全 文 ：植物营养与肥料学报 ２０１５，２１（３）：６００－６０７ ｄｏｉ牶１０１１６７４／ｚｗｙｆ．２０１５０３０６
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｎｔＮｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｈｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｌａｎｔｎｕｔｒｉｆｅｒｔ．ｏｒｇ
收稿日期：２０１４－０３－０５ 接受日期：２０１４－０９－１６ 网络出版日期：２０１５－０２－１３
基金项目：国家自然科学基金（３１１６０４１５）；新疆生产建设兵团杰出青年创新资金专项（２０１４ＣＤ００２）资助。
作者简介：李琦（１９８９—），男，陕西汉中人，硕士研究生，主要从事农业资源高效利用的研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｑｉ４７２５６０４２０＠１６３ｃｏｍ
通信作者 Ｅｍａｉｌ：ｈｚａｔｙｌ＠１６３ｃｏｍ
不同温度制备的棉花秸秆生物碳对棉花生长
及氮肥利用率（１５Ｎ）的影响
李 琦，马 莉，赵 跃，王得平，侯振安
（石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆石河子 ８３２００３）
摘要：【目的】生物碳可提高土壤肥力，增强土壤对养分的保持能力，减少养分损失，提高肥料利用率。研究不同温
度热解制备的生物碳对棉花生长和肥料利用率的差异，可以为提高生物碳的有效利用提供依据。【方法】供试生
物碳由棉花秸秆分别在４５０℃、６００℃和７５０℃高温限氧条件下热解制备而成。本试验为两因素（生物碳、氮）温室
盆栽试验，生物碳处理包括３种不同热解温度生物碳处理（分别以４５０ＢＣ、６００ＢＣ、７５０ＢＣ表示）和１个空白对照
（ＣＫ）；每个生物碳土壤设置３个施氮水平０、２１和４２ｇ／ｐｏｔ（分别以Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２表示），用１５Ｎ同位素示踪方法分
析不同施氮水平下３种热解温度生物碳对棉花生长、１５Ｎ回收和淋洗损失的影响。【结果】１）施用３种生物碳处理
棉花干物质重总体表现为７５０ＢＣ＞６００ＢＣ、４５０ＢＣ＞ＣＫ，４５０ＢＣ、６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理分别较对照平均增加了９２％、
１２６％和１７３％；并且棉花总干物质重随施氮量的增加而增加，但生物碳作用随之降低；２）３种生物碳处理棉花氮
素吸收总量总体也表现为７５０ＢＣ＞６００ＢＣ、４５０ＢＣ＞ＣＫ。不施氮肥条件下（Ｎ０），６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理棉花氮素
吸收总量显著高于ＣＫ，但４５０ＢＣ处理与与ＣＫ无显著差异；施氮肥条件下（Ｎ１、Ｎ２），３种生物碳处理均显著高于
ＣＫ，４５０ＢＣ、６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理棉花氮素吸收总量平均较ＣＫ分别增加２９５％、３７１％和４８８％；３）１５Ｎ标记试验
结果表明，４５０ＢＣ、６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理植株１５Ｎ回收率显著高于对照，分别较 ＣＫ平均提高２７４６％、３６４４％和
４２８７％。而Ｎ１和Ｎ２水平下３种生物碳处理之间植株１５Ｎ回收率均没有显著差异；４）４５０ＢＣ、６００ＢＣ和７５０ＢＣ处
理土壤１５Ｎ残留率分别较对照平均增加１０１４％、１４７３％和２００７％。土壤１５Ｎ残留率在 Ｎ１水平下随着生物碳热
解温度的升高而增加，而在Ｎ２水平下７５０ＢＣ处理显著高于４５０ＢＣ和６００ＢＣ处理，但是后二者之间没有显著差异。
土壤１５Ｎ残留率随着施氮量的增加而降低；５）施用生物碳可以显著降低土壤１５Ｎ的淋洗，并且不同施氮水平下（Ｎ１、
Ｎ２）淋洗率都随着生物碳热解温度的升高而降低。【结论】施用生物碳可促进棉花生长，增加棉花氮素吸收，提高
氮肥利用率，降低氮素损失，并且生物碳的热解温度越高效果越明显；但是随着氮肥施用量的增加生物碳作用
减弱。
关键词：生物碳；制备温度；棉花；氮素吸收；氮肥利用率
中图分类号：Ｓ１５６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－５０５Ｘ（２０１５）０３－０６００－０８
Ｇｒｏｗｔｈａｎｄ１５Ｎｕｓｅｅｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｃｏｔｏｎａｆｅｃｔｅｄｂｙｂｉｏｃｈａｒ
ｍａｄｅｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
ＬＩＱｉ，ＭＡＬｉ，ＺＨＡＯＹｕｅ，ＷＡＮＧＤｅｐｉｎｇ，ＨＯＵＺｈｅｎａｎ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｈｉｈｅｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ８３２００３，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：【Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ】Ｂｉｏｃｈａｒａｒｅｆｏｕｎｄｈａｖｉｎｇｅｆｉｃａｃｙｏｆｒｅｔａｉｎｉｎｇｉｏｎｓａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｎｕｔｒｉｅｎｔｌｏｓｓｗｈｅｎ
ａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｏｓｏｉｌｓ．Ｔｈｅｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｉｒｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｅｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｍａｄｅｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ
ｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｅｆｏｒｅｆｉｃｉｅｎｔｂｉｏｃｈａｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｕｓｅｉｎｃｏｔｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｅｆｅｃｔｏｆｔｈｒｅｅ
Ｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｒａｔｅｓｏｎｃｏｔｏｎｇｒｏｗｔｈ，ＮｕｓｅｅｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＮｌｅａｃｈｉｎｇｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｕｓｉｎｇ１５Ｎｔｒａｃｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．
【Ｍｅｔｈｏｄｓ】Ｃｏｔｏｎｓｔｒａｗｗａｓｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｔｏｍａｋｅｂｉｏｃｈａｒａｔ４５０℃（４５０ＢＣ），６００℃（６００ＢＣ）ａｎｄ
７５０℃（７５０ＢＣ），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｔｗｏｆａｃｔｏｒｐｏｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｎｄｔｈｒｅｅ
３期 李琦，等：不同温度制备的棉花秸秆生物碳对棉花生长及氮肥利用率的影响
ｌｅｖｅｌｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｒｅｃｏｒｄｅｄａｓ４５０ＢＣ，６００ＢＣａｎｄ７５０ＢＣ，ｗｉｔｈｎｏｂｉｏｃｈａｒａｄｄｉｔｉｏｎａｓ
ｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＫ）．Ｉｎｅａｃｈｋｉｎｄｏｆｂｉｏｃｈａｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｓｏｆ１５Ｎｌａｂｅｌｅｄｎｉｔｒｏｇｅｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ：０（Ｎ０），２１（Ｎ１）
ａｎｄ４２ｇ／ｐｏｔ（Ｎ２）ｗｅｒｅａｄｄｅｄ．ＴｈｅｂｉｏｍａｓｓａｎｄｙｉｅｌｄｏｆｃｏｔｏｎａｎｄｔｈｅＮｕｓｅｅｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ．
【Ｒｅｓｕｌｔｓ】１）Ｔｈｅｃｏｔｏｎｄｒｙｗｅｉｇｈｔｓｗｅｒｅｇｅｎｅｒａｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｏｆ７５０ＢＣ＞６００ＢＣ、４５０ＢＣ ＞ＣＫ，ｔｈｅ
ｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｃｏｔｏｎｄｒｙｗｅｉｇｈｔｓｗａｓａｖｅｒａｇｅｄ９２％ ｉｎｔｈｅ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，１２６％ ｉｎ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｎｄ
１７３％ ｉｎｔｈｅ７５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｃｏｔｏｎｄｒｙｗｅｉｇｈｔｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｒａｔｅｏｆＮａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．２）Ｔｈｅ
Ｎｕｐｔａｋｅｉｎｃｏｔｏｎｗａｓｇｅｎｅｒａｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅ７５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎ６００ＢＣ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ａｎｄａｌｓｏｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｒｅｇａｒｄｌｅｓｓｏｆｔｈｅＮａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｓ．ＷｈｅｎｔｈｅＮｒａｔｅｗａｓ
Ｎ０，ｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｕｐｔａｋｅｓｉｎｔｈｅｃｏｔｏｎｉｎｂｏｔｈｔｈｅ７５０ＢＣａｎｄｔｈｅ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ
ｉｎＣＫ，ｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔ．ＴｈｅｉｎｐｕｔｏｆＮｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅＮｕｐｔａｋｅｉｎｃｏｔｏｎｉｎａｌｔｈｅ
ｂｉｏｃｈａｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｂｉｏｃｈａｒａｄｄｉｔｉｏｎａｖｅｒａｇｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅＮｕｐｔａｋｅｂｙ２９５％ ｉｎ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，３７１％
ｉｎ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ａｎｄ４８８％ ｉｎ７５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．３）Ｔｈｅ１５Ｎｔｒａｃｅｒｄａｔａｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈｔｈｅＣＫｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｌａｎｔ１５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｔｈｅ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ２７４６％ ａｎｄｐｌａｎｔ１５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎ
ｔｈｅ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ３６４４％，ａｎｄｐｌａｎｔ１５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｔｈｅ７５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ４２８７％．
ＢｕｔｉｎｔｗｏＮｒａｔｅｓ（Ｎ１，Ｎ２），ｔｈｅｒｅｗｅｒｅｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅａｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｂｉｏｃｈａｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．４）Ｓｏｉｌ１５Ｎ
ｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｔｈｅ４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１０１４％，ａｎｄ１４７３％ ｉｎｔｈｅ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄ２００７％ ｉｎｔｈｅ
７５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｔｈｅＣＫｔｒｅａｔｍｅｎｔ．ＩｎｃａｓｅｏｆｌｏｗｅｒＮｒａｔｅｓ（Ｎ１），ｓｏｉｌ１５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｃｒｅａｓｅｄａｓｔｈｅ
ｂｉｏｃｈａｒｐｙｒｏｌｙｓｉｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＩｎＮ２ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｓｏｉｌ１５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｔｈｅ７５０ＢＣｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ
ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎｂｏｔｈｔｈｅ４５０ＢＣａｎｄｔｈｅ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｂｕｔｔｈｅｄｉｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ６００ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｔｈｅ
４５０ＢＣｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｓｏｉｌ１５ＮｒｅｃｏｖｅｒｙｄｅｃｒｅａｓｅｄａｓＮａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎａｌｔｈｒｅｅｂｉｏｃｈａｒ
ａｍｅｎｄｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．５）Ｔｈｅ１５Ｎｌｅａｃｈｉｎｇｉｎｔｈｅｂｉｏｃｈａｒａｍｅｎｄｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅ
ＣＫ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， １５Ｎ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｂｉｏｃｈａｒｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．
【Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ】Ｔｈｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｅｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｉｎｃｒｅａｓｅａｓｔｈｅｐｙｒｏｌｙｓｉｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅａｓ
ｔｈｅＮａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｃｏｔｏｎｓｔｒａｗｓａｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｏｂｅｔｒｅａｔｅｄａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ
ｔｈｅＮｉｎｐｕｔｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｄｕｃｅｄｆｏｒｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｓｉｔｉｖｅｅｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｏｎｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈａｎｄＮｕｓｅｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｂｉｏｃｈａｒ牷ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ牷ｃｏｔｏｎ牷ｎｉｔｒｏｇｅｎｕｐｔａｋｅ牷ｎｉｔｒｏｇｅｎｕｓｅｅｆｉｃｉｅｎｃｙ
化学肥料，尤其是化学氮肥的施用对现代农业
的发展起着不可替代的作用，其在粮食增产中的贡
献率高达４５％左右［１］。我国是全球最大的氮肥生
产国和消费国，近２０年对全球氮肥产量和施用量的
贡献率高达６１％和５２％［２］。但目前我国氮肥当季
利用率较低，仅为３０％ ３５％［３］。农民为了追求高
产，长期大量施用化学肥料造成肥料资源浪费和农
业面源污染增加［４］。提高氮肥利用效率是国际植
物营养学领域的研究热点，同时也是关乎现代农业
高效生产和可持续发展的重大问题［５］。
农田氮肥的损失途径主要有氨挥发、硝化 －反
硝化、淋洗和径流，其损失量分别占总施氮量的
１１％、１７％、３％和８％左右［６］。施用有机肥以及秸
秆还田等是减少氮肥损失，提高氮肥利用率的主要
措施之一。研究表明，秸秆还田可以增加土壤有机
质和表层土壤有机氮含量［７］，提高土壤潜在氮素矿
化势［８］，减少氮肥损失和提高氮素利用率［９］。近年
来，将农田废弃物（如秸秆）制成生物碳还田被认为
是土壤增汇减排的一种关键途径［１０］。生物碳是生
物体在完全或部分缺氧的情况下高温热解的产物，
有机碳含量高且稳定性强。生物碳具有丰富的孔隙
结构，巨大的表面积和吸附能力。研究表明，生物碳
和化学肥料配施可以降低氮素损失，提高氮肥的利
用率［１１－１２］。但是制备原料和温度的不同，使得生物
碳对氮素的吸附也有很大差异。Ｙａｏ等［１３］研究了
四种原料在３种温度下制备的生物碳对氮素的吸
附，发现不同类型生物碳对铵氮的吸附量从１８％
到１５７％不等，并且在相同温度（６００℃）下四种不
同原料的生物碳对硝氮的吸附量也有非常大的差
异。Ｋａｍｅｙａｍａ等［１４］研究发现，７００℃以上制成的生
物碳才出现对硝态氮的吸附现象。
棉花是新疆的主要经济作物，棉花秸秆资源丰
富，在农业生产中通常采用直接还田利用的方式。
对于棉花秸秆生物碳对氮肥利用率影响的研究还鲜
１０６
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
见报道。本研究以棉花秸秆为原料，在不同热解温
度下制备生物碳。采用１５Ｎ同位素示踪法，研究不
同热解温度生物碳和氮肥用量对棉花生长和氮肥利
用率的影响，为生物碳的合理利用和提高氮肥利用
率提供理论依据。
１ 材料与方法
１１ 试验材料
试验于２０１１年在新疆石河子大学农学院试验
站温室进行。供试土壤采自石河子大学农学院试验
站农田，采样深度为０—２０ｃｍ耕层。土壤类型为灌
耕灰漠土，质地为壤土，ｐＨ７８，有机质１２４３ｇ／ｋｇ，
全氮０７８ｇ／ｋｇ，碱解氮３４３ｍｇ／ｋｇ，速效磷２２５１
ｍｇ／ｋｇ，速效钾２３９８ｍｇ／ｋｇ。棉花秸秆采自当地棉
田，烘干粉碎后用于制备生物碳。分别在 ４５０°Ｃ、
６００°Ｃ和７５０°Ｃ下厌氧热解６ｈ后制得３种生物碳
（表１）。供试棉花品种为新陆早３３号。
表１ 供试生物碳的养分含量
Ｔａｂｌｅ１ Ｎｕｔｒｉｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｅｄ
ｂｉｏｃｈａｒｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
热解温度
Ｐｈｒｏｌｙｓｉｓ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（℃）
有机碳
ＯｒｇａｎｉｃＣ
（％）
全氮
ＴｏｔａｌＮ
（％）
全钾
ＴｏｔａｌＫ
（％）
全磷
ＴｏｔａｌＰ
（％）
４５０ ６２５ ００８９ ２３７ ０６９
６００ ６４６ ００６９ ２６５ ０６８
７５０ ６５４ ００４５ ３２１ ０７１
１２ 试验设计
研究采用盆栽试验，试验装置使用高６０ｃｍ，直
径２０ｃｍ的土柱，底部连接出流管，用于收集土壤渗
漏液。供试土壤自然风干，碾碎后过２ｍｍ筛。土
柱底部装填石砾（直径０５ １０ｃｍ）５ｃｍ，其上铺
一层纱网，然后装土。供试土壤按容重１２５ｇ／ｃｍ３
分层装土，每１０ｃｍ一层，共五层，每个土柱装风干
土２００ｋｇ，土壤孔隙度为５２８％。灌溉方式为滴
灌，将滴灌毛管平铺在土柱顶端，滴头固定在土柱中
心位置，每个土柱固定由 １个滴头供水，滴头流量
２１Ｌ／ｈ。
试验采用生物碳和施氮量两因素设计，生物碳
类型设 ３个处理：（１）４５０℃生物碳（４５０ＢＣ）；（２）
６００℃生物碳（６００ＢＣ）；（３）７５０℃生物碳（７５０ＢＣ）；
并以空白土壤作对照（ＣＫ）。施氮（Ｎ）量设３个水
平为０、２１、４２ｇ／ｐｏｔ（分别记为Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２）。随机
区组设计，１２个处理，每个处理重复３次，共３６个
土柱。生物碳的施用量为１％（占干土重），在装土
前与供试土壤混匀后一次性施入。氮肥使用１５Ｎ同
位素标记尿素（１５Ｎ丰度为１０％），全部作追肥。
棉花于２０１１年４月２０日播种，为确保棉花出
苗，播种后滴水２５Ｌ／ｐｏｔ。棉花４月２５日出苗（播
种后５ｄ），幼苗生长至２片真叶时，每个土柱定植２
株棉花。棉花生长期间采用称重法监测土壤水分状
况（每个土柱下放置台秤，准确度００５ｋｇ），使土壤
含水量保持在田间持水量的６０％ ９０％。试验期
间共灌水１２次，每次灌水４ ６Ｌ／ｐｏｔ，总灌水量５２
Ｌ／ｐｏｔ。磷肥和钾肥施用量分别为 Ｐ２Ｏ５０３３ｇ／ｐｏｔ
和 Ｋ２Ｏ０１９ｇ／ｐｏｔ，全部作基肥，在装土前与供试土
壤混匀后一次性施入。氮肥分别在棉花播种后５３、
６３、７８和８６ｄ分四次随水滴施，施用前１５Ｎ同位素
标记尿素溶于施肥罐中，用水泵输入滴灌毛管。试
验期间温室最高温度４２℃，最低温度２７℃。试验于
棉花播种后１１０ｄ（２０１１年８月１０日）结束。
１３ 测定指标及方法
试验结束后将棉花植株自基部剪下用去离子水
洗净后分成叶、茎、铃壳（含花蕾）三部分。将以上
棉花各部分烘干称重，粉碎后测定其全氮和１５Ｎ丰
度。土壤和植物全氮采用开氏定氮法［１５］，土壤和植
物１５Ｎ丰度采用稳定性同位素质谱仪进行测定［１６］。
土壤有机质用重铬酸钾容量法—外加热法，碱解氮
采用碱解扩散法测定［１５］，速效钾采用 １ｍｏｌ／Ｌ
ＮＨ４Ａｃ浸提—火焰光度法测定
［１５］，速效磷采用０５
ｍｏｌ／ＬＮａＨＣＯ３浸提—钼锑抗比色法测定
［１５］。
１４ 数据处理
数据通过ＳＰＳＳ１６０进行施氮量和生物碳类型
的两因素方差分析。不同处理间的多重比较分析采
用Ｄｕｎｃａｎ法（Ｐ＜００５）。
２ 结果与分析
２１ 棉花干物质积累
随着施氮量的增加，棉花植株各器官（茎、叶、
蕾铃）干物质重均显著增加（表２）。施用生物碳对
棉花茎、叶干物质重的影响不显著（Ｐ＞００５），而对
蕾铃干物质重的影响在不同氮水平下存在差异。在
Ｎ０和Ｎ１水平下，生物碳处理棉花蕾铃干物质重均
显著高于ＣＫ，但三种生物碳之间差异不显著；Ｎ２水
平下，７５０℃生物碳（７５０ＢＣ）蕾铃干重最高，而
２０６
３期 李琦，等：不同温度制备的棉花秸秆生物碳对棉花生长及氮肥利用率的影响
６００℃生物碳（６００ＢＣ）和４５０℃生物碳（４５０ＢＣ）处理
与对照（ＣＫ）均无明显差异。
施氮量和生物碳处理对棉花植株总干物质重影
响显著，但二者交互作用的影响不显著。棉花总干
物质重随施氮量显著增加，Ｎ１和 Ｎ２水平下棉花植
株总干物质重平均较 Ｎ０分别高５９８％和７３９％。
不同生物碳处理棉花植株总干物质重表现为７５０ＢＣ
＞６００ＢＣ、４５０ＢＣ ＞ＣＫ，施用生物碳处理 ４５０ＢＣ、
６００ＢＣ和７５０ＢＣ棉花总干物质重平均（三个氮水平
下）较ＣＫ分别增加９２％、１２６％和１７３％。
表２ 不同处理棉花植株干物质重（ｇ／ｐｏｔ）
Ｔａｂｌｅ２ ＤｉｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｃｏｔｏｎｄｒｙｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｉｔｈｂｉｏｃｈａｒｔｙｐｅａｎｄＮｒａｔｅｓ
Ｎ（ｇ／ｐｏｔ） 生物碳Ｂｉｏｃｈａｒ 茎Ｓｔｅｍｓ 叶Ｌｅａｖｅｓ 蕾铃Ｂｕｄｓａｎｄｂｏｌｓ 合计Ｔｏｔａｌ
Ｎ０ ＣＫ ２６２９ｄ ２２１９ｄ １４８７ｅ ６３３５ｇ
４５０ＢＣ ２８９９ｃｄ １７３９ｅ ２５５２ｄ ７１９０ｆ
６００ＢＣ ２８０４ｃｄ １８７１ｄｅ ２６６３ｄ ７３３９ｆ
７５０ＢＣ ３１２４ｃ １８１４ｅ ３０５１ｃｄ ７９８９ｅ
Ｎ１ ＣＫ ５１１０ａ ３１８１ｃ １９５０ｅ １０２４２ｄ
４５０ＢＣ ４４９２ｂ ３３２６ｂｃ ３６８１ｂ １１４９９ｃ
６００ＢＣ ５１１２ａ ３３６５ｂｃ ３４６９ｂｃ １１９４６ｃ
７５０ＢＣ ４７９１ａｂ ３６３５ａｂ ３９８４ｂ １２４１０ａｂ
Ｎ２ ＣＫ ５０１１ａ ３１００ｃ ３６８５ｂ １１７９６ｂｃ
４５０ＢＣ ４７５８ａｂ ３６５８ａｂ ３９７５ｂ １２３９１ａｂ
６００ＢＣ ５０６８ａ ３８９０ａ ３８１９ｂ １２７７７ａ
７５０ＢＣ ４８５６ａｂ ３６７６ａｂ ４５１９ａ １３０５１ａ
方差分析（Ｆ值）Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖａｒｉａｎｃｅ（Ｆｖａｌｕｅ）
施氮量 Ｎｒａｔｅ（Ｎ） ２６４８３ ２０５８９ ７９２６ ７１９９２
生物碳Ｂｉｏｃｈａｒ（ＢＣ） ２０６ｎｓ ２００ｎｓ ３７５３ ３４８４
施氮量×生物碳 Ｎ×ＢＣ ２５９ ５０４ ４００ １０７ｎｓ
注（Ｎｏｔｅ）：同列数据后不同字母表示处理间差异达到５％显著性水平Ｄｉｆｅｒｅｎｔｌｏｗｅｒｃａｓｅｌｅｔｅｒｓｗｉｔｈｉｎａｃｏｌｕｍｎｍｅａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓａｔ
ｔｈｅ５％ ｌｅｖｅｌ；表示在 １％水平下达到显著，ｎｓ表示不显著 Ｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓａｔｔｈｅ１％ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｌｅｖｅｌｓａｎｄｎｓｉｎｄｉｃａｔｅｎｏ
ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ．
２２ 棉花氮素吸收量
施氮量对棉花氮素吸收的影响与棉花干物质重
相似，均表现为棉花植株各器官及氮素吸收总量随
施氮量增加显著增加（表 ３）。不同施氮水平下
（Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２），施用生物碳都可以提高棉花茎、叶和
蕾铃的氮素吸收量，尤其在蕾铃上效果更加明显。
三种生物碳４５０ＢＣ、６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理棉花蕾铃
氮素吸收量分别比 ＣＫ增加了 ５９８％、６４５％
和１０４８％。
不同生物碳处理棉花氮素吸收总量为 ７５０ＢＣ
＞６００ＢＣ、４５０ＢＣ ＞ＣＫ。施氮水平和生物碳处理
对棉花氮素吸收总量的交互作用影响表现为：不施
氮肥条件下（Ｎ０），４５０ＢＣ处理与 ＣＫ差异不显著；
６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理显著高于 ＣＫ。施氮肥条件下
（Ｎ１、Ｎ２），三种生物碳处理均显著高于 ＣＫ，４５０ＢＣ、
６００ＢＣ和７５０ＢＣ处理棉花氮素吸收总量平均较 ＣＫ
分别增加２９５％、３７１％和４８８％。
２３ １５Ｎ棉花植株回收率
不同处理棉花植株１５Ｎ回收率为 ２９０％
４８１％（图１）。Ｎ１和 Ｎ２水平下，施用三种生物碳
均能显著提高棉花植株１５Ｎ回收率。４５０ＢＣ、６００ＢＣ
和７５０ＢＣ处理氮肥利用率分别较 ＣＫ提高了
２４２％ ３０７％、３２６％ ４０３％、和 ３８３％
４７４％，但是三种生物碳之间没有显著差异。
３０６
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
表３ 不同处理棉花植株氮素吸收量（ｇ／ｐｏｔ）
Ｔａｂｌｅ３ ＮｕｐｔａｋｅｉｎｃｏｔｏｎｐｌａｎｔｓｕｎｄｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｔｙｐｅａｎｄＮｒａｔｅｓ
施氮量
Ｎｒａｔｅ
生物碳
Ｂｉｏｃｈａｒ
茎
Ｓｔｅｍ
叶
Ｌｅａｆ
蕾铃
Ｂｕｄａｎｄｂｏｌ
合计
Ｔｏｔａｌ
Ｎ０ ＣＫ ０．１０２ｆ ０．２７６ｄ ０．１７６ｇ ０．５５４ｉ
４５０ＢＣ ０．１４６ｅｆ ０．２５５ｄ ０．３４８ｆ ０．７５０ｈｉ
６００ＢＣ ０．１４７ｅｆ ０．２８１ｄ ０．３９６ｅｆ ０．８２３ｇｈ
７５０ＢＣ ０．１７０ｅ ０．３１６ｄ ０．５０１ｅ ０．９８６ｇ
Ｎ１ ＣＫ ０．３４０ｄ ０．８５９ｃ ０．３５７ｆ １．５５６ｆ
４５０ＢＣ ０．３６５ｄ １．０１９ｂ ０．７７５ｄ ２．１５８ｅ
６００ＢＣ ０．４３４ｃ １．０４９ｂ ０．８００ｄ ２．２８３ｄｅ
７５０ＢＣ ０．４３２ｃ １．１５２ｂ ０．９５０ｂｃ ２．５３４ｃ
Ｎ２ ＣＫ ０．４６６ｃ １．１２０ｂ ０．８３１ｃｄ ２．４１７ｃｄ
４５０ＢＣ ０．５５２ｂ １．３８０ａ １．０５６ｂ ２．９８８ｂ
６００ＢＣ ０．６４２ａ １．４７５ａ １．０４８ｂ ３．１６５ａｂ
７５０ＢＣ ０．６０２ａｂ １．４３３ａ １．３４２ａ ３．３７７ａ
方差分析（Ｆ值）Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖａｒｉａｎｃｅ（Ｆｖａｌｕｅ）
施氮量 Ｎｒａｔｅ（Ｎ） ４７３９９ ５９０９１ ２３３８８ ８５８７８
生物碳 Ｂｉｏｃｈａｒ（ＢＣ） １８５１ １３２５ ５３０８ ５８０５
施氮量×生物碳 Ｎ×ＢＣ ２２２ｎｓ ３４１ ２６１ ３３４
注（Ｎｏｔｅ）：同列数据后不同字母表示处理间差异达５％显著性水平 Ｄｉｆｅｒｅｎｔｌｏｗｅｒｃａｓｅｌｅｔｅｒｓｗｉｔｈｉｎａｃｏｌｕｍｎｍｅａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓａｔ
ｔｈｅ５％ ｌｅｖｅｌ；，分别表示在５％、１％水平下达到显著，ｎｓ表示不显著 Ａｓｔｅｒｉｓｋｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓａｔｔｈｅ００５（）ａｎｄ００１（
）ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｌｅｖｅｌｓ，ａｎｄｎｓｉｎｄｉｃａｔｅｎｏｄｉｆｅｒｅｎｃｅ．
图１ 不同处理的棉花植株１５Ｎ回收率
Ｆｉｇ．１ １５Ｎｒｅｃｏｖｅｒｅｄｂｙｃｏｔｏｎｐｌａｎｔｓ
ｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
［注（Ｎｏｔｅ）：柱上不同字母表示处理间在 Ｐ＜００５水平差异显著
Ｄｉｆｅｒｅｎｔｌｅｔｅｒｓａｂｏｖｅｔｈｅｂａｒｓｉｎｄｉｃａｔｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅａｍｏｎｇ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｔＰ＜００５ｌｅｖｅｌ．］
２４ １５Ｎ在土壤中的残留率和淋洗率
不同施氮量水平下（Ｎ１、Ｎ２），三种生物碳均可
显著提高土壤１５Ｎ残留率（图２），并且７５０ＢＣ处理
作用最明显，较ＣＫ显著提高了１３１ ２７０倍。在
低氮水平下（Ｎ１），土壤中１５Ｎ残留率随着生物碳热
解温度的提高显著增加（Ｐ＜００５）。在高氮水平下
（Ｎ２），７５０ＢＣ处理土壤１５Ｎ残留分别比 ４５０ＢＣ和
６００ＢＣ处理高 ２４４％和 １４７％，但是 ４５０ＢＣ和
６００ＢＣ处理之间未达到显著差异水平（Ｐ＞００５）。
随着氮肥用量的增加，肥料１５Ｎ淋洗率显著增
加（Ｐ＜００５）。在相同施氮水平（Ｎ１、Ｎ２）下，与ＣＫ
相比三种生物碳（４５０ＢＣ、６００ＢＣ、７５０ＢＣ）均可显著
降低１５Ｎ淋洗率，并且７５０ＢＣ处理效果最好，降幅可
高达５３８％ ５６０％，６００ＢＣ处理次之。
３ 讨论
生物碳是有机体在高温限氧条件下热解得到的
产物，不同的制备原料和热解温度使得生物碳的性
４０６
３期 李琦，等：不同温度制备的棉花秸秆生物碳对棉花生长及氮肥利用率的影响
图２ 不同处理氮肥（１５Ｎ）在土壤中残留率和淋洗率
Ｆｉｇ．２ １５Ｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｒｅｓｉｄｕａｌｉｎｔｈｅｓｏｉｌａｎｄｌｅａｃｈｉｎｇ
ｌｏｓｓｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｉｔｈｂｉｏｃｈａｒｔｙｐｅａｎｄＮｒａｔｅ
［注（Ｎｏｔｅ）：柱上不同字母表示处理间在Ｐ＜００５水平差异显著
Ｄｉｆｅｒｅｎｔｌｅｔｅｒｓａｂｏｖｅｔｈｅｂａｒｓｉｎｄｉｃａｔｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅａｍｏｎｇ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｔＰ＜００５ｌｅｖｅｌ．］
质有所不同。目前研究认为生物碳中养分元素和金
属元素含量主要受制备原料影响［１７］，而热解温度主
要影响可挥发性物质的含量［１８］。本试验中生物碳
以棉花秸秆为原料，在三种温度（４５０、６００、７５０℃）
下热解得到。所得生物碳全磷、全钾和有机碳含量
随热解温度升高而增加，全氮含量随热解温度升高
而降低，这与Ｒａｊｋｏｖｉｃｈ等［１９］的结果一致。
生物碳作为一种土壤改良剂，施入土壤后有利
于改善土壤物理化学性质，固持土壤养分，提高养分
利用率，改善微生物环境，从而对提高土壤肥力和增
加作物产量也有积极的作用［２０－２１］。本研究结果表
明，施用生物碳和氮肥无论是对棉花总干重还是棉
花植株的氮素吸收量都有显著影响。施用生物碳可
以显著提高棉花总干物质重和氮素吸收总量，分别
较对照平均提高了１４３％和４４９％。目前多数研
究结果也表明，施用生物碳可以显著提高作物产
量［２２］；Ｚｗｉｅｔｅｎ等［２３］也发现施用生物碳可以显著提
高棉花氮素吸收量。本试验还发现生物碳热解温度
越高，棉花总干物质重和氮素吸收总量提高越明显。
７５０ＢＣ处理下棉花总干物质重和氮素吸收总量分别
较对照平均提高１７３％和４８８％。Ｒａｊｋｏｖｉｃｈ等［１９］
以四种热解温度（３００、４００、５００、６００℃）下制得的生
物碳为材料也做了相关研究，结果表明５００℃下制
得的生物碳促进玉米生长的效果最好，这与本试验
结果略有差异，可能与制备生物碳原料有关。本试
验中随着施氮量的增加，生物碳对棉花总干物质重
和氮素吸收量的增加作用降低，但高氮肥用量（Ｎ２）
配施生物碳处理棉花的干物质重和氮素吸收量最
大。以上结果可能是由于在不施氮肥下，施加生物
碳提高了土壤有机碳含量，增强了土壤对养分的吸
附能力，增加了土壤肥力，从而促进棉花生长；生物
碳与高施氮量（Ｎ２）配施（Ｃ／Ｎ约为３０％）比生物碳
与低施氮量（Ｎ１）配施（Ｃ／Ｎ约为６０％）更接近于作
物生长的土壤 Ｃ／Ｎ比２５∶１，减少了微生物和棉花
对氮的竞争，从而提高了产量。刘玉学［２４］大田试验
研究表明，在不施用尿素下，添加１％的水稻秸秆碳
可以提高水稻产量１９９％，在添加尿素下水稻产量
提高１１２％，这与本研究结果相符，增加氮肥用量，
生物碳增产幅度降低。
本试验通过１５Ｎ同位素标记方法研究了施用不
同热解温度制备的生物碳后氮肥的利用率。试验结
果得到，氮肥低用量和高用量条件下，施用生物碳后
棉花植株的１５Ｎ回收率都显著提高２４２％ ３８３％
和３０７％ ４７４％，与 ＴａｇｈｉｚａｄｅｈＴｏｏｓｉ等［２５］试验
中叶的１５Ｎ回收率（２６１％）相近，张万杰等［２６］也认
为生物碳能显著增加植株的氮肥利用率。从残留率
来看，三种生物碳均可以显著增加土壤１５Ｎ残留率，
４５０ＢＣ、６００ＢＣ和 ７５０ＢＣ分别增加了 ８５８７％
１１６９％、１０１６％ １９３１％和１３１３％ ２７０１％。
这都是由于高温下制取的生物碳比低温下制取的生
物碳具有更高的孔隙度，吸附能力也越强［２７］。
研究结果表明，施用生物碳显著提高土壤 －作
物系统１５Ｎ回收率，并且随着生物碳热解温度的升
高回收率也显著提高。而土壤 －作物系统１５Ｎ损失
率在施用生物碳后显著降低，并且生物碳热解温度
越高，损失率降低的越明显。氮肥施入土壤后主要
通过挥发、淋洗和硝化／反硝化等途径损失。氨挥发
形式的损失在新疆盐碱土中表现的更加突出，许多
研究结果表明施用生物碳可以减少氨挥发［２５，２８－２９］。
并且生物碳具有大量的孔洞结构以及巨大的表面
积，表面带有大量的负电荷，具有离子吸附交换能力
及一定吸附容量［１０］，这使得它可以高效地吸附铵态
氮［２１］和硝态氮［３１］，从而减少淋洗损失。在本试验
中也发现，与空白处理相比，在氮肥低用量和高用量
条件下施用生物碳处理使土壤１５Ｎ淋洗率分别降低
了２６％ ５４％和２８％ ５６％，并且随着生物碳热解
温度的升高土壤１５Ｎ淋洗率显著降低。因此，施用生
物碳可以显著降低氮肥的淋洗损失，并且热解温度
越高降低越明显，从而也降低了地下水硝酸盐污染
的风险。
５０６
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
４ 结论
土壤中施用生物碳可以显著提高棉花的总干物
质重和氮素吸收总量，并且生物碳热解温度越高，
效果越明显。生物碳提高了棉花植株的１５Ｎ回收率
和土壤中１５Ｎ的残留率，但是不同热解温度的生物
碳之间没有显著差异。生物碳减少了１５Ｎ的淋洗
率，并且生物碳热解温度越高其作用越明显。随着
施氮量增加，生物碳促进棉花生长和提高氮肥利用
率的作用降低，并且不同生物碳之间差异减小。因
此，生物碳具有促进棉花生长、减少氮素损失和提高
氮肥利用率的作用，并且生物碳热解温度越高效果
越好；生物碳合理配施氮肥有助于生物碳作用的体
现，也有利于促进作物生长和提高氮肥利用率。
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