生物炭是农林废弃物在高温缺氧的环境下裂解形成的高碳产物，具有高比表面积，孔隙结构^[1]，是减少温室气体排放的有效途径^[2]。 生物炭一方面利用其制备过程的缺氧条件，减少温室气体的排放，提高农林废弃物的利用率，变废为宝^[3]； 另一方面利用其自身的特殊结构、 所含有的养分改良农业土壤，提高农业土壤肥力^[4]。 近年来在农业上有较大范围的应用，均对作物产量提高具有较明显的作用^[5]。

杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是我国南方重要的速生造林树种，经济价值高。 近年来杉木连栽导致土壤肥力下降，木材产量下降^[6]。 氮素是树木生长必须的大量元素之一，是植物重要的构成物质。 施用氮肥是补充土壤中氮素的重要手段，尿素作为一种广泛施用的氮肥，在土壤中利用率较低，且易流失导致土壤中养分失衡，水体富营养化^[7]。 一些研究表明生物炭可以影响土壤中氮素循环^[8]，其特殊的多空隙结构以及表面功能团可以吸附氮素物质，减少流失，而且生物炭可以改变土壤物理环境，影响土壤微生物群落组成，间接影响土壤氮素循环^[8]。 目前有关生物炭的研究主要集中在农业方面，林地方面的应用较少，特别是不同类型生物炭对不同发育阶段杉木人工林土壤长期生产力影响方面的研究甚少。 有鉴于此，文中在福建农林大学三明莘口教学林场选择3种不同林龄的杉木人工林样地，连续3 a进行不同类型生物炭对土壤不同形态氮素的影响进行研究，旨在为揭示生物炭对杉木人工林土壤氮素影响，为农林废弃物的资源化利用以及生物炭在杉木人工林地上的应用提供理论依据。

试验地设在福建省三明市莘口教学林场洋顶工区(北纬26°09′，东经117°28′)，该区为中亚热带季风气候，年平均气温19.4 ℃，年平均降水量1 620 mm，年平均日照时间1 872 h，海拔210~1 500 m。 其土壤类型为粉砂岩发育的山地红壤，林下植被主要有芒萁[Dicranopterisdichotoma (Thunb.) Bernh.]、 山苍子[Litsea cubeba (Lour.) Pers.]、 狗脊[Cibotiumbarometz (L.) J. Sm.]、 乌蕨[Stenolomachusanum(Linn.)Ching]等。

2012年12月7日，在三明莘口教学林场内选择立地条件、 土壤条件相近的不同发育阶段杉木人工林设立样地，分别选取杉木幼龄林(2005年造林)、 中龄林(1995年造林)、 老龄林(1978年造林)3种发育阶段，设计施木炭、 竹炭及不施生物炭(对照)的3种处理，每个处理重复3次，共设27块样地，每块样地面积20 m×20 m。 按照12 t·hm^-2的标准施木炭和竹炭，因受样地条件限制，施炭方式为抛施。 试验采用的生物炭以杉木和毛竹(杉木与毛竹作为南方部分林场主要产品，生产过程中农产品废弃物较多,应用前景广阔)为原料，传统土窑生产的木炭和竹炭，其基本性质见表 1。 在施用生物炭后，每年12月对样地中土壤进行全氮、 水解氮含量的测定，探索生物炭对土壤中氮素的影响。 土壤无机氮是植物可以直接吸收的主要氮素养分，其中铵态氮、 硝态氮是无机氮的主要成分，在2015年冬季(12月)对样地土壤中硝态氮及铵态氮含量进行测定。

在不同发育阶段杉木人工林样地内，分别在施用生物炭后1、 2、 3 a，即2013年12月、 2014年12月、 2015年12月，采用“S”形布点取混合样品，分别在0~20 cm、 20~40 cm、 40~60 cm土层进行取样，在部分取样土壤中发现未分解的生物炭， 在去除生物炭后，将相同层次的土壤等比例混合后，风干过筛后用于测定土壤全氮、 水解氮的含量。 其中在2015年12月，部分土样混合后放入-4 ℃冰箱贮存，用于土壤铵态氮、 硝态氮等无机氮组分含量测定。 土壤全N采用CN元素分析仪(ELEMENTAR公司Vario MAX CN)测定； 水解氮采用碱解-扩散法测定； 土壤铵态氮、 硝态氮使用2 mol·L^-1KCl浸提，水土比为10:1，之后使用流动分析仪(德国布朗卢比公司，AA3型)测定。

利用Excel 2010软件对数据进行初步分析及作图； SPSS 18.0软件对数据进行处理分析，多重比较采用最小显著差异法(least significant difference，LSD)以及多因素分析。

多因素方差分析(表 2)表明，不同施炭处理对杉木人工林土壤全氮含量影响较小，土壤全氮含量受发育阶段、 土壤层次影响较大，施炭处理与其他3个因素对全氮含量交互作用均为不显著。 如表 3所示，生物炭在杉木人工林不同发育阶段影响不同： 在幼龄林中施加生物炭增加土壤全氮含量，且随着施炭时间增加，生物炭的影响逐渐深入土壤； 中龄林中生物炭对土壤全氮含量影响主要集中在表层，全氮含量先增加后减少； 生物炭对老龄林影响始终较小，施炭处理与对照无显著差异。

施用生物炭1 a后(2013年)对土壤全氮含量影响较小，对不同发育阶段杉木人工林土壤0~20 cm表层全氮含量有所影响，但无显著变化； 在20~40 cm和40~60 cm土层的全氮含量基本无明显变化。 施用生物炭2 a后(2014年)，在幼龄林20~40 cm土层施炭处理与对照的全氮含量有显著提高，其余无显著差异； 不同处理(包括对照)土壤0~20 cm表层中的全氮含量均为增加，其中施炭处理在0~20 cm土层中全氮含量均比对照高。 在2015年，施炭处理相对对照在0~20 cm土层中，全氮含量仍较高，但均无显著差异； 土壤中全氮含量虽与2014年相比，多数无显著差异，但总体呈下降趋势。

多因素方差分析(表 2)表明，施炭处理与发育阶段、 土壤层次对土壤水解氮含量的交互影响作用达到显著水平，但三者之间的交互作用不显著。 如表 4所示，施用生物炭1 a后(2013年)，生物炭对水解氮含量的影响主要集中在表层，竹炭处理与木炭处理相比对照均有显著增加； 但是在20 cm以下土层中，水解氮含量无显著变化。 在2014年，施炭处理与对照相比，仅有幼龄林木炭处理较对照在0~20 cm土层水解氮含量显著提高; 与2013年相比，除幼龄林木炭处理0~20 cm土层水解氮含量降低了13.9 mg·kg^-1，无显著差异外，其余施炭处理表层水解氮含量均显著降低。 在2015年，幼龄林、 老龄林0~20 cm土层中竹炭处理相比对照，水解氮含量分别提高了17.74、 29.32 mg·kg^-1； 不同发育阶段水解氮增减趋势有所不同，幼龄林0~20 cm土层中，2种施炭处理水解氮含量仍在下降中，其中木炭处理下降幅度变大，竹炭处理下降幅度减小，仅为3.8 mg·kg^-1； 中龄林中2种施炭处理水解氮含量在0~20 cm、 20~40 cm土层均有增加，与对照无显著差异； 老龄林0~20 cm土层中，竹炭处理较2014年水解氮含量增加了12.20 mg·kg^-1，而木炭、 对照则都有少量的下降。

如表 5所示，施用生物炭对杉木人工林在不同发育阶段铵态氮含量影响有所差别。 在杉木人工林幼龄林中，木炭处理40 cm以上土层相比对照铵态氮含量均有显著降低； 竹炭处理对铵态氮含量影响则较大，竹炭处理较对照铵态氮含量在0~20 cm土层有少量增加，但是在20~40 cm土层有所降低。 在中龄林中，铵态氮含量竹炭处理除在0~20 cm土层中高于对照2.31 mg·kg^-1外，其余层次均比对照低，分别低1.74、 1.69 mg·kg^-1。 施用生物炭对杉木人工林老龄林影响较小，不同处理之间未有显著差异。 多因素方差分析(表 2)表明，不同施炭处理、 发育阶段、 土壤层次对杉木人工林土壤铵态氮含量受影响较大； 施炭处理与其他2个因素对铵态氮含量交互作用均为不显著。

如表 6所示，在杉木人工林幼龄林中，木炭处理的硝态氮含量较对照在3个土壤层次都有所提高，其中在40~60 cm土层中提高了0.96 mg·kg^-1，达显著差异； 竹炭处理的硝态氮含量相比对照除在20~40 cm土层中高了0.21 mg·kg^-1外，其余2个层次仍比对照低。 与幼龄林相比，中龄林2种施炭处理的硝态氮含量则均比对照高，其中0~20 cm土层中，木炭处理与竹炭处理分别比对照高0.23、 0.47 mg·kg^-1，同时，木炭处理在20~40 cm土层比对照高了0.61 mg·kg^-1，为显著差异。 老龄林中硝态氮含量明显高于幼、 中龄林，在0~40 cm土层中，2种施炭处理与对照相差较小，在40~60 cm土层中2种施炭处理与对照有显著差异。

生物炭是一种含碳量高的物质，其中氮元素含量相对较低，试验中使用的生物炭全氮含量为7~9 g·kg^-1。 土壤中全氮含量平均为1.65 g·kg^-1，相比之下，生物炭施用量较小，对土壤全氮含量影响较小。 在不同发育阶段中，施用生物炭对幼龄林土壤全氮含量影响较大，并且在3 a后40~60 cm土层中全氮含量提高。 而相对幼龄林，中龄林、 老龄林，土壤全氮含量变化主要集中在40 cm土层以上。 这可能是幼龄林中林下植被种类多，土壤动物较多，导致幼龄林生物炭向土壤较深层次转移。

生物炭在施入土壤中可以利用其自身多空隙结构的特征，改变土壤的物理性质，增加土壤孔隙度，为微生物提供较好的栖息环境，提高水解氮转化速率^[9]。 施用生物炭1 a后，不同发育阶段的杉木人工林水解氮含量在0~20 cm土层均有显著提高，但是在第2年后，土壤受到野外环境不同条件影响，逐步回归稳定状态，这也与VICTORIA et al^[10]野外试验结果相符。

无机氮是植物吸收氮元素的主要来源，红壤中的无机氮主要为铵态氮与硝态氮。 根据张彦东等^[11]、 向升华等^[12]的研究表明，针叶林相对营养需求量较低，偏好铵态氮。 盖霞普等^[13]的研究，添加生物炭可以显著减少铵态氮的淋失量。 生物炭在制备过程中多数为碱性，能够提高土壤中pH，间接激发土壤中氮素的矿化作用^[14]。 试验中竹炭对铵态氮含量影响多为正增长，也证明了这一点，但是木炭影响多为负增长，试验所用木炭为杉木制备，且试验样地为2代林，杉木种植前经过炼山过程，土壤中含有类似制备生物炭物质，同样性质的木炭加入可能对土壤中部分养分转化过程产生未知影响。 相比铵态氮，本试验中，生物炭对硝态氮含量影响较小，这可能与酸性红壤中硝态氮含量较低有关。

竹炭对杉木人工林改良作用在大部分指标高于木炭，根据类似研究^{[3, 15]}，原因可能是竹炭在进入土壤中带入了杉木人工林土壤缺少的部分元素，刺激土壤中部分微生物的增长，导致无机氮的增加； 也可能是竹炭的结构异于木炭，竹炭表面积更大，可以吸附更多的养分元素。 生物炭固氮作用以及改良土壤化学性质的作用，因野外环境多变，生物炭对氮素形态影响与一些类似的短期室内试验培养结果尚有矛盾冲突^[16]。 因此，在今后的深入研究中，应着重探索生物炭在野外复杂环境下的转变以及对土壤性质的影响，并在一定程度条件下配合室内试验。

综上所知： 施用生物炭对杉木人工林不同发育阶段影响中，幼龄林>中龄林>老龄林； 2种类型生物炭对比而言，竹炭对土壤改良作用优于木炭，不同形态氮素含量指标高于对照； 而木炭对土壤中不同形态氮素含量提高较小，且部分指标较对照处理有所下降。