秸秆生物炭配施氮肥对潮土土壤碳氮含量及作物产量的影响

宋大利，习向银，黄绍敏，张水清，袁秀梅，黄伏森，刘阳，王秀斌

（1 西南大学资源环境学院，重庆 400715；2 农业部植物营养与肥料重点实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002）

秸秆生物炭配施氮肥对潮土土壤碳氮含量及作物产量的影响

宋大利1,2，习向银1*，黄绍敏3，张水清3，袁秀梅1，黄伏森1，刘阳1，王秀斌2*

（1 西南大学资源环境学院，重庆 400715；2 农业部植物营养与肥料重点实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002）

【目的】探讨玉米秸秆生物炭配施氮肥对华北潮土区土壤理化特性和作物产量的影响，阐明土壤和植株对生物炭和氮肥施用的响应，旨在为该区域秸秆资源高效利用、培肥土壤及作物增产提供科学依据。【方法】以华北冬小麦-夏玉米轮作区为研究对象，研究玉米秸秆生物炭 (缺氧条件下 450℃ 热裂解 1 小时获得) 配施氮肥对土壤养分含量、微生物量以及作物产量的影响。试验采用裂区设计，以秸秆生物炭施用量为主区，施氮量为副区。秸秆生物炭用量设 0、7.5 和22.5 t/hm23 个 水 平(以 BC0、BC7.5、BC22.5表示)；氮肥用量设 0、150、 225和 300 kg/hm24 个水平 (以 N0、N150、N225、N300表示)。小麦在 2014 年 10 月 9 日播种，次年 6 月 8 日收获；玉米在 2015 年 6 月 10 日播种，当年 9 月 28 日收获。在作物成熟期进行产量测定，并采集 0—20 cm 土壤样品以及采用常规方法进行土壤有机碳 (SOC)、全氮 (TN)、可溶性有机碳 (DOC)、铵态氮 (NH4+-N)、硝态氮 (NO3

玉米秸秆炭；氮肥用量；潮土；土壤理化性质；产量

soil physical and chemical properties; crop yield

生物炭 (Biochar) 是指生物质在缺氧和相对温度“较低” (＜700℃) 条件下热解而形成的富含碳的产物[1]，其孔隙丰富、比表面积大，具有高度的芳香族结构[2]。基于生物炭特有的性质，其不仅影响土壤内在的理化性质和生物学特性[3]，而且在许多生物地球化学过程中起着关键性作用[4]，尤其是在碳、氮循环中尤为突出[5]。大量研究表明，生物炭作为土壤改良剂能够提高土壤肥力和库存碳[6-7]，如增加土壤有机碳、可溶性有机碳含量，提高土壤中的碳氮比和提高土壤对氮、磷、钾等元素的吸持容量[8-10]。也有些研究显示，生物炭对土壤肥力参数和碳库存潜力有抑制作用或没有影响[11-12]。这些差异性结果主要取决于土壤类型、生物炭种类及用量等[13]。此外，矿质肥料也能够显著影响土壤碳、氮的转化过程[14]。已有研究表明，过量施氮会影响土壤有机碳、氮的组成与数量，进而改变土壤供氮能力[15-16]。

合理施肥对作物产量有显著影响。基于 Metaanalysis 方法，Jeffery 等[17]系统分析了施用生物炭与作物产量之间的相关性，结果表明，生物炭改良土壤后的平均增产幅度约为10%，但变异性较大 (-28%～39%)。其中，从土壤类型看，在酸性与中性土壤，粗质地与中等质地土壤中增产幅度较大；从施用量看，生物炭与矿质肥料配施作物增产效果较为明显[18]，且混施或配施在保持原有产量不变的条件下，降低10% 化肥用量[19]。可见，生物炭的最佳增产作用还需考虑到土壤类型以及施肥状况等因素。

华北平原是我国主要的粮食基地，小麦和玉米产量分别占全国的 50% 和 35%[20]。然而，该区域过量施肥现象十分突出，氮肥平均用量高达 500～600 kg/hm2，未显著增加作物产量，但导致了较低的氮肥利用率和严重的环境污染[21]。因此，探讨科学的施肥管理措施是迫切需要的。迄今为止，有关生物炭在土壤环境领域的研究多数是基于风化土及典型热带贫瘠土壤，且多是室内模拟试验条件下的结果[22-23]，而有关生物炭配施氮肥对华北石灰性潮土土壤理化性质、作物产量的影响尚不清楚。因此，本研究针对秸秆生物炭配施氮肥对华北冬小麦/夏玉米轮作区土壤肥力及作物产量的影响这一问题，采用一年田间试验，研究玉米秸秆生物炭配施氮肥对石灰性潮土土壤碳、氮的转化特征及作物产量的影响，阐明土壤和作物对玉米秸秆生物炭和氮肥施用的响应，旨在为生物炭与氮肥合理施用、作物增产增效、保护农田生态环境提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于 2014 年 9 月在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地 (N34°47′、E113°40′) 进行，该区地处暖温带，年均气温 14.4℃，年降雨量 640.9 mm，无霜期约 225 d，年日照时数 2400 h。主要种植方式为冬小麦- 夏玉米轮作。供试冬小麦品种为郑麦 7698、玉米品种为浚单 20。供试土壤类型为石灰性潮土，采集 0—20 cm 耕层土壤样品进行基础养分测定，其有机质含量为 9.27 g/kg，全氮 0.71 g/kg，速效磷和速效钾分别为 24.98 和 154.65 mg/kg，铵态氮和硝态氮含量分别为 1.97 和 8.58 mg/kg，pH 为 8.17。

试验所用生物炭以玉米秸秆为原料，在 450℃缺氧条件下热裂解 1 小时获得，购自河南省新发农业科技有限公司。生物炭比表面积为 4.00 m2/g，孔体积为 0.01 mL/g，碳、氮含量分别为 45.2%、1.5%，EC 值为 4.62 mS/cm，pH 为 10.62。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以生物炭施用量为主区，施氮量为副区。秸秆生物炭设 0、7.5 和 22.5 t/hm23个水 平 ，分别以 BC0、BC7.5和 BC22.5表示，生 物 炭在冬小麦播种前一次性撒施后旋耕，玉米季不再施用；施氮量设为 0、150、225 和 300 kg/hm24 个水平，以 N0、N150、N225和 N300表示，施氮方式在小麦季基肥和拔节期追肥各占 1/2，玉米季基肥和大喇叭期追肥各占 1/2。小麦季和玉米季各小区磷、钾肥用量相同，分别为 P2O5150 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，全部做底肥一次施入。每个处理 3 次重复，随机区组排列，小区面积 20 m2(长 5 m、宽 4 m)，小区间隔 0.5 m。供试氮、磷、钾肥分别为尿素 (N46%)，过磷酸钙 (P2O512%) 和氯化钾 (K2O60%)。小麦在2014 年 10 月 9 日播种，次年 6 月 8 日收获；玉米在2015 年 6 月 10 日播种，当年 9 月 28 日收获。田间管理同当地高产田一致。

1.3 样品采集与测定

在冬小麦和夏玉米成熟期分别采集 0—20 cm 耕层土壤样品，按四分法分取两份，一份取回风干研磨，分别过 0.85 mm 和 0.15 mm 筛测定土壤养分含量；另一份用无菌袋带回放入 4℃ 冰箱保存，测定土壤微生物量碳、氮以及土壤铵态氮和硝态氮含量。每个小区单独收割测定作物籽粒产量。

土壤和生物炭的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定[24]。土壤有机碳 (SOC) 用 K2Cr2O7氧化—外加热法测定；土壤全氮 (TN) 用凯氏蒸馏法测定；土壤铵态氮 (NH4+-N) 和硝态氮 (NO3

--N) 用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提—SEALAA3 流动注射分析仪测定；土壤微生物量氮 (MBN)、微生物量碳(MBC):氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4浸提，浸提液过滤后用 ANALYTIKJENA multi N/C3100 仪测定有机氮、碳，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机氮之差除以 KE(0.45) 得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和 未 熏 蒸 土 壤 的 有 机 碳 之 差 除 以 KE(0.38) 得 到[25]；土壤可溶性有机碳 (DOC) 采用 0.5 mol/L K2SO4浸提—ANALYTIKJENA multi N/C3100 仪测定有机碳。其中生物炭的元素组成采用德国 Elementar 公司生产的Vario EL Ⅲ 型元素分析仪测定；比表面积和孔结构表 征 利 用 全 自 动 物 理 化 学 吸 附 仪 (ASAP2020，Mieromeritics，USA)，采用容量法，通过BET吸附方程进行计算。

1.4 数据统计分析

试验数据采用 SAS9.1 软件进行方差分析和相关性分析，多重比较采用 LSD 最小极差法。用 Excel 2016 软件进行数据计算和图表制作。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳、全氮含量及其比值

由表 1 可知，冬小麦和夏玉米收获后，生物炭用量对土壤有机碳 (SOC) 含量均具有极显著影响(P＜0.01)，且均以 BC22.5N150处理的土壤 SOC 含量最高，分别为 9.53 和 11.83 g/kg。从生物炭用量看，增加生物炭用量可以显著增加土壤 SOC 含量 (P＜0.05)，且均以 BC22.5含量最高，在四种氮水平下 (N0、N150、N225、和 N300) BC22.5与 BC0相比，其含量在冬小麦季分别提高了 101.0%、115.0%、108.4% 和 105.0%，夏玉米季分别提高了 111.4%、147.5%、165.0% 和84.5%，BC22.5与 BC7.5相比其含量同样显著增加，平均提高了 47.8% (冬小麦季) 和 54.9% (夏玉米季)。而从施氮水平来看，在施氮水平为 150 kg/hm2时，冬小麦和夏玉米季土壤 SOC 含量均达最大值，但同一生物炭用量下不同施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)。夏玉米收获后土壤 SOC 平均含量较冬小麦收获后显著增加，其增加幅度不同，生物炭用量间差异显著，分别为 3.6% (BC0)、7.8% (BC7.5) 和 13.3% (BC22.5)；而不同施氮水平间差异不显著 (P＞0.05)。

表1 不同处理对土壤有机碳、全氮含量及其比值的影响Table 1 Effects of different treatments on SOC, TN and SOC/TN in soil

同一氮肥用量下土壤全氮含量随生物炭用量的增加而显著增加 (P＜0.05)，均以 BC22.5处理土壤全氮含量最高。同一生物炭用量下土壤全氮含量随施氮量增加而增加，以 N300处理土壤全氮含量最高。在两季作物中均是以 BC22.5N300处理土壤全氮含量最高，较BC0N300处理分别增加 58.4% 和 60.4%。生物炭对土壤全氮含量具有显著影响 (P＜0.01)，BC22.5与 BC0和BC7.5处理相比均有显著增加，冬小麦其含量分别平均提高了 54.5% 和 18.5%，夏玉米分别平均提高了64.9% 和 32.3%；而增加施氮量虽能增加土壤全氮含量，但施氮水平对土壤全氮含量影响不显著 (P＞0.05)。

两季作物中各处理的土壤 C/N 比略低，基本维持在 8～11 之间。施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)，而在同一施氮水平下土壤 SOC/TN 比值随生物炭用量的增加而增加，均是以 BC22.5处理土壤 SOC/TN 比值最大，冬小麦季和夏玉米季 BC22.5与 BC0相比其增加幅度分别为 22.5%～41.4% 和 32.7%～44.0%，与BC7.5相 比 其 增 加 幅 度 分 别 为 12.6%～41.6% 和6.0%～16.0%。添加生物炭对土壤 SOC/TN 比值具有极显著的影响 (P＜0.01)，能够显著增加土壤 SOC/TN比值。

2.2 土壤可溶性有机碳、铵态氮和硝态氮含量

由表 2 可知，冬小麦和夏玉米收获后土壤铵态氮 (NH4+-N) 含量较低，其变化范围分别为 0.66～1.51 和 2.87～4.93 mg/kg，而且施氮对 NH4+-N 含量影响并不大，施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)。两季作物添加生物炭均能降低土壤 NH4+-N 含量，但生物炭处理间其含量差异不显著 (P＞0.05)，而施氮及其与生物炭的交互作用在两季作物中均不显著 (P＞0.05)。夏玉米收获后 NH4+-N 含量较冬小麦收获后虽有显著增加，但其增加幅度各处理之间差异不显著 (P＞0.05)。

表2 不同处理对土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机碳含量的影响Table 2 Effects of different treatments on the contents of NH4+-N, NO3--N and DOC in soil

生物炭用量、施氮水平及其交互作用对土壤硝态氮 (NO3--N) 含量具有显著影响 (P＜0.05)，其含量随着氮肥用量的增加而增加，同时也随着生物炭用量的增加而增加。两季作物中均以 BC22.5N300处理土壤 N-N 含 量最 高， 与 所有 未添 加 生物 炭 (BC) 的

0处理相比，BC22.5N300处理增加幅度冬小麦和夏玉米季分别为 41.7%～85.0%、75.1%～326.2%。BC7.5和BC22.5与 BC0相比均有显著增加，冬小麦季其含量分别平均提高了 24.9% 和 40.0%，夏玉米季分别平均提高了 10.4% 和 43.8%，而 BC7.5和 BC22.5其含量差异 不 显著。夏 玉 米收获 后 土壤 N-N 含量较冬 小麦收获后显著增加，其增加幅度在 N300处理下随生物炭用量的增加而显著增加，分别为 322.7% (N300)、364.8% (BC7.5N300) 和 421.7% (BC22.5N300)；在 N225处理下不同生物炭处理间差异不显著；在 N150处理下其增加幅度添加生物炭处理显著低于未添加生物炭处理，分别为 320.0% (BC0N150)、198.8% (BC7.5N150) 和220.1% (BC22.5N150)。

冬小麦和夏玉米收获后土壤可溶性有机碳 (DOC)含量平均值分别为 92.38 和 71.46 mg/kg，夏玉米季含量显著低于冬小麦季，且添加生物炭及其与氮肥的交互作用对其含量有显著影响 (P＜0.05)，其含量随生物炭用量的增加而增加，随氮肥用量的增加而先增后降，以 N150的含量达最大值。同一施氮水平下添加生物炭显著增加土壤 DOC 含量，而从施氮水平看，施氮高于不施氮处理，施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)。

2.3 土壤微生物量碳、氮含量及其比值

由表 3 可以看出，生物炭用量和施氮水平对土壤微生物量碳 (MBC) 含量有极显著影响 (P＜0.01)。在同一施氮水平下土壤 MBC 含量随生物炭用量的增加呈先增后降的趋势，其中以 BC7.5处理含量最高，较 BC0处理平均提高 34.0% (冬小麦季) 和 26.3% (夏玉米季)，较 BC22.5处理平均提高 22.8% (冬小麦季)和 9.2% (夏玉米季)；在同一生物炭用量下土壤微生物量碳含量随氮肥用量的增加同样呈现出先增后降的趋势，以 N150含量达最大值。从各处理来看，土壤 MBC 含量施氮的显著高于不施氮处理，施氮处理间差异不显著，BC7.5处理下冬小麦季不同施氮处理间其含量变化幅度在 14.2%～21.4%，夏玉米季几乎没有影响；施用生物炭处理显著高于不施用生物炭的，添加生物炭可以显著提高土壤 MBC 含量。夏玉米收获后各处理土壤 MBC 平均含量较冬小麦显著增加，其增幅施氮处理间差异显著 (P＜0.05)，而不同生物炭用量间差异不显著 (P＞0.05)。

表3 不同处理对土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影响Table 3 Effects of different treatments on MBC , MBN and MBC/MBN in soil

添加生物炭对土壤微生物量氮 (MBN) 含量有极显著影响 (P＜0.01)，而在玉米季施氮及其交互作用对其含量无显著影响 (P＞0.05)，冬小麦季和夏玉米季土壤 MBN 含量变化趋势与土壤 MBC 相似，不管是同一生物炭用量下增加氮肥水平，还是同一施氮水平下增加生物炭用量，土壤 MBN 含量均呈现出先增加后降低的趋势，分别以 N150和 BC7.5处理的土壤MBN 含量最高。土壤 MBN 含量施用生物炭处理显著高于不施用生物炭的，较 BC0处理提高幅度冬小麦 季 为32.2% ～ 57.6% (BC7.5) 和 12.4%～120.5% (BC22.5)， 夏 玉 米 季 为18.0% ～ 36.2% (BC7.5) 和13.0%～36.1% (BC22.5)。在冬小麦季 BC7.5处理其含量显著高于 BC22.5(N0除外)，平均高出 17.5%，而在夏玉米季两者差异不显著。施氮显著高于不施氮处理，但施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)。总的来看，BC7.5N150处 理 土 壤 MBN 含 量 最 高 。 夏 玉 米 收 获 后MBN 含量较冬小麦收获后显著增加，但其增加幅度各处理之间差异不显著 (P＞0.05)。

冬小麦和夏玉米收获后，各处理土壤 MBC 与MBN 的比值 (MBC/MBN) 略低，小麦季 MBC/MBN比处于 4.01～9.12 之间，而玉米季比值基本在 4 左右。在两季作物中添加生物炭对 MBC/MBN 比均有极显著的影响 (P＜0.01)，而在玉米季施氮及其交互作用对其比值无显著影响 (P＞0.05)，同一施氮水平下其比值随生物炭用量的增加而显著降低；而在同一生物炭用量下其比值随施氮水平增加先增后降，均以N150处理最大。在所有处理中以 BC0N150处理的MBC/MBN 比值最大，BC22.5N300处理的最小，两者分别相差 127.3% (冬小麦季) 和 49.9% (夏玉米季)。夏玉米收获后土壤 MBC/MBN 比值较冬小麦收获后显著降低，其降低幅度不同生物炭用量间差异显著，分别为 55.2% (BC0)、26.4% (BC7.5) 和 2.3% (BC22.5)，而不同施氮水平间差异不显著 (P＞0.05)。

2.4 作物产量

由表 4 可知，生物炭用量和施氮水平均对冬小麦和夏玉米产量具有极显著影响 (P＜0.01)。两季作物均以 BC7.5N150处理的产量最高，分别为 9.91 和 11.80 t/hm2。同一生物炭用量下，作物产量随着施氮水平的增加而先增后降，最大值分别为 N225(BC0)、N150(BC7.5) 和N150(BC22.5) 处理，而且施氮显著高于不施氮处理，施氮处理间差异不显著 (P＞0.05)。在同一施氮水平下，作物产量随着生物炭用量的增加同样先增后降，在本研究中均以 BC7.5生物炭处理的产量最高，其产量在小麦季较 BC0处理分别提高了 58.3% (N0)、33.7% (N150)、15.7% (N225) 和 14.0% (N300)，高于 BC22.5处理12.0% (N0)、16.0% (N150)、11.3% (N225) 和 12.6% (N300)， 在 玉 米 季 较 BC0处 理 分 别 提 高 了46.1% (N0)、21.4% (N150)、12.4% (N225) 和 12.6% (N300)，高于 BC22.5处理 5.8% (N0)、12.7% (N150)、9.1% (N225) 和6.9% (N300)，施用生物炭处理高于不施生物炭处理，生物炭处理间差异不显著 (P＞0.05)。而且 BC7.5处理下的三种施氮水平 (N150、N225和 N300) 作物产量均较未施生物炭处理的最高产量 (BC0N225) 高。

表4 不同处理对冬小麦和夏玉米籽粒产量的影响(t/hm2)Table 4 Effects of different treatments on grain yields of winter wheat and summer maize

2.5 土壤肥力构成因素相关性分析

运用 Pearson 双侧检验对冬小麦和夏玉米季土壤肥力构成因素进行相关性分析 (表 5 和表 6)，两季作物中全氮 (TN) 与 NO3--N、SOC、DOC、MBN 和SOC/TN 呈现极显著的正相关关系 (P＜0.01)；DOC与 SOC、MBC、MBN 之间均具有极显著的正相关性 (P＜0.01)，与 SOC/TN 同样表现出显著相关性(P＜0.05)。MBN 与 SOC 和 MBC 之间均为极显著正相 关 性(P＜0.01)；MBC/MBN 与 TN、 NO3--N、SOC、DOC 和 SOC/TN 之间均有极显著的负相关性(P＜0.01)。作物产量与 NO3--N、MBC 和 MBN 之间均具有显著正相关性 (P＜0.05)，与 DOC 间的相关性既有显著 (冬小麦季)，又有不显著 (夏玉米季)，而与TN、NH4

+-N、SOC、MBC/MBN 和 SOC/TN 的相关性则不显著 (P＞0.05)。

3 讨论

3.1 生物炭配施氮肥对土壤养分的影响

土壤有机碳 (SOC) 作为衡量土壤肥力水平的重要指标之一，被认为是土壤质量和功能的核心[26]。本研究发现，同一生物炭用量下，不同氮肥用量对SOC 含量的影响较小，差异未达显著水平，这与李文 西 等[27]的 研 究 相 一 致 。 而 不 同 生 物 炭 添 加 量 对SOC 含量有极显著影响，在同一施氮水平下其含量随生物炭用量的增加而显著增加，这与前人的研究结果相一致[28]。夏玉米收获后 SOC 含量较冬小麦收获后显著增加，增加幅度随生物炭用量的增加而显著增加，SOC 含量的增加是由于生物炭中含有不稳定的有机碳被释放到土壤[29]，其含量增加幅度主要与生物炭的施用量和稳定性有关[28,30]。可见，生物炭添加对提高土壤 SOC 含量，培肥农田土壤具有重要意义。

可溶性有机碳 (DOC) 作为土壤有机碳中较为活跃和容易变化的部分，在土壤生态系统中有着至关重要的作用。本研究发现，添加生物炭对土壤 DOC含量有极显著影响，且随其用量的增加而显著增加，这与 Beesley等[31]和 EL-Mahrouky等[32]的研究结果相一致。然而，Jones 等[33]研究认为添加生物炭对土壤 DOC 含量有较小影响。随氮肥用量的增加土壤DOC 含量呈先增后减的趋势，但差异未达显著水平，施氮肥对其无显著影响，这与杨馨逸等[34]的研究结果一致，适量氮的输入可以为微生物提供更多的氮源，促进微生物的活性，进而促进了土壤中难溶性物质的活化与分解[35]；而高量氮肥的输入增加了碳的微生物固定，减少可溶性有机碳的含量[36]。

表5 冬小麦季土壤肥力构成因素相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil fertility factors in the winter wheat season

表6 夏玉米季土壤肥力构成因素相关性分析Table 6 Correlation analysis of soil fertility factors in the summer maize season

土壤全氮含量是衡量土壤肥力的重要指标，通常用于指导施肥。在本试验中，添加生物炭对土壤全氮含量有极显著影响，且随施用量的增加而显著增加，这与 Liang等[13]和郭俊娒等[37]报道的结果相吻合，原因是生物炭中本身含有一定的氮，其易分解和难分解两部分氮在测定土壤全氮时一起被测出[29]。减去施肥和生物炭带入的氮，土壤全氮的增加量随生物炭用量的增加而增加，可见生物炭对氮素的截留具有很好的作用，使氮素较稳定的储存在耕层土壤中，减少了氮素损失。而未施用生物炭 (BC0) 和施用低量生物炭 (BC7.5) 处理土壤全氮含量冬小麦和夏玉米收获后均低于播种前，其原因主要是作物的吸收和氮素自身的迁移与转化。施用氮肥土壤全氮含量虽较不施氮肥 (N0) 有所增加，但三个施氮肥处理间差异不显著。土壤矿质态氮是植物可直接吸收利用的氮素，反映了土壤短期内的氮素供应状况。研究结果表明，土壤 NO3--N 含量随氮肥用量的增加而显著增加，而氮肥对土壤 NH4+-N 含量无显著影响，这与王爽等[38]的研究结果相一致，土壤 NH4+-N 含量无显著影响的原因可能在于旱地土壤硝化作用强，被矿化产生的 NH4+-N 很快被转化为 NO3--N[39]。随生物炭用量的添加土壤 NO3--N 含量显著增加，土壤NH4

+-N 含 量 有 所 降 低 ， 但 不 显 著 ， 与Wang 等[40]利用盆栽试验生物炭施用量为 0、25 和 50 t/hm2的研究结果一致，而与尚杰等[41]的研究结果随生物炭施用量增加土壤硝态氮和铵态氮含量显著增加不一致，其生物炭用量为 20、40、60、80 t/hm2，远高于本试验的生物炭施用水平。夏玉米收获后土壤 NH4+-N 和 NO3

--N含量显著高于种植作物前和冬小麦收获后，原因在于作物吸收、气候条件等多种因素综合影响土壤无机氮含量的变化和分布[42-43]，而且土壤有机氮的矿化和施入土壤的肥料氮被生物固定后的再矿化均是土壤无机氮的主要来源[44]。在潮土中适量的添加生物炭能够减少氮的淋溶损失，增加氮素截留，提高肥料的利用率，对氮肥的减施增效具有一定的现实意义。

3.2 生物炭配施氮肥对微生物量碳、氮的影响

微生物量在土壤和植物的动态变化中是一种重要的碳、氮库，控制着养分的供应[45]。在本研究中，氮肥施用量对两季作物土壤微生物量碳含量均有极显著影响，而对土壤微生物量氮含量只在冬小麦季有极显著影响。随施氮水平的增加土壤微生物量碳、氮含量在两季作物中均呈现先增后减的趋势，以施氮量为 150 t/hm2最高，这与杨馨逸等[34]研究的不同品种小麦下土壤微生物量和可溶性有机物对不同施氮量 (0、45、90、135、180、225 t/hm2) 的响应类似，土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳氮在施氮量为 135 t/hm2达到最大，然后随施氮量的增加而降低的结论相一致。然而，添加生物炭对土壤微生物量碳、氮的影响各异。Dempster 等[46]利用砂土进行盆栽试验，在树枝生物炭用量为 0、5 和 25 t/hm2时，随生物炭的添加土壤 MBC、MBN 含量均下降；Chen 等[47]在砂质壤土上进行大田试验小麦秸秆生物炭施用量为 0、20 和 40 t/hm2时，随生物炭添加MBC、MBN 含量呈现上升趋势；而本研究石灰性潮土添加不同玉米秸秆生物炭对土壤 MBC、MBN 含量均有极显著影响，且随其用量的增加 (0、7.5 和22.5 t/hm2) 呈现出先增后减的趋势，导致这些不同结果的可能原因是取决于土壤类型、生物炭原料和用量的变化[13,46]。

MBC/MBN 的变化能够反映土壤微生物群落的结构信息[48]。在本研究土壤中较低，小麦季 MBC/MBN比处于 4.01～9.12 之间，而玉米季比值基本在 4 左右。尚杰等[41]研究发现，利用废弃的果树枝条热裂解制成生物炭在施氮量为 225 kg/hm2时，MBC/MBN随生物炭用量的增加同样有下降的趋势。夏玉米收获后 MBC/MBN 较冬小麦收获后显著下降，而下降幅度随生物炭的添加而降低，一般认为土壤微生物组成的不同会导致土壤微生物量碳氮比的变化[49]，因此其具体变化影响机制有待于后期研究。

3.3 生物炭配施氮肥对作物产量的影响

生物炭对作物产量的影响除了与土壤类型、种植作物和肥水管理有关外，与生物炭本身和用量，以及施肥种类和施肥量有关[50]。本研究表明，氮肥用量、生物炭用量均对作物产量具有极显著影响，且添加生物炭能够显著增加作物产量。而随氮肥用量的增加其产量呈先增后降的趋势，这与蔡祖聪等[51]在河南潮土进行长期试验研究结果相一致，即冬小麦和夏玉米每季施氮 150 kg/hm2时产量最高。同时，在配施不同氮水平下添加中量生物炭 (BC7.5) 冬小麦和夏玉米产量较其它处理均显著增加，而添加高量生物炭 (BC22.5) 产量有所降低，但均高于未施生物炭处理 (BC0)，这与大多数的研究结论一致[52]，添加大量生物炭作物产量略有降低的可能原因是大量生物炭导致土壤可溶性有机碳增加，促使土壤微生物与作物竞争土壤氮[53]。此外，作物产量与 NO3--N、MBC 和 MBN 之间均具有极显著正相关性，生物炭对土壤 NO3--N、MBC 和 MBN 含量具有极显著影响。可见，生物炭通过激发土壤微生物活性和土壤养分循环，而对作物产量的影响起间接作用。

4 结论

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针对华北潮土区冬小麦-夏玉米轮作区，短期内(1 年) N150BC7.5处理显著提升了土壤全氮、有机碳、可溶性有机碳及微生物量碳等肥力参数；研究还发现，N150BC7.5处理产量最高，较单施 N225(农民习惯施肥) 作物增产 17.18%～22.65%，节氮肥 33%，阐明了土壤肥力和作物产量对生物炭和氮肥施用的响应。可见，短期内 N150BC7.5处理对提升土壤肥力和作物产量的效果最佳，是较为理想的施肥方式。生物炭配施氮肥对潮土土壤碳、氮转化的影响本研究有了初步的结论，但两者配施的作用机理尚不完善，及其对作物养分吸收的影响尚不清楚，仍需要继续开展长期田间试验进行系统、深入的研究。

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Effects of combined application of straw biochar and nitrogen on soil carbon and nitrogen contents and crop yields in a fluvo-aquic soil

SONG Da-li1,2, XI Xiang-yin1*, HUANG Shao-min3, ZHANG Shui-qing3, YUAN Xiu-mei1,
HUANG Fu-sen1, LIU Yang1, WANG Xiu-bin2*
( 1 College of Resource and Environments, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3 Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China )

【Objectives】The objectives of this study were to explore effects of combined application of maize straw biochar (BC) and nitrogen (N) on soil physical and chemical properties as well as crop yields in NorthChina. This study could elucidate the responses of soil and plant to the BC and N application in a fluvo-aquic soil, provide a scientific evidence for efficient use of straw resources, and enhance soil fertility and crop production .【Methods】A two-factor split plot experiment was conducted to investigate the effects of the combined application of BC and N on soil nutrient, microbial biomass, and crop yields under a winter wheat-summer maize rotation in North China. The BC used in this study was produced from maize straw at pyrolysis temperature of approximately 450℃ and maximum temperatures were maintained for 1 h. The main plot was three BC rates, 0, 7.5 and 22.5 t/hm2, and expressed as BC0, BC7.5, and BC22.5, respectively. The subplot was four N rates, 0, 150, 225 and 300 kg/hm2, and expressed as N0, N150, N225, and N300, respectively. Wheat was sown on October 9, 2014, and harvested on June 8 next year. Maize was sown on June 10, 2015, and harvested on September 28, 2015. The soil samples (0-20 cm) were collected after the harvest, and the contents of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), soluble organic carbon (DOC), ammonium (NH4+-N), nitrate (NO3--N), microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) were analyzed using regular methods.【Results】BC rates significantly affected the contents of the soil nutrients, microbial biomass and crop yields (P＜0.01). The contents of SOC, TN, DOC, N-N and SOC/TN were significantly increased with the increase of the BC application rates (P＜0.05) by 165.0%, 74.1%, 39.1%, 75.1% and 44.0%, respectively, compared to the BC0. The contents of MBC, MBN, and crop yields with a BC rate of 7.5 t/hm2reache the largest value, and were increased by 49.2%, 57.6% and 46.1% compared to the BC0, and the contents of the BC22.5were reduced by 12.1%, 7.3% and 9.7% compared to the BC7.5respectively. The contents of NH4+-N were descended with the increase of the BC rates, the BC7.5and BC22.5were reduced by 18.4% and 23.7% compared to the BC0respectively. The contents of SOC, DOC, NH4+-N, MBC and MBN had the greatest values at the N rate of 150 kg/hm2, and were significantly increased by 29.7%, 22.9%, 44.8%, 79.4% and 115.3% compared to the BC0, respectively. The crop yields in all N treatments were higher than the N0, but there were no significant differences among the three N treatments.【Conclusions】The N150BC7.5treatment was more effective to improve soil fertility and maintain high crop yields in a short term, which could be used as an effective way of management practice. Further studies are needed to estimate its effective mechanisms and long-term effects under the combined application of BC and N.

maize straw-derived biochar; nitrogen fertilizer rate; fluvo-aquic soil;

2016-10-25 接受日期：2017-01-06

国家自然科学基金项目（31372135）；国家基础研究发展计划项目（2013CB127405）；河南省科技攻关“典型潮土活性有机质增产技术研究与应用”项目（162102110010）资助。

宋大利（1989—），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事作物高效施肥方面的研究。E-mail:songdalisdl@163.com

* 通信作者 E-mail:xixiangyin@swu.edu.com；E-mail:wangxb@caas.ac.cn

--N)、土壤微生物量碳 (MBC) 和微生物量氮 (MBN) 的测定。【结果】生物炭对土壤养分含量、微生物量碳氮及作物产量有极显著影响。生物炭用量增加，土壤 SOC、TN、DOC、NO3--N 含量以及土壤 SOC/TN 比值均显著增加，较 BC0最大增加幅度分别为 165.0%、74.1%、39.1%、75.1% 和 44.0%。MBC、MBN 含量和作物产量均以BC7.5处理 达 最 大值，较 BC0最大 增 加 幅度分别为49.2%、 57.6% 和 46.1%，BC22.5较 BC7.5处理 平 均 降低 12.1%、7.3% 和 9.7%；施用生物炭降低 NH4+-N 含量，BC7.5和 BC22.5处理较 BC0分别下降 18.4% 和 23.7%。随着氮肥施用量的增加，SOC、DOC、NH4+-N、MBC、MBN 含量均先增后减，在施氮水平为 150 kg/hm2时，其含量均达

最大值，较 N0最大增加幅度分别为 29.7%、22.9%、44.8%、79.4% 和 115.3%。所有施氮的处理作物产量较 N0均显著增加，而三个施氮处理间其产量差异不显著 (P＞0.05)。【结论】在维持作物产量不降低的情况下，短期内 N150BC7.5处理对提升土壤肥力的效果最佳，是较为理想的施肥方式，但其有效机制及长期效果还需进一步试验研究。