生物炭配施化肥對稻田土壤有效氮素以及水稻產(chǎn)量的影響

胡茜 趙遠 張玉虎 張藝 符菁 荊玉琳

摘要：采用盆栽試驗，以小麥秸稈炭、水稻秸稈炭、玉米秸稈炭為材料，在配施化肥的條件下，對各處理的土壤堿解氮、銨態(tài)氮、有機碳含量進行研究，同時對收獲水稻進行性狀與產(chǎn)量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種生物炭配施化肥的處理可以有效提高土壤的有機碳含量和堿解氮含量，減少土壤銨態(tài)氮含量，對水稻生長具有明顯的促進作用。從環(huán)保以及作物產(chǎn)量的角度來看，生物炭配施化肥是一種可行的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：生物炭;有機碳;堿解氮;銨態(tài)氮;產(chǎn)量

中圖分類號： S511.06

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0108-05

水稻是草本稻屬的一種，也是稻屬中作為糧食的最主要最悠久的一種，是我國重要的糧食作物之一。2016年我國水稻種植面積為3 016萬hm2，水稻的產(chǎn)量約2.07×105萬t[1-2]。國內(nèi)目前針對生物炭的盆栽試驗和室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究較多，在實驗室水平上解釋并演示了生物炭的土壤改良作用，但是在對水稻種植的實用性方面研究較少，且生物炭的施用量往往偏大，不符合實際生產(chǎn)情況，不利于生物炭的推廣[3-4]。施肥是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的必要手段，但過量施肥不僅會導致肥料利用率低、資源的浪費，還會使土壤越來越“薄”[5]。近年來，生物炭作為一種新型土壤改良劑引起了學者們的廣泛關(guān)注。生物炭，一般是指自然界廣泛存在的生物質(zhì)資源在缺氧條件下不完全燃燒所產(chǎn)生的富碳物質(zhì)[6]。生物炭具有較大的比表面積和發(fā)達的孔隙，能夠增加土壤的通氣性和持水量，保持土壤水分和養(yǎng)分離子[7];表面大量的負電荷使其具有較高的陽離子交換量，能提高土壤對水分、養(yǎng)分的吸附利用;此外，生物炭本身含有一定的礦質(zhì)養(yǎng)分，施入土壤后可改善離子交換量，提高土壤保水、保肥性能，改善土壤養(yǎng)分狀況，進而提高作物產(chǎn)量[8]。生物炭對不同作物均具有一定的增產(chǎn)作用，已成為許多研究者的普遍共識[9]。生物炭與肥料的配合施入能顯著地提高大豆、小麥的生物量和番茄、玉米、花生的產(chǎn)量，同時對水稻也有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對生物炭的施用量以及生物炭的種類進行篩選，選用當?shù)兀ńK省丹陽市）作物秸稈制備生物炭，制備溫度選定為500 ℃[10]，旨在推廣實驗室水平的生物炭應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤為黃黏土，土壤的全氮含量為1.19 g/kg，全磷含量為0.64 g/kg，全鉀含量為1.44 g/kg，有機碳含量為 18.85 g/kg，堿解氮含量為101.50 mg/kg，速效磷含量為 44.90 mg/kg，pH值為6.43。供試水稻品種為當?shù)爻Ｒ姷哪暇?055，生物炭由南京勤豐秸桿科技有限公司提供，種類為水稻秸稈炭（RBC）、玉米秸稈炭（CBC）、小麥秸稈炭（WBC），制備溫度為500 ℃，不同生物炭的全量元素情況如表1所示。

1.2 設(shè)計處理

盆栽試驗于2017年6—11月進行，試驗設(shè)計4個處理，分別為CK（常規(guī)施肥）、RBC（添加水稻秸稈炭）、CBC（添加玉米秸稈炭）、WBC（添加小麥秸稈炭），生物炭的添加量均為3%。取6 kg土自然風干破碎后過20目篩與生物炭均勻混合，放置到直徑30 cm、深40 cm的聚氯乙烯（PVC）材質(zhì)的圓盆內(nèi)，各處理組各設(shè)3次重復。所有處理正常施肥，施用 1.89 g 尿素，1.71 g磷酸二氫鉀，0.50 g氯化鉀作為基肥，后期追肥按110 mg/kg的量追施氮肥，分別在分蘗期和抽穗期追加。播種采用人工插播方式，種植密度為每盆3穴，每穴 2～3株，盆栽為淹水管理，在分蘗期結(jié)束時晾干，結(jié)束無效分蘗。

1.3 樣品采集以及測定方法

在水稻成熟后將盆分開取出整塊土用清水沖洗根系保證完整性，利用鋼卷尺測量水稻的株高、根長、穗長;穗粒數(shù)采取人工測數(shù)的方法測定并測定空癟率，利用電子天平測定水稻的地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、地下部分質(zhì)量、千粒質(zhì)量。土壤有機炭（TOC）含量采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定，利用濃硫酸與重鉻酸鉀混合時產(chǎn)生的熱來氧化有機質(zhì)，再配合油浴外加熱使有機質(zhì)氧化充分;土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，利用1.0 mol/L NaOH水解土壤，使易水解氮堿解轉(zhuǎn)化為NH3，擴散后被硼酸（H3BO3）吸收滴定;土壤銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法測定，利用KCl溶液浸提土壤，將土壤中的NH4+浸提出來，用分光光度計測定溶液吸光度;土壤pH值采用玻璃電極法測定，水土比為2.5 mL ∶ 1 g;土壤全氮含量采用凱氏定氮儀測定，全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法測定，全鉀采用火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理利用Excel 2016進行，數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析使用SPSS 18.0進行，使用Origin 9.0完成繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 生物炭施用對土壤有機炭的影響

由圖1可知，與CK相比，所有添加生物炭的處理都會使土壤TOC含量顯著提高;對水稻各生長期進行采樣分析后可以看出，隨著水稻的生長，土壤TOC含量逐步下降，但施加生物炭處理組的TOC含量均顯著高于CK處理。在水稻秧苗期植物新陳代謝作用弱，添加小麥秸稈生物炭、水稻秸稈生物炭、玉米秸稈生物炭的土壤TOC含量分別較CK處理顯著提高34.51%、38.02%、35.36%。水稻移栽后至返青期土壤中的TOC含量變化較小，相對于秧苗期的TOC的含量，CK、WBC、RBC、CBC處理分別僅降低了0.72、0.53、0.62、0.71 g/kg，此時水稻植株幼小，生命活動不劇烈，并且由于移栽過程會對水稻植株以及根系造成一定損害，因此在水稻返青期土壤TOC的變化較小，且添加了生物質(zhì)炭會減少土壤本底有機碳的消耗量。從水稻分蘗期開始，土壤TOC含量開始迅速下降，此時水稻的生長代謝活動劇烈，植物以及土壤中的微生物快速消耗土壤TOC。在水稻抽穗期后土壤中的TOC含量逐步趨于穩(wěn)定，在抽穗期時WBC、RBC、CBC處理相對于CK處理TOC含量顯著提高23.52%、25.82%、22.14%，在水稻成熟期時各處理組TOC含量相對于CK處理顯著提高了23.08%、23.71%、21.58%。CK、WBC、RBC、CBC處理在水稻成熟期時土壤有機炭相對于秧苗期分別降低了4.66、798、8.57、8.37 g/kg。除拔節(jié)期外，添加水稻秸稈生物炭的處理RBC的土壤有機碳含量一直高于其他各處理，可能是由于水稻秸稈生物炭性質(zhì)導致其對土壤有機碳的吸附效果更好，對土壤有機碳形成包裹，抑制了土壤有機碳的分解。經(jīng)過一季水稻的種植，最后收獲時CK、WBC、RBC、CBC處理的有機碳含量分別為14.93、18.38、18.47、18.16 g/kg。此時，生物炭處理組的有機碳含量相當于CK處理加入基肥后的有機碳含量，生物炭處理對土壤碳庫具有增匯效應(yīng)，同時為后續(xù)種植提供了一個良好的土壤環(huán)境。

2.2 添加生物炭對土壤堿解氮的影響

由圖2可以看出，在水稻的秧苗期，WBC、RBC、CBC處理比CK處理土壤堿解氮含量顯著提高了75.67、116.30、61.07 mg/kg，土壤堿解氮含量表現(xiàn)為RBC>WBC>CBC>CK。在水稻返青期，WBC、RBC、CBC處理比CK處理土壤堿解氮含量顯著提高了52.73、29.40、82.83 mg/kg，土壤堿解氮含量表現(xiàn)為CBC>WBC>RBC>CK。在水稻分蘗期，CK、WBC、RBC、CBC處理土壤中堿解氮含量分別為128.03、14430、130.13、139.53 mg/kg，各處理間無顯著性差異。在分蘗末期，土壤的堿解氮含量表現(xiàn)為CK>WBC>RBC>CBC，其中CK處理的土壤堿解氮含量顯著高于RBC、CBC處理，而WBC處理相對于CK處理降低了21.97 mg/kg。第2次追肥在分蘗末期采樣前，在此之后土壤中的堿解氮含量再無顯著性差異。

2.3 添加生物炭對土壤銨態(tài)氮的影響

由圖3可以看出，在水稻秧苗期，CK、WBC、RBC、CBC處理的土壤銨態(tài)氮含量分別為161.09、166.51、159.84、149.56 mg/kg，各處理間差異不顯著。在水稻返青期銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為RBC>WBC>CK>CBC，其中WBC處理比CK處理土壤銨態(tài)氮含量高2.23 mg/kg，RBC處理比CK處理顯著高6.26 mg/kg;CBC處理土壤銨態(tài)氮含量比CK處理少 3.00 mg/kg，2處理差異不顯著。在水稻的分蘗期，WBC處理土壤銨態(tài)氮含量顯著高于其他處理，而其他處理間均無顯著性差異。在分蘗末期筆者進行了1次采樣，此時CK處理的土壤銨態(tài)氮含量為83.22 mg/kg，是4個處理中最高的，其次是WBC處理，銨態(tài)氮含量為52.44 mg/kg，再次是RBC處理，銨態(tài)氮含量為31.54 mg/kg，最少的是CBC處理，銨態(tài)氮含量僅為20.34 mg/kg，各處理間差異顯著。從分蘗末期開始，經(jīng)過拔節(jié)期、抽穗期以及成熟期的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，自分蘗末期后一直是CK處理的土壤銨態(tài)氮含量最高，除了抽穗期的WBC處理與CK處理差異不顯著外，其他時期施加了生物炭的處理組顯著低于CK處理。

2.4 添加生物炭對水稻性狀及產(chǎn)量的影響

由表2可知，在相同的水肥管理下，施加生物炭的處理對水稻性狀及產(chǎn)量有一定的促進作用。觀察穗長可以發(fā)現(xiàn)，WBC、RBC、CBC處理的穗長與CK處理相比顯著地增長了21、1.8、2.1 cm。對于穗粒數(shù)，各處理之間穗粒數(shù)表現(xiàn)為WBC>RBC>CBC>CK，添加生物炭的處理組與CK處理間具有顯著性的差異，但生物炭處理組間差異不顯著。對于地上部分干物質(zhì)質(zhì)量，施加生物炭可以顯著提高水稻地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量，WBC、RBC、CBC處理組與CK處理相比分別顯著地提高91.24%、109.52%、121.00%，極大地提高了水稻物質(zhì)量。對于水稻植株地下部分的根系，與CK處理相比，添加不同生物炭的處理WBC、RBC、CBC的根干質(zhì)量增幅達到了 118.88%、142.48%、98.25%，且均與CK處理差異顯著。對盆栽產(chǎn)量進行理論推斷，估算得到了理論產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)生物炭處理組的理論產(chǎn)量均與CK處理有顯著性差異，說明生物炭對水稻是具有增產(chǎn)效果的。施入生物炭可以降低水稻植株的株高并提高結(jié)實率，但均與CK處理無顯著性差異。

由表3可知，穗粒數(shù)與穗長、結(jié)實率與地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、地上部分干物質(zhì)質(zhì)量與產(chǎn)量具有顯著的正相關(guān)性;穗粒數(shù)與地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、穗粒數(shù)與產(chǎn)量、穗長與產(chǎn)量具有極顯著的正相關(guān)性。

相關(guān)系數(shù)為0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.0～0.2分別表示極強相關(guān)、強相關(guān)、中等程度相關(guān)、弱相關(guān)、極弱相關(guān)或無相關(guān);負值表示負相關(guān)。

3 討論

3.1 生物炭施用對土壤有機碳的影響

土壤有機碳一部分是土壤本底的有機碳，另一部分是生物炭處理所含的有機碳。本試驗結(jié)果顯示，生物炭的添加可以顯著提高土壤總有機碳的含量，這與柯躍進等的研究結(jié)論[11]一致。已有研究表明，施用生物炭可以促進土壤團聚體的形成，提高土壤穩(wěn)定態(tài)碳庫[12]。生物炭由于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，施用后可以提高土壤的有機碳穩(wěn)定性，降低土壤總有機碳的礦化速率，增加土壤總碳庫，同時達到減排效應(yīng)[13]。同時生物炭的施用可以改變土壤的pH值，從而降低土壤的呼吸速率[14]?？萝S進等發(fā)現(xiàn)，添加水稻生物炭可以有效地增加土壤總有機碳含量，生物炭可以作為土壤碳儲存的載體，具有較明顯的減排作用[11]。此外，生物炭可以作為土壤微生物的載體，所攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)可供土壤微生物生長發(fā)育，從而影響土壤微生物量、活性以及土壤酶活性[15]。本試驗還發(fā)現(xiàn)，在水稻抽穗期前土壤有機碳含量變化速度較快，這是由于長時間的漫水處理，水稻迅速生長需要消耗大量的碳源，且土壤微生物作用增強，兩者共同迅速地消耗了土壤中的有機碳;而添加了生物炭的處理組由于生物炭本身帶有大量的有機碳，在水稻生長的前期會被快速地利用，當易分解的有機質(zhì)被消耗殆盡時，土壤微生物和植物就會開始分解穩(wěn)定態(tài)的碳，因此后期土壤有機碳含量變化放緩，逐漸趨于平穩(wěn)[16]。在水稻成熟期對土壤有機碳含量進行測定發(fā)現(xiàn)，所有生物炭處理都可以有效地增加土壤有機質(zhì)含量，增匯土壤碳庫。

3.2 添加生物炭對土壤堿解氮的影響

近年來，人們對生物炭與氮之間關(guān)系的認知越來越清晰。施加生物炭可以有效地提高土壤中可利用氮的含量，促進植物的生長，有效提高作物產(chǎn)量[17]。張偉明等對添加生物炭后水稻產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，施加2%的生物炭可以有效提高3321%的水稻產(chǎn)量[18]。水稻產(chǎn)量的提升主要由于土壤中營養(yǎng)物質(zhì)含量的提高，而生物炭的添加會激發(fā)土壤微生物的活動，尤其是根系菌的活動[19]。堿解氮又稱有效氮，其含量可以有效地反映近期氮素（無機態(tài)氮和有機態(tài)氮）的供應(yīng)情況。本試驗發(fā)現(xiàn)，在水稻分蘗期前生物炭處理的土壤堿解氮含量均高于CK處理，即在秧苗期由于施入了基肥以及生物炭，導致WBC、RBC、CBC處理土壤中堿解氮含量遠高于CK處理，增幅普遍在31.32%以上，這是由基肥以及生物炭本身所攜帶的有效氮共同作用造成的。與秧苗期相比，在返青期生物炭處理的堿解氮含量較CK的增量有所下降，說明易吸收的有效氮被植物和土壤微生物消耗，同時有一部分被轉(zhuǎn)化為NH3釋放到空氣中。除秧苗期和返青期，在水稻其他時期添加生物炭處理的堿解氮含量與CK處理無顯著性差異，因此可以說明生物炭除了在施入時會增加土壤有效氮含量（自身攜帶）外，在后續(xù)追肥中也可以提高有效氮含量。

3.3 添加生物炭對土壤銨態(tài)氮的影響

銨態(tài)氮是土壤有效氮（堿解氮）的一種，是兩大無機氮源之一，相對于硝態(tài)氮來說，銨態(tài)氮的含量更高，在土壤中以游離態(tài)形式存在，更容易被利用[20]。有研究表明，土壤中銨態(tài)氮的含量與土壤pH值以及陽離子交換量（CEC）呈顯著性正相關(guān)，與土壤的有機碳含量呈顯著性負相關(guān)[21]。在水稻秧苗期各處理的土壤銨態(tài)氮含量都很高，但差異不顯著，可能由于基數(shù)太大，生物炭對銨態(tài)氮的作用不明顯。從分蘗末期開始，除抽穗期外，生物炭處理組的銨態(tài)氮含量均顯著低于CK處理。這是由于添加生物炭提高了土壤的有機碳含量，而有機碳又會抑制土壤對銨態(tài)氮的吸附性，增加土壤的通透性，有利于硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。綜上所述，推測3種作物秸稈制備的生物炭施加降低了土壤對銨態(tài)氮的吸附性，進而降低了土壤銨態(tài)氮含量。

3.4 添加生物炭對水稻性狀及產(chǎn)量的影響

添加生物炭可以有效地改善土壤有機質(zhì)含量，增加土壤有效氮含量，降低土壤溫室氣體的排放等[22]。劉園等研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可以顯著提高玉米產(chǎn)量，其中中量添加生物炭的處理增產(chǎn)效果最明顯，同時有效地降低了土壤容重，增加了土壤持水能力[23]。王耀鋒等通過研究水洗生物炭配施化肥對水稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響發(fā)現(xiàn)，添加竹炭和水洗竹炭可以分別提高12.7%和15.6%水稻秸稈產(chǎn)量，提高16.7%和18.4%水稻籽粒產(chǎn)量[24]。從水稻性狀來看，添加生物炭可以有效提高水稻的穗長以及穗粒數(shù)，增加水稻地上部分干物質(zhì)質(zhì)量，使根系更加發(fā)達，為水稻的增產(chǎn)提供幫助。而研究表明，土壤中的K元素和水稻的抗病性有關(guān)，而作為水稻直接氮源與碳源的堿解氮、有機碳的含量與水稻的性狀以及產(chǎn)量有著顯著性正相關(guān)關(guān)系[25]。添加了生物炭的處理組可有效提高土壤有機碳含量以及堿解氮含量，因此更有利于土壤中的水稻以及微生物生長發(fā)育，同時添加生物炭又可以改善土壤的容重，有利于根系發(fā)展，增強水稻的抗倒伏能力。

4 結(jié)論

添加小麥秸稈生物炭、水稻秸稈生物炭、玉米秸稈生物炭都可以有效地提高土壤有機碳含量，其中水稻秸稈生物炭的作用最明顯，且在水稻成熟期土壤中有機碳含量仍可以維持在一個較高的水平。

添加生物炭會改變土壤中氮元素的轉(zhuǎn)化循環(huán)，與土壤堿解氮含量顯著正相關(guān)，有效提升了土壤的肥力，有利于水稻吸收利用氮素;在水稻分蘗末期后添加生物炭的處理明顯降低了土壤銨態(tài)氮含量。其中玉米秸稈生物炭的作用效果最好。

不同生物炭的施加都會增加水稻的理論產(chǎn)量以及地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量、地下根系質(zhì)量。

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