减氮配施生物炭对花生—油菜轮作系统土壤肥力和花生产量与氮素利用的影响

赵耀东 侯江涛

摘要：探明氮肥减量配施生物炭对花生—油菜轮作系统土壤肥力和花生生长发育的影响，为氮肥减量增效背景下生物炭的合理施入提供理论依据。2020—2022年，以花生—油菜轮作系统为研究对象，设置不施肥（CK）、常规施肥（CF）、减氮15%+5.28 t/hm2生物炭（RN15B）、减氮30%+10.56 t/hm2生物炭（RN30B）、减氮45%+15.84 t/hm2生物炭（RN45B）、减氮60%+21.12 t/hm2生物炭（RN60B）6个处理，研究不同减氮配施生物炭处理对土壤养分含量、酶活性及花生产量、品质和氮素利用效率的影响。结果表明，与CK、CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理均可提高土壤养分含量、酶活性及花生产量、品质和氮素利用效率。其中，与CF处理相比，RN45B处理速效氮、有机质含量分别显著提高10.23%、13.80%，RN60B处理速效磷、速效钾含量分别显著提高11.20%、17.89%，pH值均无显著差异；RN45B处理脲酶活性显著提高12.04%，RN60B处理蔗糖酶、碱性磷酸酶活性分别显著提高11.89%、16.28%，RN30B处理过氧化氢酶活性显著提高7.64%；RN45B处理花生产量、百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率分别显著提高14.22%、17.33%、7.66%、6.89%、8.55%；RN45B处理花生含油率、油酸含量、亚油酸含量分别提高3.99%、5.19%、3.90%，油酸含量显著提高，油亚比均无显著差异；RN45B处理氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率分别显著提高7.00%、14.21%、60.23%、11.43%。相关性分析表明，花生产量、品质及土壤养分含量与土壤酶活性变化密切相关。综上，适量减氮配施生物炭能够提高土壤肥力，促进花生生长发育，提升氮肥利用效率。

关键词：施肥；生物炭；花生；土壤肥力；产量；品质；氮素利用效率

中图分类号：S565.206；S344.1  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）23-0081-07

化肥在保障我国粮食安全和农产品持续供给中伴有重要角色，据相关部门统计，截至2020年底，我国化肥使用量达5 250.9万t，是世界上化肥使用最多的国家，且化肥利用率远低于发达国家，对我国自然环境保护和绿色食品发展带来了巨大挑战［1-3］。花生是河南省重要油料与经济作物，种植面积和产量均居全国第1位［4］。近年来，随着农业供给侧结构改革，花生产业迎来了新的发展机遇，而为提高花生产量和经济效益，大量使用化肥，尤其是氮肥［5-6］。氮肥是花生生长必需的主要营养元素，在一定范围内，氮肥施用量的提高能够促进花生生长发育，提高花生产量［7-8］。但过量施用氮肥不仅造成氮素损失，环境污染加重，还易造成土壤结构失衡、肥力降低、土地生产力下降等问题，严重制约花生产业可持续发展［9-11］。因此，如何改进施氮措施，提高花生氮素利用效率，成为了未来花生产业健康持续发展的重要方向［12］。有研究表明，施氮时期、配施有机肥等措施是提升土壤肥力，促进作物生长发育及提高氮素利用效率的有效途径［13-15］。袁光等的研究表明，减氮配施有机肥能够明显促进花生生长发育，增加地下部生物累积量，提高花生产量［16］。杨莉莉等的研究表明，有机肥替代部分化肥能够显著提高氮肥偏生产力、土壤酶活性以及作物产量［17］。刘中良等的研究表明，合理氮肥与有机肥比例能够提高土壤养分含量、酶活性，降低作物硝酸盐含量［18］。由此可见，氮肥减量与有机肥配施能够对土壤肥力、作物成长发育及氮肥利用效率等产生不同的影响。

生物炭是由农作物秸秆等有机物在无氧或缺氧环境下高温裂解生成的pH值高、碳稳定性与吸附力强的富碳物质，近年来，生物炭作为一种良好的土壤调理剂应用于各种农田［19-20］。有研究表明，生物炭施入土壤中能够提高降低土壤容重，提高土壤肥力，改善土壤通风透气状况，有利于提升氮肥利用效率，促进作物生长发育［21-22］。因此，在氮肥减量增效的背景下，如何利用生物炭提高土壤肥力，提升氮肥利用率及花生氮素吸收等研究备受关注。近年来，氮肥减量配施生物炭对作物生长发育及土壤肥力的研究报道有很多［22-23］。关于氮肥减量配施生物炭对花生的研究也有部分报道，但主要集中在花生氮素吸收与利用及产量等方面［24-25］。关于探讨氮肥减量配施不同比例生物炭对花生—油菜轮作田土壤养分、酶活性、花生产量、品质和氮素利用率的影响以及它们之间的关联性变化，但目前缺乏系统性研究。为此，本研究通过田间定位试验，研究不同氮肥减量与生物炭配施比例条件下花生—油菜轮作田土壤养分、酶活性、花生产量、品质及氮素利用率的变化特点，探讨它们间的关联性。找到适宜的配施比例，为氮肥减量增效背景下生物炭的合理施入提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年10月至2022年10月，在河南省商丘市睢阳区包公庙镇朱楼村（115°52′E，35°84′N）进行，试验点属暖温带大陆季风性气候，冬冷夏热，四季分明。年均气温一般为13.5～14.5 ℃，年降水量一般为650～800 mm，年均日照时长约 2 200 h。供试土壤为黄潮土，土壤质地为中壤。试验前土壤理化性质：碱解氮含量48.16 mg/kg，速效磷含量54.29 mg/kg，速效钾含量112.82 mg/kg，有机质含量 10.60 g/kg，pH值为8.07。

1.2 供试材料

供试花生：冀花4号，由河北省农林科学院粮油作物研究所培育；供试油菜：中双9号，由中国农业科学院油料作物研究所培育；供试化肥：純氮、过磷酸钙（P2O5 16%）、硫酸钾（K2O 50%）；供试生物炭：以油菜秸秆为原材料，在500 ℃厌氧高温条件下烧制2 h而成，其养分含量为：N 4.26 g/kg、P2O5 3.82 g/kg、K2O 6.48 g/kg。

1.3 试验设计

试验按照等量施氮原则，设6个处理，分别为不施肥（CK）、常规施肥（CF）、减氮15%+5.28 t/hm2生物炭（RN15B）、减氮30%+10.56 t/hm2生物炭（RN30B）、减氮45%+15.84 t/hm2生物炭（RN45B）、减氮60%+21.12 t/hm2生物炭（RN60B）。其中，常规施肥处理化肥用量：纯氮150 kg/hm2、过磷酸钙600 kg/hm2、硫酸钾150 kg/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积42 m2，走道1 m，保护行3 m。花生生育期为6月15日至10月8日，种植密度约为15万穴/hm2，行间距为60 cm。油菜生育期为11月1日至次年6月1日，直播，种植密度约为2.2 万株/hm2。试验中花生季进行减氮施肥处理，70%氮肥作为基肥施入，30%氮肥在花生结荚期进行追肥，磷肥与钾肥均为基肥。花生季不进行特殊处理，按照当地常规种植。

1.4 样品采集

土壤样品采集：于2022年9月30日花生收获前1周采集土壤样品。利用专业螺旋土钻及5点取样法采集0～20 cm土样，带回实验室后拣出杂物，自然风干，待用于土壤养分含量和土壤酶活性的测定。

植株样品采集：于2022年9月30日花生收获前1周采集花生茎叶、果壳和果仁，用于花生氮素吸收的测定。在花生收获时，测定小区内花生产量，并在每个小区内采集连续10株花生用于花生品质和百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率和地上部生物量的测定。

1.5 测定项目与方法

土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量和pH值的测定分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法、火焰光度法、重铬酸钾加热法、水土比法［26］。土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性的测定分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、3，5-二硝基水杨酸比色法、高锰酸钾滴定法、磷酸苯二钠比色法［27］。花生含油率、油酸含量、亚油酸含量均利用近红外分析仪（Bruck Optics）进行测定。其中，油亚比=油酸含量/亚油酸含量。花生根、茎、叶、荚果含氮量均采用凯氏定氮法［26］。氮肥利用率计算公式如下：

氮素收获指数=荚果氮素累积量/植株氮素累积量×100%；

氮肥偏生产力（kg/kg）＝施氮区荚果产量/施氮量；

氮肥农学效率（kg/kg）＝（施氮区荚果产量-对照区荚果产量）/施氮量；

氮肥利用率=（施氮区植株吸氮量－对照区植株吸氮量）/施氮量×100%。

1.6 数据分析

利用Excel 2018进行数据处理、计算与图表制作，利用DPS 19.05进行数据差异显著分析与相关性分析，利用CANOCO 5.0进行冗余（RDA）分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥减量配施生物炭对土壤养分含量和pH值的影响

由表1可知，不同减氮配施生物炭处理土壤养分含量和pH值存在明显差异。与CK相比，不同施肥处理均可显著提高土壤速效氮、速效磷、速效钾和有机质含量，pH值也均不同程度地提高，但无显著差异。而与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理均可不同程度地提高土壤速效养分、有机质含量及土壤pH值。其中，RN45B处理速效氮、有机质含量最高，较CF处理分别显著提高10.23%、13.80%；其次是RN30B处理速效氮和RN60B处理有机质含量，显著高于CF处理，而与RN45B处理相比均无显著差异。RN60B处理速效磷、速效钾含量均最高，较CF处理分别显著提高11.20%、17.89%；其次是RN45B处理速效磷、速效钾含量，显著高于CF处理，而与RN60B处理相比均无显著差异。不同施肥处理土壤pH值均无显著变化。

2.2 氮肥减量配施生物炭对土壤酶活性的影响

由表2可知，不同减氮配施生物炭处理土壤酶活性存在显著差异。与CK相比，不同施肥处理土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性均显著提高。而与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理能够不同程度地提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性。其中，RN45B处理脲酶活性最高，较CF处理显著提高12.04%；其次是RN30B处理脲酶活性，显著高于CF处理，而与RN45B处理相比无显著差异。RN60B处理蔗糖酶、碱性磷酸酶活性最高，较CF处理分别显著提高11.89%、16.28%；其次是RN45B处理蔗糖酶、碱性磷酸酶活性，显著高于CF处理，而与RN60B处理相比均无显著差异。RN30B处理过氧化氢酶活性最高，较CF处理显著提高7.64%；其次是RN45B处理过氧化氢酶活性，显著高于CF处理，而与其他施肥处理相比均无显著差异。

2.3 氮肥减量配施生物炭对花生产量及构成因素的影响

由表3可知，不同减氮配施生物炭处理花生产量及构成因素存在显著差异。与CK相比，不同施肥处理花生产量、百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率均不同程度提高。其中，不同减氮配施生物炭處理均显著提高。而与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理花生产量、百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率也均不同程度提高。其中，RN45B 处理花生产量、百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率均最高，较CF处理分别显著提高14.22%、17.33%、7.66%、6.89%、8.55%；其次是RN30B处理花生产量、百果质量、百仁质量、饱果率、出仁率。其中，与CF处理相比，RN30B处理花生产量、百果质量、百仁质量显著提高，而与RN45B处理相比，RN30B处理除花生产量显著降低外，其他指标均无显著性差异。

2.4 氮肥减量配施生物炭对花生品质的影响

由表4可知，不同减氮配施生物炭处理花生各品质含量存在明显差异。与CK相比，不同施肥处理花生含油率、油酸含量、亚油酸含量及油亚比均不同程度地提高。其中，油亚比均无显著差异。与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理花生含油率、油酸含量、亚油酸含量均不同程度提高。其中，RN45B处理花生含油率、油酸含量、亚油酸含量较CF处理分别提高3.99%、5.19%、3.90%，油酸含量显著提高，而含油率、亚油酸含量均无显著性差异；其次是RN30B处理花生含油率、油酸含量、亚油酸含量，与CF、RN45B处理相比无显著差异。不同施肥处理花生油亚比均无显著性变化。

2.5 氮肥减量配施生物炭对花生氮素吸收的影响

由表5可知，不同减氮配施生物炭处理花生各部位对氮素的吸收存在较大差异。与CK相比，不同施肥处理根、茎、叶以及荚果含氮量均不同程度地提高。而与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理根、茎、叶以及荚果含氮量均不同程度地提高。其中，RN45B处理根、荚果含氮量较CF处理分别提高5.23%、3.77%，根含氮量显著提高，而荚果含氮量无显著差异；其次是RN30B处理根含氮量和 RN60B 处理荚果含氮量，与CF、RN45B处理相比无显著差异。RN60B处理茎氮量最高，较CF处理显著提高11.49%；其次是RN45B处理，显著高于CF、RN15B处理，而与RN60B处理相比无显著差异。RN30B处理叶含氮量最高，较CF处理显著提高6.74%，其他处理间均无显著差异。

2.6 氮肥减量配施生物炭对花生氮素利用效率的影响

由表6可知，不同减氮配施生物炭处理对花生氮素利用效率产生较大的差异。与CK相比，不同施肥处理氮素收获指数显著提高7.50%～15.03%。与CF处理相比，不同减氮配施生物炭处理均可提高氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率。其中，RN45B处理氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率均最高，较CF处理分别显著提高7.00%、14.21%、60.33%、11.43%， 氮肥偏生产力、氮肥农学效率显著高于其他减氮配施生物炭处理，而氮素收获指数、氮肥利用率与其他处理相比均无显著差异；其次是RN60B处理氮素收获指数、氮肥利用率，显著高于CF处理，而与RN45B处理相比均无显著差异。氮素收获指数、氮肥利用率整体表现均为RN45B>RN60B>RN30B>RN15B>CF；其次是RN30B处理氮肥偏生产力、氮肥农学效率，均显著高于CF处理，显著低于RN45B处理。氮肥偏生产力、氮肥农学效率整体表现为RN45B>RN30B>RN60B>RN15B>CF。

2.7 各指标间的相关性分析

通过花生产量及品质与土壤酶活性相关性分析结果可知，产量与土壤脲酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关（P<0.01），与土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶活性呈显著正相关（P<0.05）；饱果率与土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性呈显著正相关（P<0.05）；荚果出仁率与土壤蔗糖酶活性呈显著正相关（P<0.05）；花生含油率与土壤过氧化氢酶活性呈显著正相关（P<0.05）；油亚比与土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性呈显著正相关（P<0.05）；其他指标间也均呈正相关关系（表7）。为进一步分析土壤酶活性变化与土壤养分含量及pH值间的相关性，利用土壤酶活性与养分含量进行冗余（RDA）分析，结果见图1。由图1可知，土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性与土壤速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量和pH值均呈正相关关系，其中，pH值对土壤酶活性的影响明显低于其他养分因子。而表征不同处理点的各种符号空间分布较为分散，表明不同减氮配施生物炭处理对土壤酶活性变化产生的影响不同。由此可见，土壤生物学活性的提高不仅有利提高保障土壤养分供应，还能够提高作物对养分的吸收与利用。

3 讨论

土壤养分是农作物根系获取养分的直接来源，其含量直接影响作物养分吸收及生长发育［28］。土壤酶是土壤中具有生物催化能力的特殊蛋白质类化合物总称，能够催化土壤中大多数生化反应过程，主要来源于动植物残体、微生物代谢产物等，是表征土壤生物学特性和土壤肥力的重要指标［29-30］。

有研究表明，配施生物炭能够改善土壤特性，提高养分含量和生物学活性［20］。本研究结果表明，减氮配施生物炭有利于提高土壤养分含量、pH值及土壤酶活性。这与李玥等的研究［31］较为一致。pH值的提高是因为生物炭表面富含丰富的有机官能，能够吸附土壤中的H+，进而提高土壤pH值。土壤养分含量及酶活性的提高可能是多方面影响，一是施入的生物炭含有大量的氮磷钾及有机质，腐烂分解后能够通过增加土壤酶数量提高酶活性；二是生物炭养分释放速率较慢，能够有效降低肥效损失；三是生物炭表面含有丰富的多孔结构，施入土壤后能够有效改善土壤通风透气状况，提高微生物代谢活性，进而提高生物学活性以及养分分解与转化效率［32-34］。

氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率是表征氮肥利用效率的定量指标，能够从侧面反映作物对氮肥的利用状况［12］。本研究结果表明，与单施化肥相比，不同减氮配施生物炭处理均能够提高氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率。其中，在施氮量相同的情况下，RN45B处理氮素利用效率表现突出。經分析，发现生物炭的大量施入在改善土壤透气状况、提高生物学活性及养分分解与转化效率的前提下，有可能是生物炭能够吸附土壤中不易被利用的无机氮，减少氮素损失，提高氮素利用效率。而RN45B处理氮素收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率明显高于RN60B处理，这可能是生物炭养分释放速效较慢，无机氮肥减量过多土壤中氮素不能满足花生需求所致，也可能是大量生物炭带入的磷钾元素致使土壤磷钾含量过多，对根系吸收起到负面影响，进而影响到氮素利用。

本研究结果表明，与对照不施肥或单施化肥相比，氮肥减量配施生物炭能够明显提高花生产量及品质。其中，RN45B处理表现明显优于其他减氮配施生物炭处理。分析认为，生物炭的施入在提高土壤肥力和生物学活性的同时，能够带入大量的磷钾元素供花生吸收利用，能够提高花生的磷、钾吸收量与利用效率，进而促进炭花生生长发育，提高花生的产量及品质［35］。但生物炭并不是替代氮肥越多越好，虽然生物炭对土壤肥力具有明显的促进作用，而生物炭养分释放速率明显低于无机肥，无机氮减量过多，生物炭释放的速率不能满足作物生长需要，且磷、钾饱和或过多，同样不利于花生根系对养分的吸收与利用，所以表现出RN60B处理产量、品质均弱于RN45B处理［36］。

在花生产量、品质及土壤养分与土壤酶活性的相关性分析中表明，土壤生物学活性的变化与土壤养分供应及作物对养分的吸收与利用密切相关。综合来看，氮肥减量配施生物炭对土壤肥力、花生产量、品质及氮素利用效率的提高有明显的促进作用，但生物炭替代氮肥比例产生的影响并不是越多越好。本研究关于氮肥减量配施生物炭对花生产量及品质方面的结论并不严谨，未能清晰配施生物炭带入的磷钾元素对花生生长发育的影响，需要进一步考虑氮肥减量与生物炭配施时磷钾元素的摄入，提高磷钾肥利用效率，避免磷钾肥资源的浪费。

4 结论

与对照不施肥或单施化肥处理相比，不同减氮配施生物炭处理能够提高土壤养分含量和酶活性，提升氮素利用效率，促进花生生长发育，进而提升花生产量及品质。在一定减氮范围内，随着生物炭比例的增加，土壤肥力、花生产量、品质及氮素利用效率逐渐提高。综合土壤肥力、花生生长发育及氮素利用效率分析可知，减氮45%+15.84 t/hm2生物炭处理表现优于其他处理。

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