生物炭与绿肥配施对不同粒径黄壤无机氮含量及其贡献率的影响

陈云梅，赵堂甫，赵 欢，肖厚军，谢婷婷，胡 岗，秦 松

（1.贵州大学农学院，贵州贵阳 550006；2.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所/农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州贵阳 550006）

贵州黄壤面积超过700 万hm2，约占全国黄壤总面积的30%，占全省土壤总面积的46%［1］。黄壤盐基离子少、黏度大、酸性强，氮素转化淋溶严重，导致黄壤氮库亏缺明显［2-3］。生物炭不仅可以改良土壤物理性状，还能通过阳离子交换［4-6］、孔结构和本身位点吸附养分，为土壤保留更多养分［7-8］，也可直接为土壤微生物提供生存环境和养分，改变土壤微生物群落结构和生物多样性［9-10］，从而间接增强微生物对无机氮的固持能力，有效减少NH4+-N和NO3--N的淋溶［11］。然而，生物炭对土壤微生物群落组成以及土壤氮素养分循环的作用效果受多种因素的影响，有研究表明单施生物炭对土壤无显著作用［6］。因此，生物炭复配型综合施肥技术是今后改土培肥发展的趋势。

绿肥作为一种纯天然的清洁有机肥源，改土培肥的同时可以固氮活磷，还可增加地表覆盖度，减少水土流失［12］。目前，未见生物炭与绿肥配施在黄壤上的研究。因此，以玉米秸秆生物炭和绿肥作为试验材料，在常规化肥条件下，以等量生物炭配施不同量绿肥（箭筈豌豆）翻压于莴笋/玉米轮作盆栽黄壤中，分析生物炭与绿肥配施对不同粒径黄壤无机氮素形态及其贡献率的影响，旨在为贵州黄壤矿质氮素有效性提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院土壤肥料研究所试验基地的黄壤，自然风干后过5 mm 筛，其理化性质为：pH 6.16，w（有机质）21.21 g/kg，w（碱解氮）65.69 mg/kg，w（有效磷）6.05 mg/kg，w（速效钾）50.0 mg/kg，w（全氮）1.52 g/kg，w（全磷）0.36 g/kg，w（全钾）11.68 g/kg。供试化肥，尿素（w（N）46%）、过磷酸钙（w（P2O5）12%）、硫酸钾（w（K2O）50%），均购自本地经销商；供试生物炭，玉米秸秆在450 ℃炭化而得，pH 7.95，w（有机碳）473.61 g/kg，w（全氮）8.04 g/kg，w（全磷）1.88 g/kg，w（全钾）47.53 g/kg；供试绿肥，箭筈豌豆（w（全氮）36.5 g/kg，w（全磷）37.78 g/kg，w（全钾）20.7 g/kg）；供试作物，莴笋（青碧8号），玉米（金玉886），二者采用轮作模式。

1.2 试验方法

试验于2018 年10 月至2019 年9 月进行。采用盆栽试验，共设置6 个处理，分别为不施氮肥（T1）、常规化肥（T2）、常规化肥+生物炭（T3）、常规化肥+生物炭+绿肥50 g（T4）、常规化肥+生物炭+绿肥100 g（T5）及常规化肥+生物炭+绿肥200 g（T6）。每个处理5 盆，共30 盆，盆规格为40 cm×40 cm×40 cm，每盆装土25 kg。莴笋每盆3株，玉米每盆1株，种植方式为莴笋/玉米轮作，莴笋季和玉米季化学肥料用量、施肥模式及氮肥基追比均相同（见表1）。莴笋季生物炭、绿肥与土充分混匀作基肥一次性施入，玉米季不再做任何添加，氮肥按基追比7∶3 施入，作物栽培管理与正常生产保持一致。

表1 各处理施肥量g/盆

1.3 样品采集与测定方法

1） 土壤样品采集与预处理 玉米收获结束后，采耕层土壤样品。将土样沿自然裂缝掰开并过10 mm筛，于避光处自然风干，挑去风干土中的细根和石块，取部分研磨过0.830 mm（20 目）和0.150 mm（100 目）筛，一部分用于土壤化学性质测定，另一部分用于土壤粒径测定。

2） 土壤基础化学性质的测定 土样pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾分别采用pH 计、凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度计法、碱解扩散法、钼蓝比色法和火焰光度计法测定［13］。

3） 土壤不同粒径团粒的筛分 土壤粒径筛分参照Elliott（1986）水稳定性团聚体测定方法及步骤，将土样分为大粒径（＞2.00 mm）、较大粒径（＞0.25 ～2.00 mm）、微粒（0.053 ～0.250 mm）和黏粒（＜0.053 mm），分别收集至铝盒中，电热板60 ℃烘干，室温下保存备用以测定铵态氮和硝态氮含量。

4） 不同粒径土壤铵态氮和硝态氮含量的测定 靛酚蓝比色法测铵态氮含量，紫外分光光度法测硝态氮含量［13］。

1.4 数据处理

各粒级铵态氮对土壤铵态氮贡献率及和各粒级硝态氮对土壤硝态氮贡献率R计算公式［14］：

使用WPS 处理数据及计算，SPSS 19.0 软件进行方差分析及通径分析（包括相关分析和回归分析），Origin 2017软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭与绿肥配施对黄壤无机氮含量的影响

生物炭与100 g 绿肥配施可显著提高黄壤铵态氮和硝态氮含量（见图1）。添加生物炭（T3）较常规化肥（T2）处理铵态氮和硝态氮质量分数分别增加5.01、3.74 mg/kg，可见添加生物炭有利于促进黄壤无机氮累积。对比T4、T5和T6处理，铵态氮和硝态氮含量随绿肥添加量增加呈先增加后减少的变化趋势，其中添加100 g 绿肥处理黄壤铵态氮和硝态氮含量均达最大值，分别为62.88 mg/kg 和155.92 mg/kg，显著高于其余处理，可见少量及过量翻压绿肥对黄壤无机氮富集不利，但翻压适量绿肥，可有效提升土壤无机氮含量。综上所述，添加生物炭能显著提高黄壤铵态氮和硝态氮含量，生物炭配施适量（100 g）绿肥处理黄壤铵态氮和硝态氮含量提高最显著。

图1 不同处理土壤无机氮含量

2.2 生物炭与绿肥配施下不同粒径黄壤中铵态氮和硝态氮的含量

各处理不同粒径黄壤铵态氮含量和硝态氮含量分别见表2、表3。由表2可知，各处理铵态氮主要集中在＞0.25 ～2.00 mm 粒径中，＞2.00 mm 粒级次之，说明＞0.25 ～2.00 mm和＞2.00 mm粒径土壤铵态氮含量对土壤无机氮有重要意义。进一步分析发现，＞0.25 ～2.00 mm和0.053 ～0.250 mm粒径中，处理T5 铵态氮较其他处理分别增加10.23%～25.76%和33.72%～101.29%，且较其余处理差异均达显著水平，说明生物炭配施100 g 绿肥可以显著提高0.053～0.250 mm和＞0.25～2.00 mm粒径黄壤铵态氮含量，对培肥土壤有明显的积极作用。对比各处理＜0.053 mm 粒径黄壤铵态氮含量，T3 处理最大，较其他处理增幅为56.86%～93.37%，其余处理之间差异不显著，可见添加生物炭有利于促进小粒径黄壤中铵态氮的富集。

表2 各处理不同粒径黄壤铵态氮含量

由表3 可知，＜0.053 mm 粒径黄壤中硝态氮含量最高，说明硝态氮主要贮存于土壤黏粒中。除0.053 ～0.250 mm 外，T5 处理各粒径黄壤中硝态氮含量均达最大值，较其余处理增幅分别为49.95%～633.39%、1.36%～122.87%和2.75%～22.09%，说明生物炭与100 g 绿肥配施显著增加不同粒径黄壤中硝态氮含量。综上所述，生物炭与100 g 绿肥翻压对不同粒径土壤硝态氮有影响，对大粒径硝态氮含量提升效果最佳，较大粒径提升效果次之。

表3 各处理不同粒径黄壤硝态氮含量

2.3 生物炭与绿肥配施下不同粒径黄壤中铵态氮和硝态氮的贡献率

不同处理各粒径黄壤铵态氮对黄壤铵态氮贡献率的影响见图2。分析发现，＞0.25 ～2.00 mm 粒径黄壤铵态氮对黄壤铵态氮贡献率最高，对黄壤铵态氮贡献率范围为35.98%～39.75%，即35.98%以上的铵态氮储存在＞0.25 ～2.00 mm团粒中。对比各处理，T5 处理显著提高了0.053 ～0.250 mm 粒径黄壤铵态氮对黄壤铵态氮贡献率。此外，T5 处理较其余处理＜0.053 mm 粒径黄壤铵态氮的贡献率最低。可见，生物炭配施适量（100 g）绿肥显著提高了0.053～0.250 mm粒径铵态氮的贡献率。

图2 不同处理各粒径黄壤铵态氮对黄壤铵态氮贡献率

不同施肥方式下各粒径黄壤硝态氮对黄壤硝态氮贡献率表现出不同的变化特征（见图3）。分析可知，＞2.00 mm 粒径中，T5 处理硝态氮在黄壤硝态氮中的贡献率最大，较其他处理增幅为10.44% ～365.83%，差异达显著水平。T3 与T2 处理相比，＞0.25 ～2.00 mm 和＞0.053 ～0.250 mm、粒径硝态氮贡献率分别提高22.61%和22.34%。综上，与其余处理相比，T5处理显著提高＞2.00 mm粒径硝态氮贡献率，可见生物炭配施适量（100 g）绿肥提高了黄壤大粒径硝态氮贡献率。此外，添加生物炭显著提高了较大粒径和微粒硝态氮贡献率。

图3 不同处理各粒径黄壤硝态氮对黄壤硝态氮贡献率

3 讨论

本研究也得出生物炭可明显提高土壤无机氮含量。究其缘由，可能是生物炭发达的孔隙结构和巨大的比表面积影响了土壤的物理和化学吸附作用，直接吸附土壤中氮素，减少氮淋失；也可能与生物炭提高土壤微生物活性从而增强微生物对无机氮的固持能力有关［15］。此外，本研究还表明，绿肥添加量不同对土壤氮素有影响，本研究中，生物炭配施100 g 绿肥对土壤铵态氮和硝态氮提升效果最佳，可能是因为生物炭能改善土壤理化性质，绿肥翻压入土腐解可促进土壤有机质积累［16］，有机质可以携带部分氮素，从而减少氮素损失。

不同粒径土壤对氮的保持，供应和转化能力有差异。本研究中，大粒径、较大粒径团粒储铵态氮能力好，这与文献［17］研究结果一致，因为大粒径中有机质易矿化转化为无机氮。本研究中，硝态氮主要分布在＜0.053 mm 黏粒中，这与黄容［14］研究结果一致。主要因为化学氮肥施入土壤后，快速分解成无机氮优先进入较小粒径（微粒和黏粒）中［18］，粒径越小，比表面积越大，对无机氮的吸附能力就越强［19］。本研究中，添加生物炭或生物炭配施绿肥不同程度改变了无机氮在不同粒径土壤中的分布，添加生物炭或生物炭配施绿肥较常规化肥不同程度提高了大粒径、较大粒径及微粒中的铵态氮含量，其中以生物炭配施100 g 绿肥对大粒径、较大粒径及微粒铵态氮含量提升效果最佳。此外，生物炭配施绿肥还提高了各粒径黄壤硝态氮含量，其中以生物炭配施100 g 绿肥对各粒径硝态氮提升效果最好。

本研究中，＞0.25 ～2.00 mm粒径黄壤中铵态氮贡献率大于其他粒径，这可能与该粒径黄壤中铵态氮含量高于其他粒径有关。对于各粒径硝态氮而言，各处理＜0.053 mm 粒径中硝态氮贡献率仍最大，可能是＜0.053 mm 粒径中硝态氮含量最高的缘故。生物炭配施100 g 绿肥较常规化肥处理显著提高了＞2.00 mm粒径硝态氮贡献率。

4 结论

本试验条件下，生物炭与绿肥配施能够显著提高黄壤无机氮储量，有利于促进各粒径（除黏粒）铵态氮和硝态氮的富集，其中生物炭500 g+绿肥100 g（土25 kg）配施方式更适宜贵州黄壤矿质氮的提升。