玉米秸稈生物炭對稻油輪作農田磷流失風險的影響

華玲玲，王洪媛，翟麗梅*，付斌，蓋霞普，胡萬里

（1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)部面源污染控制重點實驗室，北京100081；2.云南省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明650205）

玉米秸稈生物炭對稻油輪作農田磷流失風險的影響

華玲玲1，王洪媛1，翟麗梅1*，付斌2，蓋霞普1，胡萬里2

（1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)部面源污染控制重點實驗室，北京100081；2.云南省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明650205）

以云南大理洱海流域典型稻油輪作模式為研究對象，通過2年田間定位試驗，研究生物炭（玉米秸稈制備）、玉米秸稈與化肥配施對我國稻油輪作模式農田磷流失風險的影響。田間小區(qū)試驗包括常規(guī)施用化肥（NPK）、生物炭與化肥配施（NPK+C）、生物炭與化肥減半配施（1/2NPK+C）、玉米秸稈與化肥配施（NPK+S）四個處理，通過比較不同處理間土壤有效磷含量、作物產量、吸磷量和水稻生長期間土壤有效磷、田面水總磷、可溶性總磷的動態(tài)變化特征，分析施用玉米秸稈生物炭和直接施用玉米秸稈對土壤、作物和磷流失風險的影響。結果表明，與NPK處理相比，增施生物炭和玉米秸稈，可顯著提高水稻和油菜產量，但對水稻季田面水磷濃度無顯著影響；施用生物炭條件下減施化肥，短期內未造成水稻和油菜減產，卻降低了水稻整個生育期內田面水總磷（TP）和可溶性總磷（TDP）濃度；各處理水稻季田面水TP和TDP濃度在栽秧后第1 d內達到峰值，4～5 d內濃度迅速降低，7 d之后濃度趨于穩(wěn)定。在此過程中，田面水TP下降64.2%～79.1%，TDP下降63.1%～82.4%。上述研究結果表明，為降低稻油輪作農田磷流失風險，可以考慮在水稻季施用生物炭的條件下減施化肥磷，并且在水稻栽秧后7 d內控制田面水外流。

生物炭；玉米秸稈；稻油輪作；田面水；磷

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磷既是作物生長必需的營養(yǎng)元素之一［1］，又是湖泊水體富營養(yǎng)化的限制因子［2］。國內外大量研究表明，農田磷流失已成為引起農業(yè)非點源污染的重要原因之一［3-5］。水旱輪作系統是我國主要的作物生產系統之一［6］，有研究表明，農田地表徑流總磷流失主要發(fā)生在降雨集中的6—8月，即水稻種植季［7-8］，因此，正確掌握水旱輪作模式下農田磷的流失風險（尤其水稻季）對防控農業(yè)非點源污染具有重要意義。

目前，秸稈制備成生物炭還田在改善土壤環(huán)境效應方面的研究受到越來越多的關注［9-10］。Strelko等［11］研究指出，生物炭可通過對磷等營養(yǎng)元素的強烈吸附將它們固定在土壤的表層，提高作物利用率，減少損失量。蓋霞普等［12］通過室內培養(yǎng)試驗研究表明，土壤中添加玉米秸稈生物炭能有效降低土壤無機氮素的淋失風險。除制備成生物炭外，大量研究表明，秸稈直接還田不僅能提高土壤肥力，改善作物生長品質［13-15］，還可降低農田磷流失［16］。郭智等［17］對稻麥輪作體系研究指出，秸稈還田和還田減肥兩種措施分別能夠有效減少稻季磷徑流流失總量的17.55%和22.69%。其他研究結果也表明，秸稈還田和秸稈還田后翻耕均可顯著降低稻油（稻麥）兩熟制農田周年地表徑流磷流失率［18］。目前，雖然已有關于施用玉米秸稈對農田氮磷流失影響的研究，但對于秸稈制備成生物炭還田后對氮磷流失風險的研究還鮮有報道，尤其是對富營養(yǎng)化發(fā)生的限制因子——磷素。

近年來，作為我國重點水源保護地之一的洱海流域，因發(fā)展節(jié)水農業(yè)，部分水田改為旱地玉米種植模式，流域秸稈資源日漸豐富，本文以云南大理洱海流域典型稻油輪作模式為研究對象，通過研究玉米秸稈制備成生物炭還田后對土壤有效磷、作物產量及稻季田面水磷的影響特征，評價生物炭施用后對稻油輪作模式農田磷流失風險的影響，為流域內玉米秸稈的多途徑利用以及降低稻油輪作農田磷流失措施的篩選提供借鑒。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地點位于云南省大理州洱源縣鳳羽鎮(zhèn)白米村（25°58′51.4″N，99°57′34.7″E，海拔2099 m），屬洱海上游鳳羽河小流域，是洱海的主要水源地。流域屬于北亞熱帶高原季風氣候，四季溫差小，年平均氣溫13.9℃，年均降雨量745 mm，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱兩季分明，降雨主要集中在6—10月。試驗時間為2013年9月至2015年10月，輪作模式為稻油輪作。供試土壤類型為水稻土，土壤質地為砂壤土，試驗農田區(qū)域地形為平壩。近幾年，流域內玉米為主要旱作作物，秸稈資源豐富，為本研究玉米秸稈的主要來源。試驗前耕作層（0～20 cm）土壤理化性質見表1。

1.2試驗設計

試驗共設4個處理：常規(guī)施用化肥（NPK，當地農民習慣性施肥）；常規(guī)施用化肥+生物炭（NPK+C）；50%常規(guī)施用化肥量+生物炭（1/2NPK+C）；常規(guī)施用化肥+玉米秸稈（NPK+S）。水稻、油菜季各處理具體施肥情況見表2。玉米秸稈的化學組成為：有機質94.53%，全氮0.83%，全磷0.08%，全鉀1.88%?；势贩N分別為尿素（N≥46%）、過磷酸鈣（P2O5≥16%）、硫酸鉀（K2O≥50%）。油菜季，生物炭、玉米秸稈隨基肥一次性施入，30%的氮肥、70%磷肥、70%鉀肥作為基肥施用，30%氮肥在蓮座期第一次追施，40%的氮肥、30%磷肥、30%鉀肥在開花期第二次追施。水稻季，將生物炭、玉米秸稈隨基肥一次性施入，70%的氮肥、70%的鉀肥和100%的磷肥作為基肥施用，30%的氮肥、30%的鉀肥作為穗肥追施，追肥時間為栽秧后的第7 d。

各處理設置3次重復，隨機排列，小區(qū)面積30 m2。各小區(qū)四周用寬20 cm、高30 cm的水泥臺隔離，有獨立的灌/排水系統，防止試驗過程各小區(qū)串肥串水。試驗小區(qū)外圍設置保護行并用土埂圍起。

表2　水稻、油菜季各處理施肥情況Table 2 Fertilization rates for each treatment in rice and rape seasons

表1　供試土壤基本性狀Table 1 Basic properties of soil used in field experiment

本研究采用的生物炭制備方法參考蓋霞普等［12］。實驗采用地上部玉米秸稈作為材料，用蒸餾水清洗干凈后，65℃烘箱烘干，經植物粉碎機粉碎后裝滿不銹鋼盒（長×寬×高=20 cm×10 cm×15 cm），加蓋密封后置于馬弗爐（SXZ-12-10）中，逐漸升溫至500℃，升溫速率25℃·min-1，并于500℃條件下持續(xù)碳化1.5 h，碳化后樣品冷卻，過20目篩（1 mm）保存。生物炭的基本理化性質見表3。

表3　生物炭理化性質Table 3 Physical and chemical properties of biochar

1.3樣品采集及測試

綜上所述，我院采取綜合干預措施，使清潔手術圍手術期預防使用抗菌藥物趨于合理規(guī)范，綜合干預措施有力，成效明顯。

1.3.1土壤采集及測試

試驗開展前，在整個試驗地塊用五點采樣法，采集0～20 cm耕作層土壤，四分法混勻后作為基礎土壤，其測試指標見表1。土壤pH、有機質、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均采用常規(guī)分析方法［19］。土壤pH采用pH計（Mettler Toledo Delta 320）測定（水/土為5：1）；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀-外加熱容量法；土壤全氮采用濃H2SO4消煮-半微量開氏法測定；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提，紫外分光光度計（PerkinElmer UV 25）測定；土壤全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，紫外分光光度計（型號同上）測定；土壤有效磷（Olsen-P）采用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法，紫外分光光度計（型號同上）測定。試驗期間，采集水稻栽秧后的第7、13、19、25、31、37、43、49、55、61、70、76、82、88、94、100、 106、113、120、126、132 d及水稻收獲后的各處理土壤樣品，取樣方法同基礎樣品的采集。采集的土壤樣品自然風干后過2 mm篩，用于測定土壤Olsen-P含量，測試方法同上。

1.3.2田面水采集及測試

水稻生長期間，根據施肥等情況進行田面水取樣。各處理于2015年水稻栽秧后的第1、2、3、4、5、6、7、12、17、23、29、35、41、47、53、59 d取田面水水樣，采樣時間均為上午8：00—10：00。為避免人為擾動田面水，利用長桿采樣器伸入小區(qū)內采樣，每個小區(qū)采5個子樣點，混合后分取2份，各250 mL，冷凍保存。其中1個樣品作為待測樣，另1個備用。田面水測試指標為總磷（TP）和可溶性總磷（TDP），用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測定。

1.3.3植株采集及測試

每季油菜、水稻收獲后，每小區(qū)采集1 m2有代表性樣方的油菜、水稻植株，烘干后將油菜籽粒和水稻籽粒分別稱重，推算各處理的油菜、水稻產量。測定秸稈和籽粒的全磷含量，計算地上部吸磷量。植株全磷用濃H2SO4消煮，鉬銻抗吸光光度法測定。

水稻/油菜產量（kg·hm-2）=水稻/油菜樣品重量（kg· m-2）×10 000

植株吸磷量（mg·hm-2）=植株磷含量×地上部生物量

1.4數據處理與分析

2　結果與討論

2.1生物炭對水稻和油菜產量的影響

對水稻產量研究的結果表明（圖1），試驗第一年不同處理間水稻產量未呈現出顯著差異（P＜0.05）。第二年開始施用玉米秸稈生物炭和玉米秸稈對水稻的產量有增產趨勢，生物炭用量相同條件下，NPK+C處理水稻產量與1/2NPK+C處理水稻產量差異不顯著（P＜0.05）。由此表明，施用生物炭條件下，減施化肥短期內未造成水稻減產。四個處理之間水稻產量比較結果表明，NPK+S處理水稻產量顯著（P＜0.05）高于其他處理，達3339 kg·hm-2，比單獨施用化肥處理產量增加27%。對油菜產量的研究結果表明，各處理間油菜產量在第一年并未表現出顯著性（P＜0.05）差異。第二年開始施用玉米秸稈生物炭和玉米秸稈的油菜產量有增產趨勢，與NPK處理相比，NPK+C和NPK+S處理均顯著（P＜0.05）提高了油菜產量，增施秸稈對油菜的增產效果最顯著（P＜0.05），比NPK處理增加25.1%，比NPK+C處理增加11.2%（圖1）。研究結果還表明，1/2NPK+C處理與NPK處理相比，油菜產量并未呈現顯著差異（P＜0.05），由此可見，施用生物炭后減施化肥也并未造成油菜顯著減產。

根據以上結果，施用生物炭在短期內對油菜和水稻增產效果最好，但試驗進行到第二年，施用秸稈比施用生物炭對油菜和水稻的增產效果顯著。已有研究結果也表明，施用生物炭短期內對土壤化學性質和養(yǎng)分狀況雖有一定改善作用，但作物增產效應不明顯［20］，而施用作物秸稈，可以顯著增加水稻的有效穗數、結實率、千粒重，從而增加水稻產量［21］。

圖1　不同處理水稻/油菜產量Figure 1 Rice and rape yields in different treatments

2.2生物炭對作物吸磷量的影響

稻油輪作模式下不同處理水稻和油菜地上部的吸磷量如圖2所示。各處理水稻地上部吸磷量顯著（P＜0.05）高于油菜地上部吸磷量，各處理之間的差異第二年開始顯著。根據2015年度試驗結果，水稻季NPK+C和1/2NPK+C處理地上部吸磷量高于NPK處理，但無顯著性（P＜0.05）差異；增施玉米秸稈處理水稻地上部的吸磷量顯著（P＜0.05）高于添加生物炭處理和單獨施用化肥處理，吸磷量為52.6 kg·hm-2，高出比例達20.8%～27.3%。油菜吸磷量結果表明，與NPK處理相比，NPK+C、1/2NPK+C和NPK+S處理均顯著（P＜0.05）提高了油菜吸磷量。根據以上結果可以看出，生物炭、玉米秸稈的施用可促進作物對磷的吸收，同時也與施用生物炭和玉米秸稈可增加水稻和油菜產量有關。

圖2　不同處理水稻/油菜吸磷量Figure 2 Amount of rice/rape phosphorus uptake in different treatments

2.3水稻季土壤Olsen-P動態(tài)變化特征

研究結果表明，不同處理間水稻栽秧后7 d內，NPK處理土壤有效磷含量顯著高于（P＜0.05）添加生物炭和玉米秸稈處理，水稻整個生長期內，不同處理間土壤有效磷含量并未呈現顯著（P＜0.05）差異，但在水稻栽秧后120～132 d；除了施用秸稈處理，其余三個處理土壤有效磷含量均呈現不同程度降低，其中施用化肥處理土壤有效磷含量降低最明顯，不同處理之間土壤有效磷在栽秧132 d呈現明顯差異（圖3）。種植期內，各處理土壤中有效磷含量隨著生育期的延長而降低，直至栽秧后60 d，土壤磷含量趨于平穩(wěn)，此時NPK、NPK+C、1/2NPK+C和NPK+S處理土壤有效磷分別降到28.8、24.8、24.2、26.2 mg·kg-1，比種植前分別降低了49.8%、47.0%、50.3%和43.4%。水稻抽穗期直到收獲，土壤有效磷含量有明顯下降趨勢，各處理收獲期（栽秧后第138 d水稻收獲）土壤有效磷含量與栽秧后的第132 d相比，NPK、NPK+C、1/2NPK+C和NPK+S處理土壤有效磷含量下降比例分別為1.9%、4.1%、2.8%和2.1%（圖3和圖4）。這主要由于水稻從抽穗開始，植株生長中心轉向籽粒的形成，對磷吸收較多，導致這一時期土壤中磷含量降低明顯［22］。

圖3　水稻生育期內土壤有效磷的動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of soil available phosphorus during rice growth

不同處理連續(xù)施肥2 a，作物收獲后，與NPK相比，NPK+C、1/2NPK+C和NPK+S處理土壤有效磷含量均顯著（P＜0.05）增加，分別增加60.8%、68.4%和113.4%（圖4）。NPK+C和1/2NPK+C處理之間土壤有效磷含量差異不顯著（P＜0.05），即施用生物炭后，減施化肥并沒有降低土壤中有效磷含量。施肥2 a后，單獨施用化肥處理土壤有效磷比基礎土壤顯著（P＜0.05）降低6.5 mg·kg-1，降幅達32%（圖4和表1），而NPK+C、1/2NPK+C和NPK+S處理土壤有效磷含量相比基礎土壤有了顯著（P＜0.05）增加，增幅分別為9.4%、14.3%和30.3%。本研究中每年因肥料施用帶入土壤的磷素量為58.4 kg P·hm-2·a-1，施用生物炭帶入22.3 kg P·hm-2·a-1，玉米秸稈帶入8.3 kg P·hm-2·a-1，NPK處理水稻和油菜地上部攜出的磷量為74 kg P·hm-2· a-1，因而作物攜出的磷遠超過NPK處理施入的磷，導致NPK處理土壤有效磷出現耗竭。由此可以看出，研究流域內現有的單施化肥使土壤磷處在一個耗竭的過程中。本研究中添加生物炭處理土壤有效磷比基礎土壤有所積累，可能由于玉米秸稈制備生物炭灰分中含有磷酸鹽，進入土壤后能提高土壤Olsen-P含量，還有可能因為生物炭是堿性物質，可提升土壤pH值，從而增加土壤中磷的有效性［23-24］。添加秸稈處理土壤有效磷累積效果最顯著（P＜0.05）。這可能是由于作物秸稈中含有磷，經腐熟后自身釋放的磷增加了土壤中磷含量，同時，腐熟后的玉米秸稈增加了土壤腐殖質含量，腐殖質能與難溶性的磷起反應，增加其溶解度［22］，并且，秸稈直接還田還可能提高磷酸酶活性，從而增加土壤磷的有效性［25］。

圖4　不同處理施肥2年作物收獲后土壤有效磷含量Figure 4 Content of soil available phosphorus after 2-years of growing crops

2.4水稻季田面水總磷、可溶性總磷濃度動態(tài)變化特征

栽秧后的第1 d，田面水總磷濃度達到峰值，與NPK處理相比，NPK+C和NPK+S處理均顯著（P＜0.05）提高了田面水磷含量，施用生物炭后減施化肥能顯著（P＜0.05）降低田面水磷含量。栽秧第1～5 d，田面水總磷濃度迅速降低，總磷濃度分布在1.08～1.93 mg·L-1之間，降幅為64.2%～79.1%，在此期間各處理之間田面水總磷濃度無顯著（P＜0.05）差異（圖5）。各處理栽秧后第7 d田面水總磷濃度出現小的波峰，分析原因可能由于水稻追氮、鉀肥造成田面水擾動，引起田面水總磷濃度提高。追肥過后田面水中總磷濃度迅速降低并在第14 d左右趨于穩(wěn)定。在栽秧后的第47 d，即7月14日，田面水總磷濃度出現明顯的降低，降低幅度在49.5%～80.1%，可能是由于7月9日—14日期間有累積超過22 mm的降雨，使田面水總磷濃度被稀釋1～2倍，降雨過后隨著水分蒸發(fā)，田面水總磷濃度開始升高?？傮w看來，化肥減半與生物炭配施處理的田面水總磷濃度在整個生育期內低于其他處理。

水稻季田面水中可溶性總磷濃度變化特征與總磷濃度變化趨勢一致，栽秧后的第1 d，各處理田面水中可溶性總磷濃度達到峰值，NPK+C與NPK+S處理田面水TDP濃度無顯著性差異（P＜0.05），但顯著高于NPK和1/2NPK+C兩處理，其中，1/2NPK+C處理田面水中可溶性總磷濃度最低，為3.46 mg·L-1（圖6）。TDP濃度在栽秧后的第4 d降到最低，與第1 d相比，各處理田面水中TDP濃度降低了63.1%～82.4%。栽秧后第7 d，受追肥擾動影響，各處理田面水中TDP濃度升高，在第14 d之后降到平穩(wěn)狀態(tài)。栽秧后的第47 d，受降雨影響，各處理田面水中TDP濃度下降比例在43.3%～84.1%。降雨過后，田面水TDP濃度升高。

從水稻季田面水中總磷、可溶性總磷濃度變化特征可以看出，水稻栽秧后第1 d田面水中總磷、可溶性總磷濃度最高，持續(xù)5 d后降到最低值，因而栽秧后5～6 d是防止田面水外流造成周邊水體污染的關鍵時期［26］。總體看來，化肥減半與生物炭配施處理的田面水TP和TDP濃度在整個水稻生育期內相對于其他常規(guī)施用化肥的處理相對較低。因此，化肥磷是田面水中TP和TDP的主要來源，降低化肥投入可以顯著降低田面水中磷含量；除了受外源磷的影響，人為擾動和降雨也是田面水中磷濃度的主要影響因子，應在追肥或其他人為擾動后2周內，盡量采取措施避免田面水外流。

3　結論

生物炭、玉米秸稈與化肥配施可不同程度增加土壤有效磷含量，提高水稻和油菜產量；減量化肥與生物炭配施顯著降低了田面水總磷含量，短期內并未造成水稻和油菜減產，從降低磷的環(huán)境風險角度可以考慮在稻油輪作模式下水稻季施用生物炭的同時減施化肥磷；栽秧后7 d內是水稻季田面水中磷濃度峰值期，控制這一時期田面水外流對于防控農田磷流失至關重要。

圖5　水稻季田面水總磷（TP）濃度變化特征Figure 5 Dynamic changes of TP concentrations in paddy field water

圖6　水稻季田面水可溶性總磷（TDP）濃度變化特征Figure 6 Dynamic changes of TDP concentrations in paddy field water

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Effects of maize stover biochar on phosphorus losses in rice-oilseed rape cropping system

HUA Ling-ling1，WANG Hong-yuan1，ZHAI Li-mei1*，FU Bin2，GAI Xia-pu1，HU Wan-li2
（1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China；2.Agricultural Resources&Environment Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming 650205，China）

A two-year（2013—2015）plot experiment was conducted to investigate the effect of biochar（made from maize stover）on phosphorus（P）losses in rice-oilseed rape cropping system in Dali Erhai Lake Basin in Dali，Yunnan Province，China.The experiment consisted of four treatments：conventional fertilizer（NPK），conventional fertilizer plus biochar（NPK+C），biochar in replacement of half of the conventional fertilizer（1/2NPK+C），and conventional fertilizer plus maize stover（NPK+S）.Soil available P content，crop yields and P uptake as well as total P（TP）and dissolved P（TDP）in paddy field water were determined for all treatments throughout the study.Compared with the conventional fertilizer treatment，applications of biochar or maize stover significantly increased rice and rape yields，but did not significantly affect P concentrations in paddy field water.The treatment with biochar replacing half of the conventional fertilizer significantly decreased TP and TDP concentrations in paddy field water without reducing rice and rape yields.During the first week of transplanting rice，the concentrations of TP and TDP in paddy field water peaked on the first day，then decreased rapidly，and ultimately became stable.They decreased by 64.2%to 79.1%and 63.1%to 82.4%at the end of the first week.We conclude that replacing P fertilizer rate with biochar can reduce P loss risks via paddy field water without negatively affecting crop yields，and that the first week of transplanting rice is a critical period for controlling the risks of field water P losses.

biochar；maize stover；rice-rape cropping system；paddy field water；phosphorus

X820.4

A

1672-2043（2016）07-1376-08

10.11654/jaes.2016.07.021

2016-01-12

國家自然科學基金項目（41203072）；公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項經費項目（201303095）

華玲玲（1990—），女，碩士研究生，主要從事農田面源污染防控方面研究。E-mail：hualing0329@163.com

翟麗梅E-mail：zhailimei@caas.cn