生物质炭与氮肥配施对土壤养分和谷子生长的影响

尚晶涛 吴 荣 曹梦琳 李雅馨 王宇轩 杜慧玲

(1 山西农业大学植物保护学院，山西 太谷 030801；2 山西农业大学基础部，山西 太谷 030801)

谷子(Setariaitalica)，又称粟，是山西杂粮的“领军代表”[1-2]，具有适应性广和抗逆性强的特点，广泛种植于山西各地。目前，大量研究指出，氮肥可以提高叶片光合能力，优化群体结构，提高群体的生产能力，但当前我国氮肥使用存在施用量大、利用率低、土壤环境破坏等问题[3-5]。为此，优化施肥措施，减少氮肥施用量并提高其利用率是目前的研究热点。

生物质炭(Biochar)是动、植物残体在厌氧条件下热解产生的多孔状物质，富含碳及各种营养元素，孔隙度较高，比表面积大且含有大量含氧活性基团，适量施用可提高土壤肥力，改良土壤理化性质，也可降低土壤中有毒物质的有效性[6-7]。生物质炭对作物产量提升有明显作用，眭锋等[8]研究发现施用生物质炭显著增加了早晚稻的产量；南学军等[9]通过比较单施氮肥、单施生物质炭以及生物质炭与氮肥配施对春小麦产量的影响，发现生物质炭与氮肥配施的综合表现更优，吴嘉楠等[10]发现生物质炭配施氮肥能显著提高氮肥利用率，因此，与单施生物质炭相比，生物质炭与氮肥配施具有更大的生产潜力。本试验以谷子为研究对象，拟通过生物质炭与氮肥配施的调控作用，探索生物质炭与氮肥配施增效机理，确定生物质炭与氮肥施用的最佳比例，为谷子生产减肥增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试作物为晋谷21，由山西省农业科学院经济作物研究所提供；供试生物质炭为玉米秸秆生物质炭(pH值8.61，有机质367.58 g·kg-1)；氮肥选用尿素(含氮量约46%)；试验土壤取自山西农业大学农作站0～20 cm耕层土(属石灰性褐土，理化性质为pH值7.81，碱解氮54.29 mg·kg-1，有效磷78.09 mg·kg-1，速效钾221.10 mg·kg-1，有效钾21.74 g·kg-1)，除去落叶、根茬等杂物，过2 mm筛。

1.2 试验设计

采用双因素完全随机设计，设生物质炭施用量和氮肥(尿素)施用量2个因素，每个因素设置3个水平。生物质炭施用量分别为0(C0)、20 g·kg-1(C1)、40 g·kg-1(C2)，氮肥(尿素)施用量分别为0(N0)、0.133 g·kg-1(N1)、0.266 g·kg-1(N2)，共9个处理。按试验设计将生物质炭、氮肥与4.5 kg土壤混匀，装于直径27.5 cm，高25.5 cm的塑料花盆中，每处理重复3次。

谷子于5月20日播种(每盆约30粒种子)，至三叶一心期间苗至每盆10株。拔节期进行光合参数的测定；于收获期(9月20日)，小心将土壤和植物样分离(尽量避免根系受损)，土壤按四分法选取其中两份带回实验室进行土壤养分的测定；植物样品进行生物量的测定以及根系扫描分析。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合参数的测定 选择一个晴朗无风的上午，于9:00―11:00每盆选取长势相近的旗叶5片，使用CARIS-2 型便携式光合仪(PP Systems，美国)进行光合参数的测定，包括净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)。

1.3.2 谷子生物量测定 使用直尺测量株高；地上部和地下部于105℃杀青30 min，然后于75℃烘干至恒重；根冠比为地下部干重和地上部干重之比。

1.3.3 谷子根系扫描 将根用水、去离子水冲洗干净，使用Epson Perfection V800 Photo根扫描仪[爱普生(中国)有限公司]扫描，并采用WinRHIZO根系分析系统分析。

1.3.4 土壤养分测定 碱解氮含量采用碱解扩散法测定[11]，有效磷含量采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定[11]，速效钾含量采用NH4OAc-火焰光度法测定[11]，全氮含量采用半微量凯氏法进行测定[11]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理，使用SAS 9.4进行方差分析，多重比较采用邓肯新复极差法(SSR)。使用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与氮肥配施对土壤养分的影响

如图1所示，土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量总体随生物质炭或氮肥施用量的增加而增加，均于C2N2达到最大值，分别较C0N0增加52.78%、61.03%、54.21%、99.11%。但无生物质炭施入时，与N0相比，N1显著降低了土壤有效磷含量。通过双因素方差分析发现，生物质炭和氮肥施用对土壤全氮(F=62.83**，18.15**)、碱解氮(F=96.21**，23.89**)、有效磷(F=117.49**，9.18**)、速效钾含量(F=386.98**，4.50**)均有极显著影响。

注：图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 生物质炭与氮肥配施对谷子光合特性的影响

如图2所示，同一氮肥水平下，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均随生物质炭施用量的增加而增加。但在同一生物质炭水平下，三指标均表现为N1>N2>N0，均于C2N1达到最大值，较C0N0分别提高了50.41%、50.13%、47.71%。胞间CO2浓度随着生物质炭施用量的增加而降低，于C2N1达到最小值，较C0N0降低了35.01%。通过双因素分析发现，生物质炭和氮肥施用量对净光合速率(F=43.22**，29.53**)、气孔导度(F=36.88**，12.30**)、蒸腾速率(F=59.22**，37.97**)的影响达到极显著水平，生物质炭施用量对胞间CO2浓度(F=41.71**)的影响达到极显著水平，氮肥施用量对胞间CO2浓度(F=4.68*)的影响达到显著水平。

图2 生物质炭与氮肥配施对谷子光合气体交换参数的影响

2.3 生物质炭与氮肥配施对谷子根系形态的影响

如图3-A所示，同一施氮水平下，谷子总根长随着生物质炭施用量增加而增加；未添加生物质炭时，总根长随着氮肥施用量的增加而减小，施用生物质炭时，均以N1的总根长最长，各处理表现为C1N1>C1N2>C1N0，C2N1>C2N2>C2N0。由图3-B可知，根总表面积随生物质炭和氮肥施用量的变化趋势与根长相同。由图3-C可知，谷子根总投影面积总体随生物质炭和氮肥施用量的增加呈增加趋势，但在C1和C2水平下，谷子根总投影面积均表现为N1>N2>N0。

双因素方差分析表明，施用生物质炭对总根长(F=85.57**)、根总表面积(F=57.90**)、根总投影面积(F=30.27**)均具有极显著影响，施用氮肥对谷子根总表面积(F=15.03*)具有显著影响。

图3 生物质炭与氮肥配施对谷子根系形态的影响

2.4 生物质炭与氮肥配施对谷子干物质积累的影响

如图4所示，与C0N0相比，施用生物质炭、氮肥对谷子茎长、地上部干重、根干重均具有一定的促进作用，且同一施氮水平下，均随着生物质炭施用量的增加而增加；但在同一生物质炭水平下，不同氮肥施用量谷子茎长、地上部干重、根干重总体表现为N1>N2>N0。与C0N0相比，其他施氮及施用生物质炭处理均降低了谷子根冠比。双因素方差分析发现，生物质炭和氮肥施用对谷子茎长(F=50.50**，46.92**)、地上部干重(F=87.00**，30.97**)、根干重(F=154.29**，62.80**)的影响均达到极显著水平，生物质炭与氮肥施用量的交互作用对根干重(F=3.40*)、根冠比(F=3.36*)的影响均达到显著水平。

图4 生物质炭与氮肥配施对谷子干物质积累的影响

3 讨论

生物质炭是以农林废弃物为原料制成，含有大量植物生长所必需的N、P、K、Na、Ca、Mg等元素[12-13]，施入土壤后，其可溶性组分能直接增加土壤有效养分[14-15]。武玉等[16]和Spokas等[17]则认为，生物质炭虽然含有大量氮素，但其热解过程中多数形成杂环结构，将其输入土壤并不能直接增加土壤的矿质态氮含量，生物质炭对土壤氮素的影响主要通过影响土壤中氮素的周转来实现。生物质炭的施入可改良土壤理化性质，促进微生物生长，加快土壤氮素的有效化。同时，生物质炭能吸附部分氮素，减少硝态氮、铵态氮的淋溶和挥发损失[18]，对氮素形成一定的缓释效果[10,19]。本研究结果表明，相同生物质炭施用量条件下，施入氮肥可明显增加土壤碱解氮和全氮含量，有效磷和速效钾含量也有所提升，这可能是由于氮肥施入优化了土壤碳氮比，加速了土壤磷、钾的有效化[20-21]。

光合作用是作物干物质积累的重要途径。本研究中施用生物质炭可提升谷子叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，降低胞间CO2浓度，这与之前有关施入生物质炭能提高总叶绿素含量的研究结果一致[2]，可能是由于叶绿素含量的提高，有助于光能捕获，优化光合参数，从而提升了光合性能。施入氮肥能有效缓解叶片的衰老，增强叶片对光破坏机制的防御能力以及植株与外界物质交换的能力[22-23]。本研究中谷子光合作用对氮肥施用的响应为低促高抑，景立权等[24]研究发现，氮肥施用量小于450 kg·hm-2时，3种超高产玉米净光合速率随着氮肥施用量增加而增加，当施氮量大于450 kg·hm-2时，净光合速率显著降低；陈天鑫等[25]对冬小麦的研究也发现了类似结果，这主要是因为适量的氮肥可增加旗叶叶绿素含量，同时提高光合速率，而过量氮肥则会影响植株对土壤中其他矿质元素的吸收，从而影响叶绿素的合成。

根系是植物主要的营养器官，其生长发育情况直接影响作物的生长和生产能力。本研究结果表明，生物质炭施入可明显增加谷子总根长、根总表面积以及根总投影面积，原因可能是生物质炭可以显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度和土壤养分含量，大大改善根系土壤环境[26]，有助于根系在土壤中的扩散；此外，生物质炭中的可溶性成分，尤其腐殖质组分能起到生长激素的作用，对谷子根系生长具有明显的刺激作用[27]。单施氮肥谷子总根长和根总表面积均下降，单施生物质炭虽然也能在一定程度提升谷子根系形态，但二者配施效果更佳，这可能是因为生物质炭配施氮肥可以缓解只施氮肥造成的根系生长抑制现象。

张万杰等[28]研究发现，生物质炭与氮肥配施可以提升菠菜产量和生物量。本研究结果表明，谷子茎长、地上部干重、根干重均随生物质炭施用量的增加而增加，对氮肥的响应与谷子光合作用、根系形态相一致，过量氮肥抑制谷子光合速率和根系发育，使谷子植株生长受到抑制，这与黎星等[29]的研究结果一致。本试验中C1N1、C2N1与C2N2的地上部积累量较高，但C2N1的氮肥施用量较少，综合表现更优，是最佳的处理组合。

4 结论

本研究结果表明，生物质炭与氮肥的施用均可提升土壤有效养分含量，且生物质炭对谷子光合作用、根系生长有明显的促进作用，有助于地上部干物质的积累；过量氮肥施用对谷子光合作用、根系形态指标以及干物质积累有一定抑制效果。生物质炭与氮肥配施可提高土壤养分，促进谷子生长，在本试验盆栽条件下，以40 g·kg-1生物质炭与0.133 g·kg-1氮肥(含氮量约46%)配施为最佳施肥组合。