2019, Vol. 56
氮素是作物产量形成和品质提高的重要元素，合理的氮肥施用是作物优质高产的关键措施之一[1]。然而，氮肥利用率偏低仍是制约我国氮肥利用的主要限制因素。据2013年《中国三大粮食作物肥料利用率研究报告》显示，目前三大粮食作物氮肥当季利用率平均为33%，尽管较测土配方施肥补贴项目实施前(2005年)提高了5个百分点，但仍然处于较低的水平，还有较大的提升空间[2]。与此同时，农业部在《全国农业可持续发展规划(2015-2030年)》中明确提出了“十三五”规划内化肥施用量零增长的目标[3]，因此，如何实现化肥减施条件下的肥料利用率提升成为当前我国农业发展亟待解决的问题，这也是保障我国农业土壤和生态环境可持续发展的重要任务之一。
农作物秸秆作为一种宝贵的资源，含有丰富的有机质、纤维素、粗蛋白、粗脂肪和氮、磷、钾等各种营养成分，经过高温炭化后制成的生物质炭，不仅可以稳定地将碳元素固定长达数百年，而且应用于农业生产后在改善土壤理化性质[4]、减少土壤养分转化与损失[5]以及提高肥料利用率[6]等方面均表现出明显的优越性。目前，生物质炭在农业生产中的应用效果已在多种作物上有所报道，例如，Liang等[7]研究发现混合施用稻壳和椰子壳生物质炭可提升小麦和玉米产量4.0%~7.2%;Wang等[8]对海棠的盆栽试验发现，生物质炭的添加不仅可显著提高海棠叶片叶绿素含量，而且可显著降低胞间CO2浓度，增强气孔导度和光和效率; Major等[9]则通过4年连续田间试验表明，生物质炭的添加可使玉米产量连续增产3年，但是对大豆无显著性影响; 此外，Jeffery等[10]采用整合分析法(Meta-analysis)对生物质炭的增产效果分析发现，生物质炭的添加可使作物平均增产10%左右; 而肖婧等[11]也通过Meta-analysis法整合分析了97篇生物质炭施用与土壤改良、作物生长有关的相对独立研究，结果表明生物质炭自身特性对作物产量影响显著，增产范围在9.2%~26.6%之间。由此可见，生物质炭的问世与应用不仅可最大限度地实现秸秆养分高效利用，也能够成为改良土壤环境、提升农作物产量和品质、实现化肥减施增效的一项重要技术手段[12]。
朝天椒是贵州遵义的传统种植作物，同时也是贵州山地特色农业的主要经济作物之一，贵州现已成为集种植面积、加工规模和市场占有率均属全国第一的辣椒种植大省[13]。然而，由于辣椒常年连作栽培以及“重氮肥、轻磷钾肥”等现象的存在，导致贵州黄壤耕地质量和氮肥利用效率持续降低[14]。近年来，基于氮肥减量化和氮肥有机替代的研究已逐渐成为研究热点，生物质炭配施化肥成为氮肥减量技术之一[15-16]。然而，目前关于生物质炭的研究主要集中在同等施肥量条件下生物质炭增施后的作用效果上[17]，针对生物质炭替代化学氮肥的研究相对较少，而基于短期条件下生物质炭究竟能否用于化学氮肥替代、替代量有多少等问题的探讨也缺乏足够实践验证。因此，本研究以贵州朝天椒‘艳椒425’为研究对象，从产量、品质、养分吸收及肥料利用率方面来研究生物质炭对化学氮肥的替代效应，进而综合评估生物质炭的氮肥替代能力，为贵州山区朝天椒氮肥减施增效技术提供技术支撑和科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验概况试验于2017年4-10月在贵州省遵义市播州区石板镇(106°43′0″E，27°31′29″N，海拔885 m)进行。供试土壤为贵州典型地带性黄壤，其基础理化性质为：pH 6.03，有机质26.80 g·kg-1，全氮2.17 g·kg-1，有效磷48.60 mg·kg-1，速效钾175.0 mg·kg-1。供试肥料包括：尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、硫酸钾(K2O 50%); 供试生物质炭为玉米秸秆炭，炭化温度450℃，其基本理化性质为：pH 7.95，总碳350.2 g·kg-1，总氮12.63 g·kg-1，有效氮2.01 g·kg-1，总磷1.92 g·kg-1，总钾47.48 g·kg-1; 供试朝天椒品种为“艳椒425”，由重庆科光种苗有限公司生产。
1.2 试验设计试验共设置5个处理，分别为：(1)CK：不施氮肥，只施用磷、钾肥，P2O5和K2O用量分别为150 kg·hm-2和270 kg·hm-2; (2)CF100B0：常规施肥，N、P2O5、K2O施用量分别为300、150、270 kg·hm-2; (3)CF90B10：常规施肥施氮90%+生物质炭氮10%(15 t·hm-2); (4)CF85B15：常规施肥施氮85%+生物质炭氮15%(22.5 t·hm-2); (5)CF80B20：常规施肥施氮80%+生物质炭氮20%(30 t·hm-2)。各处理具体肥料和生物质炭施用量见表 1。辣椒移栽前先将生物质炭均匀撒施于土壤表层，用锄头翻耕混匀，然后将所有肥料混匀后一次性均匀施用。辣椒种植采用“单垄双行”的栽培方式，单垄1.2 m，辣椒幼苗在起垄覆膜10 d后进行移栽，移栽密度为每公顷5.70万株。各处理设3次重复，随机区组排列，试验小区面积为20 m2。其他田间管理与农民习惯保持一致。
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表 1 不同施肥处理的肥料和生物质炭施用量 Table 1 Application rates of fertilizer and biochar relative to treatment |
辣椒收获前，每个小区采集6株长势相对一致的辣椒植株，用于分析植株养分指标与品质指标。辣椒植株分茎秆、叶片和果实3部分，分别于105℃杀青30 min后，于60℃恒温烘干称量。然后将植物样品磨碎过筛后，采用H2SO4-H2O2联合消煮，凯氏定氮仪(Foss 2200，瑞典)测定全氮含量，并计算植株氮素积累量[18]。同时，取部分辣椒果实鲜样用于测定品质指标，包括硝酸盐、Vc、还原糖和游离氨基酸，测定方法参照文献[18]。辣椒产量经过分批采收后于收获期计算辣椒的最终产量。
1.4 数据处理各相关参数的计算公式如下：
植株氮素积累量(kg·hm-2)=植株N含量(%)×生物量(kg·hm-2)/100;
氮肥偏生产力(PFPN，kg·kg-1)=施氮处理辣椒产量/施氮量;
氮肥农学效率(AEN，kg·kg-1)=(施氮处理辣椒产量-不施氮处理辣椒产量)/施氮量;
氮肥表观利用率(REN，%)＝(施氮处理地上部吸氮总量-不施氮处理地上部吸氮总量)/施氮量×100%;
以上公式中辣椒产量均按照干椒产量计算。
试验数据均采用Excel 2003软件进行计算处理，利用DPS软件进行统计分析，采用Origin 8.0软件作图，差异显著分析用最小显著差异(LSD)法进行分析，显著水平为0.05。
2 结果 2.1 生物质炭与氮肥减量配施对朝天椒产量的影响图 1显示了生物质炭替代化学氮肥对朝天椒鲜椒和干椒产量的影响。就鲜椒产量而言，与常规施肥CF100B0处理相比，仅CF90B10处理实现增产，增幅为7.3%，但差异未达显著水平; CF85B15和CF80B20处理均出现减产，减产幅度分别为1.8%和7.8%。干椒产量变化趋势与鲜椒产量类似，与常规施肥CF100B0处理相比较，仅CF90B10处理增产2.5%，CF85B15和CF80B20处理则分别减产5.7%和10.0%。
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注：不同字母表示处理间差异达5%显著水平。下同Note: Different letters indicate significant difference at 5% level. The same below 图 1 不同施肥处理的朝天椒产量 Fig. 1 Yield of pod pepper relative to treatment |
从朝天椒果实品质指标来看(表 2)，生物质炭与化学氮肥配施可显著影响朝天椒果实的硝酸盐和Vc含量，但对还原糖和游离氨基酸含量无影响。从硝酸盐含量来看，与CK处理相比，常规施肥CF100B0处理的硝酸盐含量显著提高了3.1%，而CF90B10、CF85B15和CF80B20处理则显著降低了朝天椒果实中硝酸盐含量，且三者较CF100B0处理相比分别下降8.9%、5.2%和4.8%，且显著低于CK处理。从Vc含量来看，与CK处理相比较，常规施肥CF100B0及生物质炭替代氮肥处理均可显著提高朝天椒果实中的Vc含量，增幅为3.5%~24.9%，依次表现为：CF90B10 > CF100B0 > CF85B15 > CF80B20 > CK，以CF90B10处理的Vc含量最高，达到111.5 mg·100 g-1，且显著高于其他处理，CF85B15和CF80B20处理的Vc含量则较CF100B0处理分别降低了4.9%和9.1%。
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表 2 不同施肥处理的朝天椒果实品质 Table 2 Quality of pod pepper relative to treatment |
图 2显示了生物质炭替代化学氮肥对朝天椒各器官氮素积累的影响。从茎杆氮素积累看，与常规施肥CF100B0处理相比，CF90B10、CF85B15和CF80B20处理的茎杆氮素积累量分别提高了25.2%、12.8%和1.9%，其中，CF90B10和CF85B15处理增加显著; 从叶片氮素积累看，与常规施肥CF100B0处理相比，生物质炭与氮肥配施处理的叶片氮素积累均出现显著降低，CF90B10、CF85B15和CF80B20处理较CF100B0处理分别降低了22.4%、14.3%和28.3%;从果实氮素积累看，与常规施肥CF100B0处理相比，CF90B10处理的氮素积累量仅提高了1.4%，但两者无显著差异，CF85B15和CF80B20处理的氮素积累则显著降低，降幅分别为12.2%和16.4%。
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图 2 不同施肥处理的氮素积累量 Fig. 2 N accumulation in various parts of the pod pepper plant relative to treatment |
由表 3可看出，不同施肥处理的氮肥利用率存在明显差异。从偏生产力看，与常规施肥CF100B0处理相比，生物质炭与氮肥配施处理的PFPN提高了2.08~2.62 kg·kg-1，其中CF90B10处理的偏生产力最高，且显著高于CF100B0处理，而CF85B15和CF80B20处理则与CF100B0处理无差异。从农学效率看，CF90B10处理最高(7.70 kg·kg-1)，但与CF100B0和CF85B15处理间无差异，CF80B20的AEN最低，仅为5.73 kg·kg-1，显著低于CF90B10处理。从表观利用率看，各施肥处理的REN大小依次为：CF90B10 > CF100B0 > CF85B15 > CF80B20，其中，CF90B10处理的REN最高(40.9%)，较CF100B0处理提高了4.45个百分点，且显著高于其他处理，CF80B20处理的REN最低，仅为24.9%。
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表 3 不同施肥处理的氮肥利用率 Table 3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency of pod pepper relative to treatment |
贵州山地农业作物秸秆资源非常丰富，但是秸秆还田率并不高，其主要原因一方面是由于贵州山地农业土地分散，无法使用大型机械，从而导致秸秆不能就地粉碎还田; 另一方面，贵州山区属于典型的雨养农业区，降雨分配极不均匀，因此，即便秸秆粉碎还田后，也会由于缺水而导致秸秆无法及时分解和有效利用[19]。秸秆炭化制成的生物质炭，不仅可解决农作物秸秆综合利用的问题，而且可用来实现化肥有机替代，是一项符合贵州山地农业实际需求的重要技术措施。本研究中，与常规施肥CF100B0处理相比，CF90B10处理的鲜椒和干椒产量分别提高了7.3%和2.5%，而CF85B15和CF80B20处理则出现略微减产，但与CF100B0处理相比差异不明显，这说明在当前试验条件下，用生物质炭替代10%~20%化学氮肥具有一定的可行性。生物质炭替代化学氮肥增产或稳产的主要原因一方面是生物质炭本身含有丰富的氮素(总氮含量在1.0~78 g·kg-1)[20]，尽管这些氮素并非均是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可替代部分化学氮肥[21]; 另一方面，生物质炭除了含有氮、磷、钾等大量元素外，还富含钙、镁、锌等多种矿质养分，有利于多养分的平衡供应[22]，因此可以保证作物实现增产或稳产。而生物质炭替代化学氮肥15%和20%(CF85B15和CF80B20)处理的朝天椒产量出现略微减产，分析其主要原因可能是，大量生物质炭施入导致土壤可溶性有机碳含量增加，从而加剧了土壤微生物与作物根系对氮素的竞争[23]，而且过高的生物质炭可导致次生根总根长和生物量明显增加，需要消耗大量的光合产物，故而导致产量出现下降[24]。
研究发现，生物质炭的施用可以改善作物品质[25]，本研究结果与前人研究结果类似。本研究中，施用生物质炭替代化学氮肥使朝天椒的硝酸盐含量降低了4.8%~8.9%，同时使朝天椒Vc含量提高了3.5%~24.8%，这可能是由于生物质炭抑制了NH4+向NO3-的转化速率，避免作物在短期内吸收过多的氮素而造成硝酸盐积累[26]，而生物质炭中较高的钾素含量以及钙、锰、锌等多种微量元素能够促进相关酶在植株体内的合成，均有利于改善朝天椒的品质[27]。
从本研究结果看，与常规施肥CF100B0处理相比，生物质炭替代氮肥处理使氮肥偏生产力提高了2.08~2.62 kg·kg-1，而且CF90B10处理的AEN和REN均为最高，分别为7.70 kg·kg-1和40.3%，说明适量生物质炭可替代化学氮肥并明显提高氮肥利用率。分析原因可能包括：首先，贵州黄壤黏粒含量高、土壤较为紧实，当生物质炭施入土壤后与供试土壤形成炭-土双层结构，不仅能够提高土壤孔隙结构和水分传导孔隙度，而且可以增加上层土壤的蓄水能力和下层土壤的持水性能，改善作物根系的水肥生长环境[4, 28]; 其次，由于生物质炭具有巨大的比表面积、丰富的孔隙和较高的离子交换量、羧基、羟基等官能团，能够提高对NH4+-N和NO3--N的吸附固持作用，减少了氮素的流失[29]，而被生物质炭吸附的氮素又可以被再次释放，形成可供植物吸收利用的有效态氮，从而提高氮素利用率[30]; 第三，生物质炭的施用在改变土壤理化性质的同时，还直接或间接地提高了与土壤氮素转化有关的酶活性、氨氧化细菌丰度与活性等，从而提高了氮素的生物有效性[31]。但是，生物质炭替代化学氮肥比例过高则会使氮肥利用率出现降低，可能原因包括：一方面施用生物质炭后的短时间内，土壤自身碳矿化速率加剧，进而导致土壤碳含量激增，当土壤中现有的含氮素物质不足以维持平衡时，土壤中的固氮菌就会固定更多的氮素，进而加剧了土壤微生物与作物对氮素的竞争[21, 32]; 另一方面，随着生物质炭施用量的增加，进一步提高了土壤pH，从而促进了NH3挥发[33-34]。
4 结论与常规施肥处理相比，生物质炭替代化学氮肥10%(CF90B10处理)可使朝天椒产量提高7.3%，氮肥表观利用率提升4.45个百分点，并且可明显改善朝天椒品质，但生物质炭替代化学氮肥比例过高(CF85B15和CF80B20)则会有减产风险，因此，在短期条件下，利用生物质炭替代10%的化学氮肥来实现贵州黄壤朝天椒氮肥减施增效具有一定的可行性，但是，由于生物质炭对土壤环境及作物生长的影响是一个长期积累的过程，本研究下阶段将会进一步研究生物质炭替代化学氮肥的长期效应，以期为氮肥有机替代及氮肥减施增效技术提供更为可靠的技术支撑。
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