氮肥减量配施生物炭对水稻氮素吸收和土壤理化性质的影响

阮泽斌，王兰鸽，蓝王凯宁，徐 彦，陈俊辉，柳 丹

(浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300)

氮肥在粮食生产中发挥着重要作用，在一定范围内，氮肥的施用量决定着作物的生长发育情况和产量[1]。自20世纪80年代以来，我国化肥用量持续增加，2015年全国农用化肥用量达到最大值(6 022.6万t)。但是，氮肥的过量施用极易造成氮素损失，加重环境污染[2]。长期过量施氮易使土壤质量退化，土壤养分失衡，降低土壤生产能力。同时，过量施用的氮素一方面可通过径流、淋溶进入水体，造成水体富营养化和地下水污染；另一方面，可经过硝化和反硝化作用产生NO和N2O，加剧温室效应[3-4]。当下，在氮肥减量的大背景下，如何提高氮肥利用率，是保障作物产量和农业可持续发展的重要问题。

土壤酶是养分周转的核心驱动力，其活性能有效表征土壤养分的周转状况[13]。研究表明，在施用有机肥的条件下，土壤脲酶、蔗糖酶活性增加[14]，且土壤脲酶、蔗糖酶活性与土壤全氮、速效磷、有机碳含量呈显著相关关系[15]。

在当前氮肥减量增效的背景下，如何利用生物炭来促进水稻生长、提高氮肥利用率备受关注。生物炭在氮肥减量条件下能否增进水稻的氮素利用效率，及其与土壤碳、氮、磷转化相关酶的活性有何关系等，目前尚缺乏系统研究。为此，本研究特开展水稻盆栽试验，研究不同氮肥减量水平下生物炭施用对水稻氮素吸收，土壤养分含量，以及土壤碳、氮、磷转化相关酶活性的影响，以期为化肥减量背景下的生物炭农用提质增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

生物炭由死猪在650 ℃高温、常压条件下热裂解4 h制成，基本理化性质如下：pH值9.96，全碳(C)质量分数25.4%，全氮(N)质量分数1.6%，全磷(P)质量分数7.8%，全钾(K)质量分数2.4%，C/N为16.3。

供试土壤采自浙江省金华市洋埠镇五都钱村(119°21′57″E，29°5′13″N)，土壤类型属于铁铝型水稻土。该地区属亚热带季风气候，为典型水稻种植区。供试土壤的基本理化性质如下：pH值5.60，有机碳含量13.11 g·kg-1，碱解氮含量131.30 mg·kg-1，有效磷含量11.50 mg·kg-1，速效钾含量245.00 mg·kg-1。

供试水稻品种为甬优1540。

供试用氮肥为尿素(N质量分数46%)，灵谷化工集团有限公司生产；磷肥为过磷酸钙(P2O5质量分数12%)，浙江铭隆化工有限公司生产；钾肥为氯化钾(K2O质量分数60%)，中化化肥有限公司生产。

测定仪器：FE20实验室pH计，梅特勒-托利多(Mettler Toledo)；D-8紫外可见分光光度计，南京菲勒仪器有限公司；FP640火焰光度计，上海仪电分析仪器有限公司；Synergy H1多功能酶标仪，美国BioTek。

1.2 试验设计

试验共设7个处理：CK，不施氮肥的对照；N100，常规施氮；BN100，常规施氮配施生物炭，氮肥用量折纯164 kg·hm-2；N80，在常规施氮量的基础上减氮20%；BN80，在N80的基础上配施生物炭；N60，在常规施氮量的基础上减氮40%；BN60，在N60的基础上配施生物炭。这7个处理统一施用磷、钾肥，其用量折纯分别为67.5(以P2O5计)、82.0(以K2O计)kg·hm-2。配施生物炭的处理统一按照盆栽土壤质量0.5%的比例添加生物炭。

盆栽试验于温室大棚内进行，水稻生育期长120 d。对盆栽进行淹水管理，于分蘖期结束后晒田，以结束无效分蘖。

每盆盆栽装土2.5 kg，按照试验设计，将各处理60%的氮肥和全部的磷、钾肥，以及需要配施的生物炭作基肥施用，与土壤混合均匀。淹水稳定一周后移栽水稻幼苗。剩余的40%的氮肥于水稻幼苗移栽7 d后作追肥施用。

水稻于8月4日移栽，每盆栽种水稻1株，每个处理设置3个重复。于水稻成熟后(12月2日)进行破坏式取样，将水稻和土壤分离。水稻洗净，分为根、茎、叶、穗4部分，杀青1 h，烘至恒重。将土壤分成两部分：一部分直接储存于4 ℃冰箱，用于测定土壤酶活性；一部分自然风干并分别过10目和100目筛，用于测定土壤pH值，及有机碳、铵态氮、硝态氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。

1.3 指标测定

参照《土壤农化分析》[16]中的方法：水土体积质量比2.5∶1的比例浸提，用pH计测定土壤pH值；用重铬酸钾容量-外加热法测定土壤有机碳含量；用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；用盐酸-氟化铵浸提—钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；用醋酸铵浸提—原子吸收法测定土壤速效钾含量；用KCl浸提—靛酚兰比色法测定土壤铵态氮含量；用紫外分光光度校正因数法测定土壤硝态氮含量。

采用H2SO4-H2O2消煮—靛酚蓝比色法测定水稻植株氮含量。参照文献[17]的方法测算水稻地上部氮积累量和氮肥表观利用率。

采用微孔板荧光法[18]测定土壤α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CB)、木聚糖苷酶(XYL)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(PHOS)活性。以4-羟甲基-7-香豆素(MUB)和7-氨基-4-甲基香豆素(MUC)荧光标记的底物作为酶活性反应底物，通过MUB和MUC荧光强度的变化反映酶活性。用多功能酶标仪，在激发光波长365 nm和检测光波长450 nm下测定反应液荧光值。以单位质量(1 g)土壤单位时间(1 h)的产物量(nmol)表征酶活性。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件整理数据。使用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，对有显著(P<0.05)差异的，采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。用Origin 2021软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤理化性质的影响

与常规施氮处理(N100)相比，添加生物炭处理的土壤pH值和有效磷含量分别显著(P<0.05)提升0.23～0.31个pH单位和16.1%～29.2%，BN100和BN80处理的速效钾含量相比常规施氮处理(N100)显著(P<0.05)提升182.0%和294.5%(表1)；化肥减量处理(N80、BN80、N60、BN60)的土壤铵态氮含量显著(P<0.05)提升37.5%～49.2%，但硝态氮含量无显著变化。与CK和N100处理相比，仅添加了生物炭的BN100处理显著(P<0.05)提高了土壤有机碳含量，较N100增加了24.0%。

表1 不同处理对土壤理化性质的影响

2.2 不同处理对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是表征土壤肥力的重要指标。与常规施氮处理(N100)相比，适量减氮和添加生物炭可显著(P<0.05)提高土壤酶活性(表2)。

表2 不同处理对土壤酶活性的影响

与常规施氮处理(N100)相比，BN80和BN60处理的α-葡萄糖苷酶(AG)活性分别显著(P<0.05)提升26.4%和23.6%；BN80处理的β-葡萄糖苷酶(BG)和木聚糖苷酶(XYL)活性显著(P<0.05)提升13.0%和27.2%。与常规施氮处理(N100)相比，化肥减量处理(N80、BN80、N60、BN60)的N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性显著(P<0.05)提升9.3%～24.4%。与常规施氮处理(N100)相比，添加生物炭处理(BN100、BN80、BN60)的纤维二糖水解酶(CB)和酸性磷酸酶(PHOS)活性分别显著(P<0.05)提升11.2～12.8%和16.3%～20.6%。但是，各处理之下，土壤LAP活性均无显著差异。

2.3 不同处理对水稻各部位氮含量、氮积累量和氮肥表观利用率的影响

于水稻成熟期检测水稻不同部位的氮含量(图1)。与N100和N80处理相比，等氮量条件下配施生物炭的处理(BN100和BN80)显著(P<0.05)提高了水稻根系的含氮量。在茎中，BN80处理的氮含量最高，较N100处理显著(P<0.05)提升38.4%。同时，与N80和N60处理相比，等氮量条件下配施生物炭的处理(BN80和BN60)均显著(P<0.05)提高了水稻茎中的含氮量。各处理中，BN80处理的水稻叶片氮含量最高，较N100处理显著(P<0.05)提高12.9%。当氮用量为常规施氮量的80%时，水稻穗中的氮含量最高， BN80和N80处理下，水稻穗中的氮含量较N100处理分别显著(P<0.05)提高18.8%和11.1%。

同一部位柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters in the same part indicated significant difference at P<0.05.图1 不同处理对水稻各部位氮含量的影响Fig.1 Effect of different treatments on nitrogen content in various parts of rice

与N100处理相比，各处理中，仅BN80处理的地上部氮积累量显著(P<0.05)增加16.0%(图2)。N60处理的水稻地上部氮积累量较N100处理显著(P<0.05)下降，BN60处理的地上部氮积累量较N60处理显著(P<0.05)增加，与N100无显著差异。以上结果说明，适量减氮并配施生物炭可以促进水稻地上部的氮素积累。

与N100处理相比，BN80、N80、BN60处理的氮肥表观利用率较N100处理分别显著(P<0.05)提升25.5、16.3和19.4百分点(表3)，说明适量减少氮肥施用，以及在氮肥适当减量的基础上合理配施生物炭能够提高水稻的氮肥表观利用率。

图中数据以盆计。柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Data in the above figure was recorded by pot. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图2 不同处理对水稻地上部氮积累量的影响Fig.2 Effect of different treatments on nitrogen accumulation in aboveground parts of rice

表3 减氮配施生物炭对水稻氮肥表观利用率的影响

2.4 土壤胞外酶与土壤养分和水稻氮素吸收的相关性

相关性分析结果(图3)显示：NAG活性与土壤铵态氮，水稻根、茎、叶、穗氮含量，及土壤速效钾含量呈显著(P<0.05)正相关。土壤pH值与AG、BG、CB、LAP、PHOS和XYL酶活性呈显著(P<0.05)正相关。CB、PHOS活性与土壤碱解氮含量呈显著(P<0.05)正相关，PHOS、BG、XYL活性还与土壤有效磷含量呈显著(P<0.05)正相关。氮肥表观利用率与土壤铵态氮和速效钾，水稻根、茎、穗氮含量，以及NAG、XYL、AG、BG、PHOS活性呈显著(P<0.05)正相关。

OC，土壤有机碳；AN，土壤铵态氮；NN，土壤硝态氮；EN，土壤碱解氮；AP，土壤有效磷；AK，土壤速效钾；RN，根氮含量；SN，茎氮含量；LN，叶氮含量；PN，穗氮含量;NC，地上部氮积累量；NUE，氮肥表观利用率。“*”表示显著(P<0.05)相关。OC， Soil organic carbon； AN， Soil ammonium nitrogen； NN， Soil nitrate nitrogen； EN， Soil effective N； AP， Soil available P； AK， Soil available K； RN， Nitrogen content in root； SN， Nitrogen content in stem； LN， Nitrogen content in leaf； PN， Nitrogen content in panicle； NC， Nitrogen accumulation in aboveground parts； NUE， Apparent nitrogen use efficiency. “*” indicates significant correlation at P<0.05.图3 土壤胞外酶活性、土壤养分含量与水稻氮素吸收的相关性Fig.3 Correlation of soil extracellular enzymes activities， soil nutrients contents and nitrogen uptake in rice

3 讨论

在本研究中，不同氮施用量下配施生物炭均能显著提高土壤pH值。这与前人研究结果[19]一致。生物炭之所以能够提高土壤的pH值，这可能与生物炭本身pH值较高，且含有K、Na、Ca、Mg等盐基离子有关[20]。单一施氮处理下的土壤pH值较不施氮的CK略降，这可能与水稻对铵的偏好吸收有关。水稻吸收土壤中的铵态氮，导致土壤中存在过量阴离子，为保持电荷平衡，水稻根系表面分泌H+至土壤中，进而使得土壤酸化[21]。田冬等[22]开展的室内恒温培养试验也显示，在添加尿素后，土壤pH值显著降低。

有研究表明，施用生物炭能够提高土壤有机碳水平[23]。土壤中的生物炭表面钝化后，会与土壤相互作用形成一种保护基质，增加有机碳的氧化稳定性，有助于土壤有机碳的积累[24]。不同材料制成的生物炭，其本身的碳含量就有所不同，对土壤有机碳含量的影响也会不同[25]。本试验所用猪炭的全碳含量比其他竹炭、秸秆炭等植物性炭源要低。在本研究中，在常规施氮量基础上添加生物炭，能够显著提高土壤有机碳含量。这可能与施用生物炭有助于土壤中腐殖质的形成有关[26]。章明奎等[27]通过盆栽试验发现，添加生物炭后，土壤中的易氧化有机碳含量显著降低，认为这是促进土壤有机质积累的重要因素之一。汪峰等[28]研究表明，单一减氮对土壤有机质含量的影响并不显著，与本试验结果一致。

虽然生物炭中的总氮含量较高，但其矿化态氮(铵态氮和硝态氮)含量甚微，较土壤矿化态氮相比可以忽略不计[29]。本研究发现，适量减氮能显著提升水稻成熟期土壤中的铵态氮含量。于春晓等[30]利用15N标记尿素进行试验，结果表明，成熟期水稻土中的铵态氮极少量来源于所施加的尿素。成熟期，水稻对氮素的需求降低。由此推测，水稻成熟期的土壤铵态氮含量与土壤氮素矿化具有紧密联系。本研究发现，土壤铵态氮含量与土壤NAG活性显著相关。

磷和钾是植物生长所需的大量元素[25]。研究表明，添加生物炭能够提高土壤中的有效磷和速效钾含量，从而促进作物增产[31]。本研究中，与CK和N100相比，BN100和BN80处理的土壤有效磷、速效钾含量均显著提升，但速效钾含量的增幅更大。这可能是因为：一方面，生物炭本身就含有大量的钾，施入土壤后能够直接提高土壤速效钾的含量；另一方面，生物炭的多孔性结构能够固持施用到土壤中的钾，减少其向环境的淋失，从而提升土壤中的可交换性钾含量[32]。另外，本研究中水稻成熟期CK处理的土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量与N100处理并无显著差异，这可能是因为虽然CK没有施入外源肥料，但该处理下水稻的长势较差，对土壤中氮、磷、钾元素的吸收量较少，因而盆栽土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾存留相对较多。

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的总称。土壤酶大多来自土壤中的植物、动物和微生物，是反映土壤质量的生物活性指标和评价土壤肥力的重要指标[33-34]。有研究表明，在稻田上施用化肥后，能有效提升土壤碳循环水解酶BG和氮循环水解酶NAG的活性[35]。在本研究中，适宜的减氮量配施生物炭能进一步提高土壤BG、NAG活性。这可能是由于施用生物炭提高了土壤的孔隙度，调节了土壤碳氮比，因而有助于提高碳氮转化相关酶的活性[30]。同时，本研究也发现，土壤速效钾含量与NAG活性呈显著正相关，由此推测，土壤酶活性的变化也受到土壤养分含量的调控。这与李其胜等[36]提出的土壤酶活性与土壤养分存在显著正相关性的结果一致。本研究中，PHOS活性与土壤有效磷含量呈显著正相关，添加生物炭后，土壤有效磷含量显著提升，推测这有助于促进土壤PHOS活性的增强。Paz-Ferreiro等[37]研究表明，生物炭不仅能够给土壤中的微生物提供能源物质，而且其多孔隙结构也有利于微生物繁殖，刺激微生物活性，从而提高土壤酶活性。孟繁昊等[38]认为，生物炭中的碳源使得微生物活动加快，进而提高酶活性。本研究中，土壤有效磷含量与BG活性呈显著正相关，但与CB活性无显著相关性，可见不同胞外酶对土壤养分的响应不同。另外，本研究显示，土壤AG、BG、CB、XYL、LAP、PHOS活性与土壤pH值均呈显著正相关。推测这可能是因为生物炭的添加提高了土壤pH值，同时增加了土壤微生物丰度，使土壤酶活性增强[39]。

添加生物炭能够改善作物的生长发育，提升作物氮素积累，提高氮肥表观利用率[40-41]。本研究发现，相较于常规施氮量，减氮20%并配施生物炭的BN80处理在提高水稻各部位氮含量上效果最佳。这与杨天昱[42]通过施用生物炭基肥显著提高水稻秸秆与稻米氮素含量的结果一致。同时，本研究中BN80处理的氮肥表观利用率最高。研究表明，在施用高量氮肥的基础上，适量减少氮肥的施用可以提升植物对氮素的吸收，减少氮磷流失风险[43]。郑小龙等[44]的研究揭示，减少氮肥施用能有效减少水稻田面水的氮浓度，从而降低氮素流失。在适量减氮的同时配施生物炭，不仅能改良土壤的理化性质，还能直接或间接提高氮素转换相关酶的活性，因而更有利于提高氮素的生物有效性[45]。