飼用玉米氮素分配與根系特征對不同生物炭施加深度的響應

陳澤林，林逸帆，陳國豪，劉琪琪，劉 鵬，張志新，何學青

（西北農林科技大學草業與草原學院, 陜西 楊凌 712100）

在實際生產中，養分管理水平低會嚴重影響牧草產量，是制約畜牧業發展的關鍵要素[1]。尤其在雨養系統中，飼用作物對降水以及土壤養分變化非常敏感，因此如何增加土壤養分在土壤中的保存時間以及存量是提高飼用作物產量的關鍵問題[2]。生物炭在改變土壤結構和理化特征、提高農作物生產率、治理環境污染等方面有很大作用[3-4]，而且其原料獲取途徑廣泛[5-6]。在土壤改良方面，生物炭能夠改善土壤的pH、水分、孔隙度、密度、陽離子交換量等理化性質，并促進礦化作用，調節土壤中氮素持留的時間，降低土壤當中的營養流失[7-9]，在改善養分利用方面具有較好的應用潛力。

生物炭施加后可以改變土壤對氮元素的固持能力，影響作物氮素利用，從而實現對作物的生長和產量的不同影響[10-11]。玉米(Zea mays)籽粒氮素主要來源分為根系從土壤吸收和營養器官轉移兩部分，在施加生物炭條件下，玉米的吐絲到灌漿期中期玉米籽粒中的氮素主要來自于根系對氮素的吸收；在灌漿后期，籽粒氮素以營養器官中氮素的轉運為主[11]。 在水稻(Oryza sativa)種植方面，氮肥的大量施用會促進營養器官過度發育，增加了無效分蘗的數量，不僅消耗了大量養分，還容易出現因倒伏而導致產量降低[12]，將氮肥與生物炭配合使用可以降低30%氮肥施加量，改善水稻成穗機率，而且生物炭在低氮處理下還可以提高光合產物向籽粒的輸送[13]。另有研究表明，生物炭對于氮素的調節是通過影響不同氮素形式在土層間的分布實現的，生物炭的孔隙結構提高了土壤的持水能力，有效地減少了土壤中水分的垂直輸送，影響了不同土層之間氮素運移。土壤膠體顆粒表面主要積累負電荷，通過靜電吸引銨離子，硝酸根離子帶負電荷，被土壤膠體顆粒所攜帶的負電荷排斥，在上層土壤中水的連續滲透和浸出下，硝態氮將會被土壤水帶到土層的深處[14-15]。在相同環境下，銨態氮在土壤中的淋溶比硝態氮弱，生物炭的施加可以提高土壤對銨態氮的吸附和保持能力[16]。根系是植物吸收水分和養分的主要器官，其形態和土壤中的空間分布對水分和養分的吸收利用有顯著影響，在養分、水分高效利用中起關鍵作用，合理的施肥深度有利于作物根的生長。因此，生產中明確施肥深度可增加下層根系的活力并提高葉片的光合效率[17]。

目前，對于生物炭在農業方面的研究主要集中在其對于土壤理化性質的改良方面，對于生物炭施加條件下，植物發生的生理變化缺乏研究[18-19]；飼用玉米作為黃土高原主要的飼用作物之一，如何施加生物炭能發揮其肥力效應仍需進一步探索。因此本研究擬通過設置不同施用深度處理，分析生物炭對植株地上地下部分氮素分配規律及對土壤氮素的固持效果，明確適宜的施用深度，為牧草氮素高效管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于內陸黃土高原腹地，鄂爾多斯盆地邊緣，109°21′18″ E，36°48′32″ N，在陜西省延安市安塞區石窯溝進行，屬典型中溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，年日照時數為2395.6 h，全年無霜期157 d，土壤類型為典型的黃綿土。

1.2 試驗材料與設計

試驗所用飼用玉米品種為‘中原單32’，購自寧夏科豐種業有限公司，生物炭為小麥秸稈生物炭。采用隨機區組設計，設置不施加生物炭處理(T1)、0－20 cm 施加深度處理(T2)、20－40 cm 施加深度處理(T3)以及40－60 cm施加深度處理(T4)，設3 次重復。試驗在2020 年于野外條件開展，播種前在種植位置挖直徑60 cm、深度60 cm 的圓柱形土槽，土壤按0－20、20－40、40－60 cm 分開放置。后將同樣尺寸尼龍袋嵌入并將土壤按順序填入，按處理在對應深度混勻施入生物炭，施用量為15 t·hm-2。于4 月20 日播種3 粒飼用玉米種子，在三葉期進行間苗，保留1 株。

1.3 樣品采集

在飼用玉米長至成熟期，將植株齊地面收獲，分離葉片、葉鞘、莖、果實，并用挖掘法獲取完整根系。土壤樣品由土鉆在0－20、20－40、40－60 cm處采集，陰干過0.15 mm 篩備用。

1.4 指標測定

將根系清洗干凈后用根系掃描儀對根系進行掃描，采用WinRhizo 軟件進行根長、表面積與體積分析。將不同部位植物樣品在80 ℃下烘至恒重，測定生物量。植物氮采用凱氏定氮法測定，土壤硝態氮、銨態氮采用流動注射分析儀測定[20]。

1.5 數據處理與分析

所有數據由Excel 2019 進行整理，用SPSS 26.0軟件對各處理下不同指標進行單因素方差分析，使用LSD 法對均值進行多重比較(P＜ 0.05)，用Origin 2018 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物量及植株氮含量

處理T2總生物量最高，其他不同處理下與T1相比無顯著差異 (P＞ 0.05) (圖1)。T2處理各構件生物量相較于T1差異主要體現在果實部位，其他處理中僅有T4處理下葉片生物量相較于T1有顯著提升(P＜ 0.05)。0－20 cm 施加深度下總生物量、果實、葉鞘分別比T1高出19.3%、24.6%和20.2%。T1處理下的莖比20－40 cm 處理高22.3%。

圖1 不同生物碳施加深度下玉米地上部分指標Figure 1 Index of maize aboveground component under different biochar application depths

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的總氮含量最高，其余處理與T1相比無顯著差異 (P＞0.05) (圖1)。0－20 和40－60 cm 施加深度下玉米果實部分和葉鞘部分的氮含量顯著高于T1(P＜ 0.05)，T2處理表現最佳，其總氮含量、玉米果實、葉鞘分別比T1提高了29.9%、29.7%和42.3%。

在0－20 cm 施加深度下玉米地上部分的氮產量最高，其余處理與T1相比無顯著差異 (P＞ 0.05)(圖1)。0－20 cm 施加深度下玉米果實部分氮產量顯著高于T3(P＜ 0.05)；40－60 cm 施加深度下玉米的葉片部分氮產量顯著高于T3處理38.7%；0－20 cm 施加深度下各構件氮產量均高于T1處理，總氮產量相較于T1高出23.2%，其中玉米果實、莖分別高出 24.3%和38.5%。

2.2 土壤氮

除T3處理以外，其余3 組處理在各土層深度下的硝態氮含量變化趨勢相似，在0－40 cm 土層內隨著土層深度的加深而逐漸減少，40－60 cm 土層內有一定回升。T3處理硝態氮含量在0－40 cm 土壤深度內隨著土層深度的加深略升高，40－60 cm 土壤深度內快速減少(圖2)；在土層各深度下T2處理的硝態氮含量高于其他3 組處理，相較T1提高約20.0%，T3處理在0－10 和40－60 cm 土層顯著低于同土層下其余3 組(P＜ 0.05)。

圖2 不同生物炭施加深度下各土層土壤氮素含量Figure 2 Soil nitrogen content under different biochar application depths

除T3處理外，土壤銨態氮含量其他3 組處理均呈現出相似的變化趨勢：在0－40 cm土層中，隨土層深度的加深，銨態氮含量呈現下降趨勢，在40－60 cm 深度下又有所增加。而T3處理則呈先上升后下降再回升的趨勢(圖2)，T3和T4處理在0－60 cm 土 層 銨 態 氮 含 量 顯 著 高 于T1處 理 (P＜0.05)。T3處理在10－60 cm土層下銨態氮含量均高于其他3 組，T4處理在0－10 cm 土層銨態氮含量高于其他3 組。

2.3 植物根系特征

施加生物炭后，在0－60 cm 土層深度中，根系總根長、總根系表面積以及總根系體積均有提升：T2處理總根長、0－10 和20－40 cm 根長比T1處理分別高26.5%、22.0%、242.9% (圖3)，其中在20－40 cm 土層差異顯著(P＜ 0.05)；T2處理的根系總表面積最大，其中0－10 cm 土層中顯著大于其他3 組處理(P＜ 0.05)，相較于T1處理高出75.4%；T2處理根系總體積最大，高于T1處理215.1%，且兩者間差異顯著(P＜ 0.05) ；T3處理在20－40 cm 土層下的根表面積顯著大于其他3 個處理(P＜ 0.05)，高于T1處理178.2%，且該處理在20－40 cm 土層下的根體積高于T1處理227.8%；T4處理在40－60 cm 土層下根體積以及根表面積大于其他處理，但差異不顯著(P＞ 0.05)。

圖3 不同生物炭施加深度下玉米根系形態指標Figure 3 Maize root morphological indices under different biochar application depths

3 討論

明確適宜的生物炭施用深度是優化植物養分供給與利用的前提條件。有研究表明，生物炭能夠減少土壤水分垂直流動對養分的轉運和遷移，從而預防氮素從土壤中淋溶流失過多[21]。本研究發現，生物炭增加了土壤對硝態氮的固持，且0－20 cm 施加深度效果更為顯著。比較土壤剖面，T2處理各土層均高于T1處理，同時T3處理中表層硝態氮含量下降，可能與T2處理在表施生物炭后對硝態氮的固定作用減少了淋溶效應的影響有關[22-23]；T3處理由于改變了土壤物理性質，增加了水分流通，導致施加生物炭土層外其余深度硝態氮含量降低，T4處理由于施加深度處于尼龍袋底部，下滲作用不明顯，可以累積更多硝態氮，隨水分運動轉移到各個土壤深度，增加了土壤整體硝態氮含量。

生物炭施加對不同形態可利用氮影響存在差異[24]。由于土壤膠體顆粒表面帶有負電荷對銨離子有吸引作用，因此更利于銨態氮的固持[14]。本研究發現施加生物炭在20－40 和40－60 cm 的深度施加生物炭有利于土壤銨態氮的積累，其中T3處理效果最佳，與上述研究結果一致，而T2處理銨態氮含量最低。有研究表明，在一定水分含量范圍內，硝化速率隨水分含量的增加而增加，當土壤水分趨于飽和時，硝化速率顯著降低[25]。因此，這個結果可能由于施加生物炭后T2處理下土壤物理結構變化引起土壤含水量以及通氣透氣能力增加，進而促進了銨態氮的硝化所引起。而其他兩組處理因施加深度較深，生物炭只表現出吸附力，延緩了硝化作用的影響，從而使得表層土壤銨態氮含量增加。

施加生物炭對土壤氮素的固持效應有助于根系生長，其根長、表面積、體積的促進效果明顯[26]。本研究發現不同生物炭施用深度處理下根系形態均呈增長趨勢，同時，生物炭施加所在深度的根系增長幅度最大，與該結果一致。而T2處理下，土壤中硝態氮含量最高，飼用玉米總根長、總根表面積促進效果最佳，生物炭對根系形態變化的影響體現了其對飼用玉米根系養分獲取策略的調控，也表明淺施生物炭在提高養分吸收方面相較于其他施用深度更具優勢[27]。

生物炭的施加促進了氮素向植物各構件的轉移[28-32]。本研究同樣表明：施加生物炭后，不同施加深度對玉米不同構件的生物量以及氮含量有不同程度改良。由于生物炭施加后對土壤中有效氮的調控可以改變氮素的轉移途徑與累積效率[32-33]。從產量結果可以得出：T2處理促進了干物質向果實轉移；T4處理向葉片轉移明顯。從構件氮含量可以得出：上述構件中，氮元素含量均高于T1處理。同時，在構件氮產量方面，T2處理的玉米果實部分比T1高24.30%，T4處理玉米葉片部分氮產量顯著高于T1處理，高出38.65%。表明生物炭施用可以改變植物養分供給的源庫關系。T2處理更利于植物生產，而T4處理可以通過促進葉片生長改善飼用玉米品質。

4 結論

本研究結果表明，生物炭施用對玉米生長具有調控作用，可以增加生物量和氮含量積累，同時影響土壤硝態氮和銨態氮含量，其中20－40 cm 施加深度處理在10－60 cm 土層中銨態氮含量均顯著高于不施加生物炭；0－20 cm 施加深度處理的硝態氮含量在各個深度都高于其他3 組處理。土壤氮素的改變促進了土壤根系的生長，不同施用深度下根系增長幅度最大。在各處理中，0－20 cm 施加深度對玉米生長的促進作用最為顯著，其作用機制是通過調節土壤結構改變土壤中硝態氮和銨態氮含量，促進玉米根系發育，增強吸收和運輸氮素能力，從而促進葉片生長和果實增產，最終實現增產效果。后續研究中會加入表施生物炭后對土壤水分以及養分的調節研究，探索水分與養分之間如何相互作用以及施加生物炭后對植物的水分、養分的利用調控機制。