2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 重庆市规划与自然资源局, 重庆 401147
2. Chongqing Municipal Bureau of Planning and Natural Resources, Chongqing 401147, China
氮是植物需求量最大的矿质营养元素，同时也是植物生长发育过程中最受限制的营养元素之一[1]。为提高作物的产量和品质，氮肥在农业生产中被大量施用，但植物对氮肥的利用率仅有30%~35%。氮肥施入土壤后一部分会转化成各种形态的氮储存于土壤中，氮素化学形态不同，其生物有效性也有所不同，土壤中绝大部分有机氮要经过微生物矿化作用转化为无机氮才能被植物吸收利用[2]。因此，研究土壤中氮赋存形态及其转化对于优化农业生产中的氮肥投入和促进植物对土壤氮素的吸收利用具有重要意义。
近年来，过量施用氮肥影响了土壤中氮循环过程，不仅造成大量氮流失，还造成土壤退化、水体污染和大气污染等一系列环境问题[3]。生物质炭作为一种新兴改良剂，主要来源于农业废弃物，在减少氮损失和改善土壤生化环境方面具有良好效果，其具有碳含量高、疏松多孔、比表面积大等特点，不仅能改善土壤结构、提高土壤肥力，还对土壤氮形态转化存在一定影响[4]。有研究表明：适量施用生物质炭可能会促进土壤有机氮矿化，释放出无机氮，提高植物对土壤氮素的吸收利用率[5]。同时，生物质炭还能通过改变土壤氮素迁移和转化过程对土壤氮循环产生影响[6]。有机肥作为一种传统肥料，具有养分平衡和养分释放慢的特点，能提高氮肥利用率并改良土壤[7]。Marinari等[8]研究表明：与单施化肥相比，配施有机肥能显著提高速效钾和速效磷含量，减少氮损失。长期施用有机肥还可以大幅提高土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮，从而延长无机氮的有效性[9]。目前关于生物质炭或者有机肥施用对土壤理化性质的影响已有大量研究，但是，有机肥配施生物质炭对土壤氮赋存形态影响的研究较少。
根际是土壤与植物进行物质、能量交换的重要场所，植物通过根系分泌物来影响土壤理化性质，其影响最先反映在根际土壤上，作为研究植物、土壤和微生物之间互相联系的重要领域，其与非根际土壤之间存在明显的差异性[10]。但是，目前化肥配施有机肥或者生物质炭对土壤养分影响的研究主要集中于非根际土。有研究表明：生物质炭与氮肥减量调控利于非根际土壤的全氮和速效钾、速效磷含量的积累[11]。有机肥配施生物质炭能够有效提高非根际土壤阳离子交换量以及土壤对氮、磷、钾的吸收效率[12]。然而，化肥或有机肥配施生物质炭下，根际土养分变化特征的研究鲜有报道。
因此，本文以紫色土为研究对象，通过设置6个不同施肥处理，测定柠檬根际和非根际土壤基本理化性质和氮形态，探明有机肥配施生物质炭对根际及非根际土壤养分和氮赋存形态的影响，为有机肥和生物质炭在调控农田氮转化和氮肥减施增效的应用中提供新的思路。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤采自重庆市潼南区太安镇国家农业科技园区柠檬种植基地（0~30 cm），是紫色土区琼江河台地冲积物（Q4）经旱耕熟化而成的一种紫色潮土。采集的土壤置于阴凉干燥处自然风干，去除杂质后研磨过2 cm筛供盆栽试验使用。初始土壤的基本理化性质：容重1.48 g·cm–3、pH 5.19、有机质8.68 g·kg–1、全氮0.679 g·kg–1、全磷0.221 g·kg–1、碱解氮57.31 mg·kg–1、硝态氮3.46 mg·kg–1、铵态氮4.82 mg·kg–1、有效磷9.14 mg·kg–1、速效钾244.12 mg·kg–1。
供试柠檬品种为尤力克（Eureka），苗龄为嫁接7个月的脱毒苗，来自重庆市潼南区国家科技农业园区智能化柠檬脱毒育苗中心。供试生物质炭为稻壳生物质炭，由四川省久晟农业有限责任公司提供，烧制方法是将稻壳在500 ℃高温厌氧条件下热解2 h，制成稻壳生物质炭。供试有机肥和新鲜有机肥分别为腐熟猪粪和新鲜猪粪，均取自潼南温氏养猪场，猪粪（120 d）碱解氮、有效磷和速效钾的缓释效率分别为35.3%、34.8%和41.5%。供试生物质炭和有机肥的基本性质见表 1。
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表 1 供试生物质炭和有机肥基本性质 Table 1 Basic properties of biomass charcoal and organic fertilizer tested |
盆栽试验于2019年5月1日—2020年6月25日在“紫色土基地”进行，2020年1月由室外移至温室大棚。设置6个处理：①不施肥（CK）、②常规施肥（CF）、③有机肥（M）、④化肥+生物质炭（CFB）、⑤有机肥+生物质炭（MB）、⑥新鲜有机肥+生物质炭（FMB），采用随机区组设计，每个处理4次重复。化肥品种分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）。微量元素肥料为来自北美农大集团生产的硼锌锰铁镁钙硅复合微量元素水溶肥料（B、Zn、Mg、Si、Ca、Mn、Fe≥12 %），pH为6.0。
称取土壤15 kg，按照等氮施肥的原则将化肥、有机肥和生物质炭与土壤充分混匀后装入盆钵，盆钵为盆口直径22 cm、高30 cm的PVC圆桶。除CK处理外，各处理保持等氮的施肥原则，单株柠檬幼苗施入纯氮（N）2.625 g。施用完基肥后放置15 d，然后选择大小和长势基本一致的柠檬苗移栽，每个盆钵1株，移栽定植后浇水灌透，之后适时浇水，每次浇水保持各处理表层土壤的湿度一致。生物质炭作为基肥一次性施入，施用量参照刘园等[13]的研究，有机肥和无机肥部分作为基肥施入，之后每2~3个月以1/3基肥的量进行追肥，一共4次追肥，具体施肥量见表 2。
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表 2 各处理施肥总量 Table 2 Total fertilization for each treatment |
2020年6月25日进行破坏性取样。打开定植盆，用抖土法[14]收集根际土，先慢慢取出带土的柠檬植株，轻轻抖落植株根系上的较大颗粒土，再用细毛刷将黏附在须根上的根际土收集至无菌自封塑料袋中，同时收取等量的非根际土。将土壤置于室外自然风干，然后去除杂质，研磨后分别过1 mm和0.25 mm筛，用于测定土壤理化性质和不同形态氮含量。
土壤pH采用DMP-2mV酸度计测定，土水比为1︰2.5；土壤有机质采用重铬酸钾容量法（K2Cr2O7-H2SO4法）；土壤全氮采用H2SO4-H2O2消煮，蒸馏滴定法测定；碱解氮采用碱解扩散法；土壤硝态氮采用KCl溶液浸提—紫外分光光度法测定；土壤铵态氮采用KCl溶液浸提—靛酚蓝比色法测定；有效磷采用Olsen法；土壤速效钾采用NH4OAc溶液浸提—火焰光度法测定[15]。
1.4 土壤氮分级的测定采用改进后的沉积物中氮分级浸取分离法[16]，将土壤中的氮分成可转化态氮（TF-N）和非可转化态氮（NTF-N），并将可转化态氮分成离子交换态氮（IEF-N）、碳酸盐结合态氮（CF-N）、铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）和有机硫化物结合态氮（OSF-N），具体氮分级的流程[17]见图 1。
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图 1 土壤氮分级测定流程图 Fig. 1 Flowchart of soil nitrogen fractionation determination |
试验数据采用Excel2019整理，IBM SPSS Statistics 26进行统计分析和Origin2018软件进行图表绘制，以LSD最小显著差异法进行多重比较，差异显著水平为P < 0.05。
2 结果 2.1 不同施肥处理对根际及非根际土壤pH、有机质及养分的影响不同处理对根际及非根际土壤pH、有机质及养分的影响如表 3所示。对于非根际土而言，与CK处理相比，CF和CFB处理分别显著降低pH0.64和0.23个单位，M、MB和FMB处理显著增加pH0.15~0.32个单位；M、CFB和MB处理显著增加有机质含量9.46%~24.31%；CF、M、CFB和MB处理显著增加硝态氮；MB和FMB处理分别显著降低铵态氮含量，CF处理显著增加铵态氮含量；CF处理显著提高碱解氮含量，CFB、MB和FMB处理显著降低碱解氮含量；CF、M、CFB、MB和FMB处理显著增加全氮、有效磷和速效钾含量。
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表 3 不同施肥处理对根际及非根际土壤pH、有机质及养分的影响 Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil pH, organic matter and nutrients in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
对于根际土而言，与CK处理相比，CF和CFB处理分别显著降低了pH0.63和0.34个单位，M、MB和FMB处理显著增加pH0.29~0.63个单位；M、CFB、MB和FMB显著增加有机质含量25.37%~84.88%；CF处理显著增加铵态氮含量；CF、M、CFB、MB和FMB处理显著增加全氮、硝态氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。
非根际土和根际土在施肥处理后的pH变化基本上一致。施用有机肥和生物质炭能提高土壤有机质含量，且表现一定的根际效应。CFB、M、MB和FMB处理的根际土全氮含量显著高于非根际土（P < 0.05），说明施用有机肥和生物质炭的土壤全氮表现出了明显的根际效应。总体而言，有机肥配施生物质炭显著增加土壤养分。
2.2 不同施肥处理对根际及非根际土壤氮赋存形态的影响由表 4可知，各施肥处理土壤离子交换态氮（IEF-N）含量占可转化态氮（TF-N）含量的1.69%~19.48%，碳酸盐结合态氮（CF-N）含量占可转化态氮（TF-N）含量的4.57%~8.89%，铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）含量占可转化态氮（TF-N）含量的35.85%~61.72%，有机硫化物结合态氮（OSF-N）含量占可转化态氮（TF-N）含量的26.65%~46.56%。4种可转化态氮（TF-N）含量依次为：IMOF-N > OSF-N > IEF-N > CF-N，说明铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）是土壤可转化态氮（TF-N）的主要组成部分。
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表 4 不同施肥处理对根际及非根际土壤可转化态氮和非可转化态氮含量及占比的影响 Table 4 Effects of different fertilization treatments on the contents and proportions of convertible nitrogen and non-convertible nitrogen in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
根际土中M处理的氮形态占比为：NTF-N > TF-N，其余处理氮形态占比均为：NTF-N < TF-N，其中土壤可转化态氮（TF-N）含量占比为48.23%~71.72%，土壤非可转化态氮（NTF-N）占比为28.28%~51.77%，说明土壤氮素以土壤可转化态氮为主。CFB处理较CF处理显著提高了土壤TF-N的占比（P < 0.05），而降低了NTF-N的占比，MB和FMB处理较M处理也显著提高了土壤TF-N的占比（P < 0.05），而降低了NTF-N的占比，说明配施生物质炭处理（CFB、MB和FMB）能促进土壤氮素从非可转化态氮向可转化态氮转化。
离子交换态氮（IEF-N）是一类水溶性强、吸附在土壤阳离子交换位点的结合态氮，是可转化态氮（TF-N）中最“活跃”的形态，易被植物吸收利用。图 2是不同施肥处理对土壤离子交换态氮（IEF-N）含量的影响，对于非根际土而言，与CK处理相比，CF、M、CFB和MB处理显著提高IEF-N含量155.32%~516.91%，其中CF处理增幅最显著；对于根际土而言，与CK处理相比，CF、M、CFB、MB和FMB处理显著提高IEF-N含量274.53%~1048.91%，其中CFB处理增幅最显著。总体而言，施肥显著提高了根际及非根际土壤中离子交换态氮（IEF-N）的含量，其中常规施肥（CF）和化肥配施生物质炭（CFB）处理的效果最显著，分别是CK处理的10.95倍和6.70倍。
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注：图中不同小写字母表示非根际土/根际土的不同施肥处理之间差异显著（P < 0.05），不同大写字母表示同一施肥处理的非根际土和根际土之间差异显著（P < 0.05）。CK：不施肥，CF：常规施肥，M：有机肥，CFB：化肥+生物质炭，MB：有机肥+生物质炭，FMB：新鲜有机肥+生物质炭。下同。 Note: different small letters in the figure indicate significant differences between different fertilization treatments of non-rhizosphere soil/rhizosphere soil(P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences between non-rhizosphere soil and rhizosphere soil of the same fertilization treatment(P < 0.05). CK: no fertilizer, CF: conventional fertilizer, M: organic fertilizer, CFB: fertilizer + biomass charcoal, MB: organic fertilizer + biomass charcoal, FMB: fresh organic fertilizer + biomass charcoal. The same below. 图 2 不同施肥处理对根际及非根际土壤离子交换态氮含量的影响 Fig. 2 Effects of different fertilization treatments on ion exchange nitrogen content in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
碳酸盐结合态氮（CF-N）是土壤中与碳酸盐和少量溶解性有机物结合的活性态氮，释放性能稍低于离子交换态氮（IEF-N），在酸性条件下容易向水体释放。如图 3所示，对于非根际土而言，与CK处理相比，M处理显著提高CF-N含量22.23%；对于根际土而言，与CK处理相比，M、CFB、MB和FMB显著提高CF-N含量27.05%~69.25%，其中M处理增幅最显著。CF、M、CFB、MB和FMB处理的根际土CF-N含量均显著高于非根际土CF-N含量，这表明土壤碳酸盐结合态氮在根际存在一定的富集效应。CF和CFB处理显著提高了根际土CF-N含量，同时M和MB处理较CF处理显著提高了土壤CF-N含量，表明施用有机肥和生物质炭能够有效提高土壤中CF-N含量，其中M和MB处理效果最显著。
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图 3 不同施肥处理对根际及非根际土壤碳酸盐结合态氮含量的影响 Fig. 3 Effects of different fertilization treatments on the content of carbonate-bound nitrogen in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）是可转化态氮中释放能力较弱的氮形态，对氧化还原环境很敏感，容易受到土壤铁锰氧化物含量的影响。图 4是不同施肥处理对土壤铁锰氧化物结合态氮含量的影响，对于非根际土而言，与CK处理相比，CF、M、MB和FMB显著降低IMOF-N含量9.4%~29.18%，其中M处理降幅最显著；对于根际土而言，与CK处理相比，FMB处理显著提高IMOF-N含量39.40%，CF、M和MB处理显著降低IMOF-N含量21.74%~30.97%，其中M处理降幅最显著。CF和M处理同CK处理相比均显著降低了土壤IOMF-N的含量，而CFB处理较CF处理显著提高了土壤IOMF-N含量，MB和FMB处理较M处理显著提高了土壤IMOF-N含量，这表明单独施用化肥和有机肥会降低土壤中IMOF-N含量，配施生物质炭能够有效提高土壤中IMOF-N含量，其中，以新鲜有机肥配施生物质炭（FMB）处理效果最好。
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图 4 不同施肥处理对根际及非根际土壤铁锰氧化物结合态氮含量的影响 Fig. 4 Effects of different fertilization treatments on the content of iron manganese oxide-bound nitrogen in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
有机硫化物结合态氮（OSF-N）主要是和稳定高分子腐殖质及硫化物结合的有机态氮，释放能力是4种可转化态氮中最弱的。如图 5所示，对于非根际土而言，与CK处理相比，CF和M处理显著提高OSF-N含量12.98%和27.15%，其中M处理增幅最显著；对于根际土而言，与CK处理相比，M、CFB、MB和FMB显著提高OSF-N含量7.6%~65.51%，其中M处理增幅最显著。CF处理较CK处理显著降低了根际土OSF-N含量，而CFB、MB和FMB处理较CF处理显著提高了根际土OSF-N含量，表明单独施用化肥会降低根际土OSF-N含量，而配施生物质炭能够有效提高根际土OSF-N含量。
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图 5 不同施肥处理对根际及非根际土壤有机硫化物结合态氮含量的影响 Fig. 5 Effects of different fertilization treatments on the content of organic sulfide-bound nitrogen in the rhizosphere and non-rhizosphere soils |
在本研究中，化肥+生物质炭（CFB）和常规施肥（CF）处理较不施肥（CK）处理显著降低了非根际土和根际土的pH，这是因为化肥会大量提高土壤硝态氮和铵态氮含量，植株吸收铵态氮的过程中会释放H+，同时土壤铵态氮挥发损失和土壤硝态氮淋洗过程也会产生大量活性H+，因此导致土壤发生酸化[18]。而有机肥（M）、有机肥+生物质炭（MB）和新鲜有机肥+生物质炭（FMB）处理能显著提高非根际土和根际土的pH。这与赵牧秋等[19]研究结果一致，这是因为有机肥富含有机官能团，对土壤中Al+和H+有较强的吸附作用，能够有效缓解土壤酸化。生物质炭表面含有碱性基团，施入土壤后能中和土壤中的H+，从而提高土壤的pH，且生物质炭碱性基团的含量越高，提高土壤pH的效果就越好[20]。本研究结果表明，配施生物质炭显著增加土壤有机质含量，以新鲜有机肥配施生物质炭（FMB）的效果最好，与王强等[21]研究结果一致。这是因为生物质炭具有疏松多孔、比表面积大、吸附能力强等特点，能吸附土壤中大量的有机分子，并通过表面催化作用使有机分子聚合形成有机质，而且生物质炭自身含碳量高达60%以上，施入土壤后能成为土壤的碳源，添加后更高的不稳定碳氮比促进了土壤的氮循环，稳定的有机氮库中释放出更多的有机氮，从而提高土壤有机质的含量[22]。
本研究发现，CF处理的根际及非根际土壤铵态氮含量是最高的，配施生物质炭的MB和FMB处理较CF处理显著降低了非根际土壤的铵态氮含量，与王月玲[23]等研究结果不同。这是因为生物质炭通过刺激土壤中的氨氧化细菌（AOA）和氨氧化古菌（AOB）基因丰度增加了土壤的硝化作用，而且生物质炭对土壤中的NH4+/NH3有较强的吸附作用，当土壤pH为中性（pH=7~8）时，生物质炭通过吸附NH4+/NH3减少土壤氨氮的损失，从而提高土壤铵态氮含量，但是，本研究供试土壤pH为5.19，此时施入生物质炭会显著提高土壤的pH，促使氨氮挥发，造成土壤铵态氮含量的降低[24-25]，李明等[26]的研究也证实了这个结论。本研究还发现，施用有机肥和生物质炭较化肥能显著提高根际土全氮含量和碱解氮含量，且CFB和CF处理的土壤硝态氮含量是最高的，CFB处理的土壤硝态氮含量和CF处理之间无显著差异，M处理和MB处理之间的差异也不显著，说明化肥较有机肥能显著提高土壤硝态氮含量，但是，配施生物质炭对土壤硝态氮含量无显著影响。因为化肥是直接向土壤中施加养分，能迅速提高土壤的速效养分含量，但是肥效短，还会增加土壤氮素的流失风险，造成农业面源污染等环境问题，有机肥和生物质炭虽前期肥效不如化肥，但具有长效性和缓释性，更有利于植株根系对氮的吸收利用[27]。且生物质炭还能吸附土壤中的NO3-，减少硝态氮的淋失损失，为植株持续提供有效态氮源的同时降低了氮素流失风险[28]。
3.2 化肥和有机肥配施生物质炭对根际及非根际土壤氮赋存形态的影响在本文中，土壤可转化态氮（TF-N）含量占TN（全氮）含量的48.23%~71.72%，非可转化态氮（NTF-N）含量占TN含量的28.28%~51.77%，土壤氮素以可转化态氮（TF-N）为主，CFB处理较CF处理显著提高了土壤TF-N的占比，而降低了NTF-N的占比，MB和FMB处理较M处理显著提高了土壤TF-N的占比，而降低了NTF-N的占比，说明配施生物质炭能促进土壤氮素从无法被植物直接吸收利用的氮形态向有效性更高的氮形态转化。本文还发现：生物质炭能促进土壤非可转化态氮（NTF-N）向铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）和有机硫化物结合态氮（OSF-N）这2种活性更高的氮形态转化，同时也有部分向碳酸盐结合态氮（CF-N）转化，这可能是因为生物质炭添加到土壤后，促进了土壤氮素的矿化作用，促进有机氮缓慢向无机氮转化，进而提高了土壤中有效性更高的氮素含量[29]。
本研究中，施肥显著提高了非根际土和根际土的IEF-N含量，以单施化肥（CF）处理和化肥配施生物质炭（CFB）处理效果最好，化肥能促进土壤氮形态向IEF-N转化。因为化肥是直接将养分施入土壤中，能在短时间内迅速提高土壤的速效养分含量，但是植物只能吸收一小部分，剩下的氮素容易随水流失至地下水中，造成地下水污染等环境问题[30]。而有机肥和生物质炭具有缓释性和长效性，虽前期的土壤可利用态氮含量低于化肥，但能够满足植物的生长需求，并且持续释放的有效态氮更有利于植株根系对氮的吸收利用[31]。
本研究发现，M、CFB、MB和FMB处理的根际及非根际土壤中CF-N含量均显著高于CF处理，以M和MB处理效果最好。一方面，因为M、CFB、MB和FMB处理较CF处理显著提高了土壤的pH，减少了土壤CF-N的释放，从而提高土壤CF-N的含量；另一方面，向土壤中施入有机肥和生物质炭能显著提高土壤有机质含量，增加土壤碳酸盐和有机物含量，从而促进土壤氮形态向CF-N转化。本文还发现，各处理根际土CF-N含量均显著高于非根际土，说明CF-N存在根际富集效应。这与王晓锋等[32]的研究结果一致，因为各处理的有机质存在根际富集效应，且M、MB和FMB处理的根际土pH高于非根际土，同时植株根系在根际土中释放的碳源使微生物活性提升并释放大量的胞外酶，从而影响了根际土中氮形态的转化[33]。
在对可转化氮含量的研究中，4种可转化态氮（TF-N）在根际及非根际土壤中的含量占比从大到小依次为：IMOF-N > OSF-N > IEF-N > CF-N，说明铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）和有机硫化物结合态氮（OSF-N）是土壤可转化态氮（TF-N）的主要成分。单施化肥或有机肥会导致土壤IMOF-N含量下降，而配施生物质炭能显著提高土壤IMOF-N含量，以新鲜有机肥+生物质炭（FMB）处理的效果最好，因为，生物质炭能够提高土壤的透气性，降低土壤的厌氧还原水平，有利于IMOF-N在土壤中稳定存在，从而提高土壤IMOF-N含量[34]。本研究还发现：施用有机肥和生物质炭较CF处理能显著提高根际土OSF-N含量，因为生物质炭和有机肥添加到土壤后，会使土壤氮素向较稳定的氮形态转化，延缓土壤氮素养分的释放，减少土壤氮的淋溶流失，提高肥料的利用率，而且，生物质炭还能吸附NO3-和NH4+，所以，有机肥配施生物质炭能减少土壤的氮素流失和氨挥发，提高氮肥利用率，有利于植株根系对氮素的吸收利用，从而促进植株的生长[35]。
4 结论有机肥配施生物质炭（MB和FMB）处理能够显著提高根际及非根际土壤pH、根际土壤有机质和全氮含量。配施生物质炭能促进土壤非可转化态氮（NTF-N）向铁锰氧化物结合态氮（IMOF-N）和有机硫化物结合态氮（OSF-N）这2种活性更高的氮形态转化。有机肥配施生物质炭（MB和FMB）处理不仅能显著改善根际和非根际土壤养分，还有利于根际和非根际土中非可转化态氮向有效态转化。有机肥配施生物质炭是改善根际及非根际土养分和调控氮转化有效的方式。
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