不同氮水平下生物炭与菌肥对采煤塌陷复垦土壤养分与氮素利用率的影响

2018-11-09许剑敏梁利宝

山西农业科学 2018年11期

许剑敏，梁利宝

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

山西是我国的煤炭大省，全省118个县中有94个县区储存煤炭资源，91个县有煤矿，山西省因采煤造成的地下采空区面积达1万km2，受灾人口超过230万人，其中，因采煤引起的不适合人类居住的村庄已超过700个，而全省的土地复垦率只有不到5%[1-3]。我国人口多耕地少，采煤塌陷区土地复垦熟化工作十分重要[4]。生物炭是有机生物材料在缺氧条件下经高温热裂解后产生的固体产物。生物炭拥有较大的孔隙度和比表面积，因此，具有良好的通气性和吸附能力，对水分、化肥有一定的持留作用[5-6]。生物炭还可以改善微生物的生存环境，为多种重要微生物的生长和繁殖提供了有利的条件[7]。它多为小麦、玉米秸秆制成，这样既减少大气污染，又实现了秸秆还田，对农田废弃物的循环利用，实现农业的可持续发展。

山西农业大学资源环境学院肥料的开发与高效利用课题组[8]已经进行了等氮水平不同施肥制度对采煤塌陷土壤理化性质的研究，对利用生物炭与菌肥配施在不同氮水平调节下对采煤塌陷土壤性质影响研究尚未开展。本试验以采煤塌陷区复垦1 a土壤为供试对象，探讨不同氮水平条件下施入生物炭与生物菌肥对土壤养分和土壤的氮素利用率影响机制，从而为加快复垦土壤熟化提供一定依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试菌剂为山西农业大学资源环境学院从当地矿区熟土中分离的功能性微生物（包括固氮菌、解磷菌、解钾菌），菌肥含活性有益菌为1×107cfu/g。

供试生物炭购自辽宁金和福农业开发有限公司，为玉米秸秆在缺氧条件下450℃高温裂解而成，粒径1.5～2.0 mm，其中，全氮1.51%，全磷0.76%，全钾1.62%，pH值为9.11。

供试玉米品种为泽玉41号，种植时间为2017年5月2日至9月30日。

1.2 试验区概况

试验地点为山西省晋城市北石店镇的采煤塌陷复垦区，塌陷深度2～3 m，采用混推模式就地平整法进行复垦。复垦土壤年限为1 a，土壤类型为石灰性褐土，pH值为8.01，土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮的含量依次为7.74，0.30，0.32 g/kg和 5.52，48.8，26.9 mg/kg。

1.3 试验设计

试验采用二因素随机设计，每个处理重复3次。试验共设置4个施氮水平，分别为0，120，210，300kg/hm2，2个施肥方式，即生物炭和生物炭+菌肥，共7个处理（表1）。每个小区40 m2。所有处理均施磷肥和钾肥，磷肥和钾肥施入量相同。试验所用肥料：氮肥为尿素，磷肥（过磷酸钙）P2O590 kg/hm2，钾肥（硫酸钾）K2O 90 kg/hm2，菌肥 350 kg/hm2，生物炭3 000 kg/hm2。

表1 试验处理

1.4 样品的采集和测定

在玉米收获期，对表层土壤0～20 cm进行采样，将风干土样研磨过1 mm土壤筛。土壤pH采用酸度计测定；全氮采用开氏法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定；有机质采用油浴加热K2Cr2O7容量法测定[9]。

氮肥农学效率＝（施氮区玉米产量－无氮区玉米产量）/施氮量；氮肥利用率＝（施氮区玉米地上部吸氮量－无氮区玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[10-11]。

1.5 数据分析

采用Excel2007和SPSS19进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤养分的影响

从表2可以看出，在玉米收获期，随着施氮量的增加，生物炭和生物炭＋菌肥2种方式下复垦土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷显著提高，且与CK间差异显著。

表2 不同处理对土壤养分的影响

不同施氮水平、同一施肥方式，生物炭与生物炭+菌肥处理土壤有机质、全氮、全磷含量两两之间差异显著。生物炭处理土壤速效磷、碱解氮含量N1，N2处理间差异不显著；生物炭＋菌肥处理土壤碱解氮、速效磷含量N3M与N2M处理间差异不显著，但与其他处理差异显著。

同一施氮水平不同施肥方式下，生物炭与生物炭＋菌肥处理之间土壤全氮、全磷含量差异不显著；复垦土壤有机质含量N3与N3M处理之间差异显著，其他处理之间差异不显著；N3与N3M，N2M与N2处理间土壤碱解氮含量差异显著；N2M与N2处理间土壤速效磷含量差异显著。生物炭+菌肥处理的土壤养分含量均高于生物炭处理。

2.2 不同处理对玉米产量的影响

由图1可知，生物炭与生物炭+菌肥这2种施肥方式随着施氮水平的增加，玉米产量出现先增加后减少的趋势，N2和N2M处理的产量较高，分别为5 012，5 164 kg/hm2，N3和N3M处理的产量分别为 4 936，5 021 kg/hm2，与 N2，N2M处理产量相比分别减少1.52%，2.77%。可以看出，过高的施氮量并没有带来玉米的高产，反而可能导致产量降低。同一施氮水平，生物炭与生物炭+菌肥处理之间，玉米产量差异不显著。

2.3 不同处理对氮肥利用率的影响

从表3可以看出，随着施氮量的增加生物炭处理和生物炭＋菌肥处理对玉米地上部分吸氮量均有不同程度增加，在N3M和N3处理下吸氮量较高，分别为107.7，101.5 kg/hm2。同一施氮水平玉米地上部吸氮量，N3M和N3处理间差异显著，N2M和N2处理间差异显著。

表3 不同处理对土壤养分的影响

氮肥农学效率和氮肥利用率随着施氮量的增加呈递减趋势。生物炭处理氮肥农学效率为3.2%～6.4%，氮肥利用率为6.7%～11.0%；生物炭＋菌肥处理氮肥农学效率为3.4%～6.8%，氮肥利用率为8.7%～13.2%。可以看出，生物炭＋菌肥比生物炭处理提高了氮肥农学效率和氮肥利用率。

3 讨论

生物炭处理和生物炭+菌肥处理均有效提高了复垦土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量。这可能是由于生物炭在低温碳化的过程中生成多孔结构，因而具有巨大的表面积，可吸附大量化合物，在土壤中形成较大粒径的团聚体，从而改善土壤结构，减少有机质的淋失。生物炭对NO3-，NH4+也有较强的吸附能力，可减少土壤的氨挥发与土壤氮素流失，提高氮肥利用率；生物炭能有效减少铁氧化物对磷的吸附和降低有效磷的淋失，从而提高土壤速效磷的含量[12]。

生物炭＋菌肥对复垦土壤效果好于生物炭处理，这可能是由于生物炭具有良好的保水保肥能力，以及生物炭的多孔性为微生物提供了良好的栖息地，改善了土壤微生物生长环境，生物炭所含的C，P，Mo等营养元素及微量元素为微生物生长提供了食物。有研究表明[13-14]，生物的小孔降低了氧浓度，利于固氮菌的生长（固氮菌在低氧浓度下氮气容易还原为氨）。也有学者[15]检测到添加木炭后细菌活性增强，微生物呼吸速率也增强。本试验表明，在复垦土壤施用菌肥可以增加微生物数量和活性的提高，对土壤理化性质有一定改善，促进植物对养分的吸收。

氮肥的施用对作物的增产有着极其重要的作用[16-18]。随着近年来学者的研究，多数报道表明，适量的氮肥可以增加玉米产量，过度用氮甚至会减产，随着氮肥施入量的提高，氮肥利用率不断降低[19-20]。本研究结果表明，施氮量为210 kg/hm2时，产量最高，氮利用率最高，当施氮量达到300 kg/hm2时，产量有所下降，氮利用率明显降低，表明高施肥量不能带来高产。