我国是世界上氮肥消费量最多的国家，并且这种消费量还在进一步增加^[1]。在高施氮量的同时，我国的氮肥利用率却一直较低，仅在30%~35%左右^[2]，而近年来，对设施蔬菜氮肥利用率的研究表明，当季氮肥利用率仅为3.70%～30.80%^[3]。过量施肥导致的结果必然是氮素淋失的加剧。早在1995年，张维理等^[4]对我国北方地下水硝酸盐含量调查结果表明，地下水硝酸盐污染已十分严重。2006年对北京平原农区地下水硝态氮调查表明，过量施用氮肥是地下水硝态氮污染的主要原因^[5]。缓控释肥料在提高氮肥利用率、降低土壤硝态氮累积、减轻地下水硝酸盐污染等方面的作用，受到普遍关注^{[6, 7, 8]}，但传统的缓控释肥料主要由硫包衣、聚烯烃、水乳液等方法实现养分缓控释目的。硫包衣型释放期太短，容易造成土壤酸化；聚烯烃膜材不易降解，污染土壤；水乳液则生产工艺复杂，膜材消耗大，生产成本高。因此，找到一种既廉价，本身对土壤又无副作用的缓释材料是缓控释肥料进一步发展的关键。

生物炭（Biochar）一般指生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在缺氧和相对温度“较低”（<700 ℃）条件下热解形成的产物^[9]，生物炭很稳定，不易被微生物分解^[10]，容重小，表面积大，施入土壤后具有改善土壤理化性质，提高土壤保水、保肥性能^[11]，增加农作物产量^{[12, 13, 14]}等作用，特别是微孔特性使其具备了类似“海绵”一样的作用，可较好地保持水分与空气的融通性，生物炭作为一种新的缓控释肥料的吸附材料被人们关注。生物炭与肥料复合制备炭基肥料主要有掺混、包膜和吸附等工艺，高海英等^[15]通过生物炭与氮肥水溶浸泡吸附后通过扫描电镜分析显示，氮素能进入生物炭孔隙中，从而达到氮素缓慢释放。曾鸿鹄等^[16]、纪锐琳等^[17]、陆燕勤等^[18]通过包膜尿素中加入一定比例的炭粉，并对包膜效果、养分释放、生物利用率等研究发现竹炭包膜尿素在提高肥料利用率、减少氮素淋失方面表现出很好的效果。Steiner等^[19]用掺混法制备的生物炭基复合肥，可显著延长氮素供应期，增加土壤总氮量、有效磷含量，促进作物对氮、磷吸收。生物炭相对于传统的缓控释包膜材料是一种更环保的低成本材料，利用生物炭制备炭基肥料具有广阔的应用前景。目前炭基肥料制备方法和工艺还不成熟，不同工艺方法制备的炭基肥料养分释放特征及农业效果不同。因此，本研究采用熔融高压法制备炭基氮肥，即采用熔融尿素在一定压力下，使熔融尿素在压力条件下进入生物炭空隙中，以期达到更长效释放的炭基肥料，并与传统包膜尿素和两种常用方法制备的炭基肥料水溶浸泡（吸附）和直接复混（掺混）对比，应用于设施芹菜，研究3种不同方法制备生物炭基肥料对芹菜产量、品质和氮素利用的影响。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试肥料为：普通尿素（N 46％）、普通过磷酸钙（P2O5 12％）、硫酸钾（K2O 52%）、控释包衣尿素（由北京市农林科学院植物营养与资源研究所提供，含氮量42%，25 ℃水中60 d释放率为80%）、自制小试炭基尿素，所用生物炭为秸秆和园林废弃树干、枝条混合物在400 ℃限氧条件下热裂解所得（购于北京市大兴区魏善庄镇李家场村生物质气化工程公司），含炭量506.32 g·kg^-1、氮量1.25%、速效钾1 625 mg·kg^-1、速效磷238 mg·kg^-1、交换性钙2.36 g·kg^-1、交换性镁0.74 g·kg^-1、pH（水炭比10∶1）10.84、CEC 13.0 cmol·kg^-1、EC（水炭比10∶1） 4 325 μs·cm^-1。将购得的块状生物炭粉碎，过1 mm筛，备用。

熔融高压生物炭基尿素制备：生物炭和尿素粉碎1∶1混合，将混合的生物炭与尿素放入高压锅内，设置温度为110 ℃，0.045 MPa保持10 min，使尿素熔融并保持压力，以期达到熔融尿素进入生物炭空隙结构和表面吸附。待高压锅冷却后取出，将高压吸附后的生物炭基尿素再次粉碎，测定含氮量为22.17%。

水溶浸泡生物炭基尿素制备：将尿素溶于一定体积的去离子水，加入与尿素相同质量的粉碎的生物炭，让生物炭与尿素溶液充分混合，浸泡24 h后，将浸泡的生物炭尿素于80 ℃烘箱中烘干，烘干后的水溶浸泡生物炭基尿素再次粉碎，测定含氮量为24.49%。

直接混合生物炭基尿素制备：将生物炭和尿素分别粉碎，然后将等重量的生物炭和尿素粉末少量分次充分混匀，测定含氮量为24.67%。 1.2 试验设计

田间小区试验于2013年4—6月在北京市大兴区长子营镇河津营村北京绿福蔬菜产销专业合作社进行，芹菜于2013年1月25号育苗，4月16日定植，苗龄80 d。试验地为南北向春秋大棚，前茬为生菜，0~20 cm土壤的基本理化性质为：硝态氮149.78 mg·kg^-1、速效钾144 mg·kg^-1、速效磷45.53 mg·kg^-1、pH 5.7、有机质21.3 g·kg^-1。

试验设置6个氮肥处理，分别为：不施氮肥对照处理（CK）、普通尿素（U）、包衣尿素（SU）、熔融高压制备生物炭基尿素（YA）、水溶浸泡制备生物炭基尿素（PAO）、粉碎后直接混合制备生物炭基尿素（HUN）。除对照外，各肥料处理为等氮量，氮肥施用量为300 kg N·hm^-2，各处理磷、钾肥施用量一致，分别为磷（P2O5） 75 kg·hm^-2、钾（K2O） 150 kg·hm^-2，其中，磷肥（普钙）全部作基肥一次性施入，氮、钾肥（硫酸钾）分基施和2次追施，基施与追施比例5∶3∶2，其中追肥用普通尿素分别于定植后35 d和50 d追施。每个处理设置3次重复，共18个小区，小区面积27 m^-2（1.5 m×18 m），每个小区随机区组。 1.3 样品采集与处理

芹菜收获时，每个小区收获1.5 m^-2（1.5 m×1 m）地上部所有生物量，用于测定该小区代表性产量，另连续取10株，测定单株重。每个小区取3株芹菜收集后取回实验室测定含水量，烘干后用于测定植株含氮量，另取3株去除叶片，取芹菜茎食用部分用于测定硝酸盐和Vc含量。

土壤样品采集：各处理分别于追肥前和收获后以20 cm分层取样，采集0~100 cm土壤样品。 1.4 测定方法

叶绿素测定：叶绿素采用非损伤SPDA-502叶绿素计测定，为避免叶龄、叶片位置不同对测定结果的影响，测定是选取朝向、长势基本一致的由上往下第3~4片叶；植株全氮：采用H2SO4-H2O2消煮，半微量凯氏定氮法测定；植株硝酸盐：采用比色法；Vc测定：采用2，6-二氯靛酚滴定法；土壤硝态氮：采用双波长紫外分光光度法测定。

氮肥利用率（%）=（施氮处理植株地上部总吸氮量－氮素对照植株地上部总吸氮量）/施氮量×100。 1.5 统计分析 试验数据用SPSS 16.0 for Windows统计软件进行方差分析，差异显著性比较采用Duncan法，绘图使用Excel 2003软件。 2 结果与分析 2.1 生物炭基肥料对芹菜叶绿素含量的影响

施用氮肥提高芹菜叶片叶绿素含量见图 1。定植30 d后，3种不同方法制备的生物炭基尿素与不施氮肥相比显著增加了芹菜叶片叶绿素含量，而尿素和包衣尿素对叶绿素含量的增加效果不显著；施用氮肥收获期都显著增加芹菜叶片叶绿素含量，但各施用氮肥处理间差异不显著。

直方图上方不同字母表示不同肥料处理间差异显著 （P<0.05 ） 。下同图 1 不同肥料处理芹菜叶片叶绿素含量 Figure 1 SPDA value of celery under different fertilizer treatments

图选项

施用氮肥提高芹菜单株重见图 2。施用3种生物炭基氮肥和包衣尿素都不同程度增加芹菜单株重，但各施氮处理间差异不显著，3种生物炭基氮肥中，水溶浸泡生物炭基尿素对芹菜单株重增加量最大。

图 2 不同肥料芹菜单株重量 Figure 2 Weight per plant of celery under different fertilizer treatments

图选项

本试验芹菜产量为67~87 t·hm^-2（图 3），施用氮肥显著增加芹菜产量。缓释肥和3种生物炭基氮肥芹菜产量都显著高于尿素处理，3种炭基肥料中，浸泡方法制备的生物炭基尿素（PAO）芹菜产量最高，比施用尿素增加18.66%，其余处理依次是熔融高压制备生物炭基尿素（YA）、尿素和生物质直接混合（HUN）、包衣尿素（SU），分别增加14.90%、10.85%和6.73%。

图 3 不同肥料芹菜产量 Figure 3 Yield of celery under different fertilizer treatments

图选项

施用氮肥增加芹菜硝酸盐含量见表 1。其中施用普通尿素处理芹菜硝酸盐含量最高，达到1 266.80 mg·kg^-1，包衣尿素和炭基肥料显著降低芹菜硝酸盐含量，3种生物炭基尿素中，尿素与生物炭直接混合处理芹菜硝酸盐含量最高，熔融高压制备的生物炭基尿素（YA）和水溶浸泡制备的生物炭基尿素（PAO）处理芹菜硝酸盐含量降低最多。施用氮肥提高芹菜Vc含量，但包膜尿素没有显著提高，而3种生物炭基尿素都显著增加芹菜Vc含量，其中水溶浸泡制备的生物炭基尿素对芹菜Vc含量的增加最为显著。

表 1 不同肥料处理芹菜可食部分硝酸盐和 Vc 含量 Table 1 Nitrate and Vc contents in edible parts of celery under different fertilizer treatments

表选项

包膜尿素和生物炭基氮肥增加芹菜吸氮量和肥料利用率见表 2。各施肥处理氮素利用率都相对较低，为3.19%~14.29%，其中，普通尿素（U）的氮素利用率仅为3.19%，氮素利用率最高的为浸泡法制备的生物炭基（PAO）氮素，氮素利用率为14.29%，比施用普通尿素氮素利用率提高11.10%。

表 2 不同肥料处理芹菜吸氮量及肥料利用率 Table 2 N uptake and use efficiency of celery under different fertilizer treatments

表选项

不施氮肥CK处理，不同土层土壤硝态氮含量相对稳定，2次不同时期监测都没有显著变化（图 4），基施等氮量不同种类氮肥后，各层次土壤中硝态氮含量都有所增加，其中，0~20 cm表层土壤施用3种不同方法制备的生物炭基尿素硝态氮含量最高，YA>HUN>PAO，分别为117.97、108.77 mg·kg^-1和98.77 mg·kg^-1；而施用包衣尿素土层硝态氮含量相对较低，仅为56.95 mg·kg^-1，这可能由于包衣尿素氮素缓慢释放。施用尿素表层土壤低于3种生物炭基尿素，但20 cm以下各层土壤硝态氮都显著高于其余各种氮肥，表明，施用尿素容易引起氮素的淋溶，导致氮素向下迁移，而3种生物炭基尿素和包衣尿素都能有效增加氮素在土壤表层的累积，减少氮素向下层土壤淋失。芹菜收获后，除了表层外，施用尿素20 cm以下土壤硝态氮含量都高于其他4种氮肥；3种生物炭基尿素各土层中硝态氮含量相对平衡，包衣尿素在60~80 cm土层硝态氮含量有所增加，可能由于追肥以及包衣尿素长期释放后向下迁移累积的作用。

图 4 不同肥料处理 0~100 cm 土层土壤硝态氮含量变化趋势 Figure 4 Soil NO3--N content in 0~100 cm soil layers at growth stage （ left ） and harvest stage （ right ） under different fertilizer treatments

图选项

本研究以生物炭为肥料载体，通过熔融高压、水溶浸泡、直接掺混3种不同方法制备炭基尿素，作为底肥应用于芹菜种植中，并与等施氮量的普通尿素和包衣尿素进行对比，研究炭基尿素对芹菜生长、产量、品质和氮素利用与迁移的影响。结果表明，生物炭基氮肥能促进芹菜生长，增加芹菜产量，改善品质，提高氮肥利用率，减少氮素向下土层淋失。

叶绿素含量影响植物光合作用，而植物叶片叶绿素含量和叶片N素营养有很好的相关性^[20]，本研究中定植30 d后施氮肥处理都增加了芹菜叶片叶绿素含量，但普通尿素和包衣尿素处理叶绿素含量增加不显著，而3种炭基尿素处理芹菜叶绿素含量都显著增加，结合追肥前表层土壤硝态氮含量可以看出（图 4），3种炭基尿素在追肥前土壤硝态氮含量显著高于对照、普通尿素和包衣尿素，炭基尿素持续供氮保证了芹菜前期生长对氮素的需求。炭基肥料提高作物产量，在小麦和糜子等作物也多有报道^[21]，在施用等氮量的情况下，生物炭基氮肥提高农作物产量的原因可能在于生物炭基氮肥中的生物炭提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性状^{[22, 23]}，另外，生物炭本身含有一定的K、Ca、Mg等元素也能促进芹菜生长^[24]。3种不同方法制备生物炭基氮肥增产效果不同，水溶浸泡方法制备对芹菜产量增加最多，其次是熔融高压制备生物炭基尿素和直接混合制备生物炭基尿素，可能由于生物炭本身是疏水表面，而水溶浸泡后，一定程度降低了生物炭本身的疏水性，施入土壤后能够吸收土壤水分，促进养分释放，发挥生物炭与肥料综合效应，3种不同炭基尿素对芹菜产量差异是否与炭基尿素养分释放有关还有待进一步研究。

对芹菜硝酸盐含量和Vc含量的研究表明，炭基尿素还能提高芹菜的品质。不同施肥量、氮肥品种影响作物硝酸盐的含量^[25]，本研究中，3种炭基尿素和包衣尿素比普通尿素显著降低芹菜硝酸盐含量，说明改变尿素形态缓慢供应作物对氮素的吸收，能减少芹菜硝酸盐累积。植物Vc含量与氮素具有密切关系，Sharon B Horniek发现施给植物过量的氮肥，会使蔬菜叶内维生素C 含量减少^[26]，本研究中，芹菜总施氮量为300 kg N·hm^-2，施肥处理Vc含量比对照高，说明不存在过量施用氮肥，而不同肥料处理间芹菜Vc含量存在显著差异，3种炭基尿素都高于包衣尿素、普通尿素和不施氮肥处理，其原因可能由于生物炭本身含有少量的中微量元素，有利于芹菜养分供求平衡，从而提高芹菜品质。

本研究中，当季氮肥的利用率为3.19%~14.29%，氮肥的利用率较低，这可能由于试验大棚为常年种植蔬菜，不施氮肥并未表现出明显缺氮症状，对照处理产量没有明显降低。与普通尿素相比，包衣尿素和炭基尿素氮素利用效率明显提高，其原因在于炭基尿素和包衣尿素提高了产量，另一原因在于炭基尿素和包衣尿素对氮素具有缓释作用，减少氮素向下层土壤淋失，从追肥前土壤氮素在土层分布情况可以明显看出炭基氮肥在表层0~20 cm土层明显富集，而包衣尿素硝态氮含量并不高，主要在于包衣尿素氮素释放缓慢，炭基尿素虽然具有缓释作用，同时生物炭对土壤养分具有保持（保肥）的作用^[10]。尿素追肥后各处理在40~60 cm土层硝态氮都有一定累积，说明追施尿素后都引起一定程度氮素流失。炭基肥料的研发目前还处于起步阶段，制备出来的肥料差异比较大，还没有完善的标准体系，进一步研究炭基氮肥制备、养分释放等，实现炭基肥料的一次性施肥，对减少追肥劳动力投入、提高养分利用效率、减少养分流失、及生物炭在农业的合理利用具有重要的意义。 4 结论

采用熔融高压、水溶浸泡、直接混合3种不同工艺制备生物炭基尿素并作为基肥施用于芹菜，炭基尿素促进芹菜生长，显著提高芹菜产量；降低芹菜硝酸盐含量，提高芹菜Vc含量，改善芹菜品质；炭基肥料还能保持氮素养分在土壤表层富集，减少氮素向土壤下层淋失，提高氮素利用效率。比较3种不同方法制备的炭基肥料，水溶浸泡方法制备的炭基肥料农用效果最好。