【摘 要】
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水资源短缺和养分缺乏是黄土高原旱作区作物生长的主要限制因素,合理施用氮肥是提高旱作冬小麦产量及水分利用效率的重要措施。添加生物炭改变了土壤理化性质,能提高作物产量和水肥利用效率,是当前农业生产关注的主要方向之一。由于生物炭种类、土壤类型以及研究区域条件各异,生物炭及其与氮肥配施对旱作农田土壤质量的调控效应仍存在许多争议。因此,本研究基于田间定位试验,分析不同施氮量、不同生物炭添加量及减氮配施生物炭
【基金项目】
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国家重点研发计划专项（2021YFD1900700）； 陕西省自然科学基础研究计划（2022JM-103）； 国家自然科学基金（41671307、51279197）；
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水资源短缺和养分缺乏是黄土高原旱作区作物生长的主要限制因素,合理施用氮肥是提高旱作冬小麦产量及水分利用效率的重要措施。添加生物炭改变了土壤理化性质,能提高作物产量和水肥利用效率,是当前农业生产关注的主要方向之一。由于生物炭种类、土壤类型以及研究区域条件各异,生物炭及其与氮肥配施对旱作农田土壤质量的调控效应仍存在许多争议。因此,本研究基于田间定位试验,分析不同施氮量、不同生物炭添加量及减氮配施生物炭对旱作小麦生长、干物质累积、养分吸收分配、土壤硝态氮累积、水分利用以及土壤微生物群落和土壤肥力质量的调控作用。获得的主要结果如下:1、施氮显著增加冬小麦产量,随着施氮量增加,小麦花前氮素积累量、氮素转移量以及籽粒对氮、磷、钾养分的吸收量增加。生物炭对小麦产量的影响与降雨年型有关,生物炭添加增加了花后氮素积累量,30 t ha-1生物炭显著增加了成熟期地上部干物质积累,籽粒和地上部氮、磷积累量以及茎杆和地上部钾积累量。与常规施氮相比,减施氮肥未显著影响20 t ha-1生物炭处理小麦产量,但显著减少了地上部总的氮、钾素积累量、花前氮素积累量。2、施肥会增加0-100 cm土层硝态氮的累积量,与常规施氮相比,减施氮肥土壤表观氮损失量减少21.3 kg ha-1,氮肥利用效率增加10.9 kg kg-1。与未施生物炭处理相比,生物炭添加可减少表观氮损失9.3-24.6 kg ha-1,30 t ha-1生物炭增加0-100 cm和100-200 cm土层土壤硝态氮残留量。减氮配施生物炭减少农田表观氮肥损失,提高氮肥偏生产力。3、施氮、生物炭和降雨年型显著影响旱作农田土壤水分消耗特征及小麦水分利用效率。2019-2020年（3-4月份降雨少）扬花期到成熟期土壤水分消耗主要集中在100-200 cm土层,而2020-2021年（3-4月份降雨充足）土壤水分消耗主要集中在0-100 cm土层。氮肥施用减少了扬花期和成熟期0-200 cm土壤含水量,增加了拔节期到扬花期有效贮水量消耗量,常规施肥水分利用效率最高为1.34 kg m-3。10、30 t ha-1生物炭添加增加了播前到拔节期土壤有效贮水量消耗量,并减少了拔节期到扬花期土壤有效贮水量的消耗量。与常规施氮相比,减施氮肥显著增加了20 t ha-1生物炭处理0-20 cm土层土壤贮水量、播前期到拔节期土壤有效贮水量消耗。4、不同施氮量、生物炭添加量及减氮配施生物炭未改变麦田土壤微生物主要门类,但改变了不同门类的相对丰度。试验麦田土壤微生物占主导地位的门类主要是子囊菌门（Ascomycota）、节足动物门（Arthropoda）、链型植物（Streptophyta）、毛霉门（Mucoromycota）、担子菌门（Basidiomycota）。施氮未显著影响麦田土壤微生物α多样性。与添加低量生物炭（B1）相比,高量生物炭（B5）处理显著增加了Coverage指数,减少了Chao1指数和ACE指数。减施氮肥配施生物炭未显著影响麦田土壤微生物α多样性。5、施氮显著增加了土壤可溶性有机碳（DOC）含量,减少了土壤速效磷（AP）含量,未显著影响旱作麦田土壤肥力质量;添加高量生物炭(30 t ha-1和50 t ha-1)显著增加了土壤SOM、TN、TP、DOC、NH4+-N、AP、MBN含量,提高了土壤肥力质量。与常规施氮相比,减施氮肥未显著影响20 t ha-1生物炭处理的土壤肥力质量。综上可见,施氮增加小麦产量和花前氮素积累量;适量生物炭添加可增加花后氮素积累量,减少表观氮损失,增加土壤肥力质量;减氮配施生物炭未显著影响小麦产量和土壤肥力质量。因此,施用生物炭是调控旱地土壤肥力质量,减少化学氮肥施用及提高氮素利用率的关键技术之一。研究可为生物炭在黄土高原旱作区施用培肥土壤、提升耕地质量以及氮肥合理减施,保证小麦稳产提供重要的技术参考。
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