不同施氮水平下生物碳提高棉花產(chǎn)量及氮肥利用率的作用

廖 娜， 侯振安， 李 琦， 茹思博， 薄慧娟

(石河子大學農(nóng)學院資源與環(huán)境科學系, 新疆石河子 832003)

不同施氮水平下生物碳提高棉花產(chǎn)量及氮肥利用率的作用

廖 娜， 侯振安*， 李 琦， 茹思博， 薄慧娟

(石河子大學農(nóng)學院資源與環(huán)境科學系, 新疆石河子 832003)

【目的】生物碳有很強的固碳能力，同時還可以改善土壤肥力，促進作物生長，提高養(yǎng)分利用效率。因此，本研究探究在不同施氮水平下棉花秸稈和棉花秸稈制備的生物碳還田對棉花產(chǎn)量及氮肥利用率的影響。【方法】采用2因素3水平完全設計田間試驗方法。不同碳源處理為：棉花秸稈(ST，12 t/hm2)、棉花秸稈制備的生物碳(BC，4.5 t/hm2)和不施碳對照(CK)，棉花秸稈和生物碳為等碳量(C 1.2 t/hm2)施用；3個氮肥用量水平為N：0、300、450 kg/hm2(N0、N300、N450)。在棉花盛蕾期、初花期、盛花期、盛鈴期、吐絮期采集植株樣品，測定植株干物質(zhì)重、氮素吸收量，在棉花吐絮期測定棉花產(chǎn)量?！窘Y果】 1)施用秸稈和生物碳均能顯著增加棉花干物質(zhì)重，促進棉花植株氮素吸收。在低氮肥水平下(N0)，秸稈和生物碳處理間棉花干物質(zhì)重、氮素吸收量差異不顯著；在中氮肥水平下(N300)，秸稈和生物碳處理棉花干物質(zhì)差異不大，但生物碳處理氮素吸收量顯著高于秸稈處理；在高氮肥水平下(N450)，生物碳處理的棉花干物質(zhì)重、氮素吸收均要顯著高于秸稈處理。2)施用秸稈和生物碳均能顯著增加棉花產(chǎn)量。在低氮肥水平下(N0)，秸稈和生物碳處理的棉花產(chǎn)量差異不顯著；而在中氮肥和高氮肥水平下(N300、N450)，生物碳處理的棉花產(chǎn)量均顯著高于秸稈處理。3)施用秸稈和生物碳處理的氮肥利用率在中氮肥水平下(N300)分別較對照增加12.2%和26.8%；在高氮肥水平下(N450)，施用生物碳處理的棉花氮肥利用率較對照增加18.8%，而秸稈處理與對照差異不顯著?！窘Y論】生物碳和氮肥合理配施可以促進棉花生長，提高棉花產(chǎn)量，明顯增加氮肥利用率。

生物碳； 棉花秸稈； 施氮水平； 棉花產(chǎn)量； 氮肥利用率

生物碳是由植物或廢棄物的原料熱裂解而產(chǎn)生的，與其他有機物料相比，生物碳含碳量更高，具有化學惰性和生物穩(wěn)定性，較強的抵抗微生物分解的能力[1]。將農(nóng)業(yè)廢棄物轉化為生物碳施用于土壤可以明顯降低農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的排放，緩解溫室效應[2]，生物碳的高孔隙度特征益于改善土壤結構和持水能力[3-4]，減緩干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)由于氣候變化引起的干旱脅迫。生物碳自身還含有一定植物所需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，可以促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)和植物的生長。但由于熱解條件和原料的差異性，導致養(yǎng)分含量差異較大[5-6]。有研究表明施用生物碳可以提高土壤肥力[7]，顯著增加土壤有機碳儲量，改變土壤有機碳組分，提高土壤生產(chǎn)力[8]。同時，生物碳的結構性質(zhì)有利于農(nóng)田土壤養(yǎng)分固持，提高養(yǎng)分利用率，改善微生物環(huán)境，從而達到提高土壤質(zhì)量，促進作物增產(chǎn)的雙贏效應[9]。Uzoma等[10]將牛糞制備的生物碳施用到沙質(zhì)土壤中研究表明，隨著生物碳用量增加玉米產(chǎn)量顯著提高。黃超等[11]分別在有機碳含量高和低的土壤中施用不同用量生物碳研究表明，在有機碳含量低的土壤中，黑麥草生物量較對照均有不同程度增加；而有機碳含量高的土壤中，施用生物碳對黑麥草生物量影響不顯著。但孟穎等[12]研究表明施入不同用量玉米和水稻秸稈生物碳，對玉米苗期株高、生物量均有顯著降低作用。由此可見，生物碳對作物產(chǎn)量的影響效應受生物碳本身性質(zhì)、施用量和施用時間、作物和土壤的類型、土壤肥力情況等諸多因素的綜合影響。

氮素是作物生長所必需的大量營養(yǎng)元素之一，也是旱地土壤最為缺乏的營養(yǎng)元素，施用氮肥為作物補充氮素是保證作物高產(chǎn)的重要措施。但氮肥施用量過高，除了被植株吸收利用外，多余部分會通過淋溶、揮發(fā)等途徑損失。生物碳具有復雜的孔隙結構及巨大的表面積，且表面帶有大量負電荷，可以吸附和負載肥料養(yǎng)分，將養(yǎng)分滯留在土壤中供植物吸收利用，從而延緩肥料養(yǎng)分在土壤中釋放和降低淋洗損失，可以潛在地提高肥料養(yǎng)分的利用率[13-14]。馬莉等[15]研究表明施用不同熱解溫度制備的生物碳均可以顯著促進小麥氮素吸收，提高土壤中氮素殘留量，減少土壤小麥體系氮素表觀損失量。曲晶晶等[16]在晚稻進行的生物碳與氮肥配施試驗也證實了其對產(chǎn)量均有不同程度的提高，同時水稻氮肥吸收利用率也顯著提高。

新疆屬典型干旱荒漠區(qū)，是我國最大的棉花生產(chǎn)基地，擁有豐富的棉花秸稈資源，主要以直接還田利用為主。但目前關于棉花秸稈制成生物碳后施用對干旱區(qū)棉花生長和產(chǎn)量影響的研究報道還較少。本研究通過田間試驗研究不同施氮水平下棉花秸稈直接施用和秸稈制成生物碳后施用對棉花產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，為干旱區(qū)秸稈資源和生物碳在石灰性土壤上的合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2013年在新疆石河子大學農(nóng)學院試驗站進行。土壤類型為灌溉灰漠土，質(zhì)地為重壤，土壤耕層基礎理化性狀為：有機質(zhì)16.24 g/kg、 pH 7.8、 全氮0.76 g/kg、 堿解氮36.76 mg/kg、 速效磷27.42 mg/kg、 速效鉀284.82 mg/kg。供試作物棉花(品種為新陸早52號)。

棉花秸稈采自石河子大學農(nóng)學院試驗站棉田，秸稈烘干粉碎后，在450℃下高溫厭氧熱解6 h后制備生物碳，秸稈轉化為生物碳回收率為37.5%。棉花秸稈有機碳385 g/kg、 全氮1.6 g/kg、 全鉀6.0 g/kg。生物碳有機碳625 g/kg、 全氮0.89 g/kg、 全鉀8.6 g/kg。

1.2 試驗設計

研究采用田間小區(qū)試驗，設置棉花秸稈直接施用和秸稈制備成生物碳后施用兩種方式，設計不同碳源處理和不同氮肥用量組成的兩因素三水平完全方案。碳源處理設置3個水平：施用棉花秸稈(ST，12 t/hm2)、棉花秸稈制備的生物碳(BC，4.5 t/hm2)和對照(CK)，棉花秸稈和生物碳為等碳量(C 1.2 t/hm2)施用；氮肥(N)用量設置3個水平，即0、300和450 kg/hm2(N0、N300和N450)。共9個處理，每處理重復4次，共36個試驗小區(qū)。

生物碳和棉花秸稈粉碎后，在棉花播種前均勻撒施于地表，翻耕入土。試驗中氮肥20%作基肥，與生物碳或棉花秸稈在播種前一次性施入；剩余作追肥，在棉花生長期間分五次隨水滴施。磷、鉀肥全部作基肥，施用量為P2O5105 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。

棉花種植采用覆膜栽培，一膜四行，行距配置為30 cm+60 cm+30 cm，株距10 cm，播種密度22.2×104plant/hm2。灌溉方式為膜下滴灌，一膜兩管，毛管間距90 cm。棉花于4月13日播種，采用“干播濕出”方式，播種后滴出苗水45 mm。棉花全生育期灌水9次，總灌溉量為450 mm，盛蕾期開始，吐絮初期結束。其他管理措施參照當?shù)卮筇铩?/p>

1.3 樣品采集與分析

分別在棉花播種后61 d(盛蕾期)、76 d(初花期)、91 d(盛花期)、121 d(盛鈴期)和136 d(吐絮期)采集棉花地上部植株樣品，每個小區(qū)取3株，將棉株分為莖(包括果枝)、葉、蕾鈴三部分，在105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒重，稱重，記錄干物質(zhì)重。烘干的植株樣品經(jīng)粉碎，過0.5 mm篩，備用。植株樣品用H2SO4—H2O2消煮，凱氏定氮儀測定植株全氮含量。棉花吐絮期測定棉花籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素，最后實收計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區(qū)氮素積累量-不施氮肥區(qū)氮素積累量)/施氮量× 100

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 11.5進行不同施碳處理和氮肥用量的方差分析，處理間的多重比較采用Duncan法(P<0.05)。

2 結果分析

2.1 不同施碳處理對棉花干物質(zhì)的影響

2.1.1 棉花干物質(zhì)積累動態(tài) 施用氮肥顯著促進棉花生長，棉花各器官及總干物質(zhì)積累量均明顯增加(圖1)。不施氮肥(N0)條件下，不同碳源處理棉花盛蕾期(播種后61 d)和初花期(播種后76 d)的干物質(zhì)積累差異較??；盛花期(播種后91 d)后，秸稈(ST)和生物碳(BC)處理棉花各器官及總干物質(zhì)積累量均顯著高于對照(CK)，但ST和BC處理間的棉花干物質(zhì)積累差異不大，僅BC處理莖干物質(zhì)積累高于ST。

中氮(N300)水平下，ST和BC處理棉花莖、葉及總干物質(zhì)積累量在盛蕾期后迅速增加，至棉花吐絮期(播種后136 d)始終明顯高于CK。在盛蕾期和初花期，ST和BC處理棉花蕾鈴干物質(zhì)積累與CK差異不大，但隨后均明顯高于CK?？傮w上，ST和BC處理棉花各器官及總干物質(zhì)積累差異較小。

高氮(N450)水平下，不同碳源處理對棉花干物質(zhì)積累的影響與中氮水平相似，但ST和BC處理間的差異明顯增加。ST和BC處理棉花莖、葉干物質(zhì)積累在盛蕾期和初花期無明顯差異，但初花期以后ST處理棉花莖干物質(zhì)積累量顯著高于BC處理，而葉干物質(zhì)積累量則呈現(xiàn)相反趨勢。在盛花期(播種后91 d)前，ST和BC處理棉花蕾鈴和總干物質(zhì)積累量差異不大，但盛花期后BC處理明顯高于ST處理。

圖1 不同處理棉花植株各器官(莖、葉、蕾鈴)及總干物質(zhì)積累動態(tài)Fig.1 Dynamic of dry matter weight accumulation in stem, leaf and boll per cotton plant under different treatments

2.1.2 棉花干物質(zhì)重 氮肥用量、不同碳源處理及二者交互作用對吐絮初期棉花各器官及總干物質(zhì)重的影響顯著(表1)。總體上，棉花莖干重隨著施氮量的增加顯著增加。在三個施氮水平下(N0、N300、N450)，施用秸稈(ST)和生物碳(BC)均能顯著增加棉花莖的干物質(zhì)重，ST和BC處理棉花莖干重分別較對照(CK)平均增加21.7%和26.6%。交互作用對棉花莖干重的表現(xiàn)為：在N0水下，棉花莖干重以BC處理最高，其次是ST處理，CK最低；在N300水平下，BC和ST處理間差異不顯著，但均顯著高于CK；在N450水平下，ST最高，其次是BC，CK最低。

與莖干重相似，棉花葉、鈴干重均隨著施氮量的增加而增加。與不施氮肥(N0)相比，氮肥用量增加到300 kg/hm2、 450 kg/hm2，相應鈴干重分別平均增加了1.6倍和2.2倍。施用秸稈和生物碳顯著提高棉花葉和鈴干重，ST和BC處理棉花葉干重分別較CK平均(三個氮水平)增加28%和40.4%，鈴干重分別增加31.5%和38.3%。交互作用對棉花葉、鈴干重的影響表現(xiàn)為：在N0水平下，葉干重為BC、ST>CK；而鈴干重在三個碳源處理間差異不顯著；在N300水平下，葉干重表現(xiàn)為BC>ST>CK；鈴干重為ST、BC>CK；而在N450水平下，葉和鈴干重均表現(xiàn)為BC>ST>CK。

施氮量對棉花總干重的影響表現(xiàn)為N450>N300>N0。不同碳源處理對棉花總干重的影響在不同施氮水平下表現(xiàn)有差異：在N0和N300水平下，ST和BC處理棉花總干重差異不顯著，但均顯著高于CK；在N450水平下，棉花總干重以BC處理最高，其次是ST，分別較CK增加了25.2%和14.8%。

表1 不同處理棉花的干物質(zhì)量

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平；*、**、***分別表示碳源、施氮量和二者交互作用對棉花干物質(zhì)重的影響達5%、1%和0.1%顯著水平，ns表示影響不顯著Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that dry matter weights of cotton plants are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

2.2 不同施碳處理對棉花氮素吸收的影響

2.2.1 棉花氮素積累動態(tài) 棉花植株各器官和整株氮素積累動態(tài)與其干物質(zhì)積累動態(tài)的趨勢基本一致(圖2)。不同碳源處理顯著促進棉花植株氮素吸收，在初花期(播種后76 d)以后，秸稈(ST)和生物碳(BC)處理棉花植株莖、葉、蕾鈴的氮素吸收量顯著高于對照(CK)。施氮量對棉花莖、葉、蕾鈴氮素吸收的影響在不同碳源處理間表現(xiàn)一致，N0水平下的棉花莖、葉、蕾鈴氮素吸收量明顯低于N300和N450水平。

在低氮水平下(N0)，盛蕾期(播種后61 d)到初花期(播種后76 d)，不同碳源處理棉花植株莖的氮素分配百分比差異不大，BC處理葉的氮素分配百分比低于CK，而蕾的氮素百分比高于CK。ST處理葉和蕾/花的氮素分配百分比與CK差異不大。盛鈴期(播種后121 d)，ST和BC處理莖、葉的氮素分配百分比顯著高于CK，而鈴的氮素分配百分比與CK處理差異不大。

在中氮水平下(N300)，盛蕾期不同碳源處理棉花植株莖、葉、蕾的氮素分配比表現(xiàn)與盛蕾期低氮水平相似。初花期各施碳處理莖、葉、花的氮素分配百分比差異不大。盛鈴期ST和BC處理莖的氮素分配百分比較CK處理降低，而鈴的氮素分配百分比高于CK處理，葉的氮素分配百分比與CK差異不大。

在高氮水平下(N450)，盛蕾期各施碳處理莖、葉、蕾鈴的氮素分配百分比差異不顯著。初花期各施碳處理棉花莖、葉、花的氮素分配百分比的表現(xiàn)與初花期低氮水平相似。盛鈴期ST和BC處理莖的氮素百分比顯著高于CK處理，而鈴的氮素分配百分比較CK處理降低，葉的氮素分配百分比與CK差異不大。

圖2 不同處理棉花各器官(莖、葉、蕾鈴)氮素累積量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic of nitrogen accumulation amounts in stem, leaf and boll per cotton plant under different treatments

2.2.2 棉花氮素吸收量 棉花氮素吸收受施氮量、碳源處理及二者交互作用的影響顯著(表2)。棉花各器官(莖、葉、鈴)氮素吸收量均隨施氮量的增加顯著增加?？傮w上，不同碳源處理棉花莖、葉、鈴的氮素吸收量表現(xiàn)為BC>ST>CK。交互作用對棉花莖、葉、鈴氮素吸收的影響表現(xiàn)為：在N0水平下，ST和BC處理差異不顯著，但均顯著高于CK。在N300水平下，莖吸氮量BC處理最高，而ST與CK差異不顯著；葉吸氮量在ST和BC處理間差異不顯著，但均顯著高于CK；鈴吸氮量為BC>ST>CK。在N450水平下，棉花莖、葉、鈴的吸氮量均表現(xiàn)為BC>ST>CK。

不同碳源處理對棉花植株氮素吸收總量的影響在不同的施氮水平下有差異：在N0水平下，ST和BC處理棉花總吸氮量差異不顯著，但均顯著高于CK；在N300和N450水平下，植株氮素吸收總量表現(xiàn)為BC>ST>CK，BC和ST處理較CK分別平均增加30.6%和16.2%。

表2 不同處理對棉花氮素吸收的影響

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平；*、**、***分別表示碳源、施氮量和二者交互作用對棉花干物質(zhì)重的影響達5%、1%和0.1%顯著水平，ns表示影響不顯著 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that dry matter weights of cotton plants are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

2.3 產(chǎn)量

棉花單株結鈴數(shù)和單鈴重受碳源處理、施氮量及二者交互作用影響顯著(表3)。棉花單株結鈴數(shù)和單鈴重隨施氮量的增加顯著增加。不同碳源處理對棉花單株結鈴數(shù)和單鈴重的影響在不同氮肥水平下有差異：在N0和N300水平下，BC處理單株結鈴數(shù)最高，其次是ST處理，均顯著高于CK；在N450水平下，BC和ST處理單株結鈴數(shù)顯著高于CK，但前二者之間差異不大。不同碳源處理對棉花單鈴重的影響表現(xiàn)為：在N0和N300水平下， BC和ST處理單鈴重差異不大，但均顯著高于CK處理；在N450水平下， BC處理單鈴重最高，ST與CK差異不顯著。

棉花籽棉產(chǎn)量受碳源處理和施氮量影響顯著，但不受二者交互作用的影響。棉花產(chǎn)量隨施氮量的增加而顯著增加。施用秸稈和生物碳顯著提高棉花產(chǎn)量，ST和BC處理棉花產(chǎn)量分別較CK平均提高了21.8%和32.3%。

2.4 氮肥表觀利用率

3 討論與結論

生物碳具有良好的物理性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)控功能，顯著促進植株生長，提高作物的生產(chǎn)力[17-18]，但作物的生長對生物碳的不同程度的響應還取決于生物碳本身的理化性質(zhì)特征，氣候條件，土壤條件及作物的類型[19-20]。本研究結果表明，在不同氮肥水平下施用秸稈和生物碳都能顯著增加棉花干物質(zhì)重。在低氮肥和中氮肥水平下，整個生育期秸稈和生物碳處理的棉花干物質(zhì)重差異不顯著，至吐絮初期，生物碳處理的棉花干物質(zhì)重較對照平均增加35.2%；在高氮肥水平下，播種后91天(盛花期)后，生物碳處理棉花干物質(zhì)重顯著高于秸稈處理。作物秸稈是土壤中氮素的重要來源，施入土壤后會影響土壤氮素循環(huán)，促進作物對氮素的吸收[21]。本研究中，施用秸稈和生物碳處理的棉花植株氮素吸收量均顯著增加。在低氮肥水平下，秸稈和生物碳處理棉花氮素吸收量差異不顯著，而在中氮肥和高氮肥水平下，生物碳處理棉花氮素吸收量顯著高于秸稈。張萬杰等[22]研究也表明，在不同氮素水平下，施用生物碳可以增加作物氮素的吸收。

表3 不同處理對棉花產(chǎn)量及其構成因子的影響

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平；*、**、***分別表示碳源、施氮量和二者交互作用對棉花產(chǎn)量和構成因子的影響達5%、1%和0.1%顯著水平，ns表示影響不顯著 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level. *, ** and *** indicate that yield and its component of cotton are significantly influenced by C source, nitrogen rate and interaction at the 5%, 1%, and 0.1% levels, respectively; and ns means not significant.

圖3 不同處理對棉花氮肥表觀利用率的影響Fig.3 Nitrogen apparent use efficiency of cotton under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Different letters above the bars mean significant at the 5% level.]

本研究表明，施用秸稈和生物碳均能提高棉花產(chǎn)量。在低氮肥水平下，施用生物碳處理的棉花產(chǎn)量較對照增加36.2%。生物碳與其他有機或無機肥料配施，作物增產(chǎn)效果更佳[23]。本研究中，生物碳與氮肥配施增產(chǎn)效應顯著高于秸稈與氮肥配施，隨著施氮量從300 kg/hm2增加到450 kg/hm2，施用生物碳的棉花產(chǎn)量分別較對照增加37%和24%，生物碳的增產(chǎn)效應隨著施氮量的增加而降低，這與張萬杰等[22]研究一致。有研究表明，施用生物碳可以潛在地減少作物對氮肥的需求用量，提高氮肥利用率[24]。本研究中施用秸稈和生物碳氮肥利用率均得到明顯提高，在中氮肥水平下，施用秸稈和生物碳氮肥當季利用率分別較對照提高了26.8%和12.2%，在高氮肥水平下，施用生物碳氮肥當季利用率較對照提高了18.8%，而秸稈處理與對照差異不大。生物碳與肥料配施的顯著肥效很好地體現(xiàn)了生物碳和肥料的互補或協(xié)同作用，一方面，由于生物碳含有豐富的有機大分子和孔隙結構，施入土壤后又較易形成大團聚體，增加土壤養(yǎng)分離子的吸附和保持[9]，延長肥料養(yǎng)分的釋放期；另一方面，生物碳與肥料配合施用還消除了生物碳養(yǎng)分不足的缺陷，從而降低土壤養(yǎng)分的淋失，提高氮肥的利用率[14]，使作物產(chǎn)量達到最優(yōu)化。

生物碳本身的穩(wěn)定性，能夠有助于碳封存，同時能增加作物產(chǎn)量和減少肥料的利用，被認為是解決全球環(huán)境挑戰(zhàn)的“三贏”方案[25]。本研究條件中，在不同氮肥水平下配施生物碳棉花產(chǎn)量和氮肥利用率均得到顯著提高，但從材料投入價值來看，秸稈碳化制備成生物碳的轉化率為37.5%，那么1 t棉花秸稈可以制備約0.4 t的生物碳，產(chǎn)出率相對較低。其次，從養(yǎng)分保留角度來看，棉花秸稈在450℃下高溫厭氧熱解6 h后，秸稈中的碳素、氮素及鉀素總含量都有不同程度的損失。不同原料在熱裂解過程中氮素的殘留量變化較大，取決于原料和生產(chǎn)條件[26]，且生物碳中的氮素是否能夠被植物或微生物所利用(或者有多少能被利用)尚且缺乏證據(jù)。最后，孟軍等[27]還提出大多數(shù)關于生物碳有助于提高氮肥利用效率的研究都是建立在超量即施用量大于單位面積產(chǎn)出的秸稈所能制備的生物碳的數(shù)量的前提下，這勢必會導致成本上升，也意味著資源的大范圍轉移和集中投入，不符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。秸稈碳化制備生物碳還田不但為秸稈等農(nóng)林業(yè)廢棄物提供了一條變廢為寶的出路，更為提高耕地生產(chǎn)力、促進農(nóng)業(yè)固碳減排提供了有效手段[27]，但考慮到以上因素，正確的對生物碳的可行性和投入價值進行評估顯得尤為重要[28-29]。

本研究通過田間試驗研究表明了不同氮肥水平下，施用棉花秸稈和生物碳均能顯著提高棉花產(chǎn)量和氮肥利用率，為秸稈的資源化利用提供了一定理論依據(jù)，但還需要進一步通過對土壤的理化性質(zhì)、微生物群落等的綜合分析深入研究生物碳對作物的增產(chǎn)機制，以及生物碳對棉花生長的長期影響效應還有待于進一步考證，這對于促進新疆棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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Increase effect of biochar on cotton yield and nitrogen use efficiency under different nitrogen application levels

LIAO Na, HOU Zhen-an*, LI Qi, Ru Si-bo, BO Hui-juan

(DepartmentofResourcesandEnvironmentScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)

【Objectives】 Biochar has a strong ability of carbon sequestration, and can be used to improve soil fertility, and increase crop growth and nutrient utilizing efficiency. The influence of cotton straw and the biochar made from cotton straw on the yield and nitrogen use efficiency of cotton under different nitrogen fertilizer application rates was studied in this paper. 【Methods】 A complete 2×3 random field experiment was carried with cotton as material. Three carbon treatments: cotton straw 12 t/hm2(ST), biochar 4.5 t/hm2(BC) and no straw or biochar(CK); the three nitrogen rates(0, 300 and 450 kg/hm2, denoted as N0, N300 and N450) were completely modular designed. We collected cotton plants for determination of plant dry weight, nitrogen uptake at different growth stages of cotton(full budding, flower emergence, full flowering, full boll and boll opening), and the cotton yield at the cotton boll opening period. 【Results】 The dry matter weights and nitrogen uptakes of cotton were increased significantly by the addition of cotton straw and the biochar. Under low N input(N0), there are no significant differences in dry matter weights and nitrogen uptakes between the cotton straw treatment and the biochar treatment. Under the middle nitrogen level(N300), there is no significant difference either in the dry matter, but the nitrogen uptake in the biochar treatment is significantly higher than in cotton straw treatment. Under the high nitrogen level(N450), both the dry matter weight and the nitrogen uptake in biochar treatment are significantly higher than those in the cotton straw treatment. The cotton yields in the cotton straw and biochar treatments are significantly higher than in control. Under the no fertilization condition(N0), there is no significant difference in the cotton yields between the cotton straw treatment and the biochar treatment, but the cotton yields in the biochar treatment with nitrogen fertilization(N300 and N450) are significantly higher than those in the cotton straw treatments. In the middle nitrogen level(N300), the cotton straw and biochar treatments increase nitrogen use efficiency by 12.2% and 26.8% respectively, compared to the control treatment. On the other hand, when the high nitrogen level(N450) is applied, the improvement in nitrogen use efficiency under the biochar treatment is by 18.8%, but there is no significant difference of nitrogen use efficiency between the cotton straw treatment and the control treatment. 【Conclusions】 The interaction of biochar and nitrogen fertilizer could promote growth and the yield of cotton，and increase nitrogen use efficiency consequently.

biochar; cotton straw; yield; nitrogen application rate; nitrogen use efficiency

2014-03-24 接受日期： 2014-07-18 網(wǎng)絡出版日期: 2015-02-13

國家自然科學基金項目(31160415) 資助。

廖娜(1989—)， 女， 四川宣漢人， 碩士研究生， 主要從事土壤生物與養(yǎng)分調(diào)控研究。E-mail: 18199661090@163.com * 通信作者 E-mail: hzatyl@163.com

S562.01

A

1008-505X(2015)03-0782-10