炭基土壤改良剂对白浆土中碳氮含量的影响

徐红涛　代琳　高敬尧　孙岩　冯露　孟雨田　王宏燕

摘要：通过大田试验研究炭基土壤改良剂的不同施入量（0、10、20、30 thm2）对旱作农田土壤碳、氮含量的影响。结果表明，炭基土壤改良剂可有效提高土壤有机质、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮的含量，且随着施入量的增加而提高。与CK相比，处理组土壤有机质含量提高319%～2593%，土壤全氮含量提高220%～1618%，土壤微生物生物量碳含量提高1923%～7393%，微生物生物量氮含量提高2494%～8951%，且均在施入30 thm2炭基土壤改良剂时达到最大值。因此，添加炭基土壤改良剂具有提高土壤有机质及碳、氮的含量、提升土壤养分持续供给的效用。炭基土壤改良剂的推荐用量为20 thm2。

关键词：炭基土壤改良剂；白浆土；碳；氮；微生物生物量碳；微生物生物量氮

中图分类号： S1562文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0281-04

收稿日期：2016-06-07

基金项目：黑龙江省科技计划（编号：GA10B502）；东北农业大学博士后科研基金（编号：2012RCB95）。

作者简介：徐红涛（1990—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，从事农业生态学及土壤改良研究。E-mail：1395407787@qqcom。

通信作者：王宏燕，博士，教授，从事农业生态学研究。E-mail：why220@126com。

生物质炭（biochar）是指将生物质原料（农作物秸秆、木材、畜禽粪便、生活垃圾等）在限氧或缺氧条件下经高温热裂解所产生的一类具有高度芳香化、含碳丰富、稳定的固态物质1]。生物质炭特殊的理化性质具有提高土壤的固碳减排能力2-3]、提高土壤肥力4-5]和改良不良土壤等特性6-8]。目前，全球学者对于生物质炭作为土壤改良剂及固碳剂的研究相继展开，逐渐拉开了生物质炭相关研究的序幕。

碳、氮作为土壤中重要的组成部分，对整个农田生态系统具有重要的影响作用。土壤碳、氮含量既是土壤质量的核心，也是评价土壤地力的重要指标。土壤中碳、氮的协调作用以及碳、氮库的稳定对于农业稳产增产以及农田系统稳定具有重要的意义9]。氮是作物生长发育的必需营养元素，参与作物新陈代谢的所有过程。氮素化肥利用率低是一个世界难题，国际上氮肥的作物利用率约为33%10]，我国氮肥的作物利用率平均约为35%，损失率约为45%11]，淋溶作用是土壤氮素损失的主要途径12]，可引起湖泊、河流和地下水的污染，導致水体富营养化。因此，如何提高氮肥利用率、减少氮素损失是目前亟待解决的问题。

目前，关于炭基土壤改良剂改良土壤的研究大多为模拟试验或短期的盆栽小型试验，针对大田的长期定位试验较少。本研究通过2年的田间定位试验，探讨以生物质炭为基质的炭基土壤改良剂的施入对农田土壤碳、氮动态变化的影响，以期为提高炭基土壤改良剂作为白浆土田间肥料的利用效率及土壤改良剂的推广应用提供理论参考依据。

1材料与方法

11试验区概况

试验区位于黑龙江省农垦总局红兴隆管理局曙光农场，地理坐标为东经130°17′～130°39′、北纬46°13′～46°23′。农场属寒温带大陆性季风气候，气候四季分明，冬长夏短。年平均气温36 ℃，年平均降水量5234 mm，土壤类型为典型的东北地区岗地白浆土。

12试验材料

121供试土壤

供试土壤为典型的东北地区岗地白浆土，其中0～20 cm为耕层土壤，21～40 cm为白浆层，40 cm以下为沉积层和母质层。土壤理化性质的具体信息如表1所示。

123大田作物

2年试验选用的玉米品种均为黑龙江垦区玉米主要的栽培品种，即德美亚1号，购自黑龙江省垦丰种业有限公司。玉米大田施肥量为200 kghm2底肥（尿素）、150 kghm2二铵、50 kghm2钾肥，120 kghm2追肥（尿素）。采取大垄双行种植，行距60 cm。分别于2014年5月6日、2015年5月10日足墒播种玉米，全生育期无人工灌溉，田间管理一致，按高产田水平进行管理，分别于2014年10月9日、2015年10月6日收获。

13试验设计

本试验自2014年开始进行定位试验，自2014年4月播种前通过旋耕机将炭基土壤改良剂一次性深翻施入白浆土中，深度约为20 cm，为达到数据更加准确和监测、取样方便，每个处理3次重复；每个小区面积为30 m2，尺寸为5 m×6 m；小区周边种植同样品种玉米，以去除边际影响。生物质炭基土壤改良剂试验设4个处理，施用量分别为0、10、20、30 thm2（分别标记为CK、G1、G2、G3）。分别于2014年6月8日（苗期）、7月10日（拔节期）、8月2日（灌浆期）、9月25日（成熟期），2015年6月10日（苗期）、7月14日（拔节期）、8月5日（灌浆期）、9月27日（成熟期），用分层土钻采集0～10、11～20、21～30 cm土壤样品，取约100 g鲜土于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量碳、氮含量的测定，其余土样于阴凉处风干后粉碎过筛，用于测定其他指标。

14测定指标及方法

土壤的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定，其中土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定；土壤微生物生物量碳、氮含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法测定13]。

15数据处理

本试验所测数据分别采用Office 2007、SPSS 170和OriginPro 90进行处理、统计分析、制作图表。

2结果与分析

21炭基土壤改良剂对白浆土土壤有机质含量和全氮含量的影响

211炭基土壤改良剂对白浆土土壤有机质含量的影响endprint

由图1可知，添加炭基土壤改良剂的处理对土壤有机质含量的影响较大。随着炭基土壤改良剂施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土层，2014年施生物质炭基土壤改良剂处理的土壤有机质含量分别比CK增加974%～2436%、319%～2243%、1323%～2533%，2015年施生物质炭基土壤改良剂处理的土壤有机质含量分别比CK增加 669%～2297%、365%～1428%、1021%～2593%。这是因为炭基土壤改良剂中含有大量的有机物，施入后使土壤有机质积累量明显增加；同时，施用土壤改良剂打破了原有的碳氮关系，为作物与土壤微生物提供了足够的营养元素，促进了土壤微生物对根茬的降解，提高了作物根茬在土壤中的残留量，从而提高了土壤中有机质的含量。同一处理的土壤有机质含量在0～10、11～20 cm土层均明显高于 21～30 cm 土层，其含量表现为0～10 cm土层>11～20 cm土层>21～30 cm土层，说明土层深度也会对土壤有机质含量产生影响，即同一处理的土壤有机质含量随土层深度的增加而减少。

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212炭基土壤改良剂对白浆土土壤全氮含量的影响

由图2可知，添加炭基土壤改良剂的处理对土壤全氮含量有较大的影响，随着炭基土壤改良剂施用量的增加，在0～10、11～20、21～30 cm的土层，2014年施用生物质炭基土壤改良剂处理的土壤全氮含量分别比CK增加382%～1450%、1092%～1618%、795%～1477%，2015年施用生物质炭基土壤改良剂处理的土壤全氮含量分别比CK增加 313%～1172%、342%～1026%、220%～1319%。土壤全氮含量在21～30 cm土层明显低于0～10、11～20 cm土层土壤，21～30 cm土层土壤全氮含量小于 10 mgkg，这是由于21～30 cm土层土壤为白浆层，土壤过于紧实，通水通气性极差，养分极度匮乏所致。

213炭基土壤改良剂对白浆土土壤碳氮比的影响

由图3可知，与CK相比，施用炭基土壤改良剂不同程度上提高了各层土壤的碳氮比。在0～10、11～20、21～30 cm土层，2014年施生物质炭基土壤改良剂处理的土壤碳氮比分别比CK增加571%～861%、084%～1362%、498%～920%，2015年施生物质炭基土壤改良剂处理的土壤碳氮比分别比CK增加346%%～1168%、022%～365%、784%～1126%。

22炭基土壤改良剂对白浆土土壤微生物量碳、氮含量的影响

221炭基土壤改良剂对白浆土土壤微生物量碳含量的影响

土壤微生物是土壤营养物质循环的重要参与者，土壤微生物量是活性的营养库14]。其中，土壤微生物量碳是土壤有机质中最活跃、最易变化的部分，是土壤生物肥力的重要标志15]。土壤微生物量反映了土壤的同化和矿化能力，是土壤活性的标志。微生物对有机碳的利用率是反映土壤质量的重要特性16]。利用率越高，维持相同微生物量所需的能源越少，说明土壤环境有利于土壤微生物的生长，土壤质量较高。

由图4可知，添加炭基土壤改良剂的处理明显提高土壤微生物量碳的含量，土壤微生物量碳含量变幅较大，2014年土壤微生物量碳含量变化范围为26758～68286 mgkg，2015年土壤微生物量碳含量变化范围为27027～62835 mgkg，这表明不同处理对土壤微生物量碳含量的变化影响较大。2015年，与CK相比，炭基土壤改良剂处理的土壤微生物量碳含量提高2129%～7393%。土壤微生物量碳含量在玉米生长全过程期间整体变化为6—7月急剧上升达到最大值，8—9月缓慢下降，总体呈现先上升后下降的趋势，呈倒“V”形。

2014年农田土壤微生物炭基土壤改良剂处理的土壤微生物量碳含量与CK相比提高4920%～12018%，尤其在6月炭基土壤改良剂G3处理与CK相比提高12018%。与2014年相比，2015年炭基土壤改良剂对土壤微生物量碳的作用有所下降，但整体趋势和效果相同，说明炭基土壤改良剂对土壤微生物量的作用具有持续性。

222炭基土壤改良剂对白浆土土壤微生物量氮含量的影响

由图5可知，土壤微生物量氮含量变幅较大。土壤微生物量氮含量在玉米生长全过程期间呈现先上升后下降的趋势，与土壤微生物量碳含量的变化趋势相同。添加炭基土壤改良剂的处理显著提高了土壤微生物量氮的含量，且在G3处理下达到最大值。2014年土壤微生物量氮含量为4050～12107 mgkg，与CK相比，炭基土壤改良剂处理下提高2494%～8951%，且G3处理的土壤微生物量氮含量与CK存在显著差异（P<005）。2015年土壤微生物量氮含量为4011～9919 mgkg，与CK相比，炭基土壤改良剂处理下提高2552%～7649%，且G3處理的土壤微生物量氮含量与CK差异显著（P<005）。与2014年相比，2015年炭基土壤改良剂对土壤微生物量氮的作用有所下降，但整体趋势相同，说明炭基土壤改良剂对于土壤微生物量氮的作用具有持续性。其中，2015年土壤微生物量氮含量与2014年相同处理条件下相比下降幅度较大，可能是因为经过一个作物生长季，炭基土壤改良剂内的养分经过作物吸收以及雨水淋溶等影响，比第1年施入土壤时有所降低，可提供于微生物生长的养分比第1年有所减少。

3讨论与结论

农业土壤氮肥利用率低会造成资源浪费、大气污染、地下水富营养化和增加农业生产成本等问题17-18]，提高氮肥的利用效率是当前农业和环境研究的热点之一。本研究结果表明，施用炭基土壤改良剂可明显提高土壤有机质和全氮的含量，这与前人的研究结果19-20]基本一致。原因是炭基土壤改良剂能为固氮菌提供适宜的生境和丰富的碳源，刺激固氮细菌的活性，有利于固氮菌更好地发挥固氮功效21]。有研究结果表明，当生物炭添加量≥2%时，旱地土壤全氮含量随生物炭添加量的增加而增大，减少了氮素的淋失22]。本研究结果显示，在0～10、11～20 cm土层中，土壤全氮和有机质的含量均在炭基土壤改良剂最大施用量（30 thm2）时达到最大值。endprint

土壤微生物碳含量在土壤中的絕对数量不大，一般为土壤有机碳的1%～5%23]，本研究的结果与之相符。土壤微生物碳含量变幅较大，变化范围为110～2 240 kghm2，且与土壤有机质含量呈正相关24]，我国土壤微生物生物量碳含量变幅为42～2 046 kghm2，占土壤有机碳含量的2%～4%25]，本研究的结果与之基本相符。土壤氮素主要集中在耕层，其中930%～970%以有机氮的形势存在。土壤微生物氮含量一般占土壤全氮含量的10%～50%，与土壤水解性氮含量相一致。土壤微生物氮含量与微生物碳含量呈高度正相关，土壤微生物量的碳氮比（50～70）低于土壤有机质的碳氮比（100～150），这一点也说明土壤微生物氮是植物有效氮的重要储备26]，本研究中土壤微生物量的碳氮比为61～72，与之基本一致。

炭基土壤改良剂施入土壤对土壤有机质含量的影响较大，土壤有机质含量随着炭基土壤改良剂施入量的增加而增大，说明炭基土壤改良剂可以有效提高土壤肥力，进而改良不良土壤。炭基土壤改良剂施入土壤能在一定程度上改善土壤的碳氮比，提高氮素综合利用效果。综合生产成本及作用效果等因素，建议北方旱作农田炭基土壤改良剂的最佳施用量为20 thm2。

炭基土壤改良剂对土壤碳、氮的长期作用机理尚不明确，同时受制炭工艺、原料来源、供试作物、土壤类型、炭基土壤改良剂配方等因素的影响，今后对不同类型土壤、不同种类的供试作物、不同种类炭基土壤改良剂及施入量应建立有针对性的数据库，做到有的放矢，提高效率。

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