禄兴丽

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

【研究意义】全球气候、环境、经济与社会的发展变化，对环境与资源造成了严重挑战和新的发展机遇。宁夏引黄灌区是西北地区主要的商品粮基地之一，小麦是该区优势特色作物之一，对保障全自治区粮食安全具有非常重要的贡献[1]。然而该区域追求粮食高产要以大量投入水肥为必要条件，虽然化肥施用是作物增产的重要措施[2]。然而受特殊的气候制约，传统的过量施肥方式和不合理的施肥结构造成了化肥利用率低下，农业面源污染加重[3-4]，严重影响区域农业的可持续发展。因此，探索在“用地”的同时可以“养地”的施肥方式，是满足不断增长的粮食需求和保护环境的关键所在。【前人研究进展】据报道，中国近10年来粮食作物秸秆年均露天焚烧量为1.13×108t，约占年均作物秸秆产量的21.6 %[5]。这不仅造成资源浪费且污染环境，引起了全社会的广泛关注。将秸秆在厌氧下进行热解碳化后，可制作成一类高度芳香化且富含碳的固态物质，叫做生物炭(biochar)[6]。生物炭不仅能够提高作物的产量，而且可实现碳固存，现已成为当今国内外农业领域的研究热点[7-8]。大量研究表明，生物炭配施化肥不仅能够显著增加作物产量[9-10]、氮肥利用效率和玉米经济效益而且还能够降低碳排放[11]。然而，也有研究结果显示生物炭对作物生长及产量没有影响或者具有降低作用[12-13]。生物炭对作物产量影响的差异报道，可能是由于与不同试验中生物炭性状、施炭量、土壤类型、年际效应和环境条件等不同而导致的。【本研究切入点】目前国内外关于生物炭配施氮肥对作物产量的研究很多，但研究结果仍然存在着争议。【拟解决的关键问题】为此本文在宁夏引黄灌区通过设置不同的施肥类型(不施氮肥、氮肥单施、氮肥配施生物炭和氮肥+秸秆还田)，探究生物炭配施氮肥对引黄灌区春小麦作物产量、氮肥利用效率及0～20和20～40 cm土壤肥力的影响，从而为有助于该区环境和农业的可持续发展的施肥类型提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区介绍

试验在宁夏回族自治区银川市贺兰县立岗镇(N38°33′、E106°21′，海拔1108 m)进行。该地区地处西北内陆，属中温带干旱气候区，年均≥10 ℃积温3281.6 ℃，无霜期140～160 d，平均日照时数2935.5 h，日温差13.4 ℃，年降水量138.8 mm，年均气温9.7 ℃。试验地土壤为灌淤土，耕层土壤(0～20 cm)有机质含量为8.5 g/kg，全氮含量为0.88 g/kg，全磷(P)含量为0.98 g/kg，有效磷含量为18.5 mg/kg，pH为7.6。

1.2 试验设计

处理方式设置：拟考虑设置4个不同的施肥处理，依次分别为不施氮肥(N0)、单施氮肥(N)、秸秆+氮肥(NS)、生物炭+氮肥(NB)。本研究采用的生物炭是玉米秸秆在600 ℃高温链接30 min获得，秸秆还田处理采用粉碎玉米秆5000 kg/hm2进行还田，生物炭和秸秆均在耕作前以撒施方式施入土壤。采用随机区组设置，每个处理3次重复，共为12个小区，小区面积为4 m×8 m(32 m2)，试验处理见表1。

各处理春小麦采用条播，于3月8号播种，7月6号收获，品种为宁春55号，行距为22 cm，播种量为272 kg/hm2；各处理磷肥和钾肥一致，均为P2O5224 kg/hm2，K2O 10 kg/hm2，全部以基肥的形式施用，田间其他管理方式与当地相同。采用大水漫灌的方式进行灌溉，灌溉日期分别为4月26日、5月16日和6月7日。

1.3 测试指标与方法

1.3.1 土壤性状 土壤性状的测定利用鲍士旦[14]的方法进行。土壤有机质含量：重铬酸钾容量法——外加热法；土壤全氮：凯氏定氮法；土壤pH：用pH计测定；土壤全磷钼锑抗比色法测定；土壤速效钾：火焰光度法测定；电导率：电导法测定；土壤脲酶活性：苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶活性：3,5-二硝基水杨酸比色法。

1.3.2 产量构成因素及氮素利用效率 ①在作物收获期收获1 m2小麦进行产量测定。②氮肥农学利用率(NUE)和氮肥生产效率(NPE)的计算公式如下[15]。

NUE=(施氮区籽粒产量-氮空白区籽粒产量)/施氮量

(1)

NPE=籽粒产量/施氮量

(2)

1.4 数据分析

运用SPSS和GraphPad Prism 6.0软件对土壤性状、作物产量、氮肥农学利用效率和氮肥生产效率进行统计学分析和作图。

表1 试验不同处理肥料用量

表2 生物炭肥对土壤性状影响的F值

2 结果与分析

2.1 生物炭配施化肥对土壤性状的影响

不同化肥类型和取样土层显著影响土壤有机碳、全氮、全磷和pH值(表2和图1)。单施氮肥、氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸秆还田措施较无氮肥处理显著依次分别增加有机碳含量3.2 %、6.9 %和1.1 %，并且0～20 cm土层有机碳含量较20～40 cm土层有机碳含量显著增加3.0 %(表2)。0～20 cm土层有机碳结果显示，NB处理下土壤有机碳含量最高，为8.48 g/kg，N、NB和NS分别较N0处理增加土壤有机碳含量2.7 %、8.7 %和4.5 %。20～40 cm土壤有机碳结果显示，N和NB处理较N0分别增加土壤有机碳含量3.5 %和5.0 %，而NS却较N0处理减少SOC含量2.6 %(图1-a)。

对土壤全氮进行方差分析，结果表明：氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸秆还田措施较无氮肥处理显著依次分别增加全氮含量3.8 %和3.0 %，并且0～20 cm土层全氮含量较20～40 cm土层显著增加3.0 %(表2)。化肥类型和取样深度交互作用结果显示，0～20 cm土层下，NS和NB分别较N0处理增加全氮含量5.0 %和4.0 %，而N和N0处理下全氮含量却没有显著差异。20～40 cm土层全氮含量结果显示，NB较N0处理增加全氮含量4.0 %(图1-b)。

土壤全磷的方差分析结果显示，氮肥配施生物炭肥较无氮肥处理显著增加全磷含量5.2 %，并且0～20 cm土层全磷含量较20～40 cm土层全磷含量增加8.5 %(表1)。化肥和取样深度交互效应结果显示，0～20 cm NB处理下全磷含量最高为1.06 g/kg，较N0处理增加全磷含量5.0 %。20～40 cm全磷结果显示，NB和N处理较N0处理增加全磷含量5.4 %和1.1 %(图1-c)。

pH的方差分析结果显示，氮肥+秸秆还田处理较不施氮肥处理pH增加1.3 %，而土壤pH值在NB处理和N0处理下却没有显著差异。化肥和取样深度的交互效应显著影响土壤pH值(表2)，0～20 cm土层下，NS处理下土壤pH值最高，为8.47，而20～40 cm土层下，NB、NS和N0处理下土壤pH值却没有显著差异(图1-d)。

2.2 生物炭配施氮肥对土壤速效钾和电导率的影响

土壤速效钾含量受取样土层和生物炭配施氮肥的影响，N、NB和NS处理下土壤速效钾含量较无氮肥处理依次分别增加6.2 %、28.0 %和2.2 %，并且0～20 cm土层较20～40 cm土层增加速效钾含量17.4 %(表2)。交互效应结果显示：0～20 cm土层下，N、NB和NS较N0增加速效钾含量依次分别为10.5 %、25.7 %和11.4 %。20～40 cm土层下，NB较N0处理增加速效钾含量30.5 %，而N和N0处理间速效钾含量却没有显著差异(图2-a)。

化肥类型和取样土层显著影响土壤电导率，单施氮肥较无氮肥处理增加电导率12.3 %，而氮肥配施生物炭肥却较无氮肥处理降低电导率5.5 %，氮肥+秸秆还田处理下电导率与无氮肥处理却没有显著差异。此外，0～20 cm土层较20～40 cm土层增加电导率29.4 %(表2)。交互效应结果显示：0～20 cm土层下，N、NB和NS较N0降低电导率依次分别为3.6 %、11.6 %和23.4 %。20～40 cm土层下，N、NB和NS较N0增加电导率依次分别为39.8 %、5.0 %和40.1 %(图2-a)。

2.3 生物炭配施氮肥对土壤酶活性的影响

化肥类型和取样土层显著影响土壤尿酶和蔗糖酶活性(表2和图3)，与无氮肥处理相比，单施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸秆还田增加土壤尿酶活性依次分别为24.6 %、18.9 %和16.4 %，0～20 cm土层尿酶活性较20～40 cm高7.3 %。化肥施用类型和土层取样交互效应结果显示，0～20 cm土层N、NB和NS处理较N0处理增加尿酶活性依次分别为25.6 %、29.4 %和16.0 %；20～40 cm土层，增加百分率却依次为23.6 %、8.2 %和6.9 %(图3)。

对于蔗糖酶来说，单施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸秆还田增加土壤蔗糖酶活性依次分别为12.5 %、10.4 %和14.6 %，0～20 cm土层蔗糖酶活性较20～40 cm高10.0 %。0～20 cm土层，NB和NS处理较N0增加土壤蔗糖酶活性依次分别为18.4%和18.4%，而N和N0处理下土壤蔗糖酶活性却没有显著差异，而20～40 cm土层各个处理间土壤蔗糖酶活性却没有显著差异(表2和图3)。

表3 生物炭肥对作物产量、NUE和NCE影响的方差分析

2.4 生物炭配施氮肥对作物产量和氮肥利用率的影响

化肥类型显著影响作物产量、N肥农学利用效率(表3)，NB处理下小麦产量最高，为7705.96 kg/hm2，其次为N和NS处理，NB、N和NS处理较N0分别增加小麦产量依次分别为35.2 %、15.8 %和18.2 %。NB处理下NUE最大，分别较N和NS显著增加122.8 %和92.9 %。

3 讨 论

3.1 土壤性状

本研究比较了施用不同肥料类型对土壤性状、春小麦产量及氮肥利用效率的影响。结果表明，NB能较N0处理显著提高0～40 cm土壤有机质含量、0～20 cm全氮含量和0～40 cm全磷含量。这与以往的研究结果比较相似[16]。生物炭作为土壤改良剂能够提高土壤肥力和碳库存[17-19]，如增加土壤有机碳、可溶性有机碳含量，提高土壤中的碳氮比和提高土壤对氮、磷、钾等元素的吸持容量[20-21]。也有些研究显示，生物炭对土壤肥力参数和碳库存潜力有抑制作用或没有影响[22-23]。这些差异性结果可能与土壤类型、生物炭种类及用量等因素有关系[24]。

NB处理显著增加了土壤速效钾含量，主要原因是生物炭中含有大量的可提取性钾元素，因此，生物炭施入土壤中会增加钾的输入，进而增加土壤速效钾含量[25]。此外，生物炭是具有较大的比表面积和孔隙度[26]，施入土壤后，释放一定的K+、Ca2+等盐基离子，能够提高土壤阳离子交换性能，促进土壤保肥能力[27]。

NB处理较N0处理降低0～20 cm电导率11.6 %，由于生物炭具有多孔结构、大表面积和较强的阳离子互相交换能力，因此，应用生物炭能缓解土壤盐分表聚，有助于降低土壤含盐量，最终减缓盐胁迫[28-29]。

N、NB和NS较N0处理均显著增加了土壤尿酶活性，陈心想等[30]的研究结果也表明生物炭的施用一方面能够增加土壤肥力、提高土壤质量，从而有利于微生物的繁殖，进而增加酶活性；另一方面，生物炭的施用能够促进脲酶水解过程，进而增加脲酶的活性。

蔗糖酶有利于加速分解糖类，促进土壤碳循环。本试验中，NB和NS处理较N0处理能显著增加0～20 cm土层蔗糖酶活性，然而对于20～40 cm土层，各个处理间蔗糖酶活性差异却不显著，李娜等[31]的研究表明生物碳配施氮磷钾肥提高了34.2 %的蔗糖酶活性。袁晶晶等[32]的研究生物炭-氮肥配施对土壤微生物学活性的影响发现总体上生物炭对土壤中蔗糖酶没有显著影响。也有研究表明生物炭的施入会降低蔗糖酶活性[33]。因此，生物炭对蔗糖酶活性的影响结果并不一致。

3.2 作物产量和氮肥利用率

本试验结果表明，NB处理较N和NS提高了春小麦产量及氮肥利用效率，这与前人的研究结果比较一致[34]。生物炭可以减少土壤容重，增加土壤pH值、有机碳，最终提高作物产量[35-37]。Zheng等[11]研究也表明生物炭配施化肥能够增加氮肥利用效率、作物经济效益以及降低碳排放。施用生物炭可以提高与土壤C、N循环有关的土壤酶活性，促进植株对土壤养分的吸收[38]，进而增加作物氮肥利用效率。然而，也有研究表明，生物炭对促进增产并没有显著的影响[39-40]。Lehmann等[6]却表明生物炭的施用能否增加作物产量和土壤自身的养分供应有关。Tammeorg[41]研究结果表示，生物炭减轻了短暂的水分亏缺，因此增加了作物的产量组成，但是并没有起到增产和促进氮的更新的作用。因此，生物炭对作物产量和氮肥利用效率的影响可能受土壤类型、气候条件等因素影响，还需要进一步进行研究。

4 结 论

(1)生物炭配施氮肥、秸秆还田配施氮肥较无氮肥处理均能增加土壤有机碳和全氮含量，其中生物炭配施氮肥效果最佳。生物炭配施氮肥能显著增加土壤全磷含量、20～40 cm土壤pH值、土壤速效钾含量，并降低土壤电导率含量。

(2)与无氮肥处理相比，单施氮肥、生物炭配施氮肥、秸秆配施氮肥较无氮肥均能不同程度提高0～40 cm 土壤尿酶活性，而对于蔗糖酶活性，生物炭配施氮肥和秸秆+氮肥能较无氮肥处理显著增加0～20 cm土层活性。

(3)单施氮肥、生物炭配施氮肥、秸秆配施氮肥较无氮肥均能显著增加春小麦产量15.8 %～35.2 %，其中生物炭配施氮肥增加效果最为显著；生物炭配施氮肥能较单施氮肥和氮肥+秸秆还田显著增加作物氮肥利用效率。