生物炭施用对土壤氮素及玉米植株吸氮量的影响*

时间：2024-07-28

王娟，孙旭光，张君

（南阳师范学院水资源与环境工程学院，河南南阳 473061）

生物炭是由枯枝、枯叶、作物秸秆等农业废弃物及动物尸体在绝对无氧或低氧条件下所产生的高含碳量固体微粒[1]。由于其具有弱碱性、疏松多孔的特点，使得其具有较好的吸收性，因此能够储存水和营养物质，提高土壤中的有机质含量。生物炭中的孔隙和表层也可以为微生物提供生长条件，增加土壤微生物的数量和活力。因此，近年来生物炭在农业、环保等方面的应用越来越受到重视。

土壤中的生物炭通过微生物的分解后，被释放入土壤，促进了土壤有机物质的分解、营养的循环，成为土壤的一个重要的指标[2]。因此，营养物质的循环系统是一个非常重要的因素，其活力依赖于微生物活性、微生物活力以及养分的循环系统。

目前，生物炭对土壤酶活性的影响研究结论较少。大多数研究集中在碳氮物质循环中涉及的几种酶上，受到土壤种类、生物炭表面结构及添加剂用量的综合影响而复杂变化[3-5]。由于其化学结构及特性，生物炭在粮食生产中的用途十分广泛，如利用生物碳来改善土壤理化性质，施用后，可改善土壤酸碱度；有利于土壤中的重金属吸收[6-7]；提高土壤通透性，减少土壤容重和土壤的质量[8-9]；增加土壤离子交换量，提高土壤中有机物及有机碳浓度[10]；调节土壤脲酶、过氧化氢酶等的含量，提高微生物种群数量[11]。生物炭可以修复土壤，又能够起到施肥效果，促使作物生长。生物炭可提高土壤钾和其他微量元素的含量。生物炭施入土壤后，能够提高玉米种子的萌发率、提高玉米植株的生物量，进而有效增加作物产量[12-13]。因此，本研究以玉米秸秆生物炭为试验材料，探究生物炭施用对土壤氮素及玉米植株吸氮量的影响，为作物氮素的吸收提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生物炭为河南三利新能源公司产品，利用玉米秸秆在400～500 ℃高温下热解4 h制取，生物炭的基本理化性质分别为：pH=8.2、全碳31.07%、全氮（N）0.45%、全磷（P2O5）0.75%、全钾（K2O）4.6%、比表面积26.9 m2/g、孔径2.14 nm、灰分含量24.3%。

供试作物：玉米品种为郑单958。

1.2 试验设计

本研究共设5个处理，分别为：不施生物炭对照组（CK），生物炭处理浓度：30 g/kg（BC1）、60 g/kg（BC2）、90 g/kg（BC3）、120 g/kg（BC4），选用内径为30 cm，高度20 cm的盆钵，每盆装经5 mm孔径过筛的风干土5 kg，复合肥一次性基施2 g/kg。在本次试验土壤处理工作开始前，浇水达到田间土壤持水量80%左右。玉米种子置25 ℃温水浸泡24 h后于2021年3月20日进行播种，每盆播8粒种子，播种一周后每盆定苗4株。取样测定土壤氮转化及理化指标。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集

于玉米生长30 d后采集土壤样品。将样本分为两份，一份在样品盘上铺成薄层，置于透气、阴凉处，防止日光照射。将风干后的土样进行研磨，过孔径为0.149 mm的细筛后将土壤样本筛入贮存袋中；另一份鲜样冷冻保存，用于检测土壤酶的活性。

1.3.2 玉米氮素含量测定

于玉米生长30 d后各处理采集2株植株，将植株按叶片、茎秆、苞叶、茎轴、玉米籽粒等分离，将表面浮尘清洗干净后在烘箱105 ℃的温度条件下杀青30 min，以去除杂物和细菌，再80 ℃烘干直至恒重，用电子天平称量玉米叶片、茎秆等干物质重。将植物样品碾碎后，用H2SO4-H2O2方法进行消煮，用AA3双流路流速测定系统测定氮浓度。

1.3.3 玉米干物质量测定

于玉米生长30 d后各处理随机选取2株植株，分地上部和地下部将表面浮尘清洗干净后在烘箱105 ℃的温度条件下杀青30 min，去除杂物和细菌80 ℃烘干直至恒重，用天平称量各器官干物质重。

1.3.4 土壤理化性质测定方法

利用水浸提电势测定土壤pH，浸提剂与土壤比例为2.5∶1；利用重铬酸盐测定土壤中的有机物；采用碱解-漫射仪测定土壤的碱解氮含量；采用氢氧化钠溶液浸提-氧化锑的方法对高效磷进行分析；利用NH4OAc溶液萃取和火焰分光光度计，对有效钾进行分析。

1.3.5 土壤酶活性测定方法

1.3.5.1 土壤脲酶活性

土壤脲酶用水杨酸钠比色法进行比较测定：取5 g冷冻保存的土壤，添加2.5 mL、0.08 mol/L的尿素溶液，再添加20 mL、pH为10的硼酸缓冲液，37 ℃培养2 h。培养结束后添加30 mL1 mol/L氯化钾溶液和0.01 mol/L盐酸溶液的混合溶液，均匀过滤。利用水杨酸钠与氢氧化钠的混合溶液进行比色，以每克土壤2 h内所生成的NH4+-N浓度来表示，单位为mg/g[3]。

1.3.5.2 土壤过氧化氢酶活性

利用滴定法来检验过氧化氢酶：首先在2 g土样中加入40 mL蒸馏水和0.3% H2O2溶液5 mL，振荡后加入1.5 mol/LH2SO4溶液5 mL立即停止反应，用浓度为0.02 mol/L的KMnO4溶液对残留的H2O2溶液进行滴定。土壤过氧化氢酶活性可以通过每克干土所消耗的KMnO4溶液的毫升数表示，单位为mL/g[3]。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤养分的影响

对已经培养了30 d的盆栽土壤进行养分测定（见表1），与CK相比，BC4处理pH显著提高，提高了0.64，施用生物有机碳处理的植物有机质含量增加范围为12.9%～35.8%；施用生物炭可以提高土壤中铵态氮含量，以BC3处理较CK相比，铵态氮含量显著增加。施用生物炭后，各处理与CK 相比，硝态氮含量有不同程度的降低；但施用生物炭各处理土壤全氮含量与CK差异不显著。

表1 生物炭对土壤氮素含量的影响

2.2 不同处理对土壤酶活性的影响

生物炭具有特殊的理化性质，加入后土壤理化性质有所改变，同时也对土壤中的酶活力产生影响。由图1可以看出，不同浓度的生物碳对土壤中的酶活力均有一定的提升作用。其中脲酶活性在BC3处理中达到最高值，与BC2和BC4处理差异不显著，与CK处理比较，则显著增加了28.4%；施用生物炭对土壤中过氧化氢酶的影响较小，各处理与CK相比差异不明显（图2）。

图1 施用生物炭对土壤脲酶活性的影响

图2 施用生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.3 不同处理对玉米干物质量的影响

不同处理对玉米干物质量产生的影响（图3）表明：地上部和地下部玉米干物质量随着生物炭施用量的增加而呈上升态势，植株干物质量的活性在BC3处理中达到了最高。不同生物炭处理之间地上部玉米干物质积累量差异不显著，但与CK处理相比，生物炭处理增加了地上部干物质量。玉米地下部，BC3与BC2和BC4处理差异显著，BC3与CK处理相比，显著增加105.3%。

图3 施用生物炭对玉米干物质量的影响

2.4 不同处理对玉米植株氮素吸收量的影响

由生物炭对玉米植株氮素吸收量的影响（表2）可知，玉米氮素吸收量随着生物炭施用量的增加呈现增加趋势。玉米地上部，氮素的含量在BC3处理中达到最高水平，BC3处理与BC2、BC4处理的差异不显著，BC3处理与CK处理相比玉米地上部氮素吸收量略有提升；玉米地下部，氮素吸收量在BC3处理中达到峰值，而BC3处理与BC2、BC4的处理差异显著，BC2、BC3、BC4处理与CK处理相比氮素吸收量均有大幅提升。

表2 施用生物炭对玉米各器官氮素吸收量的影响

3 讨论

近年来，关于施用生物炭对土壤理化性质影响的研究受到了研究者的广泛重视，因为生物炭的多孔特性可截留大量营养物质，施用后可缓解土壤养分流失。本实验结果表明，施用生物炭土壤pH和养分浓度都有所提高，主要由于原生炭的灰分中含有大量的弱碱性化合物，如碳酸盐（CaCO3和MgCO3）和有机酸根（-COO-）等，在施用后提高了土壤盐基饱和度，因而提高了土壤的pH。

3.1 生物炭对土壤酶活性的影响

实验结果表明，通过一次性施炭能够改善土壤脲酶和过氧化氢酶活性，土壤酶活性与土壤肥力水平呈正相关。脲酶作为一种重要的水解酶，参与了土壤氮素的循环，而过氧化氢酶的活性则能反应土壤的氧化与腐熟程度[14]。

施入生物炭后，土壤脲酶的活性得到了显著的提高。有研究表明，生物炭可有效地吸附植物根中的反应基质，从而促进酶的活力；但是由于生物炭成分及其对有机物吸收的特殊性，其对酶活力的影响也不是单一的，土壤酶活性变化的程度与其本身特性、特性及添加量有关[15]。本研究结果显示：生物炭施用量30～120 g/kg时，土壤中的脲酶、过氧化氢酶活力都有显著提高，且随着施用剂量的增大呈上升的趋势。在一定程度上，利用生物炭能促进微生物的增殖，并提高过氧化氢酶和脲酶的活性；另一方面脲酶促进尿素水解产生NH4+，施用生物炭可以对NH4+进行吸收，进而加速NH4+的消耗。在施用生物炭后，土壤磷酸盐的含量降低13.5%～19.4%，这与土壤的pH呈负相关。这是因为经生物炭中和后的土壤pH升高，使酸性磷酸酶活力下降。

前人研究结果表明，生物炭与化肥配合施用可以显著提高土壤脲酶和过氧化氢酶的活力，并与氮肥协同作用促进了土壤微生物的生长，进而增强土壤酶活性[14]，而本实验结果也验证了这一理论。

3.2 生物炭对玉米植株干物质量的影响

配施生物炭可以提高玉米干物质重，且随着生物炭的施入量增加出现上升态势。合理使用生物炭可有效提高玉米全株干物质积累量。在玉米产量构成中，大部分来自地上部干物质积累，而对其它营养器官贮藏物料的运输，又具有十分关键的意义。本研究中各生物炭处理均提高了干物质运输率、转运率以及对籽粒干物积累贡献率，从而提高了籽粒重量比，为后来玉米生产率的进一步提高，打下了物质基础。特别是BC3处理干物质量明显提高，这对籽粒形成及增产必不可少[16]。

3.3 生物炭对玉米各器官氮素吸收量的影响

土壤全氮和硝态氮含量随着生物炭的施用浓度的增加先升高后降低，土壤中铵态氮含量与生物炭施用量成反比关系，这与先前研究结论一致。通过适度的氮肥与合理生物炭配施，能够提高作物根际区土壤中有效氮的供给水平。吕贝贝[17]等实验结果表明，施用生物碳与氮素可以提高土壤中全氮和碱解氮含量。其主要的作用有，一是由于生物碳具有良好的吸附性，可以帮助吸收和固定土壤和化肥中的氮，进而显著降低了氮素流失，而且可以增加可供使用的营养元素的含量；二是由于生物炭的多孔性，对于进入生物炭中的氮素能延迟释放，并延长化肥有效期，从而为植物提供生长周期所需要的养分；再者，利用生物炭可以增加土壤的含水量和孔隙，增加土壤的透气性，从而增加微生物的活力，抑制氮类有机物的抗硝化作用，降低N2的产生与释放，从而使土壤中的全氮含量明显提高。其对土壤中铵态氮含量的影响主要原因有：（1）利用生物碳直接吸附苯酚（对硝化作用有一定的抑制作用）。（2）生物炭由于加大了土壤氨氧化细菌的含量，也间接加快了NH4+催化氧化的速度[18]。