论文部分内容阅读
摘 要：玉米作为我国种植面积广泛的粮食作物之一，提高氮肥利用率是实现玉米高产优质的必然趋势。生物炭孔隙发达、吸附性好、官能团种类多样、阳离子交换能力强等特性，赋予了其改良土壤环境、提高氮肥利用率的潜力。该文在总结生物炭和氮肥利用现状的基础上，分析了生物炭对土壤氮素及质量的影响，以及生物炭配施氮肥对玉米产量及氮效率的影响，并展望了生物炭配施氮肥在玉米生产上的应用前景，旨在为生物炭与氮肥配施在农业生产上的应用提供参考。
关键词：生物炭;氮肥;玉米;应用
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）20-0089-03
Application and Prospect of Combined Application of Biochar and Nitrogen Fertilizer in Maize Production
WANG Chuang et al.
（College of Agriculture， Eastern Liaoning University， Dandong 118003， China）
Abstract： As one of the grain crops with a wide area of cultivation in China， improving the utilization rate of nitrogen fertilizer is an inevitable trend of high-yield and high-quality development of corn. The characteristics of developed biochar pores， good adsorption，a variety of functional groups and strong cation exchange ability give it the potential to improve the soil environment and improve the utilization rate of nitrogen fertilizer. Based on the summary of the current situation of biochar and nitrogen fertilizer utilization， this paper summarizes the effect of biochar on soil nitrogen and quality， briefly describes the impact of combined application of biochar and nitrogen fertilizer on maize yield and nitrogen efficiency， and analyzes the application and prospect of combined application of biochar and nitrogen fertilizer in maize production. It is designed to provide reference for the application of combined application of biochar and nitrogen fertilizer in agricultural production.
Key words： Biochar; Nitrogen fertilizer; Maize; Application
玉米是我國种植面积广阔的粮食作物之一，不仅是人类和家禽家畜重要的食物来源，也是食品、医疗、工业等领域必不可少的原材料。玉米产业联系着畜牧业和水产养殖业，关乎人们的生活[1]。玉米生产关乎着粮食安全和国民经济的发展，提高玉米产量及品质已经成为行业关注的焦点。但是玉米连作、盲目施加氮肥导致土壤酸化板结、氮效率低等问题，严重影响了玉米的生长发育、产量及品质。为了更好地提高氮肥的利用率，科研工作者正致力于寻找解决方法。近几年来，生物炭引起了很多的关注，其独特的物理、化学等特性，不仅可以改良土壤环境，还能提高氮利用率。
1 生物炭利用现状
目前，生物炭在能源、环境、化工、农业等领域都起着不可忽视的作用[2]。生物炭是有机废弃物材料在缺氧条件下，高温热解而产生吸附性强且稳定性好的高碳固体物质[3]。其独特的特性越来越引起了国内外科研工作者的关注。全球科研工作者对生物炭在环境治理、土壤的改善与修复、重金属离子的吸附、作物产量品质的提高等都进行了大量的研究，并取得了一些重要的成果[4]。但是许多研究成果都是不全面、不系统，还需要深入的拓展完善。在农业生产中，生物炭与肥料配施具有良好的发展前景，研究表明，生物炭配施肥料比两者单独施用对作物的生长和产量都更高效稳定[3]。
2 氮肥利用现状
氮是作物生长发育过程中的必需元素之一，是决定作物生长、产量及品质的关键因素之一。为了实现高产，农民盲目大量施加氮肥，导致自然界氮平衡失调，氮肥利用率下降。于飞等[5]研究表明，作物的氮肥利用率低于40%，大部分散失到环境中，造成土壤酸化板结、水体和地下水污染、温室效应加重等问题。过量施氮不仅不能提高作物的产量还会增加成本的投入，对环境造成污染。然而，合理有效地施用氮肥，可以实现增产增效与保护绿水青山协同发展。目前，人们主要通过测土配方施肥、分期施肥、深施氮肥、施加缓/控释肥、添加硝化抑制剂或脲酶抑制剂以及有机肥料配施氮肥等措施来提高氮肥的利用率[6]。
3 生物炭对土壤氮素及理化性质的影响 3.1 对土壤氮素的影响 生物炭的施入可以减少土壤中氮素的损失，提高氮的利用率。生物炭主要通过以下2个方面来降低土壤中氮素的损失：一方面，生物炭通过吸附性强、孔隙大等特性来吸附氮素;另一方面，生物炭促进土壤中微生物将过量或不能被吸收的无机氮转化成有机氮。刘会等[7]研究表明，与不施加生物质炭相比，施加生物质炭可显著提高苹果植株对氮的吸收利用，增加了土壤对氮的固定能力，从而减少氮素损失，促进苹果植株对氮的吸收，提高氮的利用率。赵光昕等[8]研究表明，生物炭施加可减少农田土壤中N2O的减排，对土壤中的氮素有固持作用。杨浩鹏等[9]研究表明，土壤全氮含量和氮素利用率随着生物炭施用量的增加分别呈现不断增加，先增加后减低的趋势。综上，生物炭的应用，可以固持氮素，减少氮素的损失，提高植株对氮素的利用率。
3.2 对土壤理化性质的影响 众多研究表明，施用生物炭可以有效改善土壤的理化性质。生物炭可以减轻土壤的容重，提高土壤的酸碱度及有机质含量，促进土壤中阳离子的交换[10]，增加土壤的持水性、多孔性及透气性[11]。有研究表明，生物炭改善土壤理化性质的效果受很多因素的影响，比如土壤种类，生物炭类型、施用量、制作工艺，生物炭与土壤反应的时间等[12]。因此，在实际生产中应用生物炭，要结合当地的土壤特点、环境条件等因素选择合适的生物炭类型及施用量。
3.3 对土壤微生物的影响 微生物在土壤生态系统中饰演着分解有机质、矿物质，制造腐殖质，参与生化反应等重要角色，其在保持土壤肥力、维系土壤结构、促进生态系统正常运转等方面起着重要的作用。生物炭孔隙结构为微生物提供栖息地，减少了微生物之间的竞争，提高了土壤微生物的多样性。王明元等[13]研究表明，土壤中施加香蕉假茎生物炭，可以增加香蕉根际土壤细菌的种类及数目，改善群落结构，且比例越高，改变越明显。胡瑞文等[14]研究表明，施加生物炭，可以提高烤烟根际微生物群落的多样性及微生物的代谢活力。总之，生物炭施加可以改善土壤的环境及结构，提高土壤微生物多样化，促进微生物的生长，进而分解有机质，释放营养元素，提高土壤的肥力，促进作物的生长。
4 生物炭与氮肥配施对玉米产量及氮效率的影响
籽粒干物质的积累是实现玉米高产目的的根本，尤其是玉米吐丝期至成熟期。籽粒干物质主要来源于以下2个方面：一是开花前玉米各营养器官干物质的转运，二是开花后玉米籽粒干物质的积累[15]。目前，大多数研究表明，生物炭配施氮肥对促进作物增产比二者单独施用效果更加显著。宋大利等[16]研究表明，秸秆生物炭与氮肥配施对夏玉米和冬小麦产量有着极显著影响，能显著提高产量，但随着氮肥用量的增加而先增后减，其中7.5t/hm2生物炭配施150kg/hm2氮肥作物的产量最高。孟繁昊等[15]研究表明，从生物炭角度来看，随着生物炭施用量的增加，玉米的产量和氮效率先增加后减少，且均高于未施生物炭处理组;从氮肥角度来看，随着氮肥施用量增加，玉米产量随之增加。综合产量和氮效率等因素，8t/hm2生物炭配施150kg/hm2氮效果最好，不仅可以提高玉米的产量及氮效率，还能降低成本投入。刘慧屿等[17]研究表明，秸秆生物炭与氮肥的配施可以促进作物的成长，提高玉米地上部干物质的积累及产量。综上，生物炭与氮肥的合理配施，可以促进土壤固持氮素，改善土壤物理性质和化学性质，提高土壤微生物的种类及数目，提高氮肥利用率，促进玉米的成长发育，从而達到高产优质的效果。
5 展望
生物炭作为农业废弃物开发利用的产物，其不仅可以解决农业废弃物的排放问题，还具备一系列的优点，在农业生产应用上有着难以估量的作用，深受关注与研究。氮素是决定作物生长及高产的关键因素，玉米连作、盲目施加氮肥导致土壤酸化板结、氮利用率低等问题，氮利用率低不仅会影响作物的生长及产量还是会造成一系列的环境问题。生物炭与氮肥配施不仅可以改善土壤酸化板结等问题，还对玉米的生长、产量品质及氮效率具有重要的作用。因此，生物炭与氮肥配施在玉米生产中应用，具有良好的发展前景。目前，关于生物炭与氮肥配施在玉米生产应用上已经有一些研究成果，但是大多数是片面的、短期的，今后还需全面、系统的研究，为实际生产提供科学有效的参考依据。
参考文献
[1]崔爱民，张久刚，张虎，等.我国玉米生产现状及发展变革[J].中国农业科技导报，2020，22（07）：10-19.
[2]朱奕豪.生物炭的应用研究进展[J].现代园艺，2016（13）：9-10.
[3]魏春辉，任奕林，刘峰，等.生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展[J].河南农业科学，2016，45（03）：14-19.
[4]张继宁，周胜，陈桂发，等.基于文献统计的农业领域生物炭研究现状[J].环境科学与技术，2015，38（S2）：240-245，250.
[5]于飞，施卫明.近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析[J].土壤学报，2015，52（06）：1311-1324.
[6]王响玲，宋柏权.氮肥利用率的研究进展[J].中国农学通报，2020，36（05）：93-97.
[7]刘会，朱占玲，彭玲，等.生物质炭改善果园土壤理化性状并促进苹果植株氮素吸收[J].植物营养与肥料学报，2018，24（02）：454-460.
[8]赵光昕，刘杏认，张晴雯，等.施用生物炭对农田土壤N2O的减排效应[J].农业环境科学学报，2018，37（12）：2872-2880.
[9]杨浩鹏，李飞跃，周春火，等.稻壳生物炭对土壤养分、玉米产量及氮素利用率的影响[J].安徽科技学院学报，2020，34（02）：57-62.
[10]夏璐，赵蕊，金海燕，等.生物炭对土壤理化性质及玉米生长影响的研究进展[J].天津农学院学报，2018，25（02）：64-69.
[11]章明华，李婧姝，黄梦琦.生物炭对土壤性质的影响研究进展[J].农业开发与装备，2018（07）：34-36.
[12]唐行灿，陈金林.生物炭对土壤理化和微生物性质影响研究进展[J].生态科学，2018，37（01）：192-199.
[13]王明元，侯式贞，董涛，等.香蕉假茎生物炭对根际土壤细菌丰度和群落结构的影响[J].微生物学报，2019，59（07）：1363-1372.
[14]胡瑞文，刘勇军，周清明，等.生物炭对烤烟根际土壤微生物群落碳代谢的影响[J].中国农业科技导报，2018，20（09）：49-56.
[15]孟繁昊. 生物炭配施氮肥对土壤理化性质及春玉米产量和氮效率的影响机制[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2018.
[16]宋大利，习向银，黄绍敏，等.秸秆生物炭配施氮肥对潮土土壤碳氮含量及作物产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2017，23（02）：369-379.
[17]刘慧屿，娄春荣，韩英祚，等.秸秆生物炭与减量氮肥配施对玉米氮素利用率及土壤结构的影响[J].土壤通报，2020，51（05）：1180-1188.
关键词：生物炭;氮肥;玉米;应用
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）20-0089-03
Application and Prospect of Combined Application of Biochar and Nitrogen Fertilizer in Maize Production
WANG Chuang et al.
（College of Agriculture， Eastern Liaoning University， Dandong 118003， China）
Abstract： As one of the grain crops with a wide area of cultivation in China， improving the utilization rate of nitrogen fertilizer is an inevitable trend of high-yield and high-quality development of corn. The characteristics of developed biochar pores， good adsorption，a variety of functional groups and strong cation exchange ability give it the potential to improve the soil environment and improve the utilization rate of nitrogen fertilizer. Based on the summary of the current situation of biochar and nitrogen fertilizer utilization， this paper summarizes the effect of biochar on soil nitrogen and quality， briefly describes the impact of combined application of biochar and nitrogen fertilizer on maize yield and nitrogen efficiency， and analyzes the application and prospect of combined application of biochar and nitrogen fertilizer in maize production. It is designed to provide reference for the application of combined application of biochar and nitrogen fertilizer in agricultural production.
Key words： Biochar; Nitrogen fertilizer; Maize; Application
玉米是我國种植面积广阔的粮食作物之一，不仅是人类和家禽家畜重要的食物来源，也是食品、医疗、工业等领域必不可少的原材料。玉米产业联系着畜牧业和水产养殖业，关乎人们的生活[1]。玉米生产关乎着粮食安全和国民经济的发展，提高玉米产量及品质已经成为行业关注的焦点。但是玉米连作、盲目施加氮肥导致土壤酸化板结、氮效率低等问题，严重影响了玉米的生长发育、产量及品质。为了更好地提高氮肥的利用率，科研工作者正致力于寻找解决方法。近几年来，生物炭引起了很多的关注，其独特的物理、化学等特性，不仅可以改良土壤环境，还能提高氮利用率。
1 生物炭利用现状
目前，生物炭在能源、环境、化工、农业等领域都起着不可忽视的作用[2]。生物炭是有机废弃物材料在缺氧条件下，高温热解而产生吸附性强且稳定性好的高碳固体物质[3]。其独特的特性越来越引起了国内外科研工作者的关注。全球科研工作者对生物炭在环境治理、土壤的改善与修复、重金属离子的吸附、作物产量品质的提高等都进行了大量的研究，并取得了一些重要的成果[4]。但是许多研究成果都是不全面、不系统，还需要深入的拓展完善。在农业生产中，生物炭与肥料配施具有良好的发展前景，研究表明，生物炭配施肥料比两者单独施用对作物的生长和产量都更高效稳定[3]。
2 氮肥利用现状
氮是作物生长发育过程中的必需元素之一，是决定作物生长、产量及品质的关键因素之一。为了实现高产，农民盲目大量施加氮肥，导致自然界氮平衡失调，氮肥利用率下降。于飞等[5]研究表明，作物的氮肥利用率低于40%，大部分散失到环境中，造成土壤酸化板结、水体和地下水污染、温室效应加重等问题。过量施氮不仅不能提高作物的产量还会增加成本的投入，对环境造成污染。然而，合理有效地施用氮肥，可以实现增产增效与保护绿水青山协同发展。目前，人们主要通过测土配方施肥、分期施肥、深施氮肥、施加缓/控释肥、添加硝化抑制剂或脲酶抑制剂以及有机肥料配施氮肥等措施来提高氮肥的利用率[6]。
3 生物炭对土壤氮素及理化性质的影响 3.1 对土壤氮素的影响 生物炭的施入可以减少土壤中氮素的损失，提高氮的利用率。生物炭主要通过以下2个方面来降低土壤中氮素的损失：一方面，生物炭通过吸附性强、孔隙大等特性来吸附氮素;另一方面，生物炭促进土壤中微生物将过量或不能被吸收的无机氮转化成有机氮。刘会等[7]研究表明，与不施加生物质炭相比，施加生物质炭可显著提高苹果植株对氮的吸收利用，增加了土壤对氮的固定能力，从而减少氮素损失，促进苹果植株对氮的吸收，提高氮的利用率。赵光昕等[8]研究表明，生物炭施加可减少农田土壤中N2O的减排，对土壤中的氮素有固持作用。杨浩鹏等[9]研究表明，土壤全氮含量和氮素利用率随着生物炭施用量的增加分别呈现不断增加，先增加后减低的趋势。综上，生物炭的应用，可以固持氮素，减少氮素的损失，提高植株对氮素的利用率。
3.2 对土壤理化性质的影响 众多研究表明，施用生物炭可以有效改善土壤的理化性质。生物炭可以减轻土壤的容重，提高土壤的酸碱度及有机质含量，促进土壤中阳离子的交换[10]，增加土壤的持水性、多孔性及透气性[11]。有研究表明，生物炭改善土壤理化性质的效果受很多因素的影响，比如土壤种类，生物炭类型、施用量、制作工艺，生物炭与土壤反应的时间等[12]。因此，在实际生产中应用生物炭，要结合当地的土壤特点、环境条件等因素选择合适的生物炭类型及施用量。
3.3 对土壤微生物的影响 微生物在土壤生态系统中饰演着分解有机质、矿物质，制造腐殖质，参与生化反应等重要角色，其在保持土壤肥力、维系土壤结构、促进生态系统正常运转等方面起着重要的作用。生物炭孔隙结构为微生物提供栖息地，减少了微生物之间的竞争，提高了土壤微生物的多样性。王明元等[13]研究表明，土壤中施加香蕉假茎生物炭，可以增加香蕉根际土壤细菌的种类及数目，改善群落结构，且比例越高，改变越明显。胡瑞文等[14]研究表明，施加生物炭，可以提高烤烟根际微生物群落的多样性及微生物的代谢活力。总之，生物炭施加可以改善土壤的环境及结构，提高土壤微生物多样化，促进微生物的生长，进而分解有机质，释放营养元素，提高土壤的肥力，促进作物的生长。
4 生物炭与氮肥配施对玉米产量及氮效率的影响
籽粒干物质的积累是实现玉米高产目的的根本，尤其是玉米吐丝期至成熟期。籽粒干物质主要来源于以下2个方面：一是开花前玉米各营养器官干物质的转运，二是开花后玉米籽粒干物质的积累[15]。目前，大多数研究表明，生物炭配施氮肥对促进作物增产比二者单独施用效果更加显著。宋大利等[16]研究表明，秸秆生物炭与氮肥配施对夏玉米和冬小麦产量有着极显著影响，能显著提高产量，但随着氮肥用量的增加而先增后减，其中7.5t/hm2生物炭配施150kg/hm2氮肥作物的产量最高。孟繁昊等[15]研究表明，从生物炭角度来看，随着生物炭施用量的增加，玉米的产量和氮效率先增加后减少，且均高于未施生物炭处理组;从氮肥角度来看，随着氮肥施用量增加，玉米产量随之增加。综合产量和氮效率等因素，8t/hm2生物炭配施150kg/hm2氮效果最好，不仅可以提高玉米的产量及氮效率，还能降低成本投入。刘慧屿等[17]研究表明，秸秆生物炭与氮肥的配施可以促进作物的成长，提高玉米地上部干物质的积累及产量。综上，生物炭与氮肥的合理配施，可以促进土壤固持氮素，改善土壤物理性质和化学性质，提高土壤微生物的种类及数目，提高氮肥利用率，促进玉米的成长发育，从而達到高产优质的效果。
5 展望
生物炭作为农业废弃物开发利用的产物，其不仅可以解决农业废弃物的排放问题，还具备一系列的优点，在农业生产应用上有着难以估量的作用，深受关注与研究。氮素是决定作物生长及高产的关键因素，玉米连作、盲目施加氮肥导致土壤酸化板结、氮利用率低等问题，氮利用率低不仅会影响作物的生长及产量还是会造成一系列的环境问题。生物炭与氮肥配施不仅可以改善土壤酸化板结等问题，还对玉米的生长、产量品质及氮效率具有重要的作用。因此，生物炭与氮肥配施在玉米生产中应用，具有良好的发展前景。目前，关于生物炭与氮肥配施在玉米生产应用上已经有一些研究成果，但是大多数是片面的、短期的，今后还需全面、系统的研究，为实际生产提供科学有效的参考依据。
参考文献
[1]崔爱民，张久刚，张虎，等.我国玉米生产现状及发展变革[J].中国农业科技导报，2020，22（07）：10-19.
[2]朱奕豪.生物炭的应用研究进展[J].现代园艺，2016（13）：9-10.
[3]魏春辉，任奕林，刘峰，等.生物炭及生物炭基肥在农业中的应用研究进展[J].河南农业科学，2016，45（03）：14-19.
[4]张继宁，周胜，陈桂发，等.基于文献统计的农业领域生物炭研究现状[J].环境科学与技术，2015，38（S2）：240-245，250.
[5]于飞，施卫明.近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析[J].土壤学报，2015，52（06）：1311-1324.
[6]王响玲，宋柏权.氮肥利用率的研究进展[J].中国农学通报，2020，36（05）：93-97.
[7]刘会，朱占玲，彭玲，等.生物质炭改善果园土壤理化性状并促进苹果植株氮素吸收[J].植物营养与肥料学报，2018，24（02）：454-460.
[8]赵光昕，刘杏认，张晴雯，等.施用生物炭对农田土壤N2O的减排效应[J].农业环境科学学报，2018，37（12）：2872-2880.
[9]杨浩鹏，李飞跃，周春火，等.稻壳生物炭对土壤养分、玉米产量及氮素利用率的影响[J].安徽科技学院学报，2020，34（02）：57-62.
[10]夏璐，赵蕊，金海燕，等.生物炭对土壤理化性质及玉米生长影响的研究进展[J].天津农学院学报，2018，25（02）：64-69.
[11]章明华，李婧姝，黄梦琦.生物炭对土壤性质的影响研究进展[J].农业开发与装备，2018（07）：34-36.
[12]唐行灿，陈金林.生物炭对土壤理化和微生物性质影响研究进展[J].生态科学，2018，37（01）：192-199.
[13]王明元，侯式贞，董涛，等.香蕉假茎生物炭对根际土壤细菌丰度和群落结构的影响[J].微生物学报，2019，59（07）：1363-1372.
[14]胡瑞文，刘勇军，周清明，等.生物炭对烤烟根际土壤微生物群落碳代谢的影响[J].中国农业科技导报，2018，20（09）：49-56.
[15]孟繁昊. 生物炭配施氮肥对土壤理化性质及春玉米产量和氮效率的影响机制[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2018.
[16]宋大利，习向银，黄绍敏，等.秸秆生物炭配施氮肥对潮土土壤碳氮含量及作物产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2017，23（02）：369-379.
[17]刘慧屿，娄春荣，韩英祚，等.秸秆生物炭与减量氮肥配施对玉米氮素利用率及土壤结构的影响[J].土壤通报，2020，51（05）：1180-1188.