饲用玉米氮素分配与根系特征对不同生物炭施加深度的响应

陈泽林，林逸帆，陈国豪，刘琪琪，刘 鹏，张志新，何学青

（西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西 杨凌 712100）

在实际生产中，养分管理水平低会严重影响牧草产量，是制约畜牧业发展的关键要素[1]。尤其在雨养系统中，饲用作物对降水以及土壤养分变化非常敏感，因此如何增加土壤养分在土壤中的保存时间以及存量是提高饲用作物产量的关键问题[2]。生物炭在改变土壤结构和理化特征、提高农作物生产率、治理环境污染等方面有很大作用[3-4]，而且其原料获取途径广泛[5-6]。在土壤改良方面，生物炭能够改善土壤的pH、水分、孔隙度、密度、阳离子交换量等理化性质，并促进矿化作用，调节土壤中氮素持留的时间，降低土壤当中的营养流失[7-9]，在改善养分利用方面具有较好的应用潜力。

生物炭施加后可以改变土壤对氮元素的固持能力，影响作物氮素利用，从而实现对作物的生长和产量的不同影响[10-11]。玉米(Zea mays)籽粒氮素主要来源分为根系从土壤吸收和营养器官转移两部分，在施加生物炭条件下，玉米的吐丝到灌浆期中期玉米籽粒中的氮素主要来自于根系对氮素的吸收；在灌浆后期，籽粒氮素以营养器官中氮素的转运为主[11]。 在水稻(Oryza sativa)种植方面，氮肥的大量施用会促进营养器官过度发育，增加了无效分蘖的数量，不仅消耗了大量养分，还容易出现因倒伏而导致产量降低[12]，将氮肥与生物炭配合使用可以降低30%氮肥施加量，改善水稻成穗机率，而且生物炭在低氮处理下还可以提高光合产物向籽粒的输送[13]。另有研究表明，生物炭对于氮素的调节是通过影响不同氮素形式在土层间的分布实现的，生物炭的孔隙结构提高了土壤的持水能力，有效地减少了土壤中水分的垂直输送，影响了不同土层之间氮素运移。土壤胶体颗粒表面主要积累负电荷，通过静电吸引铵离子，硝酸根离子带负电荷，被土壤胶体颗粒所携带的负电荷排斥，在上层土壤中水的连续渗透和浸出下，硝态氮将会被土壤水带到土层的深处[14-15]。在相同环境下，铵态氮在土壤中的淋溶比硝态氮弱，生物炭的施加可以提高土壤对铵态氮的吸附和保持能力[16]。根系是植物吸收水分和养分的主要器官，其形态和土壤中的空间分布对水分和养分的吸收利用有显著影响，在养分、水分高效利用中起关键作用，合理的施肥深度有利于作物根的生长。因此，生产中明确施肥深度可增加下层根系的活力并提高叶片的光合效率[17]。

目前，对于生物炭在农业方面的研究主要集中在其对于土壤理化性质的改良方面，对于生物炭施加条件下，植物发生的生理变化缺乏研究[18-19]；饲用玉米作为黄土高原主要的饲用作物之一，如何施加生物炭能发挥其肥力效应仍需进一步探索。因此本研究拟通过设置不同施用深度处理，分析生物炭对植株地上地下部分氮素分配规律及对土壤氮素的固持效果，明确适宜的施用深度，为牧草氮素高效管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于内陆黄土高原腹地，鄂尔多斯盆地边缘，109°21′18″ E，36°48′32″ N，在陕西省延安市安塞区石窑沟进行，属典型中温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，年日照时数为2395.6 h，全年无霜期157 d，土壤类型为典型的黄绵土。

1.2 试验材料与设计

试验所用饲用玉米品种为‘中原单32’，购自宁夏科丰种业有限公司，生物炭为小麦秸秆生物炭。采用随机区组设计，设置不施加生物炭处理(T1)、0－20 cm 施加深度处理(T2)、20－40 cm 施加深度处理(T3)以及40－60 cm施加深度处理(T4)，设3 次重复。试验在2020 年于野外条件开展，播种前在种植位置挖直径60 cm、深度60 cm 的圆柱形土槽，土壤按0－20、20－40、40－60 cm 分开放置。后将同样尺寸尼龙袋嵌入并将土壤按顺序填入，按处理在对应深度混匀施入生物炭，施用量为15 t·hm-2。于4 月20 日播种3 粒饲用玉米种子，在三叶期进行间苗，保留1 株。

1.3 样品采集

在饲用玉米长至成熟期，将植株齐地面收获，分离叶片、叶鞘、茎、果实，并用挖掘法获取完整根系。土壤样品由土钻在0－20、20－40、40－60 cm处采集，阴干过0.15 mm 筛备用。

1.4 指标测定

将根系清洗干净后用根系扫描仪对根系进行扫描，采用WinRhizo 软件进行根长、表面积与体积分析。将不同部位植物样品在80 ℃下烘至恒重，测定生物量。植物氮采用凯氏定氮法测定，土壤硝态氮、铵态氮采用流动注射分析仪测定[20]。

1.5 数据处理与分析

所有数据由Excel 2019 进行整理，用SPSS 26.0软件对各处理下不同指标进行单因素方差分析，使用LSD 法对均值进行多重比较(P＜ 0.05)，用Origin 2018 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物量及植株氮含量

处理T2总生物量最高，其他不同处理下与T1相比无显著差异 (P＞ 0.05) (图1)。T2处理各构件生物量相较于T1差异主要体现在果实部位，其他处理中仅有T4处理下叶片生物量相较于T1有显著提升(P＜ 0.05)。0－20 cm 施加深度下总生物量、果实、叶鞘分别比T1高出19.3%、24.6%和20.2%。T1处理下的茎比20－40 cm 处理高22.3%。

图1 不同生物碳施加深度下玉米地上部分指标Figure 1 Index of maize aboveground component under different biochar application depths

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的总氮含量最高，其余处理与T1相比无显著差异 (P＞0.05) (图1)。0－20 和40－60 cm 施加深度下玉米果实部分和叶鞘部分的氮含量显著高于T1(P＜ 0.05)，T2处理表现最佳，其总氮含量、玉米果实、叶鞘分别比T1提高了29.9%、29.7%和42.3%。

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的氮产量最高，其余处理与T1相比无显著差异 (P＞ 0.05)(图1)。0－20 cm 施加深度下玉米果实部分氮产量显著高于T3(P＜ 0.05)；40－60 cm 施加深度下玉米的叶片部分氮产量显著高于T3处理38.7%；0－20 cm 施加深度下各构件氮产量均高于T1处理，总氮产量相较于T1高出23.2%，其中玉米果实、茎分别高出 24.3%和38.5%。

2.2 土壤氮

除T3处理以外，其余3 组处理在各土层深度下的硝态氮含量变化趋势相似，在0－40 cm 土层内随着土层深度的加深而逐渐减少，40－60 cm 土层内有一定回升。T3处理硝态氮含量在0－40 cm 土壤深度内随着土层深度的加深略升高，40－60 cm 土壤深度内快速减少(图2)；在土层各深度下T2处理的硝态氮含量高于其他3 组处理，相较T1提高约20.0%，T3处理在0－10 和40－60 cm 土层显著低于同土层下其余3 组(P＜ 0.05)。

图2 不同生物炭施加深度下各土层土壤氮素含量Figure 2 Soil nitrogen content under different biochar application depths

除T3处理外，土壤铵态氮含量其他3 组处理均呈现出相似的变化趋势：在0－40 cm土层中，随土层深度的加深，铵态氮含量呈现下降趋势，在40－60 cm 深度下又有所增加。而T3处理则呈先上升后下降再回升的趋势(图2)，T3和T4处理在0－60 cm 土 层 铵 态 氮 含 量 显 著 高 于T1处 理 (P＜0.05)。T3处理在10－60 cm土层下铵态氮含量均高于其他3 组，T4处理在0－10 cm 土层铵态氮含量高于其他3 组。

2.3 植物根系特征

施加生物炭后，在0－60 cm 土层深度中，根系总根长、总根系表面积以及总根系体积均有提升：T2处理总根长、0－10 和20－40 cm 根长比T1处理分别高26.5%、22.0%、242.9% (图3)，其中在20－40 cm 土层差异显著(P＜ 0.05)；T2处理的根系总表面积最大，其中0－10 cm 土层中显著大于其他3 组处理(P＜ 0.05)，相较于T1处理高出75.4%；T2处理根系总体积最大，高于T1处理215.1%，且两者间差异显著(P＜ 0.05) ；T3处理在20－40 cm 土层下的根表面积显著大于其他3 个处理(P＜ 0.05)，高于T1处理178.2%，且该处理在20－40 cm 土层下的根体积高于T1处理227.8%；T4处理在40－60 cm 土层下根体积以及根表面积大于其他处理，但差异不显著(P＞ 0.05)。

图3 不同生物炭施加深度下玉米根系形态指标Figure 3 Maize root morphological indices under different biochar application depths

3 讨论

明确适宜的生物炭施用深度是优化植物养分供给与利用的前提条件。有研究表明，生物炭能够减少土壤水分垂直流动对养分的转运和迁移，从而预防氮素从土壤中淋溶流失过多[21]。本研究发现，生物炭增加了土壤对硝态氮的固持，且0－20 cm 施加深度效果更为显著。比较土壤剖面，T2处理各土层均高于T1处理，同时T3处理中表层硝态氮含量下降，可能与T2处理在表施生物炭后对硝态氮的固定作用减少了淋溶效应的影响有关[22-23]；T3处理由于改变了土壤物理性质，增加了水分流通，导致施加生物炭土层外其余深度硝态氮含量降低，T4处理由于施加深度处于尼龙袋底部，下渗作用不明显，可以累积更多硝态氮，随水分运动转移到各个土壤深度，增加了土壤整体硝态氮含量。

生物炭施加对不同形态可利用氮影响存在差异[24]。由于土壤胶体颗粒表面带有负电荷对铵离子有吸引作用，因此更利于铵态氮的固持[14]。本研究发现施加生物炭在20－40 和40－60 cm 的深度施加生物炭有利于土壤铵态氮的积累，其中T3处理效果最佳，与上述研究结果一致，而T2处理铵态氮含量最低。有研究表明，在一定水分含量范围内，硝化速率随水分含量的增加而增加，当土壤水分趋于饱和时，硝化速率显著降低[25]。因此，这个结果可能由于施加生物炭后T2处理下土壤物理结构变化引起土壤含水量以及通气透气能力增加，进而促进了铵态氮的硝化所引起。而其他两组处理因施加深度较深，生物炭只表现出吸附力，延缓了硝化作用的影响，从而使得表层土壤铵态氮含量增加。

施加生物炭对土壤氮素的固持效应有助于根系生长，其根长、表面积、体积的促进效果明显[26]。本研究发现不同生物炭施用深度处理下根系形态均呈增长趋势，同时，生物炭施加所在深度的根系增长幅度最大，与该结果一致。而T2处理下，土壤中硝态氮含量最高，饲用玉米总根长、总根表面积促进效果最佳，生物炭对根系形态变化的影响体现了其对饲用玉米根系养分获取策略的调控，也表明浅施生物炭在提高养分吸收方面相较于其他施用深度更具优势[27]。

生物炭的施加促进了氮素向植物各构件的转移[28-32]。本研究同样表明：施加生物炭后，不同施加深度对玉米不同构件的生物量以及氮含量有不同程度改良。由于生物炭施加后对土壤中有效氮的调控可以改变氮素的转移途径与累积效率[32-33]。从产量结果可以得出：T2处理促进了干物质向果实转移；T4处理向叶片转移明显。从构件氮含量可以得出：上述构件中，氮元素含量均高于T1处理。同时，在构件氮产量方面，T2处理的玉米果实部分比T1高24.30%，T4处理玉米叶片部分氮产量显著高于T1处理，高出38.65%。表明生物炭施用可以改变植物养分供给的源库关系。T2处理更利于植物生产，而T4处理可以通过促进叶片生长改善饲用玉米品质。

4 结论

本研究结果表明，生物炭施用对玉米生长具有调控作用，可以增加生物量和氮含量积累，同时影响土壤硝态氮和铵态氮含量，其中20－40 cm 施加深度处理在10－60 cm 土层中铵态氮含量均显著高于不施加生物炭；0－20 cm 施加深度处理的硝态氮含量在各个深度都高于其他3 组处理。土壤氮素的改变促进了土壤根系的生长，不同施用深度下根系增长幅度最大。在各处理中，0－20 cm 施加深度对玉米生长的促进作用最为显著，其作用机制是通过调节土壤结构改变土壤中硝态氮和铵态氮含量，促进玉米根系发育，增强吸收和运输氮素能力，从而促进叶片生长和果实增产，最终实现增产效果。后续研究中会加入表施生物炭后对土壤水分以及养分的调节研究，探索水分与养分之间如何相互作用以及施加生物炭后对植物的水分、养分的利用调控机制。