胡茜 赵远 张玉虎 张艺 符菁 荆玉琳

摘要：采用盆栽试验，以小麦秸秆炭、水稻秸秆炭、玉米秸秆炭为材料，在配施化肥的条件下，对各处理的土壤碱解氮、铵态氮、有机碳含量进行研究，同时对收获水稻进行性状与产量分析。结果发现，3种生物炭配施化肥的处理可以有效提高土壤的有机碳含量和碱解氮含量，减少土壤铵态氮含量，对水稻生长具有明显的促进作用。从环保以及作物产量的角度来看，生物炭配施化肥是一种可行的应用方式。

关键词：生物炭;有机碳;碱解氮;铵态氮;产量

中图分类号： S511.06

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0108-05

水稻是草本稻属的一种，也是稻属中作为粮食的最主要最悠久的一种，是我国重要的粮食作物之一。2016年我国水稻种植面积为3 016万hm2，水稻的产量约2.07×105万t[1-2]。国内目前针对生物炭的盆栽试验和室内培养试验研究较多，在实验室水平上解释并演示了生物炭的土壤改良作用，但是在对水稻种植的实用性方面研究较少，且生物炭的施用量往往偏大，不符合实际生产情况，不利于生物炭的推广[3-4]。施肥是农业增产的必要手段，但过量施肥不仅会导致肥料利用率低、资源的浪费，还会使土壤越来越“薄”[5]。近年来，生物炭作为一种新型土壤改良剂引起了学者们的广泛关注。生物炭，一般是指自然界广泛存在的生物质资源在缺氧条件下不完全燃烧所产生的富碳物质[6]。生物炭具有较大的比表面积和发达的孔隙，能够增加土壤的通气性和持水量，保持土壤水分和养分离子[7];表面大量的负电荷使其具有较高的阳离子交换量，能提高土壤对水分、养分的吸附利用;此外，生物炭本身含有一定的矿质养分，施入土壤后可改善离子交换量，提高土壤保水、保肥性能，改善土壤养分状况，进而提高作物产量[8]。生物炭对不同作物均具有一定的增产作用，已成为许多研究者的普遍共识[9]。生物炭与肥料的配合施入能显著地提高大豆、小麦的生物量和番茄、玉米、花生的产量，同时对水稻也有显著的增产效应。本研究在前人研究的基础上，对生物炭的施用量以及生物炭的种类进行筛选，选用当地（江苏省丹阳市）作物秸秆制备生物炭，制备温度选定为500 ℃[10]，旨在推广实验室水平的生物炭应用。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤为黄黏土，土壤的全氮含量为1.19 g/kg，全磷含量为0.64 g/kg，全钾含量为1.44 g/kg，有机碳含量为 18.85 g/kg，碱解氮含量为101.50 mg/kg，速效磷含量为 44.90 mg/kg，pH值为6.43。供试水稻品种为当地常见的南粳5055，生物炭由南京勤丰秸杆科技有限公司提供，种类为水稻秸秆炭（RBC）、玉米秸秆炭（CBC）、小麦秸秆炭（WBC），制备温度为500 ℃，不同生物炭的全量元素情况如表1所示。

1.2 设计处理

盆栽试验于2017年6—11月进行，试验设计4个处理，分别为CK（常规施肥）、RBC（添加水稻秸秆炭）、CBC（添加玉米秸秆炭）、WBC（添加小麦秸秆炭），生物炭的添加量均为3%。取6 kg土自然风干破碎后过20目筛与生物炭均匀混合，放置到直径30 cm、深40 cm的聚氯乙烯（PVC）材质的圆盆内，各处理组各设3次重复。所有处理正常施肥，施用 1.89 g 尿素，1.71 g磷酸二氢钾，0.50 g氯化钾作为基肥，后期追肥按110 mg/kg的量追施氮肥，分别在分蘖期和抽穗期追加。播种采用人工插播方式，种植密度为每盆3穴，每穴 2～3株，盆栽为淹水管理，在分蘖期结束时晾干，结束无效分蘖。

1.3 样品采集以及测定方法

在水稻成熟后将盆分开取出整块土用清水冲洗根系保证完整性，利用钢卷尺测量水稻的株高、根长、穗长;穗粒数采取人工测数的方法测定并测定空瘪率，利用电子天平測定水稻的地上部分干物质质量、地下部分质量、千粒质量。土壤有机炭（TOC）含量采用重铬酸钾稀释热法测定，利用浓硫酸与重铬酸钾混合时产生的热来氧化有机质，再配合油浴外加热使有机质氧化充分;土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，利用1.0 mol/L NaOH水解土壤，使易水解氮碱解转化为NH3，扩散后被硼酸（H3BO3）吸收滴定;土壤铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定，利用KCl溶液浸提土壤，将土壤中的NH4+浸提出来，用分光光度计测定溶液吸光度;土壤pH值采用玻璃电极法测定，水土比为2.5 mL ∶ 1 g;土壤全氮含量采用凯氏定氮仪测定，全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法测定，全钾采用火焰光度法测定。

1.4 数据处理

数据整理利用Excel 2016进行，数据的相关性分析使用SPSS 18.0进行，使用Origin 9.0完成绘图。

2 结果分析

2.1 生物炭施用对土壤有机炭的影响

由图1可知，与CK相比，所有添加生物炭的处理都会使土壤TOC含量显著提高;对水稻各生长期进行采样分析后可以看出，随着水稻的生长，土壤TOC含量逐步下降，但施加生物炭处理组的TOC含量均显著高于CK处理。在水稻秧苗期植物新陈代谢作用弱，添加小麦秸秆生物炭、水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭的土壤TOC含量分别较CK处理显著提高34.51%、38.02%、35.36%。水稻移栽后至返青期土壤中的TOC含量变化较小，相对于秧苗期的TOC的含量，CK、WBC、RBC、CBC处理分别仅降低了0.72、0.53、0.62、0.71 g/kg，此时水稻植株幼小，生命活动不剧烈，并且由于移栽过程会对水稻植株以及根系造成一定损害，因此在水稻返青期土壤TOC的变化较小，且添加了生物质炭会减少土壤本底有机碳的消耗量。从水稻分蘖期开始，土壤TOC含量开始迅速下降，此时水稻的生长代谢活动剧烈，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含量逐步趋于稳定，在抽穗期时WBC、RBC、CBC处理相对于CK处理TOC含量显著提高23.52%、25.82%、22.14%，在水稻成熟期时各处理组TOC含量相对于CK处理显著提高了23.08%、23.71%、21.58%。CK、WBC、RBC、CBC处理在水稻成熟期时土壤有机炭相对于秧苗期分别降低了4.66、798、8.57、8.37 g/kg。除拔节期外，添加水稻秸秆生物炭的处理RBC的土壤有机碳含量一直高于其他各处理，可能是由于水稻秸秆生物炭性质导致其对土壤有机碳的吸附效果更好，对土壤有机碳形成包裹，抑制了土壤有机碳的分解。经过一季水稻的种植，最后收获时CK、WBC、RBC、CBC处理的有机碳含量分别为14.93、18.38、18.47、18.16 g/kg。此时，生物炭处理组的有机碳含量相当于CK处理加入基肥后的有机碳含量，生物炭处理对土壤碳库具有增汇效应，同时为后续种植提供了一个良好的土壤环境。

2.2 添加生物炭对土壤碱解氮的影响

由图2可以看出，在水稻的秧苗期，WBC、RBC、CBC处理比CK处理土壤碱解氮含量显著提高了75.67、116.30、61.07 mg/kg，土壤碱解氮含量表现为RBC>WBC>CBC>CK。在水稻返青期，WBC、RBC、CBC处理比CK处理土壤碱解氮含量显著提高了52.73、29.40、82.83 mg/kg，土壤碱解氮含量表现为CBC>WBC>RBC>CK。在水稻分蘖期，CK、WBC、RBC、CBC处理土壤中碱解氮含量分别为128.03、14430、130.13、139.53 mg/kg，各处理间无显著性差异。在分蘖末期，土壤的碱解氮含量表现为CK>WBC>RBC>CBC，其中CK处理的土壤碱解氮含量显著高于RBC、CBC处理，而WBC处理相对于CK处理降低了21.97 mg/kg。第2次追肥在分蘖末期采样前，在此之后土壤中的碱解氮含量再无显著性差异。

2.3 添加生物炭对土壤铵态氮的影响

由图3可以看出，在水稻秧苗期，CK、WBC、RBC、CBC处理的土壤铵态氮含量分别为161.09、166.51、159.84、149.56 mg/kg，各处理间差异不显著。在水稻返青期铵态氮含量表现为RBC>WBC>CK>CBC，其中WBC处理比CK处理土壤铵态氮含量高2.23 mg/kg，RBC处理比CK处理显著高6.26 mg/kg;CBC处理土壤铵态氮含量比CK处理少 3.00 mg/kg，2处理差异不显著。在水稻的分蘖期，WBC处理土壤铵态氮含量显著高于其他处理，而其他处理间均无显著性差异。在分蘖末期笔者进行了1次采样，此时CK处理的土壤铵态氮含量为83.22 mg/kg，是4个处理中最高的，其次是WBC处理，铵态氮含量为52.44 mg/kg，再次是RBC处理，铵态氮含量为31.54 mg/kg，最少的是CBC处理，铵态氮含量仅为20.34 mg/kg，各处理间差异显著。从分蘖末期开始，经过拔节期、抽穗期以及成熟期的监测发现，自分蘖末期后一直是CK处理的土壤铵态氮含量最高，除了抽穗期的WBC处理与CK处理差异不显著外，其他时期施加了生物炭的处理组显著低于CK处理。

2.4 添加生物炭对水稻性状及产量的影响

由表2可知，在相同的水肥管理下，施加生物炭的处理对水稻性状及产量有一定的促进作用。观察穗长可以发现，WBC、RBC、CBC处理的穗长与CK处理相比显著地增长了21、1.8、2.1 cm。对于穗粒数，各处理之间穗粒数表现为WBC>RBC>CBC>CK，添加生物炭的处理组与CK处理间具有显著性的差异，但生物炭处理组间差异不显著。对于地上部分干物质质量，施加生物炭可以显著提高水稻地上部分的干物质质量，WBC、RBC、CBC处理组与CK处理相比分别显著地提高91.24%、109.52%、121.00%，极大地提高了水稻物质量。对于水稻植株地下部分的根系，与CK处理相比，添加不同生物炭的处理WBC、RBC、CBC的根干质量增幅达到了 118.88%、142.48%、98.25%，且均与CK处理差异显著。对盆栽产量进行理论推断，估算得到了理论产量，发现生物炭处理组的理论产量均与CK处理有显著性差异，说明生物炭对水稻是具有增产效果的。施入生物炭可以降低水稻植株的株高并提高结实率，但均与CK处理无显著性差异。

由表3可知，穗粒数与穗长、结实率与地上部分干物质质量、地上部分干物质质量与产量具有显著的正相关性;穗粒数与地上部分干物质质量、穗粒数与产量、穗长与产量具有极显著的正相关性。

相关系数为0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.0～0.2分别表示極强相关、强相关、中等程度相关、弱相关、极弱相关或无相关;负值表示负相关。

3 讨论

3.1 生物炭施用对土壤有机碳的影响

土壤有机碳一部分是土壤本底的有机碳，另一部分是生物炭处理所含的有机碳。本试验结果显示，生物炭的添加可以显著提高土壤总有机碳的含量，这与柯跃进等的研究结论[11]一致。已有研究表明，施用生物炭可以促进土壤团聚体的形成，提高土壤稳定态碳库[12]。生物炭由于结构的稳定性，施用后可以提高土壤的有机碳稳定性，降低土壤总有机碳的矿化速率，增加土壤总碳库，同时达到减排效应[13]。同时生物炭的施用可以改变土壤的pH值，从而降低土壤的呼吸速率[14]。柯跃进等发现，添加水稻生物炭可以有效地增加土壤总有机碳含量，生物炭可以作为土壤碳储存的载体，具有较明显的减排作用[11]。此外，生物炭可以作为土壤微生物的载体，所携带的营养物质可供土壤微生物生长发育，从而影响土壤微生物量、活性以及土壤酶活性[15]。本试验还发现，在水稻抽穗期前土壤有机碳含量变化速度较快，这是由于长时间的漫水处理，水稻迅速生长需要消耗大量的碳源，且土壤微生物作用增强，两者共同迅速地消耗了土壤中的有机碳;而添加了生物炭的处理组由于生物炭本身带有大量的有机碳，在水稻生长的前期会被快速地利用，当易分解的有机质被消耗殆尽时，土壤微生物和植物就会开始分解稳定态的碳，因此后期土壤有机碳含量变化放缓，逐渐趋于平稳[16]。在水稻成熟期对土壤有机碳含量进行测定发现，所有生物炭处理都可以有效地增加土壤有机质含量，增汇土壤碳库。

3.2 添加生物炭对土壤碱解氮的影响

近年来，人们对生物炭与氮之间关系的认知越来越清晰。施加生物炭可以有效地提高土壤中可利用氮的含量，促进植物的生长，有效提高作物产量[17]。张伟明等对添加生物炭后水稻产量的研究发现，施加2%的生物炭可以有效提高3321%的水稻产量[18]。水稻产量的提升主要由于土壤中营养物质含量的提高，而生物炭的添加会激发土壤微生物的活动，尤其是根系菌的活动[19]。碱解氮又称有效氮，其含量可以有效地反映近期氮素（无机态氮和有机态氮）的供应情况。本试验发现，在水稻分蘖期前生物炭处理的土壤碱解氮含量均高于CK处理，即在秧苗期由于施入了基肥以及生物炭，导致WBC、RBC、CBC处理土壤中碱解氮含量远高于CK处理，增幅普遍在31.32%以上，这是由基肥以及生物炭本身所携带的有效氮共同作用造成的。与秧苗期相比，在返青期生物炭处理的碱解氮含量较CK的增量有所下降，说明易吸收的有效氮被植物和土壤微生物消耗，同时有一部分被转化为NH3释放到空气中。除秧苗期和返青期，在水稻其他时期添加生物炭处理的碱解氮含量与CK处理无显著性差异，因此可以说明生物炭除了在施入时会增加土壤有效氮含量（自身携带）外，在后续追肥中也可以提高有效氮含量。

3.3 添加生物炭对土壤铵态氮的影响

铵态氮是土壤有效氮（碱解氮）的一种，是两大无机氮源之一，相对于硝态氮来说，铵态氮的含量更高，在土壤中以游离态形式存在，更容易被利用[20]。有研究表明，土壤中铵态氮的含量与土壤pH值以及阳离子交换量（CEC）呈显著性正相关，与土壤的有机碳含量呈显著性负相关[21]。在水稻秧苗期各处理的土壤铵态氮含量都很高，但差异不显著，可能由于基数太大，生物炭对铵态氮的作用不明显。从分蘖末期开始，除抽穗期外，生物炭处理组的铵态氮含量均显著低于CK处理。这是由于添加生物炭提高了土壤的有机碳含量，而有机碳又会抑制土壤对铵态氮的吸附性，增加土壤的通透性，有利于硝态氮的转化。综上所述，推测3种作物秸秆制备的生物炭施加降低了土壤对铵态氮的吸附性，进而降低了土壤铵态氮含量。

3.4 添加生物炭对水稻性状及产量的影响

添加生物炭可以有效地改善土壤有机质含量，增加土壤有效氮含量，降低土壤温室气体的排放等[22]。刘园等研究发现，施加生物炭可以显著提高玉米产量，其中中量添加生物炭的处理增产效果最明显，同时有效地降低了土壤容重，增加了土壤持水能力[23]。王耀锋等通过研究水洗生物炭配施化肥对水稻产量及养分吸收的影响发现，添加竹炭和水洗竹炭可以分别提高12.7%和15.6%水稻秸秆产量，提高16.7%和18.4%水稻籽粒产量[24]。从水稻性状来看，添加生物炭可以有效提高水稻的穗长以及穗粒数，增加水稻地上部分干物质质量，使根系更加发达，为水稻的增产提供帮助。而研究表明，土壤中的K元素和水稻的抗病性有关，而作为水稻直接氮源与碳源的碱解氮、有机碳的含量与水稻的性状以及产量有着显著性正相关关系[25]。添加了生物炭的处理组可有效提高土壤有机碳含量以及碱解氮含量，因此更有利于土壤中的水稻以及微生物生长发育，同时添加生物炭又可以改善土壤的容重，有利于根系发展，增强水稻的抗倒伏能力。

4 结论

添加小麦秸秆生物炭、水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭都可以有效地提高土壤有机碳含量，其中水稻秸秆生物炭的作用最明显，且在水稻成熟期土壤中有机碳含量仍可以维持在一个较高的水平。

添加生物炭会改变土壤中氮元素的转化循环，与土壤碱解氮含量显著正相关，有效提升了土壤的肥力，有利于水稻吸收利用氮素;在水稻分蘖末期后添加生物炭的处理明显降低了土壤铵态氮含量。其中玉米秸秆生物炭的作用效果最好。

不同生物炭的施加都会增加水稻的理论产量以及地上部分的干物质质量、地下根系质量。

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