刘安凯 史登林 王小利 段建军 郭琴波 徐彬 杨天海 侯再芬

摘 要：本研究采用大田試验结合室内培养，以无还田为对照（CK），对比研究了秸秆（S1、S2和S3）和生物炭（B1、B2和B3）等碳量还田（施碳量依次为2.67、5.34 和8.01 t/hm2）对黄壤稻田土壤有机碳矿化和水稻产量及品质的影响。结果表明：与对照CK处理相比，秸秆和生物炭还田的土壤有机碳（SOC）分别显著提高39.3%～48.0%和33.4%～57.9%;除B1处理外，等碳量施用秸秆生物炭（B2和B3）处理较施用秸秆（S2和S3）处理的土壤有机碳累积矿化率分别显著降低了1.21和1.02个百分点，说明等碳量条件下生物炭还田对土壤的固碳效果优于秸秆。SOC矿化速率随时间的动态变化规律均符合对数函数关系（P<0.01）;各处理SOC的累积矿化量随培养时间呈增加趋势，但其累积释放强度逐渐减慢至趋于稳定。秸秆和生物炭还田处理的水稻籽粒产量分别增加了11.6%～16.1%和5.0%～16.8%，以S1处理和B2处理增产效果较好;秸秆和生物炭还田处理对稻谷糙米率、垩白度、垩白粒率等加工品质和碱消值、直链淀粉、蛋白质含量等营养品质有明显影响。综上，适量生物炭（8 t/hm2）还田在提高水稻产质和土壤有机碳的同时降低其累积矿化率，增强土壤固碳能力，可作为贵州黄壤稻田土壤固碳培肥的较好选择。

关键词：秸秆;生物炭;黄壤稻田;有机碳矿化;产量

中图分类号：S158.5

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2021）04-0038-08

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.04.006

Abstract：This study used field experiment combined with indoor cultivation，with no return to field as the control，and compared the straw （S1，S2，and S3） and biochar （B1，B2 and B3） carbon return to the field （carbon content applied in the order：2.67 t/hm2，5.34 t/hm2 and 8.01 t/hm2） on soil organic carbon mineralization and rice yield and quality in yellow paddy soil.The results showed that：compared with the control，the soil organic carbon （SOC） of straw and biochar returned to the field was significantly increased by 39.3%～48.0% and 33.4%～57.9%，respectively;except for the B1 treatment，the same amount of carbon application of straw biochar （B2 and B3） significantly reduced the cumulative mineralization rate of soil organic carbon by 1.21 and 1.02 percentage points compared with the treatment with straws （S2 and S3），indicating that the effect of biochar in the field on soil carbon sequestration under the condition of equal carbon content was better than that of straw.The dynamic changes of SOC mineralization rate with time were in accordance with the logarithmic function relationship （P<0.01）;the cumulative mineralization of each treatment SOC increased with the incubation time，but the cumulative release intensity gradually slowed down to stabilize.Rice grain yield under straw and biochar returning treatments increased by 11.6%～16.1% and 5.0%～16.8%，respectively，and S1 and B2 treatments had better yield increasing effect.The treatment of straw and biochar returning to the field had a significant impact on brown rice percentage，chalkiness degree，chalkiness grain percentage and nutritional quality such as alkali-loss value，amylose content and protein content of rice.In conclusion，an appropriate amount of biochar （8 t/hm2） returned to the field can improve rice yield and soil organic carbon，reduce the cumulative mineralization rate，and enhance soil carbon sequestration capacity.Therefore，it can be a good choice for soil carbon sequestration and fertilizer cultivation in yellow paddy soil in Guizhou.

Keywords：straw;biochar;yellow soil paddy field;organic carbon mineralization;yield

土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中活性最强的碳库组成部分，也是表征土壤肥力的重要指标，其细微改变对大气二氧化碳（CO2）浓度甚至全球碳平衡产生重大影响[1]，大气中CO2约5%～20%来源于土壤[2]。农作物秸秆作为可再生资源，富含作物生长发育所必需的营养元素，对其进行有效利用不仅减少农业环境污染，也是实现节能减排及土壤固碳培肥的有效措施[3]。据统计[4]，中国作为主要产粮国，每年秸秆资源产量约为8亿t，秸秆直接焚烧和乱堆乱放带来一系列环境问题。因此，秸秆资源合理、高效和绿色利用对我国生态文明建设和农业可持续发展意义重大。

土壤有机碳矿化作为陆地生态系统中重要的生物化学过程，其矿化动态过程、矿化速率和矿化率的高低影响土壤中植物所需养分的释放与供应、温室气体的形成及土壤肥力的保持与提升等[5-6]。有研究表明，秸秆直接还田可有效增加土壤有机碳含量，增强土壤团聚体稳定性，促进土壤CO2的释放[7-9]。然而，将秸秆等农业废弃物经高温厌氧炭化成生物炭[10]还田，可提高土壤碳储存从而实现减排[11-12]，且其对土壤固碳较陆地生态系统固碳更长效[13]。研究指出，施用生物炭可提升SOC含量[14]，提升土壤团聚体稳定性[15]。生物炭通过有机无机矿物相互作用加速微团聚体的形成，从而促进SOC的稳定和积累[16]。但在不同试验条件下，生物炭对土壤有机碳活性和矿化的影响仍存在争议，其对SOC矿化可能存在促进作用，也可能有抑制作用[17-18]。同時有研究发现，秸秆和生物炭还田对作物产量和品质具有重要作用[19-20]。

研究等碳量条件下秸秆和生物炭还田处理对黄壤稻田土壤有机碳矿化及水稻产量和品质的影响，对该区域秸秆资源化利用、土壤固碳培肥和应对气候变化等具有重要指导意义。本研究以贵州典型黄壤稻田秸秆和生物炭还田试验为对象，基于大田试验再进行室内培养，研究等碳量秸秆和生物炭还田对黄壤稻田土壤有机碳矿化及水稻产量和品质的影响，为贵州黄壤稻田土壤固碳培肥和秸秆资源化利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验地为贵州省思南县水稻绿色增产增效技术示范基地，位于贵州省铜仁市思南县塘头镇（108°11′35″E，27°45′35″N），该区域属中亚热带季风湿润型气候区，平均海拔600 m，年均日照时数1349.8 h，年均气温17.5 ℃，相对湿度75.5%，全年无霜期294 d左右，年均降水量1200 mm。试验地为稻油轮作的典型黄壤稻田，其基础性质为：pH 5.86，有机质29.62 g/kg，全氮1.39 g/kg，碱解氮133.00 mg/kg，有效磷37.16 mg/kg，速效钾182.07 mg/kg。

供试化肥为尿素（N 46.2%）、过磷酸钙（P2O5 16%）、硫酸钾（K2O 60%）;供试秸秆为水稻秸秆，主要成分为：有机碳533.78 g/kg，全氮6.52 g/kg，全磷1.87 g/kg，全钾25.89 g/kg;供试生物炭为水稻秸秆生物炭，炭化温度450 ℃，其基本性质为：pH 8.65，有机碳667.22 g/kg，全氮5.99 g/kg，全磷1.99 g/kg，全钾27.15 g/kg，由南京勤丰众成生物质新材料有限公司提供;供试水稻品种为“中浙优8号”，由浙江勿忘农种业股份有限公司提供。

1.2 试验设计

试验共设置7个处理，S1与B1、S2与B2和S3与B3按等碳量还田（碳还田量为2.67、5.34 t/hm2和8.01 t/hm2），依次为：（1）对照CK：无还田处理;（2）S1、S2和S3：秸秆还田量依次为5.0 t/hm2、10.0 t/hm2、15.0 t/hm2;（3）B1、B2和B3：生物炭还田量依次为4.0 t/hm2、8.0 t/hm2、12.0 t/hm2，所有处理均施用氮磷钾肥（N为150.0 kg/hm2，P2O5为148.0 kg/hm2和K2O为230.0 kg/hm2）。各处理设3次重复，共21个小区，各小区面积为30 m2，田间采用完全随机区组排列。水稻移栽前先将秸秆和生物炭均匀撒施于水田土壤表层，翻匀，然后将氮肥的50%、磷肥的100%和钾肥的50%混匀后作为基肥一次性施入，氮肥的20%作分蘖肥，氮肥的20%和钾肥的50%作保花肥，氮肥的10%作促花肥，其他田间管理措施与当地农民习惯一致。

1.3 土壤采集与测定

于成熟期进行采样测产，各小区全部收获计产获取实际鲜重产量，称取30 g，采用烘干法测定实际含水量，按稻谷标准含水量13.5%折算水稻产量;稻谷风干后，根据国家优质稻谷标准[21]所述方法，测定各处理的稻谷糙米率、粒长、整精米率及稻米垩白粒率、蛋白质含量、直链淀粉含量、胶稠度等品质指标。

于2019年9月底水稻收获后，按对角线取样法选取各小区中9个采样点，利用土钻采集0～20 cm 耕层土壤，混匀分两份，一份过2 mm筛后存于4 ℃冰箱，供有机碳矿化培养;一份常温避光风干后过0.15 mm筛，用于测定土壤有机碳。

土壤有机碳矿化培养采用碱液吸收法：称取过2 mm筛新鲜土壤样品30.0 g平铺于50 mL烧杯中，用蒸馏水调节至田间持水量的45%左右，置于1000 mL 培养瓶底部，在25 ℃培养箱中预培养7 d。预培养结束后再将盛有10 mL的0.1 mol/L NaOH溶液吸收杯置于培养瓶底部，密封培养瓶，在25 ℃恒温箱中暗培养，共18组矿化培养微系统。在矿化培养开始后的第3、6、9、12、15、18、21、24、27和30 天时，准时更换碱液吸收杯并加水至恒重，吸收杯中加入2 mL BaCl2溶液（1 mol/L），再滴加酚酞指示剂2～3滴，最后用0.1 mol/L HCl（滴定前用硼砂标定）滴定直到红色消失。测得碱液吸收的CO2量，根据土壤所释放CO2量即可计算一定培养时间内SOC矿化量;土壤有机碳采用外加热重铬酸钾氧化法测定。

土壤有机碳矿化量（CO2 mg/kg）=CHCl×（V0-V）×22/0.03，土壤有机碳矿化速率[CO2 mg/（kg·d）]=培养时间内有机碳矿化量（CO2 mg/kg）/培养天数（d），土壤有机碳累积矿化率（%）=至某一时间点的土壤有机碳累积矿化量（g/kg）/土壤总有机碳（g/kg）×100%。式中：CHCl为盐酸浓度（mol/L）;V0为空白滴定的体积（mL）;V为消耗盐酸的体积（mL）。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2016和SPSS 23.0进行统计分析，多重比较采用LSD法，显著水平为0.05，采用Origin 8.0进行一级动力学方程拟合。

2 结果与分析

2.1 秸秆和生物炭还田处理下土壤有机碳含量和土壤有机碳矿化速率各处理土壤有机碳含量在18.11～28.59 g/kg之间（图1A），不同施肥处理的SOC含量存在明显差异。与常规施肥CK处理的SOC含量（18.11 g/kg）相比，秸秆直接还田处理（S1、S2和S3）和生物炭还田处理（B1、B2和B3）的SOC含量分别显著提高了39.3%～48.0%和33.4%～57.9%，其中以生物炭还田的B3处理最显著;除B1处理外，等碳量生物炭还田（B2和B3处理）较秸秆直接还田（S2和S3处理）的SOC分别提高6.1%和6.7%，未达显著水平。

图1（B）为各处理SOC矿化速率，根据矿化速率下降快慢可划分为两个阶段：培养前期（第3～9天），第3天SOC矿化速率最大，开始以较大降幅迅速下降，第9天的矿化速率为第3天的43.2%～81.1%;培养中期至末期（第9～30天），SOC礦化速率处于缓慢下降至稳定的阶段，且随培养时间的延长不同处理之间趋于一致，第30天的矿化速率为第3天的20.2%～43.6%，显著降低。培养期内SOC矿化速率的变化符合对数函数关系y=a+k·ln（t）（p<0.01）（表1），表明培养时间每变化1%个单位，土壤有机碳矿化速率将变化k%的绝对值。

2.2 秸秆和生物炭还田处理下土壤有机碳累积矿化量和累积矿化率

SOC累积矿化量是指从开始培养到特定时间段内土壤产生的CO2总量。由图2（A）可知，各处理CO2的累积释放量随培养时间呈上升趋势，但其累积释放强度逐渐减慢。培养30 d后，各处理土壤有机碳累积矿化量在0.72～1.11 g/kg之间。与CK处理相比，除B2处理外，施用秸秆和秸秆生物炭处理SOC累积矿化量分别显著增加了11.4%～52.1%和7.3%～21.5%，其中S2、S3和B3处理达显著水平;等碳量施用秸秆生物炭（B1、B2和B3）较直接施用秸秆（S1、S2和S3）处理的SOC累积矿化量依次降低了3.7%、26.9%和20.1%，B2和B3处理显著降低。

SOC累积矿化率能表征土壤固碳能力，该比例越低，表明土壤固碳能力越强，反之固碳能力越弱。如图2（B）所示，各处理土壤有机碳累积矿化率在2.63%～4.15%之间。与CK处理相比，矿化培养30 d后S3处理的土壤有机碳矿化率增加了0.12个百分点，其余处理下降了0.19～1.40个百分点，其中S1、B1、B2和B3处理显著下降;除B1处理外，等碳量施用秸秆生物炭（B2和B3）较施用秸秆（S2和S3）处理的土壤有机碳累积矿化率分别显著降低了1.21和1.02个百分点。说明适量施用秸秆和生物炭对土壤有机碳有不同程度的固定作用，且生物炭还田的固碳效果优于秸秆。

2.3 秸秆和生物炭还田处理下稻谷产量及稻米品质

据表2可知，秸秆和生物炭还田对水稻籽粒产量和品质有明显影响。与CK处理相比，秸秆和生物炭还田处理的水稻籽粒产量分别增加了11.6%～16.1%和5.0%～16.8%，其中秸秆还田的S1处理和生物炭还田的B2处理增产效果最好。

从稻米品质指标来看（表2），秸秆和生物炭还田可明显影响稻米的糙米率、精米率、垩白度、垩白粒率、粒长等加工品质和碱消值、直链淀粉、蛋白质含量等营养品质。与CK处理相比，秸秆和生物炭还田处理的糙米率分别降低了0.73～1.80和0.20～0.43个百分点，除B3处理外其余处理均达显著水平;垩白度分别下降了0.80～1.40和0.03～0.93个百分点，B2处理有所增加，均未达显著水平;垩白粒率分别降低了5.33～10.67和0.33～8.00个百分点，其中S2处理、S2处理和B1处理达显著水平;碱消值分别增加了3.0%～14.3%和4.5%～6.8%，其中S1处理和S2处理显著增加，B3处理有所下降;秸秆还田处理的粒长提高了0.5%～2.0%，S2处理和S3处理提高，生物炭还田处理的粒长没有明显变化;秸秆还田处理的精米率降低了0.33～2.10个百分点，S2处理和S3处理显著下降，除B3处理外生物炭还田处理的精米率均有所增加，但未达显著水平;S1处理的直链淀粉含量显著降低了0.40个百分点，S3处理和B1处理均有所增加，但未达显著水平;S2处理和S3处理的蛋白质含量分别显著增加了0.39和0.74个百分点。因此，适量的秸秆和生物炭还田可改善稻米品质的同时也促进了秸秆资源化利用。

3 结论与讨论

3.1 秸秆和生物炭还田对土壤有机碳矿化的影响

秸秆还田后引起土壤微生物群落组成的变化进而促进或抑制土壤有机碳的分解，增加或减少土壤有机碳的矿化[7]。本研究表明，秸秆还田增加土壤有机碳含量，且在一定范围内随秸秆还田量的增加呈上升趋势;同时，秸秆直接还田处理土壤有机碳累积矿化量表现为：S3>S2>S1>CK，且在一定范围内随秸秆施用量的增加而增加。表明秸秆施用均可提高0～20 cm耕层土壤有机碳含量和有机碳累积矿化量，促进土壤有机碳矿化，这与WU LEI等[22]的研究结果一致。其原因主要是秸秆能够显著增加土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳量，易被微生物利用，微生物数量增加，增强土壤微生物活性和呼吸作用，从而增加了CO2释放[2，8];土壤潜在可矿化有机碳及生物降解性有机碳是表征生物稳定性的指标[23]，施用秸秆提高土壤有机碳累积矿化量，促进土壤有机碳矿化。

近年来，秸秆等生物质材料经高温厌氧炭化成生物炭作为土壤调节剂改良耕地土壤，其具增加土壤有机碳储量的特殊作用深受研究者青睐。生物炭是一种高度芳香化、含碳量丰富的有机物料，具有极强的稳定性和吸附特性及丰富的空隙结构，生物炭还田能够快速提高土壤有机碳含量，且施用量越大提升效果越显著[11]。本研究结果表明，不同秸秆生物炭施用量均可提高黄壤稻田土壤有机碳含量，且随还田量的增加而增大，且等碳量还田下生物炭还田处理的SOC含量高于秸秆还田处理（B1处理除外），这与前人研究结果相似[24]。生物炭通过增强有机—无机矿物作用加速土壤微团聚体的形成，从而促进SOC的稳定和积累[16，25]。

生物炭促进[26]或抑制[12]了土壤呼吸和有机碳活度，这种差异可能受生物炭特性、土壤类型、培养条件和试验周期等诸多因素影响。本试验中，7个处理在培养初期SOC矿化速率较快，随着培养时间延长而减缓，最终趋于稳定，这是因为经过预培养后在培养初期土壤中存在较多易氧化有机碳和大量糖类及蛋白质，为土壤微生物提供丰富碳源和养分，使微生物活性增强[27]。随着培养时间延长，营养源降低，微生物活性减弱，矿化速率降低并趋于稳定[24]。研究发现，除B2处理略有降低外，施用秸秆生物炭的土壤有机碳累积矿化量高于CK处理，有机碳累积矿化率均低于CK处理，这是源于秸秆生物炭中的易氧化有机碳发生微生物分解及无机碳发生非生物降解，促进有机碳矿化速率上升，累积矿化量增大[26];且除B1处理的有机碳累积矿化率外，等碳量施用秸秆生物炭（B2和B3）处理较施用秸秆（S2和S3）处理的土壤有机碳累积矿化量和累积矿化率均有所降低。也有研究表明添加生物炭会降低土壤CO2的累积释放量[28]，与本研究结果不一致，可能是本研究供试土壤为微酸性土壤（pH为5.86），施用秸秆生物炭后可改良酸性土壤改善微生物生境，促进微生物生长、繁殖，提高CO2的累积释放量。生物炭含碳量丰富，具备各类营养元素，施入土壤可作为植物及微生物的营养源，促进作物生长及根系分泌物增加，提高土壤中活性有机碳含量，土壤呼吸强度增强，同时增加土壤有机碳含量，因而施用生物炭有利于土壤有机碳的积累。

3.2 秸秆和生物炭还田对作物产量和品质的影响

相关研究表明，适量秸秆和生物炭还田对作物产量有很好的提升效果[29-30]。本研究结果表明，与常规施肥CK处理相比，秸秆和生物炭还田处理的水稻籽粒产量分别增加了11.6%～16.1%和5.0%～16.8%，其中秸秆还田的S1处理和生物炭还田的B2处理增产效果最好，这与赵海成等[31]研究结果相似。说明在当前试验条件下，施用秸秆（5～10 t/hm2）和生物炭（4～8 t/hm2）效果较好，具有一定的可行性。施用秸秆和生物炭可实现增产或稳产的主要原因一方面是秸秆和生物炭自身含有丰富的氮素，尽管其含有的氮素并非均是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可为作物提供一定量的养分供给[32];另一方面，秸秆和生物炭除了含有氮、磷、钾等大量元素外，还富含钙、镁、锌等多种矿质养分，有利于作物养分的平衡供应[33];施用生物炭后使试验地土壤pH值从5.86提高到6.15，改良了土壤微生物的酸碱性生境，促进微生物的生长繁殖，有利于有机态养分的转化和有效供给，从而保证水稻稳产或增产。而随着秸秆和生物炭还田量的增加稻谷产量呈先增产后减产趋势，其主要原因可能是，大量秸秆和生物炭施用导致土壤可溶性有机碳含量增加，土壤碳氮比增大，从而加剧了土壤微生物与作物根系对氮素的竞争，故而导致产量下降[34-35]。

研究发现，秸秆和生物炭的施用可以改善作物品质[36-37]。本研究中，秸秆和生物炭还田处理可明显影响稻米的糙米率、垩白粒率、精米率等加工品质和碱消值、蛋白质含量等营养品质，这与曾研华等[38]、陈梦云等[37]的研究结果相似。与CK处理相比，秸秆和生物炭还田处理的糙米率分别降低了0.73～1.80和0.20～0.43个百分点，除B3处理外其余处理均达显著水平;垩白粒率分别降低了5.33～10.67和0.33～8.00个百分点。这可能是由于秸秆和生物炭中含有较高钾素和Ca、Mn、Zn等多种微量元素能够促进相关酶在植株体内的合成，有利于改善稻谷的品质[39]。不同土壤类型、肥力状况及耕作模式对施肥要求各有差异，本研究结果表明，在贵州黄壤稻田土壤中施用秸秆（2.5～5.0 t/hm2）或生物炭（4.0～8.0 t/hm2）增产提质效果较好，而孟繁昊[40]研究推荐在种植玉米的沙壤土中施用生物炭（8 t/hm2）与氮肥（150 kg/hm2）配施效果最好。

与常规施肥处理（CK）相比，秸秆和生物炭还田处理土壤有机碳分别显著提高了39.3%～48.0%和33.4%～57.9%，以B3处理（28.59 g/kg）最显著;各处理SOC累积矿化量随培养时间呈上升趋势，但其累积释放强度逐渐减慢至趋于平稳，除B1处理略有增加外，等碳量施用秸秆生物炭（B2和B3）较施用秸秆（S2和S3）处理的土壤有机碳累积矿化率分别显著降低了1.21和1.02个百分点;B2处理增产效果最好，达8.20 t/hm2。本研究条件下，施用适量（8.0 t/hm2）生物炭在促进水稻增产提质、增加土壤有机碳含量的同时降低其累积矿化率，促进土壤固碳培肥。

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