生物黑炭对黑土根际土壤氮素转化强度及无机氮的影响

2016-10-26王大庆孙泰朋王宏燕

水土保持研究 2016年5期

关键词：黑炭氨化铵态氮

王大庆,孟颖,孙泰朋,赵伟,王宏燕

(1.黑龙江省农垦经济研究所,哈尔滨 150030; 2.东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030)

生物黑炭对黑土根际土壤氮素转化强度及无机氮的影响

王大庆1,孟颖2,孙泰朋2,赵伟2,王宏燕2

(1.黑龙江省农垦经济研究所,哈尔滨 150030; 2.东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030)

采用盆栽试验，研究了生物黑炭对大豆根际土壤氮素转化强度及无机氮的影响。结果表明：固氮作用强度在结荚期达到最大值，此后逐渐呈现出降低的趋势。氨化作用强度在开花期、结荚期和鼓粒期有显著差异，5%生物黑炭处理的氨化作用强度均显著高于CK处理。硝化作用强度在苗期、开花期和结荚期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤硝化作用强度与CK处理均存在显著性差异；在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，分别比CK处理提高了58.87%，84.49%。生物黑炭的适量施用提高了根际土壤铵态氮的含量。苗期、花期、结荚期和鼓粒期不同处理之间铵态氮含量存在显著差异，成熟期差异不显著。合理的生物黑炭施用量对硝态氮利用起着关键性的作用，在苗期、花期、结荚期、鼓粒期，5%生物黑炭的处理均显著高于CK处理，在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著降低了20.73%，21.04%，22.85%。

生物黑炭; 黑土; 氮素转化; 无机氮

近年来，随着秸秆产量增加，大量秸秆资源未被合理利用，经常发生就地焚烧秸秆的现象，由此造成的环境污染、土壤退化等问题引起广泛关注[1]。如何减少土地利用中温室气体排放、增加陆地生态系统碳汇是当前减缓气候变化研究的热点之一。而利用农作物秸秆制备生物黑炭技术因其绿色环保日益受到重视，成为秸秆资源化利用新途径。而生物黑炭是有机质高温裂解的产物，具有相对稳定的结构，能够影响土壤肥力进而对作物生长产生影响[2-4]，减少CH4和N2O等温室气体的排放，更能增加土壤碳库、改善土壤持水性、改变土壤容积、增加酸性土壤pH、阳离子交换量，进而通过影响营养物质转化(如氮的有效性)提升土壤肥力，改善土壤物理条件[5-6]。生物炭也能促进茶树和紫荆树等生长，提高菜豆、高羊茅草、玉米、水稻、萝卜等作物生物量，并使菜豆、玉米、水稻等作物增产[7]。

1　试验材料和方法

1.1试验材料

本试验采用的黑土是东北农业大学试验田0—20 cm耕层土，生物黑炭是由辽宁省生物炭工程技术研究中心提供，基质为玉米秸秆，供试作物为大豆(东农-47)，供试土壤类型为黑土壤土，有机质含量48.36 g/kg，全氮1.7 g/kg，全磷0.21 g/kg，碱解氮173 mg/kg，速效磷18 mg/kg，速效钾209 mg/kg，pH为6.91。生物黑炭为实验室在500℃条件下热裂解玉米秸秆制得。把粉碎后玉米秸秆放入瓷坩埚内，经加盖密封后置于马弗炉内高温灼烧，马弗炉升至500℃后，保持该温度2 h，待马弗炉温度自然降至室温后，取出烧好的生物质炭，经300目研钵粉碎后装袋备用。生物黑炭有机质含量716 g/kg，全氮6.878 g/kg，全磷10.259 g/kg，速效钾25.986 mg/kg，pH为9.89。

1.2试验设计

试验为盆栽试验，选用上口径为28 cm、下口径16 cm、高18 cm的聚乙烯塑料盆，将所取的土样平铺在塑料薄膜上风干、压碎，剔除根系和石块，过粗筛(3 mm×3 mm)备用，每盆装土10 kg。供试作物为大豆，试验在东北农业大学试验站进行。黑炭的梯度按土壤质量比设置，分别添加生物黑炭0，1%，5%，10%(分别用Y1，Y5，Y10表示)，氮素2个梯度，分别为50 mg/kg和100 mg/kg(分别用N1和N2表示)，P，K按大豆生长需要肥施用量分别为100 mg/kg，150 mg/kg，肥源为商品尿素(CH4N2O)、KH2PO4和K2SO4，共设置9个处理。分别为：不施肥(CK)、N1、N2、N1+1%玉米黑炭(N1Y1)、N1+5%玉米黑炭(N1Y5)、N1+10%玉米黑炭(N1Y10)、N2+1%玉米黑炭(N2Y1)、N2+5%玉米黑炭(N2Y5)、N2+10%玉米黑炭(N2Y10)。

每个处理3次重复。2012年5月18日播种，供试大豆品种为东农-47。出苗后，每盆保留4株长势一致的幼苗，每两天浇1次水，使土壤中含水量为田间持水量的60%，土壤容重控制在1 g/cm3,不同处理的管理措施一致。在5个时期(苗期、花期、荚期、鼓粒期、成熟期)进行取样测定，每次取3盆即3个重复。

1.3样品的采集及测定

1.3.1样品的采集分别于苗期、花期、结荚期、鼓粒期和成熟期5个时期取样，每个处理植株取3盆，全部取回，采用抖落法收集根际土壤。将根际土壤用无菌塑封袋封好放入冰盒内迅速带回实验室，将采回的新鲜土样置于无特殊气体、无灰尘污染的室内自然风干，研磨并过10目、20目和100目筛，供土壤理化性质的测定。

1.3.2测定方法

(1)土壤氮素转化细菌强度的测定。固氮作用强度：采用土壤培养法[13]。固氮菌采用改良的阿须贝无氮培养基，28～30℃下避光培养7 d。氨化作用强度：取新鲜土壤10 g于150 ml灭菌三角瓶中，加入灭菌的0.2%蛋白胨5 ml，并用灭菌蒸馏水调节土壤水分达最大持水量的50%～60%，塞上棉塞，28℃下培养7 d，采用比色法测定。硝化作用强度：采用培养基接种土壤悬液法，吸取稀释度为1/10土壤悬浮液1 ml，加入灭菌后的30 ml亚硝酸盐培养基中，置于28℃恒温箱中，培养15 d，加入对氨基苯磺酸溶液，α-萘胺溶液和20%醋酸钠溶液，于波长520 nm处比色，根据培养后剩下的亚硝酸根含量表示硝化作用强度。

(2)无机氮的测定。铵态氮：土壤浸提液—流动分析仪测定；硝态氮：土壤浸提液—流动分析仪测定[14]。

1.4数据分析

利用SPSS 15.0进行数据的处理和统计分析，采用Duncan多重比较法判断各处理间的差异显著性(p<0.05)，并使用Excel 2010作图。

2　结果与分析

2.1生物黑炭对根际土壤固氮作用强度的影响

不同处理对根际土壤固氮作用强度的影响见图1。不同处理在整个生育期固氮作用强度的变化趋势基本一致，均在结荚期达到最大值，此后逐渐呈现出降低的趋势。从整个生育期的平均水平来看，根际土壤固氮作用强度由大到小的顺序依次为N2Y5，N1Y5，N2Y1，N1Y1，N1，CK，N2，N1Y10，N2Y10。鼓粒期和成熟期不同处理根际土壤固氮作用强度无显著差异(p<0.05)。在苗期，N1Y5，N2Y1和N2Y5处理下根际土壤固氮作用强度比CK处理显著提高了39.5%，30.33%，69.5%。在开花期，N1Y5和N2Y5处理下根际土壤固氮作用比CK处理显著提高了95.12%，1.46倍。在结荚期，N1Y5和N2Y5处理下根际土壤固氮作用比CK处理显著提高了45.71%，54.43%。鼓粒期和成熟期不同处理根际土壤固氮作用强度无显著差异(p<0.05)。从整个生育期看，生物黑炭的适量施入对根际土壤固氮作用强度有促进作用。

图1　生物黑炭在大豆不同生育期对根际土壤固氮作用强度的影响

2.2生物黑炭对根际土壤氨化作用强度的影响

由图2可知，不同处理在整个生育期氨化作用强度的变化趋势基本一致，即先上升后下降。不同处理根际土壤氨化作用强度均在结荚期达到最大值，从整个生育期平均水平来看，根际土壤氨化作用强度由大到小的顺序依次为N2Y5，N1Y5，N2Y1，N1Y1，N1Y10，N1，N2Y10，CK，N2。方差分析结果表明，在苗期和成熟期，各处理对氨化作用强度均没有显著的影响(p>0.05)。在开花期，N2Y5和N1Y5处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理显著提高了80%，70%。在结荚期，N2Y5和N1Y5处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理显著提高了91.67%，66.67%。在鼓粒期，N2Y1和N2Y5处理下根际土壤氨化作用强度比CK处理显著提高了63.64%，72.73%。综上所述，说明生物黑炭在一定程度上能提高根际土壤氨化作用强度。

图2　生物黑炭在大豆不同生育期对根际土壤氨化作用强度的影响

2.3生物黑炭对根际土壤硝化作用强度的影响

不同处理对根际土壤硝化作用强度的影响见图3，从整个生育期来看，变化趋势基本一致，即先上升后下降，均在结荚期达到最大值，硝化作用强度最大的是N2Y5。从图3中可以直观看出在整个生育期N2Y5处理下的根际土壤硝化作用强度均高于其他处理。从总体平均水平来看，硝化作用强度由高到低的顺序依次N2Y5，N1Y5，N2Y1，CK，N1，N1Y1，N2，N2Y10，N1Y10，这说明施入生物黑炭会提高根际土壤的硝化作用强度。经方差分析结果表明，在苗期、开花期和结荚期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤硝化作用强度与CK处理均存在显著性差异。在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，分别比CK处理提高了58.87%，84.49%。各时期各处理间几乎都存在显著差异(p<0.05)，表明生物黑炭在一定程度上能提高根际土壤硝化作用强度。

图3　生物黑炭在大豆不同生育期对根际土壤硝化作用强度的影响

2.4生物黑炭对根际土壤无机氮的影响

2.4.1生物黑炭对铵态氮的影响由图4可看出，整个生育期土壤铵态氮含量的变化趋势基本一致，都是先升高再降低，花荚期达到最大，各时期间差异不显著。经方差分析结果表明，同一时期不同处理之间的差异也不一样，苗期、花期、结荚期和鼓粒期不同处理之间铵态氮含量存在显著差异(p<0.05)，成熟期差异不显著。在苗期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理提高了16.90%，16.76%。在开花期，N2Y5，N1Y5，N2Y10和N1Y10处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理分别提高了17.25%，16.24%，12.89%，10.48%。在鼓粒期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，N2Y5处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理提高了9.14%。从整个生育期平均水平来看，铵态氮利用情况由高到低的顺序依次是N2Y5，N1Y5，N1Y1，N1，N2，N1Y10，CK，N2Y1，N2Y10。总体来看生物黑炭对铵态氮含量起到了促进作用。

图4　生物黑炭在大豆不同生育期对根际土壤铵态氮的影响

2.4.2生物黑炭对根际土壤硝态氮的影响如图5所示，不同处理下硝态氮含量在整个生育期变化一致，总体来看硝态氮含量都是先升高后下降，不同处理下的硝态氮含量均在结荚期达到最大。从整个生育期平均水平来看，硝态氮利用程度由大到小顺序为N2Y5，N1Y5，N2Y1，N1，CK，N1Y1，N2Y10，N2，N1Y10。方差分析结果表明，在苗期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著提高了14.12%，10.71%。在开花期和结荚期，N2Y5处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著提高了46.61%，38.60%。在鼓粒期，N1Y5，N2Y1和N2Y5处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著提高了31.71%，26.95%，46.61%。在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著降低了20.73%，21.04%，22.85%。从总体来看，在各个时期中适量的施入生物黑炭对硝态氮的利用都起到了促进作用；从成熟期来看，过量施入生物黑炭则会抑制硝态氮的利用。综上，合理的生物黑炭施用量对硝态氮利用率起着关键性的作用。

图5　生物黑炭在大豆不同生育期对根际土壤硝态氮的影响

3　讨论与结论

3.1讨论

3.1.1生物黑炭对根际土壤氮素转化强度的影响生物黑炭对土壤氮素转化及无机氮影响结论并不一致[15-17]。顾美英等[18]研究表明施用生物炭对新疆连作棉田根际和非根际土壤养分有一定的影响。灰漠土根际土壤有机质含量分别增加36.1%和7.9%，非根际土壤分别增加32.8%和15.4%，施用生物炭能提高新疆灰漠土连作棉田根际土壤养分。同时，Lehmann等[19]的研究也发现生物炭具有固碳、贮存养分和提高土壤肥力的能力。Dempster等[20]研究认为，施用生物黑炭可促进土壤有机氮的矿化。孙永明等[21]认为施用生物黑炭增加了土壤CEC，增加幅度随生物黑炭施用量的增加而增加。同时刘志华等[22]研究也表明中量生物黑炭与化肥配施(5%BF处理)显著促进大豆根际固氮菌数量、氨化细菌数量和硝化细菌数量，从而提高土壤氮素转化强度。本试验表明，生物黑炭对根际土壤生物固氮作用强度具有促进作用，苗期、花期和结荚期均存在显著性差异。氨化作用强度从总体看，在苗期和成熟期，各处理对氨化作用强度均没有显著的影响(p>0.05)。在开花期、结荚期和鼓粒期，5%生物黑炭的处理的氨化作用强度均显著高于CK处理。硝化作用强度从总体看，在苗期、开花期和结荚期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤硝化作用强度与CK处理均存在显著性差异。在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，分别比CK处理提高了58.87%，84.49%。本试验从转化强度来看，生物黑炭对土壤生化强度的影响具有阶段性。

3.1.2生物黑炭对根际土壤无机氮的影响孟颖等[15]研究结果表明，短期生物黑炭的施入对铵态氮含量无显著性影响，但显著增加土壤全氮和硝态氮含量，且增加程度随生物黑炭施入量的增加而增加。同时刘娇等[12]研究表明不同碳源(玉米秸秆和黑炭)的施加对氮素净矿化量的影响差异极显著(p<0.01)。与直接施加玉米秸秆相比，施加黑炭增加了土壤硝态氮和铵态氮的含量。然而肖辉等[23]研究结果表明，生物黑炭能显著降低设施土壤表层及剖面硝态氮含量,且使用量越大,效果越明显。而刘志华等[24]研究表明生物黑炭影响大豆苗期、花期和结荚期根际铵态氮含量，对鼓粒期和成熟期根际铵态氮含量无显著影响，这可能与施入生物黑炭的量有关。本试验研究:苗期、花期、结荚期和鼓粒期不同处理之间铵态氮含量存在显著差异(p<0.05),成熟期差异不显著。在苗期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理提高了16.90%，16.76%。在开花期，N2Y5，N1Y5，N2Y10和N1Y10处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理分别提高了17.25%，16.24%，12.89%，10.48%。在鼓粒期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，N2Y5处理下的根际土壤铵态氮含量比CK处理提高了9.14%。说明合理生物黑炭量对土壤铵态氮含量有重要作用。在苗期、花期、结荚期、鼓粒期，5%生物黑炭的处理均显著高于CK处理，说明合理的生物黑炭施用量对硝态氮利用率起着关键性的作用。在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著降低了20.73%，21.04%，22.85%，说明过量施入生物黑炭则会抑制硝态氮的利用。所以合理的生物黑炭施用量对硝态氮利用率起着关键性的作用。

3.2结论

生物黑炭对根际土壤生物固氮作用强度具有促进作用，苗期、花期和结荚期均存在显著性差异。氨化作用强度在苗期和成熟期，各处理对氨化作用强度均没有显著的影响；在开花期、结荚期和鼓粒期，5%生物黑炭的处理的氨化作用强度均显著高于CK处理。硝化作用强度在苗期、开花期和结荚期，N2Y5和N1Y5处理下的根际土壤硝化作用强度与CK处理均存在显著性差异；在鼓粒期和成熟期，只有N2Y5处理与CK处理存在显著性差异，分别比CK处理提高了58.87%，84.49%。

生物黑炭的适量施用提高了根际土壤铵态氮的含量，苗期、花期、结荚期和鼓粒期不同处理之间铵态氮含量存在显著差异(p<0.05)，成熟期差异不显著。合理的生物黑炭施用量对硝态氮利用率起着关键性的作用，在苗期、花期、结荚期、鼓粒期，5%生物黑炭的处理均显著高于CK处理，在成熟期，N1Y5，N1Y10和N2Y10处理下的根际土壤硝态氮含量比CK处理显著降低了20.73%，21.04%，22.85%。

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Effects of Biochar on Nitrogen Transformation and Mineral Nitrogen of Rhizosphere in Black Soil

WANG Daqing1,MENG Ying2,SUN Taipeng2,ZHAO Wei2,WANG Hongyan2

(1.Heilongjiang Economic Research Institute of State Farms,Harbin 150030,China; 2.College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)