国际生物炭行动组织（International Biochar Initiative，IBI）将生物炭（Biochar）定义为一种细颗粒状炭，富含有机碳且难降解，它是由生物体或废弃的有机原料热裂解而产生的，作为土壤改良剂，能与土壤形成顽固的土壤碳结合体，这种结合体是碳负性的，并将大气中的CO₂储存到具有高抗性的土壤碳库中，施用生物炭的土壤，营养持久性增强，不仅减少了总的需求量，而且减少了气候和环境对作物的影响^[1]。

土壤碳、氮既是土壤质量的核心，也是土壤质量评价和土地可持续利用管理必须考虑的重要指标。土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子^{[2, 3]}，也是土壤中较为活跃的土壤组分，维持着土壤与大气之间的碳素平衡，并可保持农业生态系统的长期可持续性发展^[4]。土壤有机碳的活性组分是土壤中移动快、不稳定、易矿化^[5]，且植物和土壤微生物利用较高的那部分有机态碳^{[6, 7]}。氮肥利用率低的问题一直是一个世界性的难题，据统计，中国主要粮食作物的氮肥利用率为27.5%，呈逐渐下降趋势^[8]，过量氮肥施用和较低氮肥利用率导致氮素以不同方式进入环境，对土壤环境和水环境产生极大的危害，如何提高氮肥利用率，减少氮素损失是迫切需要解决的关键问题。前人研究表明，施用生物炭可以提高土壤碳^{[2, 9, 10]}、氮^{[11, 12]}及相关组分^{[2, 12, 13]}的含量，但多数研究均是盆栽试验^[2]、模拟试验^{[11, 12]}或者短期的田间小区试验^[9]，缺乏较长期的研究，并且对生物炭的施用量也说法不一。因此，本文拟通过2年的田间定位试验，了解施用生物炭条件下旱地农田土壤碳、氮动态，碳、氮储量变化及其控制过程，为科学管理土壤奠定基础，以及为生物炭作为土壤改良剂的应用提供依据。

试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学试验田，北纬34°16′，东经108°04′，海拔458.6 m。该地区属温带大陆性易旱气候区，年均日照时数2196 h，年均气温11~13 ℃，无霜期210 d，年均降雨量500~700 mm。土壤类型为褐土类，塿土亚类，红油土属，黄土母质，系统分类为土垫旱耕人为土，属石灰性土壤。

研究所用生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司在裂解炉、限氧环境下（450 ℃）由废弃果树树干、枝条热裂解所得，磨细过1 mm筛。供试作物选用西北农林科技大学选育小麦种（小偃22号）和杂交玉米种（“正大12”）。供试土壤和生物炭的基本理化性质见表 1。

表 1 供试土壤和生物炭的基本理化性质 Table 1 Chemical and physical properties of soil and biochar used in experiment

表选项

生物炭于2012年4月一次性撒施于土壤表层并与耕层（0~20 cm）土壤混匀，其用量为5个水平：对照B0（0 t·hm^-2）、B20（20 t·hm^-2）、B40（40 t·hm^-2）、B60（60 t·hm^-2）、B80（80 t·hm^-2）。采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为1.35 m×3.50 m，每个小区之间设0.30 m隔离带。除生物炭用量不同外，氮、磷、钾肥（分别为尿素、磷酸二铵、硫酸钾）均作基肥于每次种植作物前一次性施入，其用量折合成纯养分N-P2O5-K2O为225-180-150 kg·hm^-2。

目前试验已进行了两年四季，于2012年4月至2014年6月进行夏玉米（Summer maize）和冬小麦（Winter wheat）的轮作。在第四季作物（冬小麦）收获后（2014年6月7日）分层（0~10、10~20 cm和20~30 cm）采集土壤样品，取100 g左右鲜土于4 ℃冰箱中保存，用于土壤硝态氮和微生物生物量碳、氮的测定，其余土样于阴凉处风干后供其他指标的测定。

土壤和生物炭的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定^[14]，其中，生物炭的元素组成采用德国Elementar公司生产的Vario EL Ⅲ型元素分析仪（Element Analyzer）测定，比表面积采用mMK-ASAP 2020C型全自动化学吸附仪-容量法装置，根据BET吸附方程计算得到生物炭比表面积。土壤总有机碳（Total organic carbon，TOC）：K₂Cr₂O₇氧化-外加热法；土壤全氮（Total nitrogen，TN）：混合催化剂-流动分析仪法；土壤碱解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）：碱解扩散法；NO_3^--N：1 mol·L^-1 KCl浸提-连续流动分析仪法；土壤微生物生物量碳、氮^[15]：氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法，其中，土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）采用岛津TOC-5000A碳分析仪，MBC=EC/0.45（EC为熏蒸和未熏蒸土样用0.5 mol·L^-1 K₂SO₄提取的总碳之差，以mg·kg^-1干土表示），土壤微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）采用连续流动分析仪法，MBN=EN/0.25（EN为熏蒸和不熏蒸土样用0.5 mol·L^-1 K₂SO₄提取的NH+4-N之差，以mg·kg^-1干土表示）；土壤颗粒有机碳^[13]（Particulate organic carbon，POC）：5 g·L^-1（NaPO3）6分散，K₂Cr₂O₇氧化-外加热法；易氧化有机碳^[16]（Easily oxidized organic carbon，EOC）：333 mmol·L^-1高锰酸钾氧化-分光光度法；土壤容重：环刀法测定。

采用 Microsoft Excel 进行数据整理和绘制图表，SPSS18.0统计软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和相关分析，多重比较采用最小显著差异法（LSD），显著性水平设为0.05。结果以“平均值±标准差”表示。土壤有机碳、氮密度，有机碳、氮储量分别用下列公式计算：

TOC含量是衡量土壤肥力水平的一个重要指标，施用生物炭对土壤TOC含量影响较大。如图 1A所示，随生物炭施用量的增加，在0~10 cm和10~20 cm土层，施炭处理的TOC含量分别比对照B0显著增加65.14%~180.80%和54.70%~180.68%；在20~30 cm土层，土壤TOC含量在B60和B80处理时显著增加，分别较B0增加37.41%和35.90%。

EOC是易被土壤微生物分解矿化的有机碳，对植物养分的供给有直接作用^[2]。与土壤TOC变化相比，EOC随生物炭施用量的增加变化幅度明显较小（图 1B）。在0~10 cm土层，B40、B60和B80比B0分别显著增加43.75%、68.33%和79.58%；在10~20 cm土层，B60比B0显著增加78.05%，其余处理较B0也有所增加，但差异不显著；在20~30 cm土层，B80比B0显著增加32.96%，其余处理较B0无显著差异。

POC是指示土壤TOC动态对短期农业管理措施响应的理想指标^[17]。由图 1C可知，与对照B0相比，随生物炭施用量的增加，在0~10 cm和10~20 cm土层，施炭处理的POC含量分别显著增加4.14~12.88 g·kg^-1和1.98~9.67 g·kg^-1，在20~30 cm土层，土壤POC含量在B60和B80处理时分别显著增加96.00%和98.40%，与土壤TOC的变化趋势一致。

MBC是土壤活性有机碳的一部分，可作为土壤活性有机碳变化的敏感指标^[2]。随生物炭施用量的增加，在0~10 cm和10~20 cm土层，土壤MBC含量均是先增加后减小，20~30 cm土层，MBC含量呈增加趋势（图 1D）。在0~10 cm和10~20 cm土层，施炭处理的MBC含量分别比B0显著增加30.54%~87.22%和9.03%~23.85%，且均在B60处理时达到最大；在20~30 cm土层，施炭处理比B0增加2.25%~58.60%，其中，B60和B80与B0处理间差异达到显著。

垂直方向上，同一处理的土壤TOC和POC含量在施炭土层（0~10 cm和10~20 cm）均明显高于下层（20~30 cm）；除B80的MBC含量在10~20 cm土层小于20~30 cm土层外，同一处理的土壤EOC和MBC含量均是0~10 cm土层>10~20 cm土层>20~30 cm土层。说明土层深度也会对土壤EOC和MBC含量产生影响，即同一处理的EOC和MBC含量随土层加深而减少。这可能与土壤微生物的活性和作物根系分布有关，土壤表层土质疏松、通气透光、养分丰富，有利于微生物的生存和作物根系的生长，进而以微生物为食物的小型动物种群和数量也会增加，使土壤表层生物活性较高，因此土壤EOC和MBC含量均随土层加深而减少。

不同字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。下同 Different letters within a soil layer mean significant difference between treatments at 0.05 level. The same as below 图 1 施用生物炭对土壤TOC、EOC、POC 和MBC的影响 Figure 1 Effects of biochar on TOC,EOC,POC and MBC in soil

图选项

生物炭对土壤TN有较大的影响，如图 2A所示，施炭处理均比对照B0有所增加。在0~10 cm土层，施炭处理比B0增加11.59%~33.33%，其中B20、B40和B60与B0处理间差异达到显著；在10~20 cm土层，施炭处理比B0增加3.03%~25.76%，其中B40、B60和B80与B0处理间差异达到显著；在20~30 cm土层，B40、B60和B80分别比B0显著增加15.69%、27.45%和31.37%。 与土壤TN含量的变化趋势相似，土壤AN含量在施炭土层均比B0显著增加（图 2B）。在0~10 cm土层，施炭处理比B0显著增加14.59%~18.76%，但施用生物炭的处理间差异不显著；在10~20 cm土层，施炭处理比B0显著增加5.61%~31.07%；在20~30 cm土层，B60和B80分别比B0显著增加17.95%和20.68%，而B20和B40较B0没有达到显著性差异。

NO_3^--N是作物吸收利用氮素的主要形态，其含量多少直接影响土壤的供氮能力。由图 2C可知，随生物炭施用量的增加，土壤NO_3^--N含量在3个土层均显著增加，在0~10、10~20 cm和20~30 cm土层，施炭处理比对照B0分别显著增加46.64%~94.79%、57.31%~101.43%和28.87%~44.63%，说明施用生物炭对土壤NO_3^--N有明显的吸附截留作用。

土壤MBN含量与MBC含量的变化趋势一致，随生物炭施用量的增加，MBN含量在0~10 cm和10~20 cm土层均是先增加后减小，在20~30 cm土层呈现增加趋势（图 2 D）。在0~10 cm和10~20 cm土层，施炭处理比对照B0分别显著增加58.06%~178.80%和36.47%~50.87%；在20~30 cm土层，B20、B40、B60和B80分别比B0增加35.26%、22.73%、91.60%和98.19%，其中B20、B60和B80与B0处理间差异达到显著。

垂直方向上，除B80处理的TN含量在0~10 cm土层小于10~20 cm土层外，同一处理的土壤TN、AN和MBN含量均是0~10 cm土层>10~20 cm土层>20~30 cm土层；NO_3^--N含量在3个土层含量差异不大。土壤生物炭用量、养分形态和生物活性是影响土壤TN、AN、NO_3^--N和MBN含量的主要因素，因而呈现不同土层间的含量差异。

图 2 施用生物炭对土壤TN、AN、NO3--N和MBN 的影响 Figure 2 Effects of biochar on TN,AN,NO3--N and MBN in soil

图选项

施用生物炭显著改变了土壤TOC与TN、MBC与MBN的比值，如表 2所示。TOC/TN在0~10 cm和10~20 cm土层随生物炭用量的增加而显著增加，在20~30 cm土层，除B40处理外，其余处理较B0也显著增加。MBC/MBN与TOC/TN的变化趋势相反，总体上呈现下降趋势，在3个土层均是对照B0显著高于其他施炭处理，在0~10 cm土层，MBC/MBN在B60时比值最低，显著低于对照32.48%；在10~20 cm土层，MBC/MBN在B40时比值最低，显著低于对照24.52%；在20~30 cm土层，MBC/MBN在B60时比值最低，显著低于对照28.52%。

生物炭富含细颗粒状且性质稳定的有机碳，可以直接增加土壤TOC含量（图 1A）。生物炭除具有吸附和保持氮素的作用外，由于生物炭的施用，极大地提高了土壤中碳素含量，而自然界中微生物会对土壤C/N进行调控，最终达到稳定的比值，这是生物炭提高土壤氮素的另一个重要原因。一般认为土壤微生物组成的不同会导致MBC/MBN的变化，本试验中MBC/MBN 随生物炭用量的增加有下降的趋势，与陈心想等^[18]的研究结果一致，其具体机理还需要进一步深入研究。

表 2 施用生物炭对土壤碳氮比的影响 Table 2 Effects of biochar on ratios of soil carbon to nitrogen

表选项

土壤有机碳、氮密度主要由土壤容重和有机碳、氮含量决定^[19]。由于生物炭密度较低且具有一定的稀释作用^[13]，在不同生物炭用量下，土壤容重存在一定差异。由图 3A可见，随生物炭施用量的增加，土壤容重在施炭土层均显著降低，且0~10 cm和10~20 cm土层明显小于20~30 cm土层。

受生物炭施用量和土壤容重的影响，土壤有机碳密度随生物炭施用量的增加而显著增加（图 3B）。在0~10 cm土层，土壤有机碳密度在生物炭用量为60 t·hm^-2时达到最大，比对照显著增加132.19%；在10~20 cm和20~30 cm土层，土壤有机碳密度均在生物炭用量为80 t·hm^-2时达到最大，分别比对照显著增加159.33%和33.16%。这说明施用生物炭可以明显提高土壤有机碳密度。

施用生物炭也增加了土壤氮密度（图 3C），在0~10 cm土层，土壤氮密度在生物炭用量为20 t·hm^-2时达到最大，比对照显著增加23.60%；在10~20 cm土层，当生物炭用量为40 t·hm^-2时达到最大，比对照显著增加16.05%；在20~30 cm土层，当生物炭用量为80 t·hm^-2时达到最大，比对照显著增加22.54%。这说明施用生物炭可以增加土壤氮密度，其增加程度与生物炭施用量和土层深浅有关，即随土层的加深（0~30 cm），生物炭的施用量（20~80 t·hm^-2）越大，土壤氮密度增加越大。

图 3 不同生物炭施用量下土壤容重和有机碳、氮密度 Figure 3 Soil bulk density and organic carbon and nitrogen density under different rates of biochar

图选项

由图 4可知，随生物炭施用量的增加，土壤有机碳、氮储量明显增加。当生物炭施用量为20、40、60、80 t·hm^-2时，土壤有机碳储量分别达到了41.68、48.92、62.07 t·hm^-2和62.95 t·hm^-2，分别比对照B0高出37.92%、61.88%、105.39%和108.31%；土壤氮储量分别达到了2.58、2.75、2.77、2.62 t·hm^-2，分别较对照B0高出1.05%、14.11%、14.94%和8.71%。可见，土壤有机碳储量在生物炭施用量为80 t·hm^-2时达到最大，而土壤氮储量在生物炭施用量为60 t·hm^-2时达到最大。

从土壤有机碳储量的垂直分布来看，在0~10 cm和10~20 cm土层（施炭土层），施炭处理的土壤有机碳储量分别占整个测试土层（0~30 cm）的41.02%~44.01%和33.21%~38.19%，说明施用生物炭对土壤有机碳储量的贡献较大。随生物炭施用量的增加，土壤氮储量在垂直分布上也有一定的规律，在0~10 cm和10~20 cm土层，施炭处理的土壤氮储量分别占0~30 cm土层的31.30%~42.63%和31.01%~35.50%，说明施用生物炭也对土壤氮储量的增加有贡献。

图 4 不同生物炭施用量下土壤有机碳、氮储量分布 Figure 4 Distribution of soil organic carbon and nitrogen reserves under different rates of biochar

图选项

本研究表明，施用生物炭可以显著提高土壤TOC、EOC、POC和MBC含量，这与其他学者研究结果一致^{[2, 9, 13]}；研究还发现，生物炭施用量为60 t·hm^-2或80 t·hm^-2时，以上各碳组分含量达到最大。由前文分析可知，本研究中土壤TOC含量随着生物炭施用量增加而显著增加，这是因为生物炭具有碳含量高、芳香化结构复杂和固有的化学惰性等特征^{[1, 20]}，被认为是惰性碳库，在土壤环境中具有较高的化学和微生物稳定性，其作用大小取决于生物炭的用量和稳定程度^[10]。此外，生物炭的施用可能改变了土壤原有有机质的组成，形成比较稳定的土壤有机质。本试验所施用的生物炭含碳量为72.38%，施入土壤后显著增加了土壤TOC含量，且提高幅度与生物炭施用量呈极显著正相关（P<0.01）（表 3）。

土壤EOC和MBC是土壤有机碳的活性组分^[7]，其来源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有机质的水解、土壤微生物本身及其代谢产物^[21]。施用生物炭后，土壤EOC和MBC含量明显增加。一方面，本研究所施用的生物炭是在450 ℃条件下热裂解而成，氧化不完全，含有7.36%的易氧化有机碳成分；另一方面，适量生物炭的施用，使得土质疏松、通气透光、有利于作物根系的生长，根系分泌物增多，刺激土壤生物活性增强，进而促进了土壤的活性有机成分的增加。此外，生物炭存在特殊的孔隙结构，有利于真菌菌丝的生长和保存^[22]，可以为其提供更多的C源，为土壤微生物生长提供了良好的生境^[23]。长期下来，会逐渐改变土壤的结构和环境特性，反过来又会影响土壤生物活性^[24]，因而在适量的生物炭施用范围内，土壤EOC和MBC含量明显增加。

Glaser等^[25]研究表明，生物炭具有与土壤颗粒形成土壤团聚体和有机无机复合体的功能。本研究所施用的是过1 mm筛的细颗粒状的生物炭，具有高度稳定性和较强吸附能力，不易被微生物分解，其巨大的孔隙结构和自身含有的营养物质则为植物根系生长和微生物生存提供了良好的场所和生长基质，刺激根系的分泌物增多，有利于土壤和生物炭颗粒的团聚，进而提高了土壤POC的含量。由表 3可知，土壤EOC、POC与生物炭施用量呈极显著正相关（P<0.01）。

表 3 土壤碳、氮各组分与生物炭用量之间的Pearson 相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients between soil carbon and nitrogen fractions and biochar rates

表选项

农业土壤氮肥利用率低会造成资源浪费、大气污染、地下水富营养化和增加农业生产成本等问题^{[26, 27]}，提高氮肥的利用效率是当前农业和环境研究的热点之一。本研究表明，施用生物炭显著地提高了土壤TN、AN、NO_3^--N和MBN含量，与前人的研究结果基本一致^{[11, 12, 28]}。原因是生物炭能为固氮菌提供适宜的生境和丰富的C源，刺激固氮细菌活性，有利于固氮菌更好地发挥固氮功效^[29]。高德才等^[12]研究表明，当生物炭添加量达2%及以上时，旱地土壤TN含量随生物炭添加量的增加而增加，减少了氮素的淋失。本研究中，在0~10 cm和10~20 cm土层，土壤TN含量分别在生物炭施用量为60 t·hm^-2和80 t·hm^-2时达到最大，且生物炭施用量与土壤TN之间满足极显著的正相关关系（P<0.01）。

研究还发现，在0~10 cm土层，土壤AN和NO_3^--N含量均在生物炭用量为60 t·hm^-2时达到最大，在10~20 cm土层，土壤AN和NO_3^--N分别在60 t·hm^-2和80 t·hm^-2时达到最大，说明生物炭用量对土壤氮组分含量产生了较大影响。造成这种现象的原因是：一方面，在适量的施炭条件下，生物炭可能会促进土壤有机态氮的矿化，释放出无机态氮^[22]；另一方面，生物炭对土壤溶液中的无机氮素具有较强吸附作用，会减少土壤氮素的淋溶和挥发损失^[28]，进而增加了土壤AN和NO_3^--N含量；高于60 t·hm^-2的施炭量可能会由于土壤 C/N 过高，引起土壤AN的生物固定^[30]，拮抗生物炭对土壤AN的增加作用。由表 3可知，NO_3^--N含量与生物炭用量之间呈极显著正相关（P<0.01），AN含量与生物炭用量之间呈显著正相关（P<0.05）。

在施炭土层（0~20 cm），土壤MBN在生物炭用量为40~60 t·hm^-2相对较高。李世清等^[31]通过培养试验表明，在土壤含水率为6.75%~23.23%范围内，MBN与水分呈指数关系。由于生物炭具有较强的保水和持水能力，在一定用量范围内，土壤含水量随生物炭施用量的增加而增加^{[32, 33]}；此外，生物炭的施用也增加了土壤微生物活性^{[18, 23]}。因此，在一定的生物炭用量范围内，土壤MBN随生物炭施用量的增加而增加。MBN含量的提高，表明有较多的氮素通过同化作用转入微生物体内暂时固定，从而会比较稳定地储存于耕层土壤中，减少了氮素的损失。

土壤有机碳储量随生物炭施用量的增加而显著增加，最主要原因是生物炭富含稳定且难以被微生物分解的有机碳，可以在土壤中长期稳定存在^[34]。土壤氮储量增加的原因是生物炭的施用改善了土壤通气状况，通过抑制氮素微生物的反硝化作用从而减少了NOx的形成和排放^[20]；其次，生物炭具有大量的孔隙结构、巨大的比表面积、很强的离子吸附交换能力以及高电荷密度的特性^[1]，可以降低氮素的淋失，吸附养分并将养分滞留在土壤里供植物吸收利用^[35]；另外，生物炭本身含有一部分氮素，其施用量越大，对土壤氮素的增加越大。可见，在土壤中施用生物炭是一种减少土壤氮素损失、增加氮素截留的有效措施。

本研究中，施用生物炭显著提高了土壤有机碳、氮储量，说明施用生物炭对旱地农田土壤有明显培肥作用，土壤性能向良性状态发展；另一方面，对进一步利用生物炭增加土壤碳截留、提高肥料利用率、减少环境污染具有一定的启示意义。

本试验结果表明，在施炭土层（0~10 cm和10~20 cm）中，生物炭可以显著提高土壤碳、氮及其相关组分含量，促进土壤碳、氮积累，提高土壤碳、氮储量。除MBN外，土壤有机碳、氮各组分含量均在生物炭用量为60 t·hm^-2或80 t·hm^-2时达到最大。表层以下（20~30 cm）也受到了上层土壤中生物炭的影响，在生物炭施用量较高时，土壤碳、氮各组分含量也明显提高。在整个研究土层中，土壤有机碳储量和氮储量分别在生物炭用量为80 t·hm^-2和60 t·hm^-2时达到最大。考虑到生物炭的生产价值及成本问题，建议北方旱地农田生物炭施用量为60 t·hm^-2左右。

生物炭与旱地土壤碳、氮的关系在本研究中已经有了初步的结果，但生物炭促进土壤碳、氮积累的作用机理尚不完善、仍然需要进一步研究。由于本试验土壤局限于塿土，生物炭材料单一，在今后的研究中需要因地制宜，增加生物炭材料的种类，扩大供试土壤的范围。