在农田生态系统中，氮素的固定、同化为核心的光合作用是植物生命活动最基本的物质和能量来源，也是地球系统中最为重要的化学反应^[1]。氮素施入土壤后被作物利用效率的高低受多重因素的影响，其中包括施肥方式^[2]、气候条件^[3]、农田水分^[4]、土壤结构状况等。氮肥的利用效率表明了作物对土壤以及肥料中氮素的吸收能力，同时，氮素的吸收积累是作物产量形成的基础，探究其吸收累计规律有助于揭示作物增产与养分高效利用的协同效应关系^[5]。与此同时，随着农业耕作方式的发展以及调控模式改良，如何有效地调节土壤结构组成、酸碱程度以及养分状况成为众多学者关注的要点。而生物炭作为一种新型环境功能材料，具有多微孔结构丰富和比表面积大等特点，能够有效调节土壤结构^[6]。生物炭具有一定的固持能力，减少土壤氮素的无效流失，确保土壤对作物进行充分的养分补给，进而提升土壤养分利用效率^[7]。

近些年来，随着农田土壤覆盖调控技术研究的不断深入，国内外学者对秸秆和生物炭调节下土壤水、热、养分变异规律及作物生长特征展开了研究。首先，秸秆覆盖作为传统的作物栽培技术，其具有较好的保墒、增温效果，并且可以显著提高作物产量和水分利用效率^[8]，秸秆具有易腐烂、对农田污染小的优势，可以有效的增加土壤的矿质态氮、全氮以及有机碳含量^[9]。Ram等^[10]发现，适宜的秸秆覆盖量可调节土壤温度，改善土壤微环境，提高作物产量；高敬尧等^[11]研究发现，生物炭的多孔结构能够改善土壤呼吸状况，土壤中碳氮比例提升，并且微生物碳的固持效应也在一定程度上提高土壤养分含量。Bruun等^[12]通过试验发现，适当生物炭覆盖提高土壤质量，促进植株干物质的积累。综上所述，以往的研究大多侧重于秸秆和生物炭覆盖对土壤理化特性和植物生理过程的影响，而植株与土壤之间协同效应关系更多的是依赖于土壤肥料的利用效率。

研究区位于吉林省西北部、科尔沁草原东北的白城市通榆县，该区域的地理位置为E122°02′，N44°13′，区域内地势平坦，适合农作物种植生产。通榆县属于温带大陆性季风气候，全年绝大部分时间降水来自西风带，特殊的地理环境形成了本地“光照充足，降水变率大，旱多涝少”的气候特点。多年平均降雨量为332.4 mm，水面蒸发量为650 mm，并且降水主要集中在7、8月份，约占全年总降水量的70%以上。试验区内的主要土壤类型为黑壤土，有机质质量分数为37.82 g/kg，碱解氮为156.22 mg/kg，速效磷和速效钾分别为29.65和138.46 mg/kg。

该试验于2017年4—10月之间进行，在试验过程中，采用二因素随机区组，共设置了27个试验小区，每个试验小区的规格设置为6 m×8 m，为了避免各个小区之间的水、盐相互迁移扩散影响，在每个试验小区的边界处设置了1 m宽的塑料隔水薄膜。结合区域的种植特点和土地状况，在前一年收获期完成后，分别设置了生物炭调控、生物炭与秸秆联合调控、秸秆调控这3种调控模式，定义这3种调控模式分别为M1、M2和M3。同时，在每种调控模式下分别设置3种施加量水平，其施加量分别为6、12、18 t/hm²，分别定义3种梯度水平为F1、F2和F3，并且每种处理进行3次重复试验。其中，试验设置所使用的生物炭是采用玉米秸秆，经过高温无氧环境裂解而成，并且采用旋耕机对土壤深耕处理，将生物炭与土壤进行充分的混合。另外，秸秆调控处理是将玉米秸秆未经处理，直接粉碎将其于土壤均匀混合。而M2调控处理下，其生物炭和秸秆的使用量分别为M1和M3的1/2。在每个小区内设置一个微型小区，微型小区通过长3 m、宽3 m、高0.35 m的PVC板围挡而成。

与此同时，试验玉米选用的品种为“吉农玉898”，在播种前(5月2日)进行基本施加，拔节期(7月15日)进行追肥，并且设置基肥与拔节肥的比例为2 :1。参考当地土壤类型以及传统施肥经验，试验所使用的氮肥为尿素、磷肥为P₂O₅，钾肥为K₂O，基肥采用3种肥料混合，而拔节肥则是单独追加尿素。各种处理条件下化肥的使用量相同，并且折算成元素的量为纯氮素120 kg/hm²，纯磷素为80 kg/hm²，纯钾素为100 kg/hm²。微型小区内施用的氮肥为10.22%丰度的¹⁵N标记尿素。在试验过程中，为了有效地揭示标记氮素在土壤中的迁移扩散规律，参考对作物养分运移贡献较大的土层区间范围，设置取土深度分别为10、20、30、40、50、60、70、80 cm，并且每隔7 d进行一次土壤样品采集。从植株生长的苗期开始，收集植株的地上和地下部分，对植株各器官进行分离，同时，对其进行洗净、杀青、烘干处理，测定植株的氮素和¹⁵N的含量水平，采样时间间隔同样设置为7 d。土样和植株的样品采集均进行3次重复，取测试结果的平均值。

借助AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，Germany)测量土壤中硝态氮和铵态氮的含量。采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法和AA3型连续流动分析仪联合测定植株各器官全氮的含量。同时，借助元素分析仪(Flash 2000 HT, Thermo Fisher Scientific, USA)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage, Thermo Fisher Scientific, USA)联用的方法测定各个时期土壤和植株各器官¹⁵N丰度。

采用EXCEl 2013对试验数据进行收集与整理，运用SPSS 13.0(SPSS, Chicago, IL, USA)对指标值进行单因素方差分析，同时，借助Duncan多重比较分析方法进行各处理的显著性差异分析，最后通过Origin 2018进行绘图。

在研究中，为了有效地揭示不同调控模式下土壤无机氮质量分数水平，分别统计了不同时期土壤0~80 cm土层区间无机氮质量分数的平均值(图 1)。由图 1(a)可知，在不同玉米生育期内，随着生物炭含量的增加，土壤无机氮质量分数表现出增加的趋势。以拔节期为例，M1F1处理条件下土壤无机氮质量分数为101.49 mg/kg，随着土壤中生物炭含量的增加，在M1F2和M1F3处理条件下，土壤中无机氮质量分数分别相对于M1F1增加了6.27和11.17 mg/kg，表现出逐渐增加的趋势。在成熟期内，无机氮质量分数与拔节期表现出相同的变化趋势，且其整体水平相对于拔节期有所提升。同理，分析图 1(b)和(c)可知，在生物炭与秸秆联合调控以及秸秆调控处理下，土壤中无机氮质量分数趋势变化与生物炭调控情况下相似，并且，在生物炭与秸秆联合调控下，土壤中无机氮质量分数水平最为显著，而在秸秆调控作用下，无机氮质量分数水平最低。

图 1(Fig. 1)

小写字母表示不同处理之间的差异显著性。M1为生物炭调控，M2为生物炭与秸秆联合调控，M3为秸秆调控，F1为6 t/hm2，F2为12 t/hm2，F3为18 t/hm2。下同。 Different lowercase letters in the same row indicate the marked difference at 0.05 level. M1 refers to biochar regulation treatment, M2 refers to combined regulation of biochar and straw treatment, M3 refers to straw regulation treatment, F1 refers to 6 t/hm2, F2 refers to 12 t/hm2, F3 refers to 18 t/hm2. The same below. 图 1 不同处理条件下土壤无机氮变异状况 Fig. 1 Variation of soil inorganic nitrogen under different treatment conditions

通过上述分析可知，在作物生育期内，生物炭以及秸秆的调控措施显著提升了土壤无机氮质量分数。其中，生物炭与秸秆联合调控模式下土壤氮质量分数体现出明显的优势，并且随着生物炭与秸秆覆盖量的增加，土壤氮素的矿化能力增强。

在分析土壤中氮素含量变化特征的基础之上，进一步探究植株体内氮素的累积状况(图 2)。首先，在M1F1处理条件下，植株氮素的积累量为216.58 kg/hm²，随着土壤中生物炭含量的增加，在M1F2和M1F3处理条件下，植株中的氮素的积累量分别相对于M1F1增加了27.51和46.13 kg/hm²，M1F3处理条件下体现出较强的优势。在生物炭与秸秆联合调控下，其土壤氮素含量水平相对于生物炭调控处理有所提升，随着生物炭与秸秆覆盖量的增加，植株氮素含量同样呈现出增加趋势。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同处理条件下植株氮素积累量 Fig. 2 Nitrogen accumulation in plants under different treatment conditions

与此同时，分析植株各个器官中氮素来源(表 1)。以植株根系为例，在M1F1处理条件下，根系中氮素来源于标记氮肥的量为8.68 kg/hm²，而随着土壤中生物炭含量的增加，在M1F2和M1F3处理条件下，根系中氮素来源于标记氮肥的量分别相对于M1F1增加了1.26和2.10 kg/hm²，植株根系对土壤中标记氮肥的吸收能力逐渐的增强。在生物炭与秸秆联合调控作用下，根系对标记氮素的吸收能力相对于生物炭调控显著增强，并且随着生物炭与秸秆覆盖量的增加，植株根系对土壤中标记氮肥的吸收能力同样表现出增强的趋势。而在秸秆覆盖处理条件下，根系对土壤中标记氮肥的吸收能力减弱，但其与生物炭调控以及生物炭与秸秆联合调控处理下表现出相同的变化趋势。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同处理条件下植株氮素来源分析 Tab. 1 Plant nitrogen sources under different treatment conditions  kg/hm2 处理方式 Treatment 根系Root 叶片Blade 茎秆+叶鞘 Stem+leaf sheath 籽粒Grain 苞叶+穗轴Loquat+cob 源于土壤 From soil 源于氮肥 From nitrogen fertilizer 源于土壤 From soil 源于氮肥 From nitrogen fertilizer 源于土壤 From soil 源于氮肥 From nitrogen fertilizer 源于土壤 From soil 源于氮肥 From nitrogen fertilizer 源于土壤 From soil 源于氮肥 From nitrogen fertilizer M1F1 15.96 8.68 29.75 6.23 52.57 12.04 56.28 15.26 16.59 3.22 M1F2 17.43 9.94 34.79 6.65 65.03 12.95 58.24 17.08 18.27 3.71 M1F3 18.41 10.78 38.01 7.70 67.97 14.56 60.06 19.95 21.21 4.06 M2F1 19.18 10.43 33.95 7.63 68.32 13.16 65.94 17.71 21.56 3.92 M2F2 18.46 12.22 33.09 9.54 70.26 15.49 64.05 21.77 22.96 4.41 M2F3 16.60 15.32 35.73 11.45 70.43 18.68 63.94 24.75 24.46 5.29 M3F1 11.83 7.84 27.09 5.46 40.67 10.50 42.21 13.30 15.54 3.01 M3F2 15.47 8.61 35.14 6.09 58.17 11.69 58.10 15.75 23.24 3.43 M3F3 16.24 9.73 36.54 7.21 66.36 12.67 59.08 18.55 26.25 3.64

表 1 不同处理条件下植株氮素来源分析 Tab. 1 Plant nitrogen sources under different treatment conditions  kg/hm2

综合上述分析可知，生物炭的调控作用能够提升土壤氮素的固持能力，增强了植株根系对土壤养分的汲取能力，并且在生物炭与秸秆联合调控作用下，植株氮素的积累效果最为显著。与此同时，植株中各个器官中氮素来自于标记氮肥的比例，也随着生物炭以及秸秆的覆盖量增加而呈现出增加的趋势。

在分析植株各器官标记氮肥吸收状况的基础之上，进一步测算¹⁵N利用效率(图 3)。籽粒中¹⁵N的利用效率最高，其次为茎秆和根系。首先，在M1F1处理条件下，籽粒¹⁵N利用效率为12.72%，而在M1F2处理条件下，其籽粒¹⁵N利用效率为14.23%，在M1F3处理条件下，植株籽粒的¹⁵N利用效率进一步提升，随着土壤中生物炭含量的增加，标记氮肥在植株的籽粒中积累效果明显。而在生物炭与秸秆联合调控模式下，籽粒的¹⁵N利用效率相对于生物炭调控出现了显著提升。其中，M2F1、M2F2、M2F3处理条件下¹⁵N利用效率分别相对于M1F1、M1F2和M1F3分别提升了2.04%、3.67%和4.28%，提升效果显著，并且随着生物炭与秸秆覆盖量的增加，籽粒¹⁵N利用效率逐渐的提升。同理，在秸秆调控处理条件下，随着秸秆覆盖量的增加，植株籽粒¹⁵N利用效率同样表现出增加的趋势；然而，其整体水平相对于生物炭调控以及生物炭与秸秆联合调控有所降低。此外，不同处理条件下植株叶片、根系、茎秆+叶鞘、苞叶+穗轴对¹⁵N利用效率与籽粒表现出相同的变化趋势，对¹⁵N利用效率从大到小依次表现为籽粒>茎秆+叶鞘>根系>叶片>苞叶+穗轴。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同处理条件下植株15N利用效率 Fig. 3 15N utilization efficiency of plants under different treatment conditions

与此同时，测算不同处理条件下标记氮肥的去向(图 4)。在M1F1处理条件下，标记氮肥被作物吸收的总量为42.43 kg/hm²，其占标记氮肥总量的35.36%，而损失的标记氮肥量为31.22 kg/hm²，占标记氮肥总量的26.02%，随着生物炭含量的增加，在M1F2和M1F3处理条件下，标记氮素被植株吸收的量分别为48.33和53.05 kg/hm²，表现出依次增大的趋势，并且占标记氮肥总量的比例也在不断提升。而标记氮素的损失量分别变为17.02和15.07 kg/hm²，其量值和比例均呈现出降低的趋势，表明生物炭的调控作用有效增加了植株的对于标记氮肥的汲取能力，减少了肥料氮的损失量。而在生物炭与秸杆联合调控作用下，标记氮肥被植株吸收的比例进一步提升，在M2F1、M2F2和M2F3处理条件下，被植株吸收的标记氮肥量占标记氮肥总量的比例分别为43.21%、47.00%和52.41%，并且标记氮素的损失量比例呈现出逐渐降低的趋势，其损失幅度相对于生物炭调控处理整体减小。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同处理条件下土壤氮肥去向 Fig. 4 Fate of soil nitrogen fertilizer under different treatment conditions

由此可知，生物炭与秸秆的联合调控作用有效地促进了作物对标记氮肥的吸收效果，随着秸秆和生物炭覆盖量的增加，这种作用效果越来越显著。同时，生物炭与秸秆的联合调控作用减少了土壤标记氮肥的无效损失，提升了标记氮肥的利用效率。

在上述研究的基础之上，统计植株花期之后植株内标记氮肥总积累量与各个器官内标记氮肥的分配量之间的相关关系(表 2)。首先，在M1F1处理条件下，植株根系标记氮肥的吸收与植株标记氮肥总积累量之间的Pearson相关系数为0.855，而随着生物炭覆盖量的增加，在M1F2和M1F3处理条件下，植株分析标记氮肥的吸收量与植株氮肥总积累量之间的Pearson相关系数分别相对于M1F1处理提升了0.043和0.058，分别比较植株其他各器官标记氮肥吸收量与作物标记氮肥总积累量之间的相关性可知，其均弱于植株根系，表明生物炭调控促进了植株根系对标记氮肥的积累。而在生物炭与秸秆联合调控下，籽粒标记氮肥积累量与作物标记氮肥累积总量之间的相关性最为显著，并且均通过P < 0.05的显著性检验。在M2F1处理条件下，二者之间的Pearson相关系数为0.893，而随着生物炭与秸秆覆盖量的增加，在M2F2和M2F3处理条件下，二者之间的Pearson相关系数分别相对于M2F1处理增加了0.024和0.042。此外，在M3F1、M3F2和M3F3处理条件下，茎秆+叶鞘部位标记氮肥累积量与作物标记氮肥累积量的Pearson相关系数相对于其他部分均有所提升。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同处理条件下植株各器官标记氮肥吸收相关性分析 Tab. 2 Correlation analysis on nitrogen absorption in different organs of the plant under different treatment conditions 处理方式 Treatment 根系Root 叶片Blade 茎秆+叶鞘Stem+leaf sheath 籽粒Grain 苞叶+穗轴Loquat+cob Pearson P Pearson P Pearson P Pearson P Pearson P M1F1 0.855* 0.029 0.757 0.056 0.816* 0.037 0.836* 0.038 0.693 0.072 M1F2 0.898* 0.022 0.792* 0.043 0.837* 0.030 0.869* 0.032 0.729 0.054 M1F3 0.913** 0.005 0.808* 0.031 0.855* 0.025 0.878* 0.025 0.764* 0.046 M2F1 0.834* 0.043 0.795* 0.041 0.839* 0.027 0.893* 0.016 0.718 0.058 M2F2 0.865* 0.025 0.836* 0.028 0.873* 0.024 0.917** 0.009 0.735* 0.049 M2F3 0.894* 0.021 0.851* 0.025 0.892* 0.019 0.935** 0.004 0.769* 0.043 M3F1 0.731 0.088 0.692 0.089 0.864* 0.028 0.725 0.089 0.688 0.108 M3F2 0.782 0.067 0.733 0.059 0.885* 0.023 0.759 0.073 0.724 0.084 M3F3 0.795* 0.048 0.781* 0.047 0.903** 0.008 0.793* 0.044 0.739 0.065 注：*和**分别表示显著度水平P=0.05和P=0.01。Notes: * and ** represent the significant levels at P=0.05 and P=0.01, respectively.

表 2 不同处理条件下植株各器官标记氮肥吸收相关性分析 Tab. 2 Correlation analysis on nitrogen absorption in different organs of the plant under different treatment conditions

由上述分析可知，不同耕作调控措施对植株个体的不同部位标记氮肥积累具有一定的差异，其中，生物炭调控处理有效促进了植株根系对于标记氮肥的积累，生物炭与秸秆联合调控提升了籽粒对于标记氮肥的汲取，而秸秆覆盖调控则提升了茎秆+叶鞘的标记氮肥吸收量。随着覆盖物量值的提升，其对标记氮肥的利用效果有所凸显。

秸秆覆盖在改善土壤理化性质，提高土壤肥力方面的效应已经被众多研究所证实。生物炭具有持水、透气、提高微生物活性以及促进作物产量增长等作用^[13]。二者的联合覆盖作用势必对土壤中无机氮的含量以及肥料氮含量水平产生一定的影响。生物炭和秸秆通过增加土壤有机碳含量、提高土壤pH值、增强阳离子交换能力等途径间接影响作物生长发育^[14]；同时，生物炭也可直接向作物提供少量营养物质，促进作物生长发育^[15-17]：因此，二者的协同覆盖作用显著地增加了植株对土壤氮素的积累。生物炭调控作用能够降低土壤干容重水平^[18]，而秸秆覆盖处理的调控效果减弱。生物炭调控作用能够增强植株根系对于土壤养分的汲取及运输能力^[19]，而秸秆的覆盖调控作用则促进了植株个体的生长发育，导致大量的营养物质堆积于植株的茎秆^[20-21]。

笔者发现，生物炭与秸秆联合覆盖调控作用更加有效地提升了土壤中无机氮的含量，并且随着无机氮含量的增加，其效果越为显著。在植株器官中氮素的来源方面，在生物炭以及生物炭与秸秆联合调控下，植株体内标记氮肥的比重有所增加，标记氮肥的利用效率显著提升。同时，通过Pearson相关分析可知，在生物炭调控处理下，植株根系标记氮肥累积量与植株标记氮肥总累积量之间的相关性最强，并发现在生物炭与秸秆联合调控作用下，其大幅度促进了籽粒对标记氮肥的累积效果。

1) 生物质调控措施改良了土壤养分状况，并且极大程度的抑制了土壤中养分元素的无效流失。在生物炭与秸秆的联合调控作用下，土壤无机氮质量分数达到最优水平，且随着生物炭和秸秆覆盖量的增加，其对土壤养分的累积以及无机氮素的固持效果增强。

2) 生物质调控措施调节了土壤理化性质，显著的提升了植株对土壤养分元素的汲取，减少了标记氮肥的无效损失。其中，M1F1处理条件下，土壤中标记氮肥被作物吸收的比例为35.36%，而在M2F1和M3F1处理条件下，土壤中标记氮肥被作物吸收的比例分别变为43.21%和30.09%，并且生物炭与秸秆联合调控模式下，土壤中标记氮肥的损失量最低。

3) 生物质调控影响着植株各器官对于氮素的汲取效果，生物炭调控处理有效地促进了植株根系对标记氮肥的吸收，生物炭与秸秆联合调控处理有效促进了籽粒对标记氮肥的吸收，而秸秆调控处理促进了植株茎秆+叶鞘对肥料氮的吸收。