化肥減量配施生物炭和秸稈對砂姜黑土區(qū)水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和土壤碳的影響

關(guān)鍵詞 化肥減量； 生物炭； 秸稈還田； 養(yǎng)分吸收； 土壤碳； 水稻

施用化肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是保障作物產(chǎn)量和糧食安全必不可少的措施［1］，然而，長期不合理的化肥投入也導(dǎo)致肥料利用率低下、資源浪費、大氣和水體污染以及生物多樣性降低等一系列資源環(huán)境問題［2-3］，嚴(yán)重制約了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。因此，在保障國家糧食安全的前提下，如何通過科學(xué)合理的養(yǎng)分管理措施來實現(xiàn)化肥減量提質(zhì)增效與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同發(fā)展，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展迫切需要解決的重大問題之一［4］。

有機養(yǎng)分替代部分化肥作為農(nóng)業(yè)減肥增效綠色生產(chǎn)的重要措施，在提升土壤質(zhì)量、促進作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面具有積極影響，是促進農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一［5］。秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)一種重要有機養(yǎng)分資源，除富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和糖類等有機能源外，還含有作物生長所必需的氮、磷、鉀和中微量營養(yǎng)元素，合理的秸稈還田不僅可以有效替代部分化肥，而且還有利于提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定作物產(chǎn)量、促進農(nóng)田固碳減排［6-8］。生物炭是農(nóng)林廢棄生物質(zhì)在缺氧或有限氧條件下經(jīng)亞高溫（lt; 700 ℃） 熱解碳化過程而形成的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面大、理化性質(zhì)穩(wěn)定的富碳物質(zhì)，其在改善土壤性狀和固碳減排，提高作物產(chǎn)量及肥料利用率等方面具有多重效益，已逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛利用［9-11］。然而，由于作物產(chǎn)量以及土壤特性對生物炭和秸稈還田的響應(yīng)，受氣候條件、替代比例、土壤類型、種植作物以及試驗周期等各種因素的影響較大［7，9-12］，在實際生產(chǎn)中，具體到特定的地域和生產(chǎn)體系，對生物炭和秸稈的作用效果評估還需要進行針對性更強的科學(xué)試驗。

沿淮平原地處我國南北氣候過渡帶、地勢平坦、光溫水熱資源豐富，是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，在保障國家糧食安全中占有極其重要的地位。水稻-小麥輪作是該區(qū)域的主要種植模式，水稻種植主要以中熟中粳水稻品種為主，化肥投入采取的是“高投入、高產(chǎn)出”的管理模式，不僅浪費了資源，而且對生態(tài)環(huán)境造成了不利的影響。同時，砂姜黑土是該區(qū)域廣泛分布的一類中低產(chǎn)田，養(yǎng)分瘠薄、結(jié)構(gòu)性能差、功能微生物缺乏等問題使得該地域自然資源優(yōu)勢、土壤生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮［13］。因此，如何保證該類中低產(chǎn)田在產(chǎn)量穩(wěn)步提升的前提下兼顧化肥減施增效值得關(guān)注。鑒于此，本研究連續(xù)2 a 在砂姜黑土區(qū)開展試驗，以常糯1 號為材料，研究化肥減量配施秸稈和生物炭對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、土壤總有機碳和微生物量碳等的影響，明確秸稈和生物炭在砂姜黑土區(qū)的節(jié)肥增產(chǎn)效果，探討其調(diào)控土壤碳庫的內(nèi)在機制，旨在為該區(qū)域養(yǎng)分資源高效管理和秸稈資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究在沿淮平原典型稻麥輪作區(qū)的安徽省蚌埠市懷遠縣淮西現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)（117° 04′12″E，32°58′58″N）開展田間試驗。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.3 ℃，年均日較差9.1 ℃，日照時數(shù)2 206 h，無霜期218 d，年均降水量874.6 mm，年內(nèi)降水分布不均勻，多集中在6-8月。試驗田種植制度為水稻-小麥輪作，土壤為潛育型水稻土砂姜黑土，2018 年6 月試驗前0～20 cm 耕層土壤基本理化性狀：pH（m 水∶m 土=2.5∶1） 6.27，有機質(zhì)21.4 g/kg，全氮1.4 g/kg，堿解氮97.7 mg/kg，Olsen-P 18.5 mg/kg，速效鉀104.9 mg/kg，CEC251.3 mmol/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018 和2019 年連續(xù)2 a 在水稻季開展，共設(shè)置5 個處理：①不施肥（CK）；②常規(guī)施肥（100%NPK）；③化肥減量20%（80% NPK）；④化肥減量20%+秸稈（80% NPK+S）；⑤化肥減量20%+生物炭（80% NPK+B），每個處理設(shè)3 次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計，每個小區(qū)面積為 6.5 m×4 m。試驗中常規(guī)施肥處理氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的用量分別為225、90、90 kg/hm2，此用量是周邊92 戶農(nóng)民平均施肥量。肥料品種為尿素（含N 46.2%）、過磷酸鈣（含P2O5 12%）和氯化鉀（含K2O 60%），其中氮肥分別按基肥、分蘗肥和穗肥40%、30% 和30% 施用，磷鉀肥作為基肥一次性施入（表1）。小區(qū)間以寬50 cm、高30 cm 的泥埂隔開，用厚質(zhì)農(nóng)膜包裹泥埂并壓至犁底層以下防止串水串肥，實行單灌單排。本試驗中秸稈和生物炭的用量主要是根據(jù)當(dāng)?shù)匦←溄斩掃€田投入量（6 000 kg/hm2）設(shè)置的，生物炭等碳量還田（表1）。小麥秸稈主要養(yǎng)分含量平均為：C 42.8%、N1.82 g/kg、P 0.91 g/kg、K 6.92 g/kg。生物炭由河南三利新能源公司提供，是以小麥秸稈為原料，在500 ℃熱裂解1 h 制作而成，主要養(yǎng)分含量平均為：C52.3%、N 4.4 g/kg、P 6.2 g/kg、K 50.6 g/kg，pH 值平均為9.37。以當(dāng)?shù)刂髟运酒贩N“常糯１號”為供試材料，秧苗于每年6 月上旬移栽，10 月下旬收獲。上茬小麥?zhǔn)斋@后將秸稈全部移出，粉碎成5 cm 左右的小段備用。水稻移栽前，將秸稈或生物炭撒勻于相應(yīng)處理的小區(qū)，立即用耙翻耕約5 cm 深的土層內(nèi)，且攪漿均勻，隨后進行施肥移栽等，其他田間栽培管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锉３忠恢隆?/p>

1.3 樣品采集與測試方法

1）水稻產(chǎn)量及地上部生物量的測定。于水稻成熟期，每個小區(qū)隨機選取5 蔸水稻植株，用不銹鋼剪刀從根莖結(jié)合部剪斷取其地上部分，待水稻植株自然風(fēng)干后脫粒、稱質(zhì)量，計算草谷比，為了縮小草谷比的計算偏差，水稻籽粒和秸稈均自然風(fēng)干至恒質(zhì)量，保證兩者在含水率上的一致性。所有小區(qū)均全部實收計產(chǎn)，收割后脫粒稱質(zhì)量，用谷物水分測定儀測定籽粒含水率，按照 14.5% 含水率折算籽粒產(chǎn)量。

2）植株養(yǎng)分的測定。2019 年水稻收獲后，將采集的水稻植株樣品分器官（籽粒和莖稈）于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，磨碎過0.25 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩后用于測定籽粒和莖稈的養(yǎng)分含量。樣品經(jīng)H2SO4-H2O2 消化后，分別用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定水稻籽粒和莖稈氮、磷、鉀含量［ 14］，氮磷鉀含量均以各部位烘干質(zhì)量為基數(shù)表示。

3）土壤理化性狀的測定。試驗開始前，以整個試驗田塊為采樣單元，采用“S”法采集 0～20 cm 耕層土樣，用于測定土壤基礎(chǔ)理化性狀。2019 年水稻收獲后，以每個試驗小區(qū)為采樣單元，采用“S”法采集0～20 cm 深度5 個位點土壤混合成1 個樣品，作為試驗結(jié)束后土壤樣品。采集的土壤樣品剔除雜質(zhì)后，過2 mm 篩，分成2 部分，一部分風(fēng)干過篩，供理化性質(zhì)分析用；另一部分儲藏于4 ℃冰箱中用于測定土壤微生物量碳（MBC）的含量。土壤基本理化生化性質(zhì)測定方法［15-16］如下：土壤pH 采用酸度計法測定（m 水∶m 土=2.5∶1）；土壤有機質(zhì)和總有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤全氮采用濃H2SO4消化-凱氏定氮法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤Olsen- P 采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用 1 mol/LNH4OAc 浸提- 火焰光度法測定；土壤CEC 采用BaCl2-MgSO4 法測定；土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸-K2SO4 溶液浸提法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2021 進行整理和繪圖，使用SPSS19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，并采用最小顯著性法（LSD）進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減量配施生物炭和秸稈對水稻產(chǎn)量和地上部生物量的影響

各處理的水稻產(chǎn)量及地上部生物量見表2。由表2 可見，所有施肥處理水稻產(chǎn)量和地上部生物量均顯著高于不施肥處理（CK）（Plt;0.05），增加幅度分別為45.1%～56.4% 和49.9%～60.7%。所有施肥處理中，化肥減量20% 配施生物炭（80% NPK+B）處理的水稻產(chǎn)量、地上部生物量均最高，較常規(guī)施肥100% NPK處理分別顯著增加5.2%和4.7%（ Plt;0.05），較80% NPK 處理，分別顯著增加7.9% 和7.2%（Plt;0.05）。化肥減量20% 配施秸稈（80%NPK+S）處理與100% NPK 處理相比，水稻產(chǎn)量和地上部生物量分別增加3.4% 和3.0%，第1 季差異不顯著（Pgt;0.05），第2 季差異達顯著水平（Plt;0.05），較80% NPK 處理，水稻產(chǎn)量和地上部生物量差異均達顯著水平（Plt;0.05）。80% NPK+S 和 80%NPK+B 處理間水稻籽粒和地上部生物量無顯著差異（Pgt;0.05）。另外，化肥減量20%（80% NPK）處理與100% NPK 處理相比，2 季水稻產(chǎn)量、地上部生物量平均僅分別減少2.5% 和2.4%，且差異未達顯著水平（Pgt;0.05）。綜合2 季試驗結(jié)果，水稻連續(xù)2 季化肥減量20%，其產(chǎn)量和地上部生物量均與常規(guī)施肥處理差異不大，在沿淮砂姜黑土稻作系統(tǒng)適當(dāng)減少化肥用量不會顯著影響水稻產(chǎn)量，在化肥減施20% 的條件下增施生物炭或者秸稈對水稻產(chǎn)量的提高均有促進作用，且生物炭較秸稈直接還田的增產(chǎn)效果更明顯。

2.2 化肥減量配施生物炭和秸稈對水稻成熟期養(yǎng)分吸收的影響

1）氮素吸收。由圖1 可見，水稻成熟期所有施肥處理的水稻籽粒和秸稈含N 量均較CK 處理顯著提高（Plt;0.05），這說明單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施均可顯著促進水稻對氮素的吸收。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈含N 量最高，顯著高于100% NPK 和80% NPK 處理（Plt;0.05），這說明，化肥減量20% 條件下配施生物炭可以顯著提高水稻植株含N 量。80% NPK+S 與100% NPK 、80% NPK 相比，籽粒和秸稈含N 量無顯著差異（Pgt;0.05）。

由圖2 可見，不同處理間水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量均存在顯著差異（Plt;0.05）。單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施均顯著提高了水稻籽粒、秸稈和地上部的N 素累積量（Plt;0.05），較CK 處理分別增加了38.60～51.81、31.02～43.52 和69.61～95.34 kg/hm2。所有施肥處理中，水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量均以80% NPK+B 處理最高，較100% NPK 處理分別顯著增加10.0%、10.8% 和10.4%，較80% NPK 處理分別顯著增加14.8%、18.7% 和16.5%（Plt;0.05），說明化肥減量20% 配施生物炭可以顯著增加水稻的N 素吸收量。與100%NPK 處理相比，80% NPK+S 處理水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量分別提高6.4%、4.4% 和5.5%，其中籽粒和地上部N 素累積量的差異均達顯著水平，并且也顯著高于80% NPK 處理（Plt;0.05）。表明在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭或者秸稈可顯著提高水稻對N 素的吸收、同化和轉(zhuǎn)運能力，從而為實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2）磷素吸收。與N 類似，單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施也顯著提高了水稻成熟期籽粒和秸稈的磷素含量（Plt;0.05）（圖3）。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理籽粒、秸稈P2O5含量均最高，顯著高于80% NPK 處理（Plt;0.05），與100% NPK 處理相比，也略有增加，但差異不顯著（Pgt;0.05）。與100% NPK 處理相比，80% NPK 和80% NPK+S 處理的籽粒和秸稈P2O5含量均顯著降低（Plt;0.05）。

由圖4 可見，不同處理對水稻籽粒、秸稈和地上部P2O5累積量的影響存在顯著差異。施肥顯著促進了水稻對磷素的吸收，較CK 處理分別增加了9.25～14.89、5.21～7.80 和14.46～22.69 kg/hm2。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈和地上部P2O5 累積量均最高，均顯著高于其他處理（Plt;0.05），較100% NPK 處理分別增加7.8%、6.0% 和7.2%，較80% NPK 處理分別增加25.4%、21.7% 和24.1%。而80% NPK+S 處理籽粒、秸稈和地上部P2O5 累積量均顯著低于100% NPK 處理，降低幅度分別為5.8%、6.0% 和5.8%，但顯著高于80% NPK處理（Plt;0.05）。由此可見，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭可顯著提高水稻對磷素吸收能力，而配施秸稈卻降低了對磷素的吸收。

3）鉀素吸收。由圖5 可見，單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施也顯著提高了水稻成熟期籽粒和秸稈的鉀素含量。與100% NPK 和80% NPK 處理相比，80% NPK+S 和80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈K2O 含量均顯著提高（Plt;0.05），且80%NPK+B 效果更顯著。與100% NPK 處理相比，80% NP 處理的籽粒和秸稈的K2O 含量均表現(xiàn)出下降的趨勢，但差異不顯著（Pgt;0.05）。

不同處理間水稻成熟期籽粒、秸稈和地上部K2O 累積量均存在顯著差異（圖6）。施肥顯著促進了水稻對鉀素的吸收，較CK 處理分別增加了11.14～16.57、77.98～118.53和89.12～135.10 kg/hm2。與100% NPK 處理相比，80% NPK+B 和80%NPK+S 處理籽粒K2O 累積量分別顯著增加了17.7% 和12.4%，秸稈K2O 累積量分別顯著增加了20.3% 和15.2%，地上部K2O 累積量分別顯著增加了20.0% 和14.8%。另外，與100% NPK 處理相比，80% NPK 的籽粒、秸稈和地上部K2O 累積量均表現(xiàn)出降低的趨勢，但差異不顯著（Pgt;0.05）。由此可見，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭或者秸稈可顯著提高水稻對鉀素的吸收能力，有利于鉀素的吸收積累。

2.3 化肥減量配施生物炭和秸稈對土壤碳的影響

1）土壤總有機碳。由圖7 可見，經(jīng)過2 季定位試驗，化肥減量20% 配施生物炭或秸稈均有利于水稻成熟期0～20 cm 土層土壤總有機碳含量（TOC）的提升。80% NPK+B 和80% NPK+S 處理的土壤TOC 含量較100% NPK 處理（12.60 mg/kg）分別增加了10.5% 和5.1%，較80% NPK 處理（12.12mg/kg）分別顯著增加了16.2% 和9.6%（Plt;0.05）。另外，各施肥處理的土壤TOC 含量較CK 處理（10.42 mg/kg）均顯著提高（Plt;0.05），增加幅度為16.3%～ 35.1%。

2）土壤微生物量碳。圖8 顯示，經(jīng)過2 季定位試驗，化肥減量20% 配施生物炭或秸稈均顯著提高了水稻成熟期0～20 cm 土層土壤微生物量碳（MBC）的含量。80% NPK+S 和80% NPK+B 處理的土壤MBC 含量較100% NPK 處理（29.1 mg/kg）分別顯著增加了23.9% 和18.7%（Plt;0.05），較80% NPK 處理（26.1 mg/kg）分別顯著增加了46.6% 和37.2%（Plt;0.05）。各施肥處理與CK 處理相比，土壤MBC的含量均顯著增加（Plt;0.05），增加幅度為66.2% ～143.6%。

3 討論

3.1 化肥減量配施生物炭和秸稈對水稻產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是品種、土壤特性、氣候、施肥和栽培管理措施等多因素綜合作用的結(jié)果，也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要評價指標(biāo)。關(guān)于生物炭和秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響，目前大部分研究結(jié)果表明，生物炭和秸稈還田對水稻產(chǎn)量的提升具有明顯的促進作用［17-19］，也有少部分研究顯示，對水稻產(chǎn)量沒有影響或影響不顯著，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象，如Zhao 等［20］研究認(rèn)為，與秸稈不還田相比，秸稈還田均未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響；張斌等［21］報道，相同氮肥處理下，連續(xù)2 a 施用生物炭對水稻產(chǎn)量基本沒有影響。生物炭和秸稈對水稻產(chǎn)量的效應(yīng)存在差異，可能與原料特性、土壤類型、替代比例、氣候條件、肥料運籌以及試驗周期等因素有關(guān)［7，11，22-23］。本研究結(jié)果表明，化肥減量20% 條件下配施生物炭或秸稈有利于維持水稻產(chǎn)量的高產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。原因可能在于：（1）生物炭和秸稈在一定程度上可以改善土壤結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性，增加土壤通透性，改善根際環(huán)境，增強根系活力，進而促進水稻生長發(fā)育［7， 22-24］；（2）秸稈和生物炭本身含有豐富的有機成分和營養(yǎng)元素，是土壤養(yǎng)分的有效補給源。本試驗中，施用生物炭直接帶入到土壤中的主要養(yǎng)分分別為N 10.9 kg/hm2、P2O5 12.5 kg/hm2、K2O 50.0 kg/hm2，小麥秸稈還田帶入的主要養(yǎng)分分別為N 21.6 kg/hm2 、P2O5 69. 6 kg/hm2、K2O 299.1 kg/hm2。（3）生物炭豐富的多微孔結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積對氮、磷等營養(yǎng)元素有吸附固持和緩釋效應(yīng)，增強了水稻生育后期養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)性能，提高了肥料利用率，進而促進了水稻生長發(fā)育［22］。然而，水稻產(chǎn)量對生物炭和秸稈的響應(yīng)，取決于氣候條件、替代比例、土壤類型、種植作物體系以及試驗周期等各種因素的綜合影響。因此，對于生物炭和秸稈增產(chǎn)或減產(chǎn)的效果和機制研究仍需要多生態(tài)點位的長期定位試驗。

3.2 化肥減量配施生物炭和秸稈對水稻養(yǎng)分吸收的影響

氮、磷是植物體內(nèi)核酸、氨基酸、磷脂等許多重要化合物的成分，鉀則參與植物的新陳代謝，這3 種營養(yǎng)元素對于作物的生長發(fā)育與產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用，其含量的多少及耦合狀況，可以從側(cè)面反映出作物的生長發(fā)育和養(yǎng)分利用狀況，并將會直接影響水稻的產(chǎn)量［25］。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，化肥減量20% 配施生物炭顯著提高了水稻地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分積累量，特別對鉀元素的提升效應(yīng)更為顯著，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果［12，19，26-28］一致。生物炭對水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收的促進作用，首先得益于其豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，通過改善土壤結(jié)構(gòu)與生物學(xué)特性、提高土壤有機碳含量、增加土壤pH 值和陽離子交換量、吸附固持養(yǎng)分等途徑改善根際環(huán)境，提升根系活力，進而促進水稻對氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收［22-23］；其次，生物炭和秸稈自身所攜帶的豐富的養(yǎng)分，能夠作為土壤養(yǎng)分的有效補充，大大提高了土壤對作物養(yǎng)分的供給能力，從而也促進水稻對養(yǎng)分的吸收利用［9，22-24］。化肥減量20% 的條件下，同樣作為有機肥源的秸稈盡管顯著提高了水稻對氮鉀的累積量，但卻降低了水稻磷含量及吸磷量，造成這種現(xiàn)象的原因是，一方面本試驗所用的小麥秸稈本身含磷量較低，且中穩(wěn)性有機磷比例較高，其腐解直接釋放到土壤中磷以及分泌的有機酸活化的土壤固定態(tài)磷不足以彌補磷肥減量引起的磷供應(yīng)水平的下降［29］，另一方面秸稈類生物炭和秸稈C/P 值較高，易引起磷的生物固持，進而使土壤有效磷含量降低，不利于水稻對磷素的吸收利用［30］。因此，在本區(qū)域?qū)嵤┗蕼p量措施時，應(yīng)慎重考慮磷肥的減少比例，以免影響作物對磷素的吸收利用。

3.3 化肥減量配施生物炭和秸稈對土壤固碳的影響

土壤有機碳（SOC）作為土壤質(zhì)量和土壤肥力的核心，與土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性密切相關(guān)，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要作用［31］。增加外源有機物料的投入是提高土壤有機碳固持、提升土壤肥力的重要手段。本研究結(jié)果表明，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈均有利于0～20 cm 土層SOC 含量的提高，生物炭效果要優(yōu)于秸稈，這與前人的研究結(jié)果［32-33］一致。原因在于，一方面秸稈和生物炭均是含碳豐富的有機物料，還田后直接增加了外源有機碳的投入；同時，秸稈和生物炭還能促進作物根系生長和干物質(zhì)累積，進而通過提高作物根系、殘茬殘留量以及根系分泌物來增加有機碳的投入；另一方面，秸稈和生物炭與化肥配施后有助于土壤團聚化作用以及結(jié)構(gòu)的形成，可為有機碳提供物理保護作用，從而減少微生物對有機碳的礦化分解［ 32，34］。生物炭提高土壤總有機碳含量效果優(yōu)于秸稈，這是因為秸稈含有大量活性炭（纖維素和半纖維素等），其歸還的碳通過土壤呼吸作用損失較多［35］，相比之下，生物炭則具有高度羧酸酯化和穩(wěn)定的芳香化結(jié)構(gòu)［30，36］，碳有效性較低，具有極強的生物化學(xué)穩(wěn)定性和抗礦化降解能力，施入土壤后通過呼吸作用損失的碳較少，從而有利于有機碳的穩(wěn)定保存，因此，生物炭和秸稈還田均可以提高土壤有機碳含量，但提高程度存在較大差異。

土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳庫中最為活躍的部分，盡管數(shù)量少，在調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著十分重要的作用，是衡量土壤生物學(xué)肥力的重要指標(biāo)［32］。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施配合秸稈或者生物炭能夠顯著增加土壤MBC 的含量，且秸稈還田效果優(yōu)于生物炭。秸稈還田顯著提升土壤MBC 的原因主要在于秸稈中含有豐富的碳、氮、鉀及微量元素等養(yǎng)分，可為微生物生長、繁殖提供充足能源和基質(zhì)，改善了土壤微生物繁育環(huán)境條件，從而提高了微生物的活性和數(shù)量［37］。盡管生物炭中碳有效性較低，施入土壤仍可顯著提高土壤MBC 的含量，原因在于生物炭能夠為土壤微生物的生長、繁殖提供充足的養(yǎng)分來源以及良好的棲息地，從而顯著增加土壤微生物的數(shù)量，并最終改善土壤生物肥力［38］。雖然生物炭和秸稈均可顯著增加土壤MBC 的含量，但秸稈對MBC 含量的促進作用要高于生物炭。原因在于秸稈中可溶性物質(zhì)、纖維素和糖類等可被微生物直接分解利用的碳、氮含量相對較高，而生物炭在制備過程中，活性較高的組分多轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)，致使其生物活性降低，因而，生物炭還田條件下對土壤MBC的含量要低于秸稈還田。

綜上，砂姜黑土區(qū)化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈均有利于水稻產(chǎn)量的提高，較常規(guī)施肥分別增加5.2% 和3.4%；化肥減量20% 條件下，配施生物炭可顯著增加水稻氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收量，較常規(guī)施肥分別提高10.4%、7.2% 和20.0%，配施秸稈可顯著增加氮、鉀吸收量，但卻降低了對磷素的吸收；化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈有利于砂姜黑土總有機碳和微生物量碳含量的提升，其中生物炭提高總有機碳含量效果優(yōu)于秸稈，而秸稈提高微生物量碳含量效果優(yōu)于生物炭。綜合來看，在砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 配施生物炭或者氮鉀減量20% 配施秸稈可增加或維持水稻產(chǎn)量，提高水稻對養(yǎng)分的吸收能力，利于固碳培肥。