d) in the soil

生物炭的农业效益常常归功于其改变了土壤理化性质(如pH、土壤容重、CEC等)[25]、减少了养分淋失[12]和提高了微生物活性[34,39]等作用，却忽略了生物炭对作物根际效应的影响[40]。根际(rhizosphere)是受植物根系生长活动的影响，在物理、化学和生物特性上不同于原土体的特殊土壤微域，是植物-土壤-微生物及其环境相互作用的场所[41]。土壤中的水分和养分必须首先经过这一微域后才能被根系所吸收。根系活动引起的根际物理学、化学和生物学性状的变化将直接影响作物产量和品质[41]。

本研究中，BC的施用使根际土壤和非根际土壤pH产生了显著性差异(见图5)。在CK和BC的处理组中，根际土壤的pH值都显著低于非根际土壤，这与徐振华等[42]的研究结果一致。这种现象的产生可能与养分吸收过程中根系微生物和根的呼吸作用产生的CO2有关[43]，也可能与植物根系养分吸收相耦联的质子和有机酸的分泌作用有关[41]。这种由植物自身引起的根际pH的降低可以提高石灰性土壤中P、Zn、Mn、Cu、Fe、B、Si等养分的有效性，同时根系分泌的有机酸可以活化土壤中的磷，增加磷素的移动性和利用性[44]，对农业生产具有极其重要的作用。与BC的作用效果不同，AD作用的同一处理间根际土壤和非根际土壤间的pH无显著性差异。BC和AD在相同添加量时，AD处理的非根际土壤pH均低于BC处理的非根际土壤pH，这可能是由于生物炭与肥料复合混施缓和了单施生物炭急剧提高土壤pH的问题[19]。这种缓和作用使土壤pH更接近于油菜生长最适pH=5.8～6.7，所以AD处理的油菜产量更高。5%AD处理虽然进一步降低了根际土壤pH，但其增产效果不显著，这可能是由于高添加量时AD养分含量过高，养分的富集可能在根的周围形成了诸如CaCO3沉淀等一类的障碍物，不仅阻碍了水分顺利穿过根际到达表面，并且对养分吸收也产生了阻碍作用[41]。

图7 BC和AD对油菜NUE的影响Fig.7 The effect of BC and AD adding on NUE

土壤理化性质的变化(如pH、养分含量)和作物根际效应的共同作用下，BC和AD影响了养分的可利用性。虽然BC的施用并没有显著提高油菜的生物量，但1.5%BC和5%BC处理显著提高了油菜的NUE(图7)，在一定程度上意味着BC的施加减少了油菜生长对N肥的需求。与BC作用效果不同，AD虽然显著提高了油菜的生物量，但对油菜的NUE没有显著影响，这可能是由于AD促进了油菜生长，生物量的增大产生的稀释效应所致[21]。

4 结语

淡灰钙土壤中BC的添加对油菜株高和生物量无显著影响，但显著提高了油菜的NUE，且1.5%添加量下效果最佳。AD的施用使油菜株高和生物量分别增加了30.7%～35.0%和106%～140%，且3%添加量下效果最显著，但AD对NUE无显著性影响。因此，BC和AD两种土壤改良剂各具优点：BC在不减产的条件下能显著减少油菜对N肥的需求，对降低油菜生产成本具有重要意义，而AD的施用能显著提高油菜的产量。

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责任编辑 庞 旻

The Effect of Adding Biochar on Rape Growth and Nitrogen Utilization in Light Sierozem of Ningxia

WANG Zhen-Yu1, 2, SONG Xiao-Na1, 2, CHEN Lei1, 2, LIU Min-Hui1, 2, LI Dong3, ZHENG Hao1, 2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China; 3. Ningxia Academy of Agro-Forestry Sciences, Germplasm Resources Research Institute, Yinchuan 750002, China)

Light sierozem, with low content of nutrients and poor water-retaining property, is widely distributed in Ningxia Hui Autonomous Region. To seek a better way to amend the fertility of light sierozem, peanut hull biochar (BC) and biochar-based amendment (AD) were chosen as soil conditioner. In the pot experiment, BC and AD were added into the soil at the rates of 0%, 1.5%, 3% and 5% (w/w) respectively to investigate their effects on the growth of rape, as well as nitrogen utilization efficiency. The results indicate that BC has no effect on rape biomass and plant height, while AD significantly increased them by 106%～140% and 30.7%～35.0%, respectively. The main reason for the difference is that AD made up the BC nutrient deficiency, thus it enhanced the rape rhizosphere effect. Adding BC markedly increased the nitrogen utilization efficiency by 31.3%～31.9%, while there was no significant effect for that of AD. Therefore, it may conclude that BC application may reduce the demand for nitrogen fertilizer, and AD may promote the rape yield.

biochar; amendment; light sierozem; rape; rhizosphere effect; nitrogen

国家海洋公益性行业科研专项( 201305021)；宁夏回族自治区科技支撑计划项目(2013Zys149)；宁夏农林科学院自主研发项目(nkyg-13-11)资助

2015-01-04；

2015-04-08

王震宇(1969-)，男，教授。E-mail: wang0628@ouc.edu.cn

X131.3

A

1672-5174(2015)12-094-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140441