有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤氮素形态的影响

2019-11-21樊晓东孟会生

山西农业科学 2019年11期

樊晓东，孟会生

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

我国拥有丰富的煤炭资源，但大量开采造成一系列环境问题以及对土地造成大规模的破坏，使得矿区土壤复垦变得尤为迫切[1]。土地复垦后，由于土壤层次结构的破坏，使得土壤肥力变得很差。而土壤氮素含量是影响土壤肥力的一项重要指标，因此，提高复垦土壤氮素含量以及复垦土壤氮素利用率是关键[2]。施用生物炭后，土壤肥力得以改善，农作物产量得以提高，对改良土壤的肥力和促进农作物的生长具有积极作用，生物炭的应用在直接或间接地改变着土壤质量[3]。近年来，相关学者研究了生物炭对不同质地土壤氮素运移规律的影响、对土壤无机氮素淋失风险的影响、对氮素释放和转化的影响以及对土壤硝化、反硝化作用、土壤固氮的影响，结果发现，生物炭对不同土壤氮素的影响存在很大差别。邹娟[4]研究表明，生物炭的输入能够增强土壤有机氮的矿化，但对土壤微生物生物量氮的影响偏小，添加不同量的生物炭对旱地土壤氮素淋失也有不同的表现，对不同类型土壤如黄棕壤、红壤、砂壤、紫色土中有效氮、总氮影响各不相同。而关于生物炭配施在采煤塌陷区复垦土壤上氮素形态的影响研究鲜有报道。

本试验以采煤塌陷区复垦5 a 的土壤为研究对象，在化肥和有机肥处理下通过配施生物炭，探讨复垦土壤氮素形态的变化，旨在提高氮素含量和氮素利用率，为农业生产中科学合理地发挥复垦土壤氮素效果提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

供试土壤采自长治市襄垣县王桥镇洛江沟村（36°28′11.95″N，113°00′52.57″E）。该地属低山丘陵地带，平均海拔980 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温9.5 ℃，年平均降水量532.8 mm，无霜期160 d。试验在塌陷区复垦5 a 的土壤上进行，土壤类型为石灰性褐土，0～20 cm 土壤pH 值为8.1，有机质为9.82 g/kg，全氮为0.44 g/kg，全磷为0.45g/kg，碱解氮30.28 mg/kg，有效磷4.58 mg/kg，速效钾118.29 mg/kg。

1.2 试验材料

供试作物为玉米，品种为大丰30（由山西大丰种业有限公司选育而成），生育期131 d。

供试化肥为尿素（含N 46.4%）、过磷酸钙（含P2O516%）、硫酸钾（含K2O 45%）。供试有机肥为完全腐熟的鸡粪，含有机质54.8%、N 1.65%、P2O53.09%、K2O 2.59%，由太谷县宏昊养殖专业合作社提供。供试生物炭由平遥县晟弘生物质能源开发有限公司提供，裂解温度为550～600 ℃，含有机质57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.3 试验设计

试验采用单因素完全随机设计，在长治市襄垣县王桥镇西山底村选取复垦5 a 的试验田，设置7 个处理，分别为对照（不施任何肥料，CK）、化肥（CF）、化肥＋生物炭（CFC）、有机肥（等量CF 养分的鸡粪，M）、有机肥＋生物炭（MC）、有机肥＋化肥（MCF）、有机肥＋化肥＋生物炭（50%的有机肥氮和50%的化肥氮，MCFC），重复3 次，共21 个小区，小区面积为60 m2（10 m×6 m）。试验处理生物炭用量为6 000 kg/hm2，计算其CF 养分含量后再确定其他肥料用量，不同处理的肥料用量列于表1。除对照外，各施肥处理中施入等量养分（氮、磷、钾），即N 198 kg/hm2、P2O5370.8 kg/hm2、K2O 310.8 kg/hm2。试验于2017 年4 月29 日播种，9 月30 收获，播种密度为6.0 万株/hm2。

表1 不同处理的施肥用量 kg/hm2

1.4 测定项目及方法

玉米收获后，采集0～20 cm 土壤样品，进行各项指标的测定。土壤全氮测定采用凯氏定氮法[5]；土壤碱解氮测定采用碱解扩散法[5]；土壤硝态氮测定采用酚二磺酸比色法[5]；土壤微生物氮测定采用氯仿熏蒸法[6]。土壤有机氮组分采用Bremner 有机氮分级方法进行分级[7]，其中，酸解性氮采用凯氏法测定；氨态氮采用MgO 氧化蒸馏法测定；氨+ 氨基糖氮采用磷酸- 硼砂缓冲液（pH＝11.2）蒸馏法测定；氨基酸态氮采用茚三酮氧化、磷酸- 硼砂缓冲液蒸馏法测定；未知态氮、氨基糖氮和非酸解氮通过差减法求得。

1.5 数据统计

采用Excel 2010 统计试验结果，采用SAS 对数据进行单因素方差分析和显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影响

从表2 可以看出，在不同施肥处理下，土壤全氮含量范围为1.223～1.260 g/kg，同对照处理相比，各施肥处理均有效提高了土壤全氮含量，且差异均达显著水平。其中，化肥＋生物炭与化肥处理相比，全氮含量增加了0.6%，但差异不显著；有机肥＋生物炭与有机肥处理相比，全氮含量增加了1.5%，且差异显著；有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥+ 化肥处理相比，全氮含量增加了0.9%，且差异显著。增施生物炭的化肥＋生物炭、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥＋生物炭这3 个处理之间差异不显著。增施生物炭有效地提高了土壤全氮含量，这与李玥等[8]、郭伟等[9]、程效义[10]的研究结果基本一致。可能是由于生物炭本身的含氮条件以及作为一种良好的改良剂所具有的优良结构和特性，通过直接或间接地影响土壤条件，吸附保持土壤氮素，减少氮素各种形态的流失，从而使土壤中的全氮含量有所提高。

表2 有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影响

各施肥处理的酸解性氮含量与对照相比均显著提高。其中，化肥＋生物炭与单施化肥处理相比，差异不显著；有机肥＋生物炭相比有机肥处理增加了2.8%，有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥＋化肥处理相比增加了3.1%，差异均达显著水平。配施生物炭处理的酸解性氮大小为有机肥＋生物炭＞有机肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，且处理间差异显著；而没有配施生物炭处理的酸解性氮大小为有机肥＞有机肥＋化肥＞化肥，且处理间差异达显著水平。说明有机肥对土壤酸解性氮含量具有较大贡献，这与李萌等[11]的研究结果相近。

与对照相比，各个施肥处理的非酸解性氮含量均增加，且差异均达显著水平，其中，化肥处理的非酸解性氮含量最高。有机肥＋生物炭与有机肥处理间差异不显著；化肥＋生物炭与化肥、有机肥＋化肥＋生物炭处理与有机肥＋化肥处理相比，非酸解性氮含量分别显著降低了4.3%，5.1%。说明生物炭的施用可降低复垦土壤中非酸解性氮含量。配施生物炭处理的非酸解性氮从小到大为有机肥＋生物炭＜有机肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，且处理间差异显著，说明有机肥＋生物炭处理可使非酸解性氮含量降低；而没有配施生物炭处理的非酸解性氮从小到大为有机肥＜有机肥＋化肥＜化肥，处理间差异显著。说明有机肥对土壤非酸解性氮含量降低明显，这与张玉树等[12]的研究结果相近。

2.2 有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤酸解性氮组分的影响

由表3 可知，不同处理的复垦土壤酸解性氮组分发生了显著变化，与对照相比，各处理氨基酸态氮、氨态氮含量、氨基糖氮和未知态氮含量均显著提高。化肥＋生物炭与化肥处理相比，氨基酸态氮含量增加5.3%，有机肥＋生物炭与有机肥处理相比氨基酸态氮含量增加7.7%，有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥＋化肥处理相比氨基酸态氮含量增加7.4%，且均呈显著差异。增施生物炭的化肥＋生物炭、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥+ 生物炭这3 个处理的氨基酸态氮含量之间差异显著，处理间大小顺序为有机肥＋生物炭＞有机肥+ 化肥+ 生物炭＞化肥＋生物炭，有机肥＋生物炭处理的复垦土壤氨基酸态氮含量最高，说明有机肥与生物炭配施可显著提高复垦土壤酸解性氮组分中氨基酸态氮的含量。

氨态氮含量化肥＋生物炭与化肥处理间差异不显著，有机肥＋生物炭与有机肥、有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥＋化肥处理间差异均达显著水平，添加生物炭比对应不添加生物处理氨态氮含量分别降低了3.5%，5.7%，5.8%；增施生物炭的化肥＋生物炭、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥＋生物炭3 个处理之间氨态氮含量差异显著，化肥＋生物炭处理的复垦土壤氨态氮含量最高。各处理间氨基糖氮含量差异不显著，其中，有机肥＋化肥＋生物炭处理氨基糖氮含量最高。

化肥＋生物炭与化肥处理相比酸解未知态氮含量增加了5.6%，有机肥＋生物炭与有机肥处理相比未知态氮含量增加了3.6%，有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥＋化肥处理相比未知态氮含量增加了4.3%，且差异均达显著水平；增施生物炭的化肥+ 生物炭、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥＋生物炭这3 个处理之间未知态氮含量差异显著，有机肥＋生物炭较化肥＋生物炭、有机肥＋化肥＋生物炭处理分别提高20.7%，7.8%。说明有机肥与生物炭配施有利于酸解未知态氮的提高。

不同施肥处理均降低了未知态氮组分占酸解性总氮的比例，化肥、化肥＋生物炭、有机肥、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥、有机肥＋化肥＋生物炭处理未知态氮组分占比分别比对照降低了23.8%，23.8%，9.5%，9.5%，14.3%，14.3%，但没有影响酸解性总氮中各组分比例大小顺序，各处理均为氨基酸态氮＞氨态氮＞未知态氮＞氨基糖氮。

表3 有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤酸解性氮组分的影响

2.3 有机肥和化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤碱解氮、硝态氮与微生物量氮的影响

表4 有机肥、化肥配施生物炭对采煤塌陷区复垦土壤碱解氮、硝态氮与微生物量氮组分的影响 mg/kg

从表4 可以看出，复垦土壤碱解氮含量的变化与硝态氮、微生物量氮含量变化大致相同，各个施肥处理与对照相比均为差异性显著，并且有机肥+生物炭处理中，碱解氮、硝态氮、微生物量氮的含量均达到最高。在各个处理中，化肥+ 生物炭与化肥处理相比，碱解氮和硝态氮含量差异不显著，微生物量氮含量显著增加26.7%；有机肥＋生物炭与有机肥处理相比，碱解氮、硝态氮、微生物量氮含量分别增加了11.1%，20.3%，8.8%，有机肥＋化肥＋生物炭与有机肥＋化肥处理相比，碱解氮、硝态氮、微生物量氮的含量分别增加了16.6%，23.2%，10.4%，且差异均达显著水平。配施生物炭处理的碱解氮、硝态氮以及微生物量氮化肥＋生物炭、有机肥＋生物炭、有机肥＋化肥＋生物炭处理间差异均显著，且有机肥＋生物炭＞有机肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭，说明有机肥＋生物炭处理的碱解氮、硝态氮、微生物量氮含量最大。而没有配施生物炭处理的碱解氮、硝态氮以及微生物量氮有机肥、有机肥＋化肥、化肥处理间差异显著，且有机肥＞有机肥＋化肥＞化肥，有机肥处理的碱解氮、硝态氮、微生物量氮含量最大。可能是由于生物炭、有机肥为固氮菌提供了适宜的生长环境和丰富的C 源，有利于固氮菌更好地发挥固氮功效[13]，而且施用生物炭对土壤NO3- N 有吸附截留作用。此结果与前人[14-15]的研究结果类似。生物炭、有机肥也增加了微生物的活性；由于生物炭具有较强的保水和持水能力，在一定用量范围内，土壤含水量随生物炭施用量的增加而增加[16-17]，李世清等[18]通过培养试验表明，微生物量氮的含量与水分呈指数关系。

3 讨论

本研究表明，增施生物炭以后的处理均有效地提高了复垦土壤中的全氮含量，化肥＋生物炭比化肥处理全氮含量增加了0.6%；有机肥＋生物炭比有机肥处理全氮含量增加了1.5%；有机肥＋化肥＋生物炭比有机肥＋化肥处理全氮含量增加了0.9%。可能是因为生物炭本身含有少量的氮或者施用生物炭有可能降低了NOx 形式氮素的损失。ZHANG 等[19]基于稻田试验也发现，单一施用生物炭使得N2O 的排放量减少了21%～28%。本研究表明，对酸解有机氮来说，没有配施生物炭处理的酸解有机氮含量表现为有机肥＞有机肥＋化肥＞化肥；配施生物炭的处理表现为有机肥＋生物炭＞有机肥＋化肥＋生物炭＞化肥＋生物炭。而配施生物炭的处理均高于没有配施生物炭的处理，说明有机肥对土壤酸解性氮含量有很大贡献。对于非酸解性氮，增施生物炭各处理从小到大为有机肥+ 生物炭＜有机肥＋化肥＋生物炭＜化肥＋生物炭，其含量均有所下降，相当于其他形态的氮素所占比例要增加，可矿化氮的比例增加，提高了复垦土壤氮素有效性，土壤熟化作用增强[20]。

氨基酸态氮和酸解氨态氮是酸解性氮组分中有效氮的重要来源，占有较大的比例，可转化为土壤中的可矿化态氮[20]。本研究表明，增施生物炭对氨基酸态氮含量有明显的提高，对于氨态氮、氨基糖氮含量表现差异不明显。前人研究发现[21]，酸解氨态氮与氨基酸态氮变化趋势一样，增施生物炭会降低氨基糖氮的比例，由于试验地类型、生物炭种类、裂解温度、试验地作物等的不同，可能造成试验结果的不一致。酸解未知态氮的含量呈上升趋势，可能是由于生物炭的施用改变了土壤微生物生存环境，微生物利用生物炭表面活跃的C，增强了微生物活性，促进土壤微生物生长代谢[22]，土壤中比较复杂的大分子物质，经微生物作用分解，从而增加了土壤中氨基酸态氮、未知态氮等的含量。本研究表明，不同施肥处理降低了未知态氮组分占酸解性总氮的比例，但没有影响酸解性总氮中各组分比例大小顺序，各处理均为氨基酸氮＞氨态氮＞未知态氮＞氨基糖氮。这与黑土[23]、棕壤[24]、塿土[25]等土壤类型的研究结果不同，说明土壤类型是影响有机氮组分结构的主要因素之一[12]。

生物炭可以影响土壤水分、温度、酸碱性、通气性等一系列物理化学性质，从而影响微生物活性，使有效氮、硝态氮发生变化。本试验表明，施用生物炭提高了土壤碱解氮、硝态氮、微生物量氮的含量，与前人研究结果基本一致[26]。