生物炭對寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響

張愛平, 劉汝亮, 高霽, 張晴雯, 陳哲， 惠錦卓, 楊世琦, 楊正禮*

(1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新團隊，北京 100081；2寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏銀川 750000)

生物炭對寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響

張愛平1, 劉汝亮2, 高霽1, 張晴雯1, 陳哲1， 惠錦卓1, 楊世琦1, 楊正禮1*

(1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新團隊，北京 100081；2寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏銀川 750000)

【目的】氮是作物生長發(fā)育所需的主要營養(yǎng)元素，隨著寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度不斷提高，氮肥投入亦不斷增加，由此導(dǎo)致的土壤板結(jié)及氮素利用率低等問題日益突顯。鑒于生物炭在改良土壤及提高氮肥利用方面的潛在可行性，本文通過大田試驗研究添加不同用量生物炭對水稻產(chǎn)量和氮素利用率的影響，為生物炭在該地區(qū)的應(yīng)用提供參考和依據(jù)?！痉椒ā恳詫幭墓鄥^(qū)具有代表性的集約化水稻田為研究對象，以寧粳43號水稻為試驗材料，采用裂區(qū)試驗設(shè)計，施氮量設(shè)常規(guī)施氮量(N 300, N 300 kg/hm2)和不施氮(N0)2個水平；生物炭設(shè)高量炭(C3, 9000 kg/hm2)、中量炭(C2, 6750 kg/hm2)、低量炭(C1, 4500 kg/hm2)和不施炭(C0)4個水平。旨在明確添加生物炭對灌淤土基本理化性質(zhì)、水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響?！窘Y(jié)果】1)添加生物炭種植一季水稻后對灌淤土土壤含水量沒有明顯影響，土壤pH值亦沒有發(fā)生明顯變化。2)施加氮肥情況下，C3處理較C0處理可顯著提高灌淤土全氮、全磷和速效鉀含量，但對速效磷含量沒有影響，C2和C3處理下土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀都沒有明顯差異，但二者全氮和速效鉀含量要顯著高于C1處理；不施肥情況下，除C3和C2處理顯著增加土壤速效鉀含量外，其余處理對土壤養(yǎng)分含量沒有影響。3)生物炭和氮肥配施可以顯著增加水稻籽粒產(chǎn)量，并隨生物炭用量(4500～9000 kg/hm2)增加而增高，增產(chǎn)率在15.26%～44.89%之間，水稻籽粒產(chǎn)量與生物炭用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.962)，水稻株高和穗粒數(shù)也隨生物炭用量增多而增加，同時，水稻地上部總吸氮量隨生物炭用量增加而增加， C3處理較C0處理提高66.27 kg/hm2，各處理之間差異顯著；不施氮肥情況下，添加生物炭(4500～9000 kg/hm2)對水稻籽粒產(chǎn)量沒有顯著影響，對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響亦不明顯， C1和C2處理可以顯著提高水稻地上部總吸氮量，但C3處理對總吸氮量影響不明顯，同時各施炭處理之間無顯著差異。4)生物炭和氮肥配施時，氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率均表現(xiàn)為隨生物炭用量增加而增加，C3較C0處理氮肥農(nóng)學(xué)效率提高10.87 kg/kg，氮肥利用率提高22.09個百分點?！窘Y(jié)論】生物炭和氮肥配施可以提高寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量，本試驗以施用9000 kg/hm2(C3)的生物炭產(chǎn)量最高(增產(chǎn)率達44.89%)，同時水稻株高和穗粒數(shù)也隨生物炭用量增多而增加，生物炭和氮肥配施，氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率隨生物炭用量增加而增加；不施氮肥情況下，添加生物炭對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響，對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響亦不明顯。。

生物炭； 灌淤土； 水稻產(chǎn)量； 氮素利用率； 寧夏引黃灌區(qū)

寧夏引黃灌區(qū)位于我國西北干旱和半干旱區(qū)，灌溉面積9697 km2，是我國最大和最古老的灌區(qū)之一。該區(qū)域年均降雨量在180～220mm之間，干旱少雨。由于引黃灌溉便利，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達，是我國西部重要的商品糧基地之一，以全區(qū)34%的耕地生產(chǎn)著全區(qū)70%的糧食，養(yǎng)活著全區(qū)60%的人口。但該區(qū)域糧食高產(chǎn)是以水肥大量投入為前提，從1980到 2011年, 寧夏灌區(qū)作物產(chǎn)量增加了1.99倍(從1.20×106噸增加到3.59×106噸)，化肥用量增加了5.04 倍(從1.71×105噸增加到1.033×106噸), 其中氮肥的增加量為5.33×105噸[1]。水稻是該地區(qū)主要種植作物之一，單季氮肥用量高達300 kg/hm2，同時習(xí)慣于施肥后大水漫灌，導(dǎo)致氮素流失嚴重，氮肥利用率低[2]。然而，目前寧夏灌區(qū)施肥量每年還以6%的速度增長，過量施肥導(dǎo)致的土壤板結(jié)等問題也逐漸呈現(xiàn)[3]。因此，探索在“用地”的同時可以“養(yǎng)地”的調(diào)控途徑，是滿足日益增長的糧食需求和保護環(huán)境的關(guān)鍵所在。

近年來，有關(guān)生物炭與土壤質(zhì)地改良的研究成為熱點，生物炭是生物有機材料(生物質(zhì))在缺氧或低氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后的固體產(chǎn)物[4]。研究表明，生物炭可以改善土壤理化性狀，提高土壤保肥保水性能，改善土壤養(yǎng)分狀況，增加作物對養(yǎng)分的吸收[5-7]。圍繞生物炭對作物產(chǎn)量及氮素利用率的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，絕大多數(shù)研究表明，添加生物炭可以增加作物產(chǎn)量[8-9]。但有研究認為，生物炭的增產(chǎn)作用有一定的適用范圍，施用生物炭量過高或過低時，作物產(chǎn)量有降低可能[10]。生物炭對作物產(chǎn)量的影響與土壤類型、氣候條件及農(nóng)作管理等諸多因素有關(guān)，其中土壤類型是主要影響因子之一[11]。灌淤土是在人為引用含泥沙的水灌溉落淤與耕種施肥交替作用下形成的一種特殊的土壤類型[12]，目前將生物炭應(yīng)用于田間作物增產(chǎn)方面國內(nèi)雖已有相關(guān)研究，但生物炭對灌淤土中水稻產(chǎn)量的影響尚未見報道。寧夏引黃灌區(qū)是灌淤土主要分布地區(qū)之一，本文以寧夏灌區(qū)具有代表性的集約化水稻田為研究對象，研究添加不同用量生物炭對水稻產(chǎn)量和氮素利用率影響，為生物炭在該地區(qū)的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)介紹

試驗點位于寧夏回族自治區(qū)青銅峽市葉升鎮(zhèn)正鑫源現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司試驗田(106°11′35″ E，38°07′26″ N)，該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，年均降水量192.9 mm，年蒸發(fā)量1762.9 mm，年無霜期163 d，年均積溫3866.3℃，是寧夏引黃灌區(qū)典型的水稻種植區(qū)。土壤類型為灌淤土。土壤耕作層厚度約20 cm，土壤肥力中等偏上，表層土壤鹽分含量和土壤pH值均較高。水稻是該區(qū)域主要種植作物之一，氮肥投入水平為300 kg/hm2。主要種植模式為稻麥輪作，以春小麥為主，作物種植為一年一季。供試土壤0～20 cm基本性質(zhì)為: 有機質(zhì)16.1 g/kg、 全氮0.9 g/kg、 全磷0.9 g/kg、 速效氮(Avail. N)62 mg/kg、 速效磷(Olsen-P)11.87mg/kg、速效鉀(Avail. K)112 mg/kg、 pH值8.49、 容重1.41 g/cm3。

試驗所用生物炭以稻殼為原料，經(jīng)高溫(240～360℃)缺氧裂解而成，其基本性狀: 全氮4.88 g/kg、 全磷0.83 g/kg、 全鉀 15.98 g/kg、 硝態(tài)氮0.38 mg/kg、 速效氮4.6 mg/kg、 速效磷(Olsen-P)162.0 mg/kg、 速效鉀(Avail. K)9600 mg/kg、 密度0.297 mg/kg、 pH值7.78。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，施氮量設(shè)2個水平，分別為常規(guī)用氮量(N300，N 300 kg/hm2)和不施氮(N0)；生物炭設(shè)4個水平: 高量炭(C3，9000 kg/hm2)、中量炭(C2，6750 kg/hm2)、低量炭(C1，4500 kg/hm2)、不施炭(C0)。每個處理重復(fù)3次，共24個試驗小區(qū)，小區(qū)面積65 m2(13 m×5 m)。為防止試驗小區(qū)之間側(cè)滲和串流，在水稻插秧前將各試驗小區(qū)用長壽塑料膜隔離，地下埋深100 cm，田埂包高30 cm。每個小區(qū)設(shè)立可以獨立計量的灌排口，水稻生長期間，不人為排水，讓其自然滲漏和蒸發(fā)。

試驗所選用水稻品種為寧粳43號，于2013年5月1日育秧，5月29日插秧，9月29日收獲?；屎蜕锾糠墼诓シN前一次性均勻撒施后旋耕，旋耕深度15～20 cm。所施氮肥為尿素，分3次施入土壤，基肥(50%)、秧苗肥(30%)及拔節(jié)肥(20%)，磷肥為重過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。水稻生育期間按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣灌溉，共灌水18次，灌溉量(從6月泡田至10月收獲)為1450 mm。試驗地的其他農(nóng)作管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理措施一致。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 樣品采集 在水稻成熟時，采用5點取樣法按照對角線在每個小區(qū)采集5個1 m2的樣方，之后將籽粒和秸稈部位分開，于烘箱內(nèi)70℃殺青20 min，105℃烘干至恒重，計算水稻籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量，并進一步考種，測定吸氮量、株高、穗長、穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重等指標。

水稻收獲后，每個小區(qū)分層(20 cm一層)用土鉆(直徑 4.1 cm)每層采集 5個有代表性的土樣至1 m深處，然后均勻混合在一起，用于測定土壤含水量。

1.3.2 測定方法 土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH采用酸度計法；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，土壤全磷采用硝酸、高氯酸、氫氟酸消解，鉬銻抗比色法，土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用火焰光度法，土壤全氮采用硫酸-催化劑消解，水楊酸鈉比色法，植株氮素含量采用H2SO4-H2O2消煮—半微量開氏法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Sigmaplot 12.5作圖，并用SAS軟件進行統(tǒng)計分析，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，方差分析在α= 0.05水平上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對灌淤土土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 對土壤含水量的影響 添加生物炭種植一季水稻后對灌淤土土壤含水量沒有顯著影響(圖1)。施用生物炭后，各處理不同土層土壤含水量并沒有表現(xiàn)出顯著變化，不同處理之間差異亦不顯著，這與絕大多數(shù)研究結(jié)果不同。如Glaser等[13]的研究顯示，含生物炭豐富的土壤，其表面積是周圍無炭土壤的3倍，田間持水量增加18%；茍芒芒等[14]發(fā)現(xiàn)，每 1 kg 干土中添加60 g生物炭，土壤含水量較不添加生物炭處理提高170%。本試驗中，生物炭施于灌淤土未出現(xiàn)提高土壤含水量的預(yù)期結(jié)果，一方面可能是水稻生育期間灌溉量較大，導(dǎo)致收獲后土壤含水量沒有差別，另一方面也可能是生物炭施用時間較短的原因，該結(jié)論還有待于大田長期定位試驗進一步研究。

2.1.2 對土壤pH值的影響 由圖2可以看出，在0～20 cm耕層土壤中，常規(guī)施肥條件下C3、C2、C1及C0處理土壤pH值分別為8.49、8.48、8.56、8.49，不施肥條件下C3、C2、C1和C0處理土壤pH值分別為8.55、8.42、8.49、8.55，土壤pH值的變化范圍為8.42～8.55，呈堿性。統(tǒng)計分析顯示各處理之間沒有顯著差異。這與惠錦卓等[15]利用土柱模擬試驗得出的生物炭對灌淤土pH值沒有顯著影響的結(jié)果一致。土壤酸堿性是由母質(zhì)、生物、氣候以及人為作用等多種因子決定的，能直接反映出土壤化學(xué)環(huán)境。寧夏引黃灌區(qū)灌淤土大都偏堿性[12]，而大多數(shù)研究顯示添加生物炭能增加酸性土壤的pH值[16-17]，主要原因是酸性土壤中添加生物炭后，生物炭所含的K、Ca、Mg等元素進入土壤后會有一定程度的釋放，交換土壤中的 H+和Al3+，從而降低其濃度[18]，提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤 pH值[19]。本試驗中的灌淤土屬于堿性土壤，土壤中的上述可溶性元素含量相對較高，因此添加生物炭后土壤pH值沒有明顯變化，這與許多研究得出的生物炭對堿性土壤pH值影響不明顯的結(jié)論相符[20]。

2.1.3 對土壤養(yǎng)分含量的影響 如表1所示，常規(guī)施肥條件下，C3和C0處理相比，可以顯著提高灌淤土全氮、全磷和速效鉀含量，但對速效磷含量沒有影響，C2和C3處理下土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀都沒有明顯差異，但二者全氮和速效鉀含量要顯著高于C1處理。不施肥情況下，除C3和C2處理顯著增加土壤速效鉀含量外，其余處理對土壤養(yǎng)分含量幾乎沒有影響。許多研究表明，添加生物炭可以提高土壤養(yǎng)分含量，如Ding等[21]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，以竹子為原料生產(chǎn)的生物炭施入砂質(zhì)粉土能夠影響土壤的氮貯存量；劉玉學(xué)等[22]發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以顯著提高土壤全氮和速效鉀的含量。生物炭能夠改善土壤養(yǎng)分條件，一方面是生物炭施于土壤后在土壤等各種生物或非生物因素的交互作用下，會緩慢釋放一些營養(yǎng)元素，補充土壤養(yǎng)分[23-24]；另一方面是生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和電荷密度，使其對土壤水分和營養(yǎng)元素的吸持能力增強[25-26]，從而間接提高了土壤有效養(yǎng)分的含量和生產(chǎn)性能；最后生物炭與其他肥料同時施用，可以延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放過程，提高土壤的養(yǎng)分含量[27]。但也有研究顯示，添加生物炭對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響，這可能與土壤性質(zhì)和生物炭用量有關(guān)[28]。

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

2.2 生物炭對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.2.1 對水稻產(chǎn)量的影響 生物炭和氮肥配施可以顯著增加水稻籽粒產(chǎn)量(表2)。方差分析結(jié)果表明，常規(guī)施肥情況下，水稻籽粒產(chǎn)量隨生物炭用量增加而增高，各處理間差異顯著。產(chǎn)量最高的為C3處理，較C0處理提高44.89%；其次是C2處理，較C0處理提高23.28%； C1處理和C0相比，增產(chǎn)率亦達到15.26%。在不施加氮肥的情況下，添加生物炭對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響。進一步對水稻產(chǎn)量和生物炭用量進行相關(guān)性分析得出，常規(guī)施肥條件下，生物炭用量與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性很高(圖3)(r=0.962，P<0.05)。這表明，在施加氮肥條件下，水稻產(chǎn)量的高低與生物炭用量的多少有正相關(guān)關(guān)系，而在不施加氮肥的情況下，生物炭用量與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性很低(r=0.533，P>0.05)。

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

添加生物炭可以增加灌淤土水稻產(chǎn)量，這與大部分試驗結(jié)果相似。張偉明等[29]通過盆栽試驗得出，添加生物炭后水稻產(chǎn)量增加，其中以每千克干土加 20 g 生物炭處理的產(chǎn)量增加最多，比對照提高33.21%。劉玉學(xué)等[30]的研究表明，添加秸稈炭能使水稻產(chǎn)量顯著增加，不施加尿素條件下，添加1%秸稈炭能使水稻產(chǎn)量提高19.9%，而施加尿素條件下可提高11.2%。張偉明等[29]研究認為，小麥秸稈生物炭以10 t/hm2和40 t/hm2添加至稻田后，在不施加氮肥的情況下，水稻產(chǎn)量分別增加12%和14%，而施加氮肥300 kg/hm2的情況下，水稻產(chǎn)量分別增加8.8%和12.1%。在巴西亞馬遜地區(qū)土壤中施加生物炭11 t/hm2，連續(xù)2 年4個生長季高粱和水稻產(chǎn)量增加了約75%[31]。本研究中不同用量生物炭和氮肥配合施入灌淤土后，水稻籽粒產(chǎn)量的增幅為15.26%～44.89%，這表明在灌淤土生物炭添加對提高水稻產(chǎn)量有積極作用。但生物炭施用對作物產(chǎn)量的影響在不同試驗條件下影響不同，張斌等[32]在四川將生物炭連續(xù)兩年施用于稻田，20 t/hm2和40 t/hm2的用量均未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生影響。生物炭影響產(chǎn)量的原因可能是通過影響土壤理化性質(zhì)來改善作物生長發(fā)育情況進而提高作物產(chǎn)量[33]。

生物炭施入農(nóng)田后，土壤的理化性質(zhì)以及微生物活動發(fā)生了變化[34]，這些變化與農(nóng)田小氣候共同作用影響作物產(chǎn)量，但這些影響因素與作物產(chǎn)量之間的相互作用機制尚不清楚，可能是由于加入生物炭后，生物炭提高土壤有機碳含量，而土壤有機碳含量的增高則會導(dǎo)致土壤C/N比升高，進而增大土壤對氮素及其它養(yǎng)分元素的吸持容量，促進作物對氮素的吸收進而影響產(chǎn)量[33]。本研究中，單獨施用生物炭對水稻產(chǎn)量無顯著影響，這與Yamato等[35]和Van等[23]得出的結(jié)論一致，但不同于劉玉學(xué)[30]的研究結(jié)論，這可能與土壤類型、生物炭種類及用量等有關(guān)。

2.2.2 生物炭對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素影響 如表3所示，常規(guī)施肥條件下，添加生物炭可以增加水稻株高，C3、C2和C1處理水稻株高都顯著高于C0處理，同時C3處理株高也顯著高于C1處理，但與C2處理之間無顯著差異；不施肥情況下，添加生物炭對水稻株高沒有顯著影響，原因是常規(guī)施氮肥條件下，充足的肥料供應(yīng)易導(dǎo)致水稻出現(xiàn)貪青現(xiàn)象，營養(yǎng)生長較不施氮肥處理持續(xù)時間更長，故而株高較高。施用生物炭可以提高水稻穗粒數(shù)，C3處理下水稻穗粒數(shù)顯著高于其它處理，這與張偉明等[29]的研究結(jié)果相同，同時崔月峰等[36]的研究也發(fā)現(xiàn)，施用炭基玉米專用肥可以有效提高玉米穗粒數(shù)與粒重。

2.3 生物炭對水稻的氮素利用率及氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

注(Note): AN—Agronomic efficiency of nitrogen Fertilizer; NUE—Nitroyen use efficiency. 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

從表4可以看出，常規(guī)施肥條件下，水稻地上部總吸氮量隨生物炭用量增加而增加，各處理之間差異顯著(P<0.05)，吸氮量最高的為C3處理，較C0處理提高66.27 kg/hm2。不施氮肥情況下，C1和C2處理顯著提高水稻地上部總吸氮量，但C3處理對總吸氮量影響不明顯，同時三個生物炭處理之間無顯著差異。進一步對生物炭用量與水稻吸氮量進行相關(guān)分析，在施加氮肥條件下，水稻總吸氮量與生物炭用量相關(guān)性較高(圖4)(r=0.948，P>0.05)，不施加氮肥情況下，生物炭用量與水稻氮肥吸收量的相關(guān)性很低(r=0.564，P>0.05)。添加生物炭可以提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率，且隨生物炭用量增加而增加，C3處理較C0處理氮肥農(nóng)學(xué)效率提高10.87 kg/kg，氮肥利用率提高22.09個百分點。許多研究表明添加生物炭可以促進氮肥利用率，如曲晶晶等[37]對湖南和江西兩個試驗點研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高了水稻的氮肥利用率，在40 t/hm2施用水平下，湖南試驗點和江西試驗點水稻氮肥吸收利用率分別提高20.33%和17.58個百分點，而江西試驗點氮肥農(nóng)學(xué)效率則提高39.81%。生物炭能夠提高氮素利用率的可能原因是，生物炭表面含有豐富的官能團和巨大的比表面積，可以吸附養(yǎng)分離子，還可以通過提高土壤陽離子交換量，交換吸附更多養(yǎng)分離子，對養(yǎng)分吸附和緩慢釋放起到一定作用，從而提高土壤肥力和肥料利用效率[38]。

3 結(jié)論

1)添加生物炭對灌淤土土壤含水量和pH值沒有顯著影響，但施加氮肥情況下，添加高量生物炭(9000 kg/hm2)可以顯著提高灌淤土全氮、全磷和速效鉀含量，不施肥情況下，除速效鉀外，所有處理對土壤養(yǎng)分含量沒有影響。

2)常規(guī)施肥條件下，添加生物炭可以顯著增加水稻籽粒產(chǎn)量，并隨生物炭用量增加而增高，增產(chǎn)率在15.26%～44.89%之間，水稻產(chǎn)量與生物炭用量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.962)，同時水稻株高和穗粒數(shù)也隨生物炭用量增多而增加；不施氮肥的情況下，添加生物炭對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響，對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響亦不明顯。

3)生物炭和氮肥配施可以促進水稻對氮素的吸收，提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和利用率，并隨生物炭用量增加而增加，高量生物炭處理(9000 kg/hm2)較不施炭處理水稻地上部總吸氮量增加66.27 kg/hm2，氮肥農(nóng)學(xué)效率提高10.87 kg/kg，氮肥利用率提高22.09個百分點。

[1] 寧夏回族自治區(qū)統(tǒng)計局. 寧夏統(tǒng)計年鑒[M]. 北京: 中國統(tǒng)計出版社, 2012. Ningxia Statistics Bureau. Ningxia Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 2012.

[2] 張愛平. 寧夏黃灌區(qū)稻田退水氮磷污染特征研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士論文, 2009. Zhang A P. Study on the characteristics of nitrogen and phosphorus pollution in the return flow of rice paddy in Nigxia irrigation region[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2009.

[3] Zhang Q W, Yang Z L, Zhang Hetal. Recovery efficiency and loss of15N-labelled urea in a rice-soil system in the upper reaches of the Yellow River basin[J].Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 158: 118-126.

[4] Laser B, Haumaier L, Guggenberger Getal. Black carbon in soils: the use of benzene carboxylicacids as specific markers[J]. Organic Geochemistry, 1998, 29(4): 811-819.

[5] Van Zwieten L, Kimber S, Morris Setal. Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agromic performance and soil fertility[J]. Plant and Soil, 2010, 327(1-2): 235-246.

[6] Demirbas A. Effects of temperature and particle size on biochar yield from pyrolysis of agricultural residues[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 72: 243-248.

[7] 宋延靜, 龔駿.施用生物質(zhì)炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[J].魯東大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)), 2010, 26(4): 361-365. Song Y J, Gong J. Effects of biochar application on soil ecosystem functions[J].Ludong University Journal(Natural Science Edition), 2010, 26(4): 361-365.

[8] Steiner C, Teixeira W G, Lehmann Jetal. Long term effects of manure, charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil[J]. Plant and Soil, 2007, 291(1-2): 275-290.

[9] Lehmann J, Weigl D, Peter Ietal. Nutrient interactions of alley cropped sorghum bicolor andAcaciasalignain a runoff irrigation system in Northern Kenya[J]. Plant and Soil, 1999, 210(2): 249-262.

[10] Glaser B, Haumaier L, Guggenberger Getal. The ‘Terra Preta’ phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics[J]. Naturwissenschaften, 2001, 88(1): 37-41.

[11] Sohi S, Lopez-Capel E, Krull Eetal. Biochar, climate change and soil: A review to guide future research[J]. CSIRO Land and Water Science Report, 2009, 5(9): 17-31.

[12] 馬玉蘭. 灌淤土研究新進展[J].土壤通報,1996,27(4): 155-158. Ma Y L. New progress in the study of anthropogenic-alluvial soil[J].Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(4): 155-158.

[13] Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chem- ical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal: a review. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219-230.

[14] 勾芒芒, 屈忠義，楊曉，等. 生物炭對砂壤土節(jié)水保肥及番茄產(chǎn)量的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2014,45(1): 137-142. Gou M M, Qu Z Y, Yang Xetal. Study on the effects of biochar on saving water，preserving fertility and tomato yield[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(1): 137-142.

[15] 惠錦卓, 張愛平, 劉汝亮, 等. 添加生物炭對灌淤土土壤養(yǎng)分含量和氮素淋失的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2014, 35(2): 156-161. Hui J Z, Zhang A P, Liu R L et al. Effects of biochar on nitrogen leaching in anthropogenic-alluvial soil in Ningxia irrigation region[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(2): 156-161.

[16] Yuan J H, Xu R K. The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic Ultisol[J]. Soil Use and Management, 2011, 27(1): 110-115.

[17] 袁金華, 徐仁扣. 稻殼制備的生物質(zhì)炭對紅壤和黃棕壤酸度的改良效果[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2010, 26(5): 472-476. Yuan J H, Xu R K. Effects of rice hull based biochar regulating acidity of red soil and yellow brown soil[J].Journal of Ecology and Rural Environment, 2010, 26(5): 472-476.

[18] Zhang A, Cui L, Pan Getal. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain, China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2010, 139(4): 469-475.

[19] Liang B, Lehmann J, Solomon Detal. Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719-1730.

[20] Chintala R,Schumacher Thomas E, McDonald Louis Metal． Phosphorus sorption and availability from biochars and soil / bio-char mixtures[J]. Clean-Soil, Air, Water, 2013, 41(9): 1-9．

[21] Ding Y, Liu Y X, Wu W Xetal. Evaluation of biochar effects on nitrogen retention and leaching in multi-layered soil columns[J]. Water, Air and Soil Pollution, 2010, 213(1-4): 47-55.

[22] 劉玉學(xué),王耀峰, 呂豪豪, 等. 不同稻桿炭和竹炭施用水平對小青菜產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤性質(zhì)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(6): 1438-1444. Liu Y X, Wang Y F, Lv H Hetal. Effect of different application rates of rice straw biochar and bamboo biochar on yield and quality of greengrocery(Brassicachinensis)and soil properties[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(6): 1438-1444.

[23] Van Zwieten L, Kimber S, Morris Setal. Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agronomic performance and soil fertility[J]. Plant and Soil, 2010, 327(1-2): 235-246.

[24] Haefele S M, Konboon Y, Wongboon Wetal. Effects and fate of biochar from rice residues in rice-based systems[J]. Field Crops Research, 2011, 121(3): 430-440

[25] Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature, 2007, 447: 143-144.

[26] Liang B, Lehmann J, Solomon Detal. Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719-1730.

[27] 勾芒芒,屈忠義. 生物炭對改善土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量影響的研究進展[J]. 中國土壤與肥料, 2013,(5): 1-5. Gou M M, Qu Z Y. Research on using biochar to agricultural soil amendment and crop yield[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2013,(5): 1-5.

[28] 陳溫福，張偉明，孟軍. 農(nóng)用生物炭研究進展與前景[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(16): 3324-3333. Chen W F, Zhang W M, Meng J. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013,46(16): 3324-3333.

[29] 張偉明, 孟軍, 王嘉宇, 等. 生物炭對水稻根系形態(tài)與生理特性及產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報, 2013, 39(8): 1445-1451. Zhang W M, Meng J, Wang J Yetal. Effect of biochar on root morphological and physiological characteristics and yield in rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(8): 1445-1451.

[30] 劉玉學(xué). 生物質(zhì)炭輸入對土壤氮素流失及溫室氣體排放特征的影響[D].浙江: 浙江大學(xué)博士論文,2011. Liu Y X. Effects of biochar on the characteristic of nitrogen loss and greenhouse gas emission from soil[D].Zhejiang: ZheJiang University, 2011.

[31] Steiner C, Teixeira W G, Lehmann Jetal. Long term effects of manure, charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland Soil[J]. Plant and Soil, 2007, 291(1-2): 275-290.

[32] 張斌, 劉曉雨, 潘根興, 等. 施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì), 水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(23): 4844-4853. Zhang B, Liu X Y, Pan G Xetal. Changes in soil properties, yield and trace gas emission from a paddy after biochar amendment in two consecutive rice growing cycles[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(23): 4844-4853.

[33] Asai H, Samson B K, Stephan H Metal. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos: 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research, 2009, 111(1): 81-84.

[34] Sohi S P, Krull E, Lopez-Capel Eetal. A review of biochar and its use and function in soil[J]. Advances in Agronomy, 2010, 105: 47-82.

[35] Yamato M, Okimori Y, Wibowo I Fetal. Effects of the applica- tion of charred bark of Acacia mangium on the yield of maize, cowpea and peanut, and soil chemical properties in South Sumatra, Indonesia[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2006, 52(4): 489-495.

[36] 崔月峰, 曾雅琴, 陳溫福. 顆粒炭及新型緩釋肥對玉米的應(yīng)用效應(yīng)研究[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008,(3): 5-8. Cui Y F, Zeng Y Q, Chen W F. Applying effect of pellet active carbon and slow-release fertilizer on maize[J]. Liaoning Agricultural Sciences,2008,(3): 5-8.

[37] 曲晶晶, 鄭金偉, 鄭聚鋒, 等. 小麥秸稈生物質(zhì)炭對水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2012, 28(3): 288-293. Qu J J, Zheng J W, Zheng J Fetal. Effects of wheat-straw-based biochar on yield of rice and nitrogen use efficiency of late rice[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2012, 28(3): 288-293.

[38] Lehmann J, Silva J P, Steiner Cetal. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthorosol and a Ferralsolof the Central Amazon basin: fertilizer, manure and charcoal amendments[J]. Plant and Soil, 2003, 249(2): 343-357.

Effects of biochar on rice yield and nitrogen use efficiency in the Ningxia Yellow River irrigation region

ZHANG Ai-ping1, LIU Ru-liang2, GAO Ji1, ZHANG Qing-wen1, CHEN Zhe1, Hui Jin-zhuo1, YANG Shi-qi1, YANG Zheng-li1*

(1AgriculturalCleanWatershedResearchGroup,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,CAAS,Beijing100081，China; 2NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750000，China)

【Objectives】Nitrogen is a main nutrient required for crop growth and development. With the increased intensity of agricultural production in the Ningxia Yellow River irrigation region, nitrogen consumption has increased continuously, resulting in increasingly prominent problems such as soil compaction and low nitrogen utilization rates. In light of potential feasibility of biochar in improvement of soil and nitrogen utilization rate, effects of different biochar levels on rice yield and nitrogen utilization rates were investigated in field tests to provide a reference for biochar application in this region.【Methods】Representative intensive rice fields in Ningxia irrigated areaa were used in this study. The rice variety Ningjing No. 43 was used as the test material, and a split-plot experiment was performed. Two nitrogen application rates, conventional(N300, N300 kg/hm2)and no nitrogen application(N0), were employed, and four biochar levels, high(C3, 9000 kg/hm2), moderate(C2, 6750 kg/hm2), low(C1, 4500 kg/hm2)and no biochar(C0), were applied. The tests aimed to confirm impacts of biochar application on physical and chemical properties of anthropogenic-alluvial soil, rice yield, and nitrogen use efficiency. 【Results】1)The biochar application has no significant effect on the moisture contents of anthropogenic-alluvial soil after one rice planting season. The moisture contents of various soil layers under the same treatment are not significantly different. Soil pH values are also not changed significantly. 2)When the nitrogen fertilizer is applied, the C3 treatment significantly improves the total nitrogen, total phosphorus, and available potassium contents in anthropogenic-alluvial soil, and has no effect on the available phosphorus content, compared with the C0 treatment.The soil total nitrogen, total phosphorus, available potassium and available phosphorus in the C2 treatment are not significantly different from those in the C3 treatment, while the soil total nitrogen and available potassium of these two groups are significantly higher than the same variables in the C1 group. When fertilization is not performed, only the C3 and C2 treatments significantly increase the available potassium, and the other treatments have no effect on soil nutrient contents.3)The combined application of biochar(4500-9000 kg/hm2)and nitrogen fertilizer significantly increases the grain yield of rice, which is increased with the increase of biochar use amount, and the increased grain yields range from 15.26% to 44.89%. The grain yield of rice is significantly and positively correlated with the biochar application(r= 0.962). The plant height and grain number are also increased with the biochar application. Furthermore, the total nitrogen uptake in the aboveground parts of rice is increased with the biochar application, the C3 treatment increases the nitrogen uptake by 66.27 kg/hm2over that of the C0 treatment, and significant differences are observed between the various treatment groups. When the nitrogen fertilizer is not used, the biochar addition(4500-9000 kg/hm2)has no significant effect on the grain yield of rice and the yield components of rice. The C1 and C2 treatments, but not the C3 treatment, significantly increase the total nitrogen uptakes in the aboveground parts of rice, and no significant differences are observed between the various carbon application groups. 4)Under the combined application of biochar and nitrogen fertilizer,both the agronomic efficiency and nitrogen use efficiency are increased with the biochar application.Compared to C0 treatment,the nitrogen agronomic efficiency increased by 10.87 kg/kg and nitrogen use efficiency by 22.09 percentage points in C3 treatment.【Conclusions】The combined application of biochar and nitrogen fertilizer can increase the rice yield in the Ningxia Yellow River irrigation region. In this experiment, the application of 9000 kg/hm2biochar(C3)achieves the highest yield increase(44.89%). The plant height and grain number are also increased with the biochar application. The agronomic efficiency and nitrogen use efficiency are also increased with the biochar consumption.However, the biochar addition without the nitrogen application has no significant effect on the yield and yield components of rice.

biochar; anthropogenic-alluvial soil; rice yield; nitrogen use efficiency; Ningxia Yellow River irrigation region

2014-06-09 接受日期: 2014-10-19 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-24

中央公益型科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(BSRF201306)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07201-009)；農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新基金資助。

張愛平(1980—)，女，山西朔州人，博士，主要從事農(nóng)田氮磷循環(huán)機理及調(diào)控技術(shù)方面的研究。E-mail: apzhang0601@126.com *通信作者Tel: 010-82108989，E-mail: yangzl426@126.com

S156.2;S157.4+1

A

1008-505X(2015)05-1352-09