生物炭配施沼液对作物产量、氮素利用效率及硝酸盐淋失的影响研究

为探究生物炭与沼液配施对高肥力土壤的影响，研究人员开展多年田间试验，分析其对作物产量、氮（N）利用效率及硝酸盐动态的作用。结果表明，中量生物炭单施或配施沼液对相关指标无显著影响，该研究为生物炭农田应用提供科学依据。

　　

在农业可持续发展的探索中，生物炭作为一种新兴的土壤改良材料，其在提升作物产量、优化氮素管理及减少环境风险等方面的潜力备受关注。然而，现有研究大多聚焦于低肥力土壤或实验室条件，对于高肥力土壤中生物炭与有机肥料（如沼液）的协同效应，以及长期田间应用效果仍存在认知空白。例如，生物炭在高养分土壤中是否会通过吸附作用影响氮素有效性？与沼液配施时能否协同提升氮素利用效率（NUE）并减少硝酸盐淋失？这些问题制约着生物炭在集约化农业中的科学应用。

为填补上述研究空白，德国研究人员在巴伐利亚州的常规农场开展了一项为期三年的长期田间试验，相关成果发表于《European Journal of Agronomy》。该研究以青贮玉米 - 冬小麦 - 冬大麦轮作系统为对象，设置 10 种处理，包括不同剂量生物炭（0、500、1000 kg?ha^-1·yr^-1 C）、沼液（170 kg?ha^-1·yr^-1 总 N）及矿物氮肥（30–100 kg?ha^-1·yr^-1）的单施与配施组合，系统分析了作物产量、氮素吸收、氮平衡、硝酸盐动态及淋失等关键指标。

主要技术方法

研究采用多光谱反射传感器监测植被指数（如 REIP），非破坏性评估作物生长状况；通过土壤钻孔采集 0–3 m 深度土样，测定不同土层硝酸盐 - N 和铵态氮含量；结合作物收获法计算干物质产量、氮吸收量及氮利用效率（NUE、NUtE、NUpE）；运用线性混合模型（R 软件）进行统计分析，评估处理间差异显著性。

研究结果

3.1 作物产量与氮素利用

• 青贮玉米（2022）：单施生物炭（B2）对干物质产量（17.2 t?ha^-1）无显著影响，沼液配施矿物氮肥（D_MF2）产量最高（24.2 t?ha^-1）。生物炭配施沼液（D_B1/B2）略微降低产量，但差异不显著。
• 冬小麦（2023）：沼液配施高量矿物氮（D_MF2）产量达 10.48 t?ha^-1，生物炭添加未显著改变产量，但降低氮吸收量（如 D_B2_MF2 较 D_MF2 降低 6.5%）。
• 冬大麦（2024）：产量范围 4.32–8.10 t?ha^-1，生物炭配施沼液对产量无显著影响，矿物氮肥提升粗蛋白含量（最高 9.8%）。

3.2 硝酸盐动态与淋失

• 表层土壤（0–30 cm）硝酸盐 - N 含量随氮施肥量增加而升高，生物炭对其无显著影响。
• 深度 1–3 m 土层中，高氮施肥（如 D_MF2）显著增加硝酸盐 - N 储量，但生物炭配施（D_B2_MF2）未改变淋失趋势。土壤水硝酸盐浓度最高为 23.0 mg?L^-1，仍低于饮用水标准（50 mg?L^-1）。

3.3 氮平衡与效率

• 单施生物炭处理氮平衡呈强负值（-100 kg?ha^-1），配施沼液后平衡值提升至 29–70 kg?ha^-1。
• 氮利用效率（NUE）随矿物氮施肥量增加而升高（最高 60%），但生物炭配施导致 NUE 轻微下降（约 2%），差异未达显著水平。

结论与讨论

本研究表明，在高肥力土壤中，中量生物炭（500–1000 kg?ha^-1·yr^-1 C）单施或配施沼液对作物产量、氮素利用效率及硝酸盐淋失无显著影响。这可能与高肥力土壤本身养分充足、生物炭吸附容量有限有关，不同于热带低肥力土壤中生物炭通过改善 pH 和养分有效性提升产量的机制。尽管生物炭的水持留能力（253–277%）和阳离子交换容量未显著减少氮损失，但其长期效应仍需进一步观察。

该研究填补了高肥力土壤中生物炭应用的研究空白，提示在集约化农业系统中，生物炭对氮素管理的贡献可能有限，需结合土壤肥力水平优化施用策略。未来需延长试验周期，深入解析生物炭与土壤有机质互作的长期效应，为温带地区农业碳中和路径提供科学支撑。