基于化学计量学分析生物炭-N配施的联合效应

王 立，鞠 畅，陈荣健，油勇强

(1.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090；
2.伊春鹿鸣矿业有限公司，黑龙江 铁力 152500)

生物炭是经生物质热裂解后制成的，除C、H、O、N等作为其基本骨架结构外，还含有P、K、Na、Ca等丰富的矿质元素[1-2]。由于其自身较大的比表面积和丰富的孔隙结构，生物炭能高效吸附土壤中的营养元素，减少土壤养分流失，影响土壤C、N、P循环并提高土壤养分的有效性[3-5]。同时，生物炭因其营养性和稳定性已成为一种新型肥料，有望在土壤营养调理方面发挥重要功能。但与固定配方的传统化学肥料不同，生物炭是一种综合营养补充剂，其元素组成受原材料影响显著，不同炭源生物炭产品的元素组成成分波动巨大。已有研究结果表明，草本植物和木本植物的纤维素、半纤维素、木质素含量较高，制备出的植物源生物炭具有更高的碳质量分数和碳氮质量比[6-7]；
而畜禽粪便由于含有较多的N、P等矿质元素[8]，制备出的生物炭碳氮质量比相对较低。要想契合植物生长需求，生物炭新型肥料的使用需要首先对其营养元素进行化学计量解析，再根据其营养特征进行目标调配，补充必要元素肥料，进而达到最佳的田间使用效果。

生态化学计量学是研究生态系统能量和多种化学元素间动态平衡的科学[9]。化学计量比可以反映土壤有机质组成、土壤质量、土壤养分供应能力以及C、N、P等养分的矿化状态[10-11]。基于利比希最小因子定律可知，元素比例失调使得部分元素盈余浪费，但此时植物生长仍然受到抑制，所以，对于土壤元素比例调控的意义重大[12]。研究土壤C、N、P元素质量分数及其化学计量比可以深入揭示土壤养分特征与限制性因子的相互关系[13]。近年来，土壤生态化学计量方面的研究也逐渐受到国内学者的重视。

农田生态系统因其特殊的功能需求，对土壤中C、N、P元素的生物地球化学循环和土壤生态化学计量关系依赖性尤为显著[14-15]。本研究拟通过对不同炭源生物炭材料进行化学计量分析，根据其营养缺口补充氮肥，系统分析不同营养添加剂之间复杂的交互效应及其对土壤条件的影响，为生物炭田间科学使用方法与效应提供理论依据和科学指导。

1.1 实验材料

本实验于2020年7—9月份在城市水资源与水环境国家重点实验室内进行，实验用土为基本农田土壤。生物炭制备原料为废弃生物质，分别为玉米秸秆和鸡粪。将玉米秸秆和鸡粪置于通风干燥处自然风干，随后在烘箱中烘至恒重，粉碎后过1 mm筛备用。分别将粉碎过筛后的玉米秸秆和鸡粪粉末在真空气氛箱式电阻炉内于300 ℃进行限氧热裂解，制备成玉米秸秆生物炭(SBC)和鸡粪生物炭(MBC)进行后续实验。

1.2 实验设计

实验采用两个双因素组合设计(SBC和N、MBC和N)，共15个处理。其中SBC和MBC投加质量分数分别为0、1%和2%，记为BC0、SBC1、SBC2和MBC1、MBC2；
尿素投加量分别为0、0.2和0.4 g/kg，记为N0、N1和N2。称取2.5 kg土壤于培养器中(高度17 cm,上直径16 cm,底部直径12.5 cm)，将生物炭和尿素按各处理设计投加量施入其中，混合均匀。培养期内每天用称重补水法使土壤含水量保持在田间持水量的70%。土壤培养70 d后取样，土壤样品在室温下风干，粉碎后过筛进行土壤理化性质测试，每个处理包括3个平行。

1.3 测定方法

全磷(TP)采用王水-HClO4消解，之后采用电感耦合等离子体发射光谱(Optima 8300，美国Perkin Elmer)测定[16]；
全氮(TN)采用元素分析仪(VarioELⅢ，德国Elementar)测定；
有机碳(SOC)、碱解氮(AN)和有效磷(AP)分别采用重铬酸钾外加热法、碱解扩散法和0.5 mol/L NaHCO3比色法进行测定[17]。

1.4 统计分析

使用SPSS 23.0软件进行统计分析，其中，使用双因素方差分析检验不同种类生物炭和氮肥投加对土壤养分和化学计量特征的影响，使用单因素方差分析的Duncan检验分析不同处理PC1和PC2得分间的差异性；
使用CANOCO5.0统计软件进行主成分分析(PCA)；
作图采用Origin 2017软件。

2.1 不同材料元素特征分析

由于土壤是营养元素的输入端，很大程度决定植物对养分的吸收能力[18]。土壤碳、氮、磷是生态系统维持平衡不可缺少的组成成分，其质量分数变化会对土壤质量产生影响。同时，其质量比C/N(SOC/TN)、C/P(SOC/TP)和N/P(TN/TP)能很好地指示土壤养分状况，其中，土壤N/P又是养分限制类型的预测指标[19]。表1展示了供试样品的营养元素组成特征。两种生物炭的SOC、TN、TP质量分数均高于基本农田土壤。其中，SBC具有更高的SOC质量分数，MBC具有更高的TN和TP质量分数。C/N和C/P均为SBC>供试土壤>MBC，N/P为MBC<供试土壤

表1 供试样品营养元素组成特征

2.2 生物炭与氮肥互作对土壤养分的影响

土壤SOC是衡量土壤肥力的重要指标之一，生物炭的添加显著影响土壤SOC质量分数，表现为随生物炭投加量增加，土壤SOC质量分数呈上升趋势(图1(a)、表2)，这与生物炭丰富的碳质量分数有关[22]。不同处理下土壤SOC变化及差异性如图1(a)所示，其中，土壤SOC对不同生物炭添加的响应因生物炭特性的不同而存在较大差异。SBC处理和MBC处理分别使土壤SOC质量分数最高提升了101.754%和23.684%，这与SBC相比MBC具有更高的碳质量分数有关。有研究表明，施用生物炭初期能使原生SOC分解(正启动效应)[5,23]，但长期效应能降低SOC矿化率(负启动效应)，同时负启动效应随生物炭C/N的增加而增加。SBC相对MBC具有更高的C/N，能够降低土壤SOC矿化，有利于碳保存。同一生物炭施用量下，氮肥施用对土壤SOC质量分数影响不显著(图1(a)、表2)，这与宋大利等[24]研究结果一致。两种生物炭处理中均在配施氮肥后(BC2N2)其土壤SOC质量分数最高，较BC0N0处理分别增加124.561%(SBC)和38.596%(MBC)。整体而言，生物炭和氮肥的使用共同增加了土壤SOC质量分数，这对于改善农田土壤质量具有重要意义。

方差分析结果表明，SBC、MBC和氮肥投加均对土壤TN和AN质量分数有显著影响(表2)。生物炭的施用提高了土壤TN和AN质量分数(图1(b)、(c))，这与生物炭自身的性质和结构有关。生物炭自身的氮素释放提高了土壤氮质量分数[25]，并且生物炭丰富的孔隙结构也能够对氮素起到很好的截留作用[26]，使氮素更好地储存在土壤中，减少土壤中氮素淋溶损失[27-28]，这一特点在配施氮肥后更为突出。氮肥提高了土壤TN质量分数(图1(b))，施氮处理中SBC2和MBC2分别使土壤TN质量分数最高提升了38.095%和47.619%。这是由于生物炭可以提高土壤中脲酶活性[29]，而脲酶可以将尿素水解成氨，并介导有机氮转化为无机氮[30-31]。同时添加生物炭后N1水平下的土壤TN质量分数均高于BC0处理的N2水平。综上，在土壤中采用生物炭配施氮肥能够减少氮素磷溶，提高肥料利用率，对于氮肥的“减施增效”具有重要意义。

采用双因素方差分析检验不同种类生物炭和氮肥投加对土壤养分的影响，不同字母表示处理间的显著差异(P<0.05)，其中，不同大写字母表示同类生物炭处理中不同生物炭施用量之间的显著差异(P<0.05)，不同小写字母表示同类生物炭处理中不同氮肥施用量之间的显著差异(P<0.05)。

磷在土壤中有效性低、移动性差，是限制陆地生态系统生产力的重要元素之一。本研究发现生物炭对土壤磷元素质量分数有显著影响(表2)，土壤TP、AP质量分数与生物炭施用量之间呈正效应(图1(d)、(e))。生物炭自身具有丰富的磷元素，这与其原料中的磷质量分数有关[32]。热解过程中生物炭中磷元素由于自身的温度低敏性而被保存，同时，其他元素的挥发导致生物炭中的磷质量分数进一步上升[32-34]，因此，生物炭可以作为磷源提高土壤磷质量分数。添加SBC和MBC分别使土壤TP质量分数最高提升了34.592%和84.396%。这是由于MBC中磷质量分数比SBC更为丰富，对土壤TP质量分数提升程度也优于SBC。与TP类似，随着生物炭施用量的增加，土壤中AP质量分数也显著增加，这说明生物炭提供的磷在很大程度上是可以直接利用的。添加MBC后土壤AP的上升幅度高于SBC，这与Gao等[35]的荟萃分析结果相似，施用C/N低的生物炭(MBC)对土壤AP的改善效果更好。氮水平并未显著影响土壤TP质量分数，但是，氮肥的施用显著影响了土壤AP质量分数，表现为施氮后土壤AP质量分数提升(图1(d)、(e))。方差分析结果显示，生物炭和氮肥及其二者之间的交互作用显著影响了土壤AP质量分数(表2)。整体而言，SBC倾向于提升土壤SOC，而MBC倾向于改善土壤TP和AP质量分数。

表2 SBC、MBC与氮肥互作对土壤养分影响的双因素方差分析F值及显著性

2.3 生物炭与氮肥互作对土壤化学计量特征的影响

对于作物而言，营养元素的绝对量限制和比例限制同时存在。为了提升产量而盲目过多施肥不仅会造成生产资料的浪费，还会造成元素盈余进而带来环境污染问题。适宜的土壤生态化学计量比对于维持生态系统的结构、功能和稳定性至关重要。

不同处理下土壤生态化学计量比特征如图2所示。土壤C/N受土壤TN和土壤SOC的影响，可以敏感地反映土壤质量状况[10]，其变化趋势对土壤碳氮循环有重要影响。合理的土壤SOC和TN质量分数是提升土壤固碳、固氮能力以及实现土壤C/N耦合平衡的重要途径[36]。本研究各处理下土壤C/N基本维持在11.494～20.989。相同生物炭处理中氮肥的输入降低了土壤C/N。不同生物炭对土壤C/N的改善具有种类异质性，其中，SBC处理促进了土壤C/N增加。相比BC0，土壤C/N在SBC处理中最高提升了46.876%，而MBC处理与SBC处理呈现相反结果，表现为降低了土壤C/N(图2(a))。这是由于SBC具有更高的C/N，同时，SBC处理中土壤SOC的提升效果明显高于MBC处理，但二者对于TN的改善效果差异并不明显(图1(a)、(b))。

土壤C/P通常用来表征土壤SOC的分解和积累以及土壤固持磷素的能力[37-38]。两种生物炭的施用均显著影响了土壤C/P，氮肥对土壤C/P影响并不显著(表3)。由图2(b)可以看出，SBC和MBC处理对于土壤C/P改善效果呈相反趋势，这表明生物炭对土壤C/P的影响因种类不同而具有差异性。SBC的施用使土壤SOC质量分数大幅度提高(图1(a))，但对TP的提升幅度较小(图1(d))，因此，施用SBC后土壤C/P显著高于BC0。同时，SBC高C/P促进了土壤微生物对磷的同化，提高土壤微生物磷固存和磷储量，降低了磷活性[39]。相反，施用MBC使土壤TP质量分数大幅度提高(图1(d))，但对土壤SOC的提升效果并不显著(图1(a))，所以，添加MBC后土壤C/P明显低于BC0，但此时有利于有机物分解过程中的养分释放，促进了磷矿化，改善了土壤磷的有效性[39]。

土壤氮、磷是植物赖以生存的物质基础和环境条件，其比值对群落结构和功能起关键性作用，也可以判断土壤对植物养分供应状况，是限制性养分判断的重要指标[37]。本研究中，MBC的施用降低了土壤N/P(相比BC0)，且与其施用量呈负相关(图2(c))，这与MBC处理后土壤TP质量分数显著提升有关(图1(d))，同时，SBC处理下土壤N/P高于MBC处理。同一生物炭处理中，氮肥的施用对土壤N/P影响显著(表3)，表现为施用氮肥提高了土壤N/P(图2(c))，这与土壤TN质量分数的提升有关(图1(b))。两种生物炭的施用均显著影响了土壤AN与TN质量比(AN/TN)和AP与TP质量比(AP/TP)(表3)，土壤AP/TP随着生物炭施用量的增加呈上升趋势(图2(e))，土壤中磷的可用性提高，且MBC处理中提升更为明显。整体而言，SBC通过诱导土壤SOC质量分数的上升进而提高土壤C/N和C/P，MBC处理则通过磷剂量稀释效应降低了土壤C/P和N/P。

采用双因素方差分析检验不同种类生物炭和氮肥投加对土壤化学计量特征的影响，不同字母表示处理间的显著差异(P<0.05)，其中，不同大写字母表示同类生物炭处理中不同生物炭施用量之间的显著差异(P<0.05)，不同小写字母表示同类生物炭处理中不同氮肥施用量之间的显著差异(P<0.05)。

表3 SBC、MBC与氮肥互作对土壤化学计量特征影响的双因素方差分析F值及显著性

2.4 不同处理对土壤养分及土壤化学计量特征影响

采用PCA分析评估土壤养分元素质量分数及其化学计量比与不同处理之间的关系。PC1和PC2分别解释了66.21%和31.68%的变量(图3(a))。不施用生物炭、施用SBC和施用MBC处理在不同象限被分隔开，这表明不同处理中土壤养分及其化学计量特征存在差异，且生物炭投加的种类差异导致其功能趋向性不同。不同生物炭添加处理在PC1和PC2的得分均呈现显著的差异(图3(b))，这表明与PC1、PC2具有强相关性的代表因子均可以描述生物炭投加和BC0处理之间的差异[40]。同时，TP、AP、AP/TP是PC1的代表因子，SOC是PC2的代表因子(表4)，MBC处理对PC1得分的影响更大，而SBC处理对PC2得分的影响更突出(图3(b))。这进一步说明MBC对磷质量分数和磷养分有效性的改善更突出，而SBC更倾向于改善碳的利用。同时，通过比较图3(a)中的指标可知，相关性较高的指标排列在相近位置，SOC与C/N和C/P关系密切，这也验证了前文提到的SBC通过提升SOC进而增大C/N和C/P。

采用单因素方差分析的Duncan检验分析不同处理PC1和PC2得分间的差异性，不同小写字母代表同一成分中不同处理之间的得分存在显著差异(P<0.05)。

表4 不同处理对土壤养分及其化学计量进行主成分分析中PC1和PC2得分

1)两种生物炭的添加均提升了土壤SOC、TN、AN、TP和AP质量分数，且随着生物炭用量的提高，土壤养分质量分数呈上升趋势。SBC处理下土壤SOC质量分数最高提升了101.754%，MBC处理下土壤TP质量分数最高提升了84.396%。

2)不同生物炭的添加对土壤元素计量比的影响效应存在差异性。SBC的施加显著提升土壤C/N和C/P，更有利于土壤有机碳的补充。MBC的施加在提升土壤AP/TP的同时会降低土壤中C/P和N/P，能够缓解基质的磷限制，适用于缺磷导致的土壤营养失衡。

3)生物炭和氮肥结合使用对提高氮肥利用率，实现“减施增效”具有重要意义。同时，二者共同施用并不是简单的叠加效应，存在显著的交互效应，在改善土壤磷元素有效性方面显示出巨大的潜力。

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