生物炭氮替代部分化肥氮對黃壤水稻的生物效應(yīng)

史登林，王小利*，劉安凱，2，羅安煥，徐 彬，侯再芬，梁國太

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳，貴州 貴陽 550001；3.貴州省思南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 銅仁 565100）

作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)副產(chǎn)物，其產(chǎn)量高、分布廣、品種豐，一直是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的寶貴資源［1］。長期以來，中國農(nóng)作物秸稈并沒有得到合理高效利用，且隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)村產(chǎn)能的不斷發(fā)展，秸稈剩余量逐漸增加，大批量秸稈被就地焚燒，不僅浪費(fèi)資源，還污染環(huán)境［2］，由此引起土壤結(jié)構(gòu)惡化和溫室氣體排放增加等問題［3-4］。秸稈資源“用則利，不用則廢”，農(nóng)作物秸稈資源轉(zhuǎn)化利用問題，已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。秸稈炭化制成的生物炭，不僅可解決農(nóng)作物秸稈綜合利用的問題，而且可用來實現(xiàn)化肥減量配施，是一項符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展實際需求的重要技術(shù)措施。

生物炭是秸稈等生物質(zhì)材料經(jīng)炭化所得的一種高效、環(huán)保、多功能的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物［5］，備受關(guān)注。秸稈經(jīng)過高溫厭氧炭化后制成的生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和多樣的表面官能團(tuán)，施入土壤能明顯改良土壤理化性質(zhì)，改善微生物生存環(huán)境［6］，促進(jìn)作物生長和提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)［7］，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境［8］。目前，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實踐效果已有報道，前人研究發(fā)現(xiàn)生物炭可改良玉米根系性狀，提高氮肥利用率［9］；生物炭施用可促進(jìn)豆科作物固氮，但隨生物炭老化其固氮效果和氮的利用能力下降［10］，可抑制大豆根腐病的發(fā)生，保證大豆根系的固氮功能和穩(wěn)產(chǎn)［11］；Liang等［12］研究發(fā)現(xiàn)混合施用稻殼和椰子殼生物炭可提升小麥和玉米產(chǎn)量4.0%～7.2%；姬強(qiáng)等［13］研究表明，生物炭輸入顯著提高了小麥凈光合速率18.9%～66.1%，且增幅隨生物炭添加量的升高而增大；在低磷土壤中，磷肥與生物炭配合施用可促進(jìn)作物對磷的吸收利用［14］；生物炭施用3年，提高了土壤硝化細(xì)菌的豐度，促進(jìn)氮肥利用和小麥提質(zhì)增量［15］；張萌等［16］研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭替代化學(xué)氮肥10%可使朝天椒產(chǎn)量提高7.3%，氮肥表觀利用率提升4.45個百分點(diǎn)，并且可明顯改善朝天椒品質(zhì)；肖婧等［17］研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的自身特性對作物產(chǎn)量影響顯著，增產(chǎn)范圍在9.2%～26.6%之間。由此可見，生物炭的問世與應(yīng)用不僅可最大限度地實現(xiàn)秸稈養(yǎng)分高效利用，也能夠成為改良土壤環(huán)境、提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、實現(xiàn)化肥減施增效的一項重要技術(shù)手段［18］。

合理高效的施肥模式既可防止農(nóng)田地力退化，又能提高土地的可持續(xù)生產(chǎn)能力。近年來，基于化肥減量配施的研究已逐漸成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)，生物炭配施化肥成為氮肥減量技術(shù)和秸稈資源化利用途徑之一。然而，目前關(guān)于生物炭的研究主要集中在同等化肥施用條件下生物炭添加后的作用效果上［19］，針對化肥減量配施生物炭的研究相對較少，而基于單季施用條件下生物炭究竟能否用于氮肥減量配施、減施多少最佳等問題的研究也缺乏充分實踐檢驗。因此，本研究以貴州黃壤稻田土壤種植的水稻“中浙優(yōu)8號”為研究對象，從籽粒產(chǎn)量、稻米品質(zhì)、養(yǎng)分吸收及氮肥利用率方面來研究生物炭對氮肥的減量配施效應(yīng)，進(jìn)而綜合評估生物炭對氮肥減量配施效果，為貴州黃壤稻田水稻氮肥減施增效提供技術(shù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗地位于貴州省銅仁市思南縣塘頭鎮(zhèn)（108°11′35′E，27°45′35′N），該區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤型氣候區(qū)，平均海拔600 m，年均日照時數(shù)1349.8 h左右，年均氣溫17.5℃，相對濕度75.5%，全年無霜期294 d左右，年均降水量1200 mm。試驗田為稻油輪作系統(tǒng)，供試土壤為黃壤稻田土壤，其基礎(chǔ)性質(zhì)為：pH 5.86，有機(jī)質(zhì)29.62 g/kg，全氮1.39 g/kg，堿解氮133.00 mg/kg，有效磷

37.16 mg/kg，速效鉀182.07 mg/kg。

供試化肥為尿素（N 46.2%）、過磷酸鈣（P2O516%）、硫酸鉀（K2O 60%）；供試生物炭為水稻秸稈炭，炭化溫度450℃，其基本性質(zhì)為：pH 8.65，有機(jī)碳667.22 g/kg，全氮5.99 g/kg，全磷1.99 g/kg，全鉀27.15 g/kg，由南京勤豐眾成生物質(zhì)新材料有限公司提供；供試水稻品種為“中浙優(yōu)8號”，由浙江勿忘農(nóng)種業(yè)股份有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置6個處理，分別為：（1）CK：不施氮肥，只施磷、鉀肥；（2）T0：常規(guī)施肥施氮100%；（3）T1：生物炭氮10%（生物炭2.5 t/hm2）+常規(guī)施肥施氮90%；（4）T2：生物炭氮20%（生物炭5.0 t/hm2）+常規(guī)施肥施氮80%；（5）T3：生物炭氮30%（生物炭7.5 t/hm2）+常規(guī)施肥施氮70%；（6）T4：生物炭氮40%（生物炭10.0 t/hm2）+常規(guī)施肥施氮60%，各處理的化肥和生物炭施用量見表1。水稻移栽前先將生物炭均勻撒施于水田土壤表層，翻勻，然后將氮肥的50%、磷肥的100%和鉀肥的50%混勻后作為基肥一次性施入，剩余化肥分3次追施：氮肥的20%作分蘗肥，氮肥的20%和鉀肥的50%作?；ǚ?，氮肥的10%作促花肥。各處理設(shè)3次重復(fù)，共18個小區(qū)，各小區(qū)面積為30 m2，田間隨機(jī)區(qū)組排列，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

表1 不同施肥處理的生物炭和化肥用量

1.3 測定項目和方法

于成熟期進(jìn)行采樣測產(chǎn)，水稻樣品采集時選擇長勢一致的6穴（約40株）植株地上部，測定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)，再于105℃下殺青30 min，于60℃下恒溫烘至恒重，測定干物質(zhì)量，然后將植株樣品粉碎后采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，凱氏定氮儀測定全氮含量，并計算植株氮素積累量；各小區(qū)全部收獲計產(chǎn)獲取實際鮮重產(chǎn)量，稱取30 g，采用烘干法測定實際含水量，按稻谷標(biāo)準(zhǔn)含水量13.5%折算水稻產(chǎn)量；稻谷風(fēng)干后，根據(jù)國家優(yōu)質(zhì)稻谷標(biāo)準(zhǔn)［20］所述方法，測定各處理的稻谷糙米率、粒長、精米率及稻米堊白粒率、蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量、膠稠度等品質(zhì)指標(biāo)。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=施氮處理稻谷產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN，kg/kg）=（施氮處理稻谷產(chǎn)量-不施氮處理稻谷產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（REN，%）=（施氮處理地上部吸氮量-不施氮處理地上部吸氮量）/施氮量×100；

氮素收獲指數(shù)（NHI，%）=成熟期植株穗部氮積累量/植株氮素積累總量×100。

以上公式中水稻產(chǎn)量均按照水分為13.5%的實際產(chǎn)量計算。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD法，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭氮替代部分化肥氮對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

水稻籽粒產(chǎn)量由收獲期單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重決定，而穗粒數(shù)受總粒數(shù)和結(jié)實率影響。據(jù)表2可知，生物炭氮替代部分化肥氮對水稻籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有明顯影響。就水稻產(chǎn)量而言，生物炭氮替代部分化肥氮處理水稻理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量均顯著高于CK處理（P<0.05），增幅分別為32.1%～55.7%和35.4%～59.2%；與T0處理相比，T1、T2、T3處理水稻理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量依次提高2.2%、11.6%、4.7%和2.4%、13.4%、4.3%，其中T2處理理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量最高（8.58和7.96 t/hm2），呈顯著增加，T4處理略微減產(chǎn)。從產(chǎn)量構(gòu)成因子看出，與CK處理相比，常規(guī)施肥及生物炭氮替代部分化肥氮處理的單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均明顯增加，增幅依次為2.7%～4.7%、4.3%～11.5%、21.1%～30.1%和0.4%～7.8%，其中有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和結(jié)實率均顯著增加的為T2處理，千粒重僅T3顯著增加。與T0處理相比，單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重均隨著生物炭氮替代部分化肥氮水平的提高先增加后減少，除千粒重為T3處理水平最高外，其它都為T2處理最高。由此可見，適宜的生物炭氮替代部分化肥氮可以提高水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，從而提高水稻產(chǎn)量。

表2 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

2.2 生物炭氮替代部分化肥氮對稻米品質(zhì)的影響

從稻米品質(zhì)指標(biāo)來看（表3），生物炭氮替代部分化肥氮可明顯影響稻米的精米率、堊白粒率、粒長等加工品質(zhì)和膠稠度、直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量等營養(yǎng)品質(zhì)，但對糙米率和堊白度無明顯影響。與CK處理相比，常規(guī)施肥和生物炭氮替代部分化肥氮處理增加稻米粒長和蛋白質(zhì)含量，增幅分別為0.4%～1.5%和0.52～0.99個百分點(diǎn)，其中粒長以T1和T3處理達(dá)到顯著水平，最高為6.80 mm；蛋白質(zhì)以T1、T3和T4處理達(dá)到顯著水平，最高為6.58%；T0、T1、T2和T4處理均提高稻米精米率，T1和T2處理達(dá)顯著水平，僅T3處理有所降低；T0、T1、T2、T3處理均降低了稻米堊白粒率，均未達(dá)顯著水平，僅T4處理增加了堊白粒率，可能是氮肥替代量過高所致。與T0處理相比，生物炭氮替代部分化肥氮對稻谷糙米率、精米率等品質(zhì)均有不同程度的改善，其中對精米率、堊白粒率、膠稠度和直鏈淀粉含量有明顯影響；T1和T2處理的稻米精米率分別顯著提高了1.00和1.03個百分點(diǎn)；T4處理的稻米堊白粒率顯著增加了4.34個百分點(diǎn)；T2和T4處理的稻米膠稠度分別顯著增加4.9%和4.0%；T2處理的稻米直鏈淀粉含量顯著提高0.37個百分點(diǎn)。因此，適量生物炭氮替代部分化肥氮能提高稻米品質(zhì)的同時也減少化肥施用。

表3 不同施肥處理的稻米品質(zhì)

2.3 生物炭氮替代部分化肥氮對水稻氮素積累的影響

圖1 顯示了生物炭氮替代部分化肥氮對水稻秸稈和稻谷氮素積累的影響。從秸稈氮素積累來看，與常規(guī)施肥T0處理相比，T1、T2和T4處理的秸稈氮素積累量依次提高了8.5%、17.3%和4.5%，其中，T2處理顯著增加，T3處理略有降低；從稻谷氮素積累來看，與T0處理相比，生物炭氮替代部分化肥氮處理的稻谷氮素積累均明顯增加，T1、T2和T3處理的稻谷氮素積累量較T0處理分別顯著增加了31.1%、27.3%和21.8%，T4處理略有降低。由此可見，適量生物炭氮替代部分化肥氮可有效提高水稻地上部氮素積累量，促進(jìn)氮肥高效利用。

圖1 不同施肥處理的氮素積累量

2.4 生物炭氮替代部分化肥氮對水稻秸稈生物量及氮肥利用率的影響

由表4可看出，不同施肥處理的秸稈生物量及氮肥利用率存在明顯差異。與T0處理相比，T1、T2和T4處理的秸稈生物量依次增加7.1%、18.0%和13.0%，其中T2和T4處理顯著增加，T3處理顯著降低12.7%；T1、T2和T3處理的氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀利用率均明顯增加，增幅依次為2.4%～13.3%、8.2%～46.3%和8.87～22.41個百分點(diǎn)，其中T2處理的氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀利用率均顯著高于T0處理，T4處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)效率均低于T0處理，氮肥表觀利用率有所增加，但不顯著。從氮素收獲指數(shù)來看，與CK相比，生物炭氮替代部分化肥氮處理均有所增加，僅T3達(dá)顯 著 水平；與T0相 比，T1、T2、T3和T4處理均有所提高，但均不顯著。由此可見，適量生物炭氮替代部分化肥氮可有效提高氮肥利用率。

表4 不同施肥處理的秸稈生物量及氮肥利用率

3 討論

李偉等［21］研究表明生物炭配施氮肥處理下作物產(chǎn)量顯著提高23.6%～27.9%，研究指出生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2對提高 土兩季作物總產(chǎn)量效果最佳。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥T0處理相比，T1、T2、T3處理水稻理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量均有不同程度的增加，T2處理達(dá)顯著水平，理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量分別顯著提高了11.6%和13.4%，而T4處理則出現(xiàn)略微減產(chǎn)，但與T0處理相比差異不明顯，這說明在當(dāng)前試驗條件下，施用生物炭配施70%～90%化學(xué)氮肥具有一定的可行性，80%化學(xué)氮肥配施比例最佳。生物炭氮替代部分化肥氮實現(xiàn)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的主要原因一方面是生物炭自身含有豐富的氮素，盡管其含有的氮素并非都是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可替代部分化學(xué)氮肥［22］；另一方面，生物炭除了含有氮、磷、鉀等大量元素外，還富含鈣、鎂、鋅等多種礦質(zhì)養(yǎng)分，有利于作物養(yǎng)分的平衡供應(yīng)［23］，因此可以保證作物實現(xiàn)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。而生物炭替代化學(xué)氮肥40%（T4）處理的水稻產(chǎn)量出現(xiàn)略微減產(chǎn)，分析其主要原因可能是，大量生物炭施用導(dǎo)致土壤可溶性有機(jī)碳含量增加，從而加劇了土壤微生物與作物根系對氮素的競爭，故而導(dǎo)致產(chǎn)量下降［24］。

前人研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用可以改善作物品質(zhì)［25-28］，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果類似。本研究中，與T0處理相比，生物炭氮替代部分化肥氮使稻米籽粒精米率、堊白度、粒長等外觀品質(zhì)和膠稠度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)等食用品質(zhì)均有不同程度的改善，這與曾研華等［29］、陳夢云等［25］研究結(jié)果相似。其中T1和T2處理的精米率較T0處理顯著增加1.00和1.03個百分點(diǎn)，T2和T4處理的膠稠度較T0處理顯著增加了4.9%和4.0%，T2處理的直鏈淀粉含量較T0處理顯著提高0.37個百分點(diǎn)。這可能是由于生物炭中含有較高鉀素和鈣、錳、鋅等多種微量元素能夠促進(jìn)相關(guān)酶在植株體內(nèi)的合成，有利于改善稻谷的品質(zhì)［30］。

肥料利用效率是評價施肥效應(yīng)的重要指標(biāo)，常用的是氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率、表觀利用率和氮素收獲指數(shù)。徐明崗等［31］、劉紅江等［32］證實，同等施肥下進(jìn)行有機(jī)肥與化肥減量配施，對提高肥料利用率、促進(jìn)水稻持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有明顯作用，且后續(xù)肥力較高。從本研究結(jié)果看，與T0處理相比，T1、T2和T3處理使氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率和表觀利用率分別提高了1.10～6.23 kg/kg、1.11～6.24 kg/kg和8.87～22.41個百分點(diǎn)，且T2處理的氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀利用率均達(dá)顯著水平，分別為53.03 kg/kg、19.71 kg/kg和60.57%，但T4處理均低于T0處理，說明適量生物炭氮替代部分化肥氮可明顯提高氮肥利用率。分析其原因可能包括：第一，黃壤稻田黏粒含量高、土壤較為緊實，生物炭施入土壤后不僅能夠提高土壤孔隙結(jié)構(gòu)，還能增加土壤的蓄水能力及其持水性能，改善作物根系的水肥生長環(huán)境［7，33］；第二，生物炭自身具有巨大的比表面積、豐富的孔隙和較高的陽離子交換量、羥基等官能團(tuán)，能夠提高對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附固持作用，減少了氮素的流失［34］，而被生物炭吸附的氮素又可以被再次釋放，形成可供作物吸收利用的有效態(tài)氮，從而提高氮素利用率［35］；第三，生物炭的施用不僅能改良土壤理化性質(zhì)，還能直接或間接地提高與土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶活性、細(xì)菌豐度及活性等，進(jìn)而提高了氮素的生物有效性［36］。但是，生物炭氮替代部分化肥氮比例過高則會使氮肥利用率降低，可能原因包括：短時間施用生物炭，土壤碳礦化速率加劇，導(dǎo)致土壤碳含量激增，當(dāng)土壤中現(xiàn)有的含氮物質(zhì)不足以維持平衡時，土壤中的固氮菌就會固定更多的氮素，進(jìn)而加劇了土壤微生物與作物對氮素的競爭［22，37］；另一方面，隨生物質(zhì)炭用量的增加，土壤pH上升，促進(jìn)了NH3揮發(fā)［38］。因此，合理的生物炭氮替代部分化肥氮比例不僅有效提高氮肥利用率，且能促進(jìn)稻田土壤固碳培肥和水稻增產(chǎn)提質(zhì)，達(dá)到化肥減量配施增效目標(biāo)。

4 結(jié)論

大田試驗結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，短期20%生物炭氮與80%化學(xué)氮肥配施可使稻谷理論產(chǎn)量和實收產(chǎn)量分別顯著提高11.6%和13.4%，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀利用率顯著提升13.3%、46.3%和22.4個百分點(diǎn)，并且可明顯改善稻米品質(zhì)，但生物炭氮替代化肥氮比例過高則會有減產(chǎn)風(fēng)險。