生物炭对植烟土壤氮素形态迁移及微生物量氮的影响

2017-07-05张弘李影张玉军朱金峰刘世亮刘芳姜桂英

中国水土保持科学 2017年3期

关键词：铵态氮硝态氮量

张弘，李影，张玉军，朱金峰，刘世亮†，刘芳，姜桂英†

(1.河南农业大学资源与环境学院，450002，郑州；2.河南省漯河市烟草公司，462000，河南漯河)

生物炭对植烟土壤氮素形态迁移及微生物量氮的影响

张弘1，李影1，张玉军1，朱金峰2，刘世亮1†，刘芳1，姜桂英1†

(1.河南农业大学资源与环境学院，450002，郑州；2.河南省漯河市烟草公司，462000，河南漯河)

为了在植烟土壤中施加生物炭，以及在不同氮素水平下验证生物炭对土壤氮素的淋洗及迁移的影响。采用大田试验，设计5个处理，在磷肥和钾肥施用量相同的基础上，除对照(CK)处理不施生物炭与氮肥外，其余4个处理都添加1 600 kg/hm2的生物炭，施氮量分别为(N0)0、(N1)37.5、(N2)52.5和(N3)67.5 kg/hm2，对植烟土壤氮素在0～20、20～40和40～60 cm土层施加生物炭，研究全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数的影响及其迁移规律，以及0～20 cm土层微生物量氮的变化特征。结果表明：植烟土壤施用生物炭降低了0～20 cm以下土壤氮素质量分数，提高了植烟土壤对氮素的固定能力。与CK相比，增施生物炭的N0在0～20 cm以下土层，土壤全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数降低率最高达到11.21%、49.07%、42.29%和31.35%。而施氮量对植烟土壤全氮、碱解氮和铵态氮的影响，主要集中在0～20 cm土层，且土壤氮素质量分数随施氮量的增加而增加，以N3处理各氮素指标质量分数相对最高，其全氮、碱解氮和铵态氮质量分数最高分别为2.10 g/kg、261.86 mg/kg和49.80 mg/kg。土壤硝态氮质量分数随土层加深而下降，在0～20 cm土层，以N3处理最高，达264.90 mg/kg；但不同氮水平下，硝态氮质量分数在20～40 cm土层差异较其他土层更显著。施用氮肥对植烟土壤氮素的影响主要表现在烟草移栽后前30 d。增施生物炭可以提高烟草移栽后60 d时土壤微生物量氮；而施氮量对微生物量氮熵的影响主要表现在烟草移栽30 d之后。施氮量对植烟土壤氮素的影响主要表现在0～20 cm土层，且在烟草生育前期效果显著。生物炭可以明显抑制植烟土壤本身及低量氮肥施用下氮素淋失迁移，但在高量氮肥施用下的抑制作用不明显。在豫中烟区，以生物炭配施氮肥67.5 kg/hm2施肥措施，最利于植烟土壤氮素提高。

植烟土壤；氮素；生物炭；施氮量；迁移

烟草(NicotianaL.)作为我国重要经济作物，对其研究较多[1-2]。氮素是对烟草产量和品质影响最大的敏感元素[3]。施氮量、氮素形态等影响烟株体内氮素的合成与代谢，并影响烟草的产量、致香物质的形成和品质[4]；同时，植烟土壤氮素的迁移，也受施氮量的影响较大，最终影响烟草对氮素的吸收利用[5]；因此，有很多研究者开展了植烟土壤氮素形态调控研究：如邢云霞等[5]研究表明，施氮量对植烟土壤无机氮质量分数的调控，主要集中在0～20 cm土层，且氮素用量的调控作用随烟株生长期的推移而减弱。化党领等[6-7]研究认为，施氮对烟草生育前期及0～20 cm土层硝态氮质量分数影响较大，烟草上部叶对土壤氮素的依赖更大。而土壤氮素形态方面，主要以硝态氮和铵态氮的形态被吸收利用，尤其硝态氮是最易被烟草吸收利用[5]。但氮素的这2种形态转化较快，铵态氮易硝化成硝态氮，而硝态氮在土壤中易于被淋洗流失，最终导致氮素利用率降低。

另有研究表明，生物炭可显著增加土壤有机质、全氮质量分数[8]、土壤碳质量分数[9]以及速效氮质量分数[10]。同时有研究发现，生物炭能够有效地增加土壤持水能力，提高微生物量，促进土壤氮固持能力；同时，降低黑土硝态氮质量分数[11]，即施用生物炭可以大幅度地降低氮素的淋失作用[12-13]。李文娟[14]研究表明，施用生物炭能够降低硝态氮和铵态氮的穿透能力，增加穿透时间，使运移穿透点推迟出现；但生物炭对土壤微生物量氮的影响往往并不显著。张婷[15]研究发现，单施生物炭对微生物量氮无明显影响，而施用氮肥却可以显著提高土壤微生物量氮[16-17]。可见，施氮素及生物炭在对植烟土壤改良，特别是氮素调控方面都能起到较好的作用，但是缺少在生物炭改良植烟土壤的基础上，探究不同施氮量对植烟土壤氮素转化的相关研究；因此，在施用生物炭的基础上，筛选最适宜施氮量来调控土壤氮素的迁移，具有很重要的意义。

河南省作为我国优质浓香型烟叶产地，由于植烟土壤连作时间长，土壤结构遭到严重破坏，而且土壤氮素盈余过高，C/N比失调，导致烟叶氮质量分数和烟碱质量分数普遍过高，从而影响烟叶品质，使典型浓香型风味淡化；因此，需要通过增施高碳质量分数的有机物料，调节土壤C/N比，并对氮素迁移进行调控。植烟土壤生物炭施用量最佳范围为1 200～1 600 kg/hm2[18-19]，笔者采用大田试验，在1 600 kg/hm2生物炭施用量下，验证生物炭对土壤的改良效果，并在此基础上，施用不同水平氮，探究生物炭施用对植烟土壤氮素形态及迁移的影响。

1 研究区概况

研究区位于河南省临颍县大郭镇(E113°81′，N33°79′)。该区属温带季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。降水受季风影响较明显，年降水量720 mm，年平均气温14.5 ℃，无霜期226 d左右。供试土壤类型为黄褐土，其中，土壤理化性状为：有机质16.2 g/kg，碱解氮52.8 mg/kg，速效磷20.89 mg/kg，速效钾159 mg/kg，pH值为7.74。

2 材料与方法

2.1 试验材料与处理设计

烟草品种为中烟100。2016年在研究区，试验分别设置5个处理：(1)CK (不施生物炭和氮肥)、(2)N0(不施氮肥)、(3)N1(纯氮用量为37.5 kg/hm2)、(4)N2(纯氮用量为52.5 kg/hm2)和(5)N3(纯氮用量为67.5 kg/hm2)；其中，52.5 kg/hm2为当地烟农常用氮肥施用量，且该处理N∶P2O5∶K2O(质量比)=1∶1∶3.5，其他处理的磷钾肥用量与该处理相同，每个处理重复3次，共设15个小区，每个小区面积为66.7 m2，小区为随机排列。除CK外，其余处理于烟草移栽前，在土壤表层增施生物炭1 600 kg/hm2，调节土壤碳氮比，然后起垄。施用尿素(含氮量45%)，调节土壤氮水平，施用的磷肥和钾肥分别为过磷酸钙(含P2O5量12%)和硫酸钾(含K2O量50%)。每个处理的施肥量见表1。氮钾肥基追比为7∶3(70%的氮钾肥做基肥，30%追肥)，基肥采用25～30 cm宽度开沟双条施肥，然后起垄。追肥于移栽37 d后施用，追肥位置是烟行两侧最大叶叶尖所指位置(约距离烟株15～20 cm)。

表1 不同处理施肥量Tab.1 Fertilizer application rate under different treatment

Note: CK: no biockar no N, N0: no N, N1: 37.5 kg/hm2N application, N2: 52.5 kg/hm2N application, N3: 67.5 kg/hm2N application. The same below.

烟苗于2016年5月9日进行移栽，按0.50 m×1.22 m的株行距种植，并在2016年8月20日采收完毕。小区周边种植2行烟草为保护行，其他按当地优质烟草规范化栽培管理方式[20]进行栽植。

2.2 样品的采集与测定

在烟苗移栽后30、60和90 d，每个处理选取长势一致的烟株3棵，在烟茎基部周围的中点作为取样点，随机用土钻采集0～20、20～40 和40～60 cm等不同层次土壤样品，每一层次土样充分混匀。土壤鲜样一部分保存于4 ℃冰箱中，另一部分风干过筛，测定常规理化性质。碱解氮采用碱解扩散法；全氮采用凯氏定氮法[21]；硝态氮和铵态氮采用流动分析仪法(Auto Analyzer3)[6]：准确称取10 g鲜土于200 mL带盖塑料瓶中，加入100 mL浓度为0.01 mol/LCaCl2溶液，震荡1 h后，过滤于50 mL带盖小塑料瓶中，放置于冰箱中待测；微生物量氮采用氯仿熏蒸法测定[22]。

2.3 数据处理

使用DPS 7.05软件，采用Duncan新复极差法，比较不同处理间各种指标之间的差异；使用Origin Pro 8.5进行相关数据统计分析和制图。

3 结果与分析

3.1 不同处理对植烟土壤不同土层全氮的影响

各处理各土层全氮质量分数见图1。总体来说，各土层全氮质量分数随移栽后天数呈下降趋势，且在同一移栽时期，随土层深度加深，全氮质量分数下降。在0～20 cm土层，土壤全氮质量分数随施氮量的增加而增加，N3处理全氮质量分数在移栽后30 d时，达到最高值2.1 g/kg，并显著高于其他处理。在移栽后60和90 d时，各配施生物炭处理，全氮质量分数差异并不显著，说明在移栽60 d时，土壤氮素发生转化，从而使全氮质量分数差异不显著。在20～40 cm土层，各处理的全氮质量分数差异不显著，说明在增施生物炭情况下，不同氮水平对该土层的全氮质量分数影响较小。在40～60 cm土层，全氮质量分数整体低于0～20和20～40 cm，且各处理全氮质量分数变化趋势与20～40 cm土层相似。说明施用不同氮肥量，对土壤全氮质量分数的影响只在0～20 cm土层，对更下层土壤的影响较小。

同列小写字母不同表示5%差异显著水平。下同。 The different letters in the same column mean significantly different at the 0.05 level. The same below.图1 不同处理烟草移栽后不同时间不同土层全氮质量分数Fig.1 Total nitrogen mass fraction in different soil layers under different treatments during different days after tobacco transplanting

图2 不同处理烟草移栽后不同时间不同土层碱解氮质量分数Fig.2 Available nitrogen mass fraction in different soil layers under different treatments during different days after tobacco transplanting

3.2 不同处理对植烟土壤不同土层碱解氮的影响

土壤碱解氮质量分数直接说明土壤的供氮强度。由图2可见，各土层各处理碱解氮质量分数随着移栽后时间呈下降趋势，且在移栽后30 d时，各处理不同层次碱解氮质量分数最高。在0～20 cm土层，N1、N2和N3的碱解氮质量分数显著高于对照，N3的碱解氮质量分数显著高于其他处理，且在移栽后30 d时，达到最高值261.86 mg/kg。说明增加施氮量，能够显著提高植烟土壤碱解氮质量分数，提高土壤对植株的供氮能力。在20～40 cm土层，施氮处理在移栽60 d前的碱解氮质量分数显著高于CK与N0，但在移栽后90 d时，N0的碱解氮质量分数最低，且施氮处理的碱解氮质量分数与CK无显著性差异，说明在土壤碱解氮质量分数较低的水平下，施用生物炭能够显著降低土壤碱解氮的淋失作用。在40～60 cm土层，各处理的碱解氮质量分数明显低于0～20 和20～40 cm土层，且随移栽后时间逐渐降低。

3.3 不同处理对植烟土壤不同土层硝态氮的影响

图3 不同处理烟草移栽后不同时间不同土层硝态氮质量分数Fig.3 Nitrate nitrogen mass fraction in different soil layers under different treatments during different days after tobacco transplanting

图4 不同处理烟草移栽后不同时间不同土层铵态氮质量分数Fig.4 Ammonium nitrogen mass fraction in different soil layer under different treatments during different days after tobacco transplanting

由图3显示，不同土层不同处理硝态氮质量分数的变化，总体上各处理硝态氮质量分数随移栽后天数，呈先上升后下降的趋势。在0～20 cm土层，各处理硝态氮质量分数在移栽后60 d时达到最大值，但硝态氮质量分数并未随施氮量的增加而呈现规律性增加。这可能是由于研究施用的氮素是由尿素提供，由尿素转化为硝态氮形态，需要一定的时间[23]，且其硝化成硝态氮过程，在大田条件下影响因素较复杂。在20～40 cm土层，与不施氮处理相比(CK、N0)，施氮处理硝态氮质量分数显著增加，且在移栽后30和60 d，土壤硝态氮质量分数随氮水平的增加而增加，在移栽后90 d时，施氮处理硝态氮质量分数仍显著高于对照和N0，说明该土层硝态氮质量分数受施氮量的影响较大。在40～60 cm土层，土壤硝态氮质量分数整体还是随施氮量增加而增加，说明该土层硝态氮质量分数仍受施氮量的影响，生物炭的施用，对硝态氮的淋洗作用影响主要表现在40～60 cm土层，以及烟草移栽后90 d，这可能是因为采集土壤样品时，以垄上土层为表层，烟田土壤垄高于地表约20 cm；因此，施用的生物炭主要集中在20～40 cm土层，施用生物炭的N0只在烟草移栽后60 d时40～60 cm土层、90 d时0～40 cm土层的硝态氮质量分数低于CK，说明生物炭对烟草生育前期，以及20～40 cm土层硝态氮的固定作用并不明显。

3.4 不同处理对植烟土壤不同土层铵态氮的影响

由图4可知，不同土层各处理铵态氮质量分数总体上与硝态氮相似，随移栽后天数呈先上升后下降的趋势。在0～20 cm土层，除烟草移栽后90 d外，铵态氮质量分数随施氮水平的增加而增加，说明在烟草移栽后90 d前，土壤铵态氮质量分数受施氮量的影响较大；而在移栽后90 d后，各不同施肥处理间铵态氮质量分数差异明显减小。在20～40 cm土层，除移栽后60 d外，土壤铵态氮质量分数并未随施氮量的增加而增加，说明在该土层土壤铵态氮质量分数受施氮水平的影响较小；且除移栽后30 d外，N0与CK也并无显著差异，说明增施生物炭，对土壤铵态氮的影响并不显著。在40～60 cm土层，除移栽后30 d外，土壤铵态氮质量分数随施氮量增加而增加的规律并不明显，说明施氮量在烟草移栽30 d后，对该土层铵态氮质量分数的影响较小。从整个烟草生育期来看，各个土层CK与N0的铵态氮质量分数并无显著差异，说明只施用生物炭，对减少土壤铵态氮作用不明显。

3.5 不同处理对植烟土壤微生物量氮和微生物量氮熵的影响

土壤微生物量氮是指活的微生物体内所含有的氮素。图5(A)显示，对于不同处理和不同移栽时间，0～20 cm土壤微生物量氮，除N3处理外，其他处理微生物量氮呈先下降后上升的趋势，烟草在旺长期对氮素的需求，导致在移栽后60 d时土壤微生物量氮大幅度下降，而到移栽后90 d时，各处理微生物量氮又有所上升，这可能是因为此时烟草对氮素的需求减少的原因。CK与N0相比，只有移栽后60 d时，N0微生物量氮显著高于CK，这可能是因为生物炭改善了微生物环境，促进微生物的增加。说明生物炭对土壤微生物量氮的影响，只表现在烟草旺长期，在烟草与微生物争氮的过程中，提高了微生物数量。

图5 不同处理烟草移栽后不同时间土壤微生物量氮、微生物量氮熵Fig.5 Content of microbial biomass nitrogen and microbial biomass nitrogen entropy under different treatments during different days after tobacco transplanting

土壤微生物量氮熵是指土壤微生物量氮与土壤全氮的比值。图5(B)显示，对于不同处理和不同移栽时间，0～20 cm土壤微生物量氮熵的变化，总体上微生物量氮熵的变化趋势与土壤微生物量氮的变化趋势相似。在烟草旺长期移栽后60 d时，各处理土壤微生物量氮熵会因为烟草对氮素的需求而降低，而到移栽后90 d时，随着烟草对氮素的需求量下降，土壤微生物量氮熵又会有所增加。除移栽后30 d外，其余时期土壤微生物量氮熵随施氮量的增加而显著增加，这说明施用氮肥对团颗期后植烟土壤微生物量氮熵影响较大。与CK相比，施用生物炭的N0微生物量氮熵在移栽后30和60 d时高于CK，说明生物炭对植烟土壤微生物量氮熵的影响，主要在烟草成熟期以前。

4 讨论

土壤本身是一个较大的氮库，其氮素质量分数易受施肥措施等因素的影响。施用生物炭可以促进植烟土壤全氮的积累[24]。有机氮肥与无机氮肥配合施用，能够使植烟土壤全氮质量分数提高0.77%～10.42%[25]。李琰琰等[26]研究发现，土壤全氮质量分数随着土层深度的增加而降低，但随施氮量的增加而增加。而笔者研究中，氮肥施用对土壤全氮质量分数的影响，主要集中在烟草移栽后30 d前，且主要表现在0～20 cm土层，对0～20 cm以下土层并无显著影响。这可能是因为影响土壤全氮质量分数的主要因素是氮素的输入与输出的相对值，深层土壤中，氮素主要为不易迁移形态；因此，其中全氮质量分数变化较小。另一方面，大田烟草在移栽后30 d内，一般不浇灌，施用的氮肥主要集中在表层土壤，对深层土壤氮素质量分数影响较小。

植烟土壤中的氮素来源的主要途径是施用氮肥、生物固氮和大气沉降的氮，且氮素90%以有机态存在，能够被烟草直接吸收利用的无机态氮较少。生物炭能够改良土壤物理性状，促进土壤有机氮的矿化分解。赵殿峰[27]研究表明，在低量生物炭条件下，能够增加耕层土壤碱解氮质量分数，减少土壤氮素的淋溶损失。李琰琰[28]研究发现，在相同灌水条件下，施用氮肥可以有效的增加土壤碱解氮质量分数。牛静等[29]也发现，植烟土壤碱解氮质量分数随施氮量的增加呈上升趋势，且随烟苗移栽天数增多，呈先增后减再增趋势。笔者研究土壤碱解氮质量分数随施氮量的增加而显著增加，与前人研究相似；但各土层碱解氮质量分数随烟草移栽天数延长却呈下降趋势，与牛静等[29]研究不同，这可能是增施生物炭后，提高了烟草对土壤碱解氮的吸收积累能力；同时，因为70%的氮肥作为了基肥。因此，在烟草移栽后30d时，土壤碱解氮质量分数达到最大，而随着烟草生长发育对氮素的大量需求，导致碱解氮质量分数随烟草移栽天数的增加而持续降低。

硝态氮作为被植株直接吸收利用的氮素形态，在土壤中不易被土壤胶体吸附，其运动性强，是氮素淋失迁移的主要形态[30]。吴丹等[13]研究发现，生物炭可使硝态氮累计淋失总量减少3%；而土壤硝态氮质量分数会随施氮量的增加而增加[31]。刘卫群等[32]认为，施用氮肥可以大幅度提高0～20 cm土层硝态氮质量分数，但只能维持7周左右。笔者研究中采集土壤样品时，是以垄上土层为表层，烟田土壤垄高于地表约20 cm；因此，施用的生物炭主要集中在20～40 cm土层。结果表明，20～40 cm土层硝态氮质量分数受施氮量影响较大，这可能是因为植烟土壤20～40 cm土层施用生物炭，提高了该层土壤对硝态氮的固定能力，但对20～40 cm土层理化性状影响较小。

铵态氮易被土壤胶体吸附和矿物晶穴固定，而不易流失[33]，但铵态氮在一定条件下会发生硝化作用，以硝态氮形式流失[34]。李文娟等[14]发现，生物炭会降低铵态氮的穿透能力。J. Lehmann等[35]也认为，生物炭可以吸附土壤中的铵态氮，减少铵态氮淋失。邢云霞等[5]对不同施氮量在不同土层的运移研究表明，0～20 cm土层铵态氮质量分数随施氮量的增加而增加，而在40～60 cm土层，则基本不受施氮量影响。笔者研究中，土壤铵态氮质量分数除了土壤本身含有的以外，就是由尿素转化过来的。尿素在土壤中先转化为铵态氮，铵态氮在有氧情况下硝化成硝态氮，且铵态氮是容易为土壤胶体所固定的，这可能是生物炭的施用，对底层铵态氮质量分数影响不明显的原因。

土壤微生物量氮能在一定程度上反映土壤的供氮能力，因为微生物量氮是土壤氮素矿化分解的主要来源[36]。韩晓日等[37]通过应用同位素15N示踪技术研究发现，施肥后土壤微生物量氮主要来自化肥氮。赵军等[38]研究表明，生物炭在玉米生育期，其对土壤微生物量氮影响不大。笔者研究表明，生物炭对植烟土壤微生物量氮的影响，只表现在移栽后60 d，这可能是因为生物炭改善了土壤微生物环境，与对照土壤相比，在烟草与微生物争氮的过程中，提高了微生物数量，进而提高土壤微生物量氮。杨馨逸等[39]发现，微生物量氮随施氮量的增加而增加，其与笔者研究结果一致。王杰等[40]研究发现，土壤微生物量氮与全氮质量分数呈显著正相关。笔者研究中，微生物量氮与全氮的比值变化趋势与微生物量氮变化趋势相似，也说明了微生物量氮熵受施氮量影响较大，且生物炭对微生物量氮熵的影响时期也在移栽后60 d。

5 结论

1)氮肥施用量主要影响0～20 cm土层植烟土壤全氮质量分数，且N3处理土壤全氮质量分数在烟草生育前期显著高于其他处理；生物炭对植烟土壤全氮质量分数的影响并不显著。

2)植烟土壤碱解氮质量分数随氮肥施用量而增加，以N3处理碱解氮质量分数最高。在土壤碱解氮质量分数较低水平下，施用生物炭，能够显著降低土壤碱解氮向下层土壤的迁移。

3)20～60 cm土层硝态氮质量分数受施氮量影响较大，表现为随施氮量的增加而增加，N3处理对土壤硝态氮质量分数的提升作用最显著。生物炭对硝态氮的淋洗作用影响，主要表现在40～60 cm土层以及烟草移栽后90 d。

4)只施用生物炭对减少土壤铵态氮作用不明显。在烟草移栽后90 d前，0～20 cm土层铵态氮质量分数受施氮量的影响较大，施氮量对20～40 cm土层及烟草移栽30 d以后的40～60 cm土层铵态氮质量分数影响不显著。

5)生物炭对土壤微生物量氮及微生物量氮熵的影响，只表现在烟草成熟期以前；施氮量对土壤微生物量氮及微生物量氮熵的作用，主要表现在烟草移栽30 d以后，且二者随施氮量的增加而升高，N3处理表现最显著。

综合分析，生物炭可以明显抑制植烟土壤本身及低量氮肥施用下氮素淋失迁移作用，但在高量氮肥施用下，抑制作用不明显。施氮量明显影响0～20 cm土壤氮素主要形态及其质量分数，且在烟草移栽30 d左右，作用效果显著。在豫中烟区，以生物炭配施氮肥67.5 kg/hm2的施肥措施，最利于植烟土壤氮素的提高。

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Effects of biochar on nitrogen transformation and the microbial biomassnitrogen under different nitrogen application rates

ZHANG Hong1, LI Ying1, ZHANG Yujun1, ZHU Jinfeng2, LIU Shiliang1, LIU Fang1, JIANG Guiying1

(1.College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, 450002, Zhengzhou, China;2. Luohe City Tobacco Corporation of Henan Province, 462000, Luohe, Henan, China)