生物黑炭和氮肥耦合提升红壤地力的效果

孙永明++熊文++刘祖香+++黄欠如+++李钟平+++郭书亚

摘要：以江西省典型红壤旱地为对象，采用生物黑炭（用量0、6、12、24、48 t/hm2）与氮肥（用量90、120、150 kg/hm2）配施的方法来研究其对典型旱地红壤基础地力的提升效果。结果表明：旱地红壤的容重不同程度降低，0～15 cm土层以C5N3处理降幅最高，达14.90%，与对照相比降幅增加11.01百分点，且随着生物黑炭用量的增加，容重大致上逐渐减小；总孔隙度不同程度提高，0～15 cm土层C5N3处理的总孔隙度比处理前提高了9.32百分点，显著高于其余处理（P<0.05）；土壤养分有机碳、总氮含量均有不同程度提高，0～15 cm土层有机碳含量以C4N2处理提高最多，与对照相比变化量提高了50.06百分点，总氮含量以C4N3处理最好，全氮含量相对变化量比对照提高了40.38百分点；油菜产量与对照相比提高2.90%～49.26%，其中C4N3处理产量最高，比CK高680.94 kg/hm2，显著高于其余处理（P<0.05）。

关键词：生物黑炭；氮肥；耦合；红壤旱地；物理结构；土壤养分；油菜产量

中图分类号： S158.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0352-04

收稿日期：2015-01-15

基金项目：江西省科技计划（编号：20122BBF60087）。

作者简介：孙永明 （1981—），男，江西新干人，硕士，助理研究员，主要从事土壤环境研究。E-mail：sym19811122@163.com。

通信作者：李钟平，副研究员，主要从事土壤肥料研究。E-mail：Lzp1963@163.com。红壤是我国主要的土壤类型之一，主要分布在长江以南各省（区），遍及南方13个省（区），一直是开发利用研究的重点。红壤地区光、温、水等气候资源丰富，是我国农业发展潜力最大的地区和重要的农林产品基地，以占全国28%的耕地养活了全国43%的人口[1]；同时该地区也是我国生态环境脆弱的地区之一，主要表现为水土流失严重，土壤质量和生态系统发生严重退化，土壤紧实、侵蚀、酸化、元素失衡、化学污染、有机质流失和动植物区系的退化等[2]，这些问题严重制约了该区域农业的可持续发展。

生物黑炭由于具有多芳香环、非芳香环的复杂结构，使其表现出高度的化学和微生物惰性，施进土壤后难以被土壤微生物利用；同时，由于其复杂成分中丰富的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子，具有与土壤中的矿物质形成有机、无机复合体的功能活性，在提高酸性土壤pH值、改善土壤的质量、增加土壤有效养分、提高作物产量等方面有重要的作用[3-5]。为此，本研究以江西省典型红壤旱地为研究对象，采用生物黑炭与氮肥配施的方法来研究其对典型旱地红壤基础地力的提升效果，以研究能最大限度提升旱地红壤地力的配方，为红壤地区农田地力的提升和农业可持续发展提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试材料

试验于2013年10月在江西省红壤研究所引育中心基地进行。供试作物为油菜，品种为丰油730；施用的生物黑炭为河南省商丘三利新能源公司出品，原料为小麦秸秆，炭化温度为350～500 ℃，其养分含量分别为有机碳426 g/kg、氮（N）7.7 g/kg，磷（P2O5）2.2 g/kg、钾（K2O）267 g/kg；供试土壤为红壤旱地，基本肥力状况为pH值4.70，有机质含量11.47 g/kg ，全氮含量0.61 g/kg ，全磷含量0.38 g/kg ，全钾含量13.99 g/kg ，速效氮含量51.50 mg/kg ，速效磷含量13.37 mg/kg ，速效钾含量184.95 mg/kg 。1.2试验设计

试验采用5×3完全方案设计，随机区组排列，加上1个完全空白对照处理（CK），共计16个处理，3次重复，共48个小区，小区面积20 m2（4 m×5 m）。其中A因素（生物黑炭）用量5个水平，分别为A1：0；A2：6 t/hm2；A3：12 t/hm2；A4：24 t/hm2；A5：48 t/hm2；B因素（氮肥为纯氮）用量3个水平，B1：90 kg/hm2；B2：120 kg/hm2；B3：150 kg/hm2。各处理详见表1。

1.3测定项目及方法

分别在油菜种植前、收获后采集耕层土壤样品，每个小区随机采集5点，混匀后自然风干，去除石块和植物残根，过2.00、0.25 mm筛，作为分析待测土样。土壤有机质的测定：采用重铬酸钾外加热法；土壤全氮的测定：采用半微量凯氏法；土壤容重采样利用100 cm3的环刀，每个小区采集3个点，烘干后称质量。孔隙度测定参照鲁如坤方法测定[6]。

2结果与分析

2.1生物黑炭和氮肥耦合对旱地红壤物理结构的影响

2.1.1土壤容重由表2可知，生物黑炭与氮肥配施后0～15 cm土层的容重随着生物黑炭用量的增加而大致表现为减小，与试验前相比，各处理旱地红壤的容重下降幅度为2.66%～14.90%，表明生物黑炭与氮肥配施起到了改良旱地红壤土壤结构的作用。在0～15cm土层，C5N2、C5N3处理的容重变化幅度显著大于其余处理（P<0.05），与对照相比降幅分别增加了10.04、11.01百分点；此外，生物黑炭不同用量间和氮肥不同用量间差异也较为明显。在15～30 cm土层，土壤容重的变化幅度低于0～15 cm土层，这可能是因为生物黑炭施入土壤后，首先与土壤表层混合，达到亚表层还需要更长的时间，因此亚表层土壤的容重变化不太明显；此外，在15～30 cm 土层，除C1N1、C1N2处理外，其余处理的土壤容重均有不同程度的降低，其中C5N1处理容重下降最显著（P<0.05），达 7.95%，比对照降幅增加了5.69百分点。

表3至表5同。

2.1.2总孔隙度表3结果显示，施用生物黑炭、氮肥后与施用前相比，各处理土壤的总孔隙度均有提高。在0～15 cm土层，提高幅度为3.97%～19.51%，其中C5N3处理的总孔隙度提升幅度最大，比对照高15.54百分点；方差分析表明，除C1N1、C1N2、C1N3和C2N1处理外，其余处理土壤总孔隙度与对照相比均达到显著差异（P<0.05）。在氮肥水平相同的情况下，土壤总孔隙度随着生物黑炭施用量的增加大致呈现增加趋势；在同一生物黑炭施用量下，不同氮肥水平土壤孔隙度变化基本无差异。说明氮肥对土壤总孔隙度的影响较小，主要是因为氮肥为化学肥料，它对土壤结构的影响远低于其对土壤养分的影响。在15～30 cm土层，各处理总孔隙度的提高幅度为2.72%～11.81%，较0～15 cm土层土壤总孔隙度升高幅度有所下降；方差分析表明，与对照相比各处理表现出不同的差异，其中C5N2处理的总孔隙度增幅最大，相对变化量比对照高 9.09百分点（P<0.05）。同一氮肥水平、不同生物黑炭施用量条件下，土壤总孔隙度差异明显；同一生物黑炭施用量、不同肥水平条件下，C1N1、C1N2和C1N3处理差异不显著。这说明生物黑炭在改善土壤通气方面起到了一定的作用，主要是因为生物黑炭为多孔体系，具有较大的比表面积，与土壤混合后，在一定程度上能起到改变土壤孔隙状况的作用。

2.2生物黑炭和氮肥耦合对红壤旱地养分的影响

2.2.1有机碳（SOC）表4结果显示，施用生物黑炭、氮肥后与施用前相比，0～15 cm土层SOC含量除对照降低外，其余处理均有不同程度的提高，其中C4N2处理提高幅度最大，显著高于其他处理（P<0.05），与对照相比相对增幅高50.06 百分点。同一氮肥用量水平下，随着生物黑炭用量的增加，SOC含量大致呈增加趋势。在15～30 cm土层，SOC含量除未施生物黑炭处理外，其余处理均有提高，提高幅度普遍低于0～15 cm土层，其中C3N2处理SOC含量的增幅最大，显著高于其他处理（P<0.05），增幅较对照高出55.66百分点。结果表明，生物黑炭能够有效提高土壤有机碳的含量。

2.2.2总氮（TN）由表5可以看出，施用生物黑炭、氮肥后与施用前相比，0～15 cm土层土壤的TN含量除CK、C1N1处理较之前降低外，其余处理均表现为升高，升高幅度为2.88%～27.83%，其中C4N3、C5N1处理TN含量提升幅度最大，与对照相比增幅分别提高了40.38、39.63百分点，显著高于其他处理（P<0.05）。

肥施用水平、同一氮肥施用量不同生物黑炭施用水平可知，处理与处理之间存在明显差异，表明生物黑炭和氮肥对土壤中全氮含量均有影响，其影响程度、贡献率大小有待进一步研究。15～30 cm土层各处理TN含量提高幅度明显低于0～15 cm土层，其中C3N2处理TN含量提高幅度最大，与对照相比相对变化量提高了18.17百分点，显著高于其他大部分处理（P<005）。方差分析表明，除CK、C1N1、C1N2、C2N1、C3N2和C5N1等处理外，其余大部分处理间差异不显著，说明生物黑炭和氮肥对15～30 cm土层TN含量作用不明显。

2.3生物黑炭和氮肥耦合对作物产量的影响

由图1可知，试验结束后，各处理油菜的产量与对照相比增幅为2.90%～49.26%，其中C4N3处理油菜产量最高，比对照高680.94 kg/hm2。方差分析表明，各处理油菜产量与对照相比均达到显著差异（P<0.05）。同一生物黑炭施用量不同氮肥水平下，随着氮肥的增加，产量呈增加趋势；同一氮肥水平不同生物黑炭施用量下，随着生物黑炭施用量的增加，油菜产量呈现出先增后降的趋势，在生物黑炭施用量为 24 t/hm2 时达到峰值。

3讨论

容重是土壤的重要物理性质，是衡量土壤紧实程度的一个指标。土壤容重过大，则土壤紧实，不利于土壤通气透水，进而对作物的生长造成影响[7]；土壤容重过小，又不利于土壤保水保肥，养分易于流失。本研究发现，生物黑炭与氮肥配施后，旱地红壤的容重有不同程度的下降，且随着生物黑炭用量的增加，容重也大致逐渐减小，其原因主要是生物黑炭为多孔体系，具有较大的比表面积，与土壤混合后能在一定程度上改变土壤的孔隙状况，降低土壤的拉伸强度，进而提高作物根系在土壤中的穿透能力，降低土壤容重。

土壤SOC不仅是土壤养分循环转化的核心，而且对土壤结构的形成及其稳定性具有重要影响。土壤SOC含量的变化，一直是国内外土地利用、土壤肥力和土壤质量变化研究与评价的核心内容[8]。本研究发现，生物黑炭的施入对旱地红壤有机碳的提升起到了显著效果。

有大量的有机碳，而红壤富含铁、铝氧化物的特性使其具备较强的吸附有机碳能力[9]，土壤有机物作用加强，形成更多有机胶体及其有机无机复合体，改变土壤有机质的组成，稳定了土壤有机碳库，形成了稳定的SOC，提高了土壤肥力[10]。

生物黑炭不仅有改善土壤的质量、增加土壤有效养分，而且在提高作物产量等方面有重要的作用。Zhang等研究表明，在常规施氮条件下，施用生物黑炭10、40 t/hm2分别可以使作物产量提高8.8%、12.1%；在不施氮肥条件下施用生物黑炭10、40 t/hm2分别可以使作物产量提高12%、14%[11]，充分印证了本研究生物黑炭对油菜的增产作用。

4结论

（1）生物黑炭和氮肥耦合改善了旱地红壤物理结构，旱地红壤的容重得到了不同程度的降低，以C5N3处理降幅最高，变化幅度比对照（CK）高11.01百分点，且随着生物黑炭用量的增加，容重逐渐减小。总孔隙度也得到了不同程度的提高，C5N3处理的总孔隙度比处理前提高了9.32百分点，相对变化量显著高于其余处理（P<0.05）。

（2）生物黑炭和氮肥耦合提高了红壤旱地养分，0～30 cm 土层SOC含量均有不同程度的提高。对于0～15 cm土层，在同一氮肥用量水平下，生物黑炭用量越大，SOC含量提高越多。C4N2处理中SOC含量的相对升高百分比与其余处理间差异显著（P<0.05），与对照相比，提高了50.06百分点。在15～30 cm土层，C3N2处理SOC含量的相对升高百分比最大，与其余处理间差异显著（P<0.05），较对照（CK）高55.66百分点。TN含量以C4N3处理最好，相对变化量较对照（CK）提高了40.38百分点。

（3）生物黑炭与氮肥配施后增加了油菜的产量，与对照相比增产2.90%～49.26%，其中C4N3处理单位面积油菜实际产量最高，比CK（对照）高680.94 kg/hm2，增产49.26%，显著高于其余处理（P<0.05）。

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