气候变化下中国五种入侵番薯属（Ipomoea）物种的预测分布

《Agronomy》：Projected Distribution of Five Invasive Ipomoea Species in China Under Climate Change

　　

生物炭能够增加土壤碳（C）和养分保留能力，但施用未处理的生物炭可能降低无机氮（N）的有效性及作物产量。因此，生物炭有时与有机肥料配合施用，但该做法在防止无机氮下降方面的效果仍不明确。研究人员以25 Mg ha^?1的施用量，研究了硬木、干草和软木生物炭在添加或不添加血粉配合施用时，对美国弗吉尼亚州西南部牧场土壤中C和N动态的影响。所有生物炭在施用初期及11个月后均增加了土壤碳库。生物炭C在粗颗粒有机质组分中累积，而干草和软木生物炭C还分别累积于细颗粒有机质和矿物结合态组分中。施用后立即测定时，血粉配合施用增加了无机氮，但生物炭短期内对无机氮无影响。相反，11个月后，无论是否配合施用血粉以及生物炭原料种类如何，生物炭处理小区中的硝酸盐水平约降低81%。这些研究结果表明，与有机肥料配合施用可能仅提供短期氮效益，强调在生物炭施用后的季节需监测作物产量和氮状况，因为仅凭土壤测试硝酸盐并不能可靠预测生物炭改良土壤中的作物产量。

生物炭作为一种富含芳香族碳的有机改良剂，因其能够增加土壤碳储量、提升养分和水分的保持能力，以及提高酸性土壤的pH值，近年来受到广泛关注。然而，施用未处理的生物炭在某些情况下会导致土壤无机氮有效性下降，进而可能限制作物产量。为缓解这一负面效应，生产实践中常将生物炭与有机肥料（如粪肥、堆肥等）配合施用，即所谓“活化”或“充电”过程，通过引入养分和溶解性有机质，改变生物炭表面性质及土壤相互作用。然而，这种配施策略能否有效阻止无机氮减少，以及其效果是否受生物炭原料特性的影响，尚缺乏明确的田间验证。不同原料制备的生物炭在灰分含量、C:N比、表面电荷、孔隙结构和阳离子交换容量等方面差异显著，氮素保留和转化过程可能因此呈现不同响应。基于此，研究人员在美国弗吉尼亚州西南部卡特巴可持续中心开展了一项为期11个月的田间试验，旨在比较硬木、干草和软木三种原料来源生物炭单独施用或与血粉（一种速效有机氮肥）配合施用对土壤碳氮动态的影响，并验证如下假设：所有生物炭均能增加全土和颗粒有机质的碳含量；不同原料生物炭对pH、氮有效性及C:N比的影响存在差异；生物炭在施用后1个月会降低无机氮有效性；血粉配施能够提高无机氮水平并缓解生物炭引起的C:N比升高。该研究发表于《Agronomy》。

研究人员采用随机完全区组设计，在卡特巴可持续中心的牧场土壤（Chilhowie系列，粉砂质黏土）上设置了4种生物炭水平（不施、硬木、干草、软木）与2种血粉水平（施与不施）共8个处理组合，每处理重复5次，共40个2 m × 2 m小区。生物炭原料分别来自弗吉尼亚当地林业和畜牧业残余物，硬木、干草和软木在限氧条件下（热解温度479–522 °C）制备；血粉为猪血干燥副产物，含氮量为13.25%。生物炭施用量为25 Mg ha^?1，血粉为1 Mg ha^?1，于2019年9月人工撒施并混入表层10 cm土壤。研究人员在施用前及施用后1个月和11个月采集0–10 cm土壤样品，测定土壤pH、电导率、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^?-N）、溶解性有机碳（DOC）、总溶解氮（TDN）、全碳（TC）和全氮（TN），并在11个月时测定微生物生物量碳氮（MBC、MBN）及不同粒径颗粒有机质组分（粗POM、细POM、矿物结合态MAOM）中的碳氮储量。统计分析采用混合效应模型，以处理为固定效应、区组为随机效应，并进行方差分析和Tukey多重比较。

3.1 生物炭特性

三种生物炭的物理化学性质差异显著。干草生物炭的N、P、K、Cl、有机氮和无机氮含量、pH、灰分含量、电导率以及粒径小于2 mm的颗粒比例均高于硬木和软木生物炭，但其总碳含量、C:N比、比表面积和容重较低。软木生物炭碳含量超过90%，C:N比高达622.9，比表面积最大，而灰分和N含量最低。硬木生物炭性质介于两者之间，但更接近软木。这些差异为后续比较不同原料对土壤碳氮动态的影响提供了基础。

3.2 生物炭原料和血粉施用对土壤化学性质的影响

施用后1个月，生物炭和血粉对土壤pH均无显著影响，但电导率受生物炭原料影响：未施血粉的软木生物炭处理使电导率较对照降低约28%，而施血粉的干草生物炭处理使电导率较施血粉对照增加30%。11个月后，所有生物炭处理均显著提高了土壤pH，以干草生物炭最高（pH 6.43），硬木和软木次之（6.29和6.22），对照仅为5.78。pH还受到生物炭与血粉的交互作用影响，未施血粉的干草处理pH（6.54）显著高于施血粉的干草处理（6.32）。11个月时电导率无显著处理效应。

3.3 生物炭和血粉对全土碳氮的影响

生物炭施用使全土碳含量在1个月时增加48–78%，11个月时仍维持相似增幅。11个月时干草生物炭处理的全碳平均为5.93 kg C m^?2，显著高于硬木处理的4.64 kg C m^?2。全氮在1个月时受血粉影响显著增加，但11个月时此效应消失；干草生物炭处理在11个月时全氮较对照增加9–17%。所有生物炭处理使全土C:N比提高44–73%，且该效应在1个月和11个月时均存在，但不同生物炭处理之间无显著差异。

3.4 不同粒径组分碳氮的变化

在所有生物炭类型中，粗颗粒有机质（coarse POM）组分中碳氮增加幅度最大，其次为细颗粒有机质（fine POM）和矿物结合态有机质（MAOM）。干草生物炭配施血粉处理在11个月时使细POM碳较阴性对照增加168.13%；干草生物炭还促进了11个月时细POM氮的累积。这些结果表明，生物炭碳主要进入颗粒组分，其中粗颗粒组分是短期内碳固持的主要汇。

3.5 溶解性和微生物碳氮库的变化

血粉在施用后1个月显著提高了NH₄⁺-N和NO₃^?-N浓度，但11个月后无影响。生物炭在1个月时单独不影响硝酸盐，但干草生物炭与血粉配施使硝酸盐较对照增加93%。然而11个月时，所有生物炭处理使硝酸盐浓度显著降低81.37%，且与血粉和原料种类无关。总溶解氮（TDN）在11个月时受生物炭和血粉影响显著降低，其中生物炭处理较对照降低65.5%，血粉单独处理降低19.5%。DOC、MBC和MBN则未受处理显著影响。

讨论指出，三种原料生物炭虽然性质差异大，但对多数土壤属性的影响方向一致，仅幅度不同。干草生物炭凭借其高灰分和养分含量，在提高pH和土壤氮库方面效果突出，可能适用于酸性强风化土壤。生物炭导致硝酸盐降低的原因可能包括氮素吸附、微生物固持、团聚体形成及阳离子交换容量增加等，但传统浸提方法可能低估植物有效氮，因此这并不必然意味着生态系统肥力下降。血粉配施仅表现出短期供氮效应，无法抵消生物炭长期对硝酸盐的降低作用。研究人员建议种植者参考美国自然资源保护局的推荐，采用较低的生物炭施用量（2.2–5.6 Mg ha^?1），并优先选用缓释有机氮肥（如堆肥、粪肥）配合施用，同时密切监测作物产量和土壤氮素状况，必要时补充氮肥。

研究结论指出，生物炭在施用后1个月未降低无机氮有效性，血粉配施未能阻止11个月后约81%的硝酸盐浓度下降。干草生物炭在提高土壤碳、氮和pH方面效果最佳，硬木和软木生物炭同样增加了土壤碳和pH。总体表明，本地生产的生物炭能够提升土壤碳储量并改善部分土壤性质，但其对氮有效性的影响随时间和原料而变化。种植者应从适度施用量开始，在继续施用前监测土壤养分和作物响应；若需配施有机氮肥，应优先考虑缓释型肥料。未来的研究应进一步评估缓释有机肥能否更好地同步氮释放与生物炭的长期效应，并探明土壤质地、矿物学和生物群落对生物炭氮素调控的机制。