15N示蹤法研究生物炭施用對(duì)水稻—土壤系統(tǒng)氮肥去向的影響

陳照明，王 強(qiáng)，劉曉霞，林海忠，何 杰，俞巧鋼，馬軍偉

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021；2.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，杭州 310020；3.浙江省臺(tái)州市黃巖區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 臺(tái)州 318020)

水稻(L.)是我國最重要的糧食作物之一，對(duì)保障國內(nèi)糧食安全具有重要的意義。施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量的主要手段。為追求水稻高產(chǎn)，農(nóng)民往往施用大量的化肥，尤其是氮肥。然而，氮肥大量施用并未明顯提高水稻產(chǎn)量，反而引起一系列環(huán)境問題，同時(shí)還會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此，如何在保證水稻產(chǎn)量的前提下提高水稻氮肥利用率同時(shí)減少氮肥損失，是目前水稻生產(chǎn)上亟需解決的問題。

生物炭是由有機(jī)物料在厭氧或無氧條件下經(jīng)高溫裂解制備而的固體。生物炭具有較高的碳含量，性狀比較穩(wěn)定，不易被土壤微生物分解。因此，生物炭施入土壤中可以改善土壤物理化學(xué)性狀，提高土壤肥力。此外，生物炭還具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu)和較大比表面積的特點(diǎn)，可以吸附固定肥料，進(jìn)而提高養(yǎng)分利用率,減少肥料損失。有研究表明，施用生物炭能夠提高作物產(chǎn)量，改善土壤狀況，提升土壤肥力。張愛平等采用田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與只施氮肥處理相比，生物炭配施氮肥顯著提高水稻產(chǎn)量，且產(chǎn)量隨生物炭施用量增加而增加。但是Liu等認(rèn)為，施用生物炭對(duì)于水稻增產(chǎn)的作用很有限。這是因?yàn)樯锾繉?duì)水稻產(chǎn)量的影響受生物炭種類、土壤類型、施用年限及氣候條件等因素的影響。此外，生物炭對(duì)水稻氮素吸收影響的研究也存在矛盾的地方。有研究認(rèn)為，由于生物炭含碳量高，施入土壤后促進(jìn)微生物對(duì)氮的固持，從而減少作物對(duì)氮素的吸收，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)。然而，陳曦等研究認(rèn)為，施用生物炭可以提高稻田土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，滿足水稻生長(zhǎng)發(fā)育的氮素需求。

目前國內(nèi)外對(duì)生物炭施用下水稻產(chǎn)量、氮肥利用率、土壤肥力的影響的研究較多，然而對(duì)于施用生物炭對(duì)肥料氮在土壤—水稻系統(tǒng)中定量分配相關(guān)研究還不多。因此，探明水稻秸稈生物炭施用對(duì)水稻氮肥利用率、氮肥殘留及損失的影響，對(duì)于水稻氮肥高效利用具有重要意義。本研究利用穩(wěn)定同位素(N)示蹤技術(shù)研究水稻秸稈生物炭使用對(duì)肥料氮在水稻—土壤系統(tǒng)中去向的影響，旨在為水稻綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采集自浙江省臺(tái)州市，當(dāng)?shù)刂饕N植方式為水稻—西蘭花輪作。在西蘭花收獲后取0—20 cm耕層土壤，自然風(fēng)干后過2 mm篩，備用。該區(qū)域土壤為灘涂土壤，成土母質(zhì)為新淺海沉積物。供試土壤的基本理化性質(zhì)為：pH 7.3，有機(jī)質(zhì)含量37.2 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，堿解氮含量160.5 mg/kg，有效磷含量23.6 mg/kg，速效鉀含量185.1 mg/kg。供試生物炭以水稻秸稈為原料，在厭氧條件下經(jīng)500 ℃高溫裂解而成。水稻秸稈生物炭的基本理化性質(zhì)為：pH 9.4，有機(jī)碳含量670.0 g/kg，全氮含量14.2 g/kg。供試水稻品種為“甬優(yōu)1540”，由寧波種子有限公司提供；供試N標(biāo)記的氮肥為尿素(46% N，豐度10.15%)，由上?；ぱ芯吭禾峁?；供試磷、鉀肥分別為過磷酸鈣(12% PO)和氯化鉀(60% KO)，市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年7—11月在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：(1)不施氮肥(N0)；(2)單施化肥(CF)；(3)施肥+施用0.5%生物炭(BC1)；(4)施肥+施用1%生物炭(BC2)；(5)施肥+施用2%生物炭(BC3)。每個(gè)處理重復(fù)3次。采用塑料桶(直徑20 cm，高20 cm)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。每桶裝入過2 mm篩的土壤6 kg(干重)。對(duì)于N0處理，磷鉀肥作基肥一次混勻施用；對(duì)于剩余4個(gè)處理(CF處理和施用生物炭處理)，氮肥分2次施用(基肥∶穗肥為5∶5)，磷鉀肥作基肥一次施入。處理2～處理5的氮肥、磷肥和鉀肥施用量一致，分別為N 180 mg/kg干土、PO50 mg/kg干土和KO 120 mg/kg干土。相應(yīng)的肥料、生物炭和土壤混勻后，填入桶中；隨后加入蒸餾水，使土壤保持淹水狀態(tài)，平衡2天后進(jìn)行水稻移栽，每盆移栽2株。在水稻整個(gè)生育周期，除曬田期和收獲前1個(gè)星期，桶內(nèi)田面水保持3～5 cm高度。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株樣品采集及N豐度測(cè)定 在水稻成熟后采集植株樣品，將水稻植株樣品分為籽粒、秸稈和根三部分。新鮮植株樣品在烘箱內(nèi)105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘至恒重，測(cè)定干物質(zhì)質(zhì)量。烘干的水稻樣品粉碎后過0.15 mm的篩子，備用。籽粒和秸稈的全氮與N豐度采用元素分析儀(Costech ECS 4024，Costech分析技術(shù)公司，意大利)耦合同位素質(zhì)譜儀(Delta V Advantage，賽默飛世爾科技公司，美國)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 土壤樣品采集及N豐度測(cè)定 在水稻樣品采集后，將塑料桶內(nèi)土壤全部倒出混合均勻，取50 g土壤樣品，樣品分為2部分：一部分置于室內(nèi)自然風(fēng)干，剩余部分土壤樣品保存在-20 ℃冰箱里，用于DNA的提取。風(fēng)干后的土壤樣品研磨后過0.15 mm篩子，用于全氮和N豐度的測(cè)定。土壤全氮和N豐度采用元素分析儀(Costech ECS 4024，Costech分析技術(shù)公司，意大利)耦合同位素質(zhì)譜儀(Delta V Advantage，賽默飛世爾科技公司，美國)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 土壤總DNA提取及實(shí)時(shí)熒光定量PCR 稱取0.5 g新鮮土壤，利用Fast DNA SPIN Kit for Soil試劑盒，按照說明書來提取土壤總DNA。使用CFX96 Real-Time System(Bio-Rad Laboratories, USA)進(jìn)行定量PCR(qPCR)。氨氧化細(xì)菌的引物序列為amoA-1F(GCGGGTTTCTACT-GGTGGT)和amoA-2R(CCCCTTCGGGAAAGCCTTCTTC)；氨氧化古菌的引物分別為crenamoA23f(ATGGTCTGGCTWAGACG)和crenamoA616r(GCCATCCATCTGTATGTCCA)。qPCR的反應(yīng)體系為20 μL：包含10 μL的SYBR Premix Ex Taq(Takara Biotechnology，日本)、各0.3 μL的正向和反向引物、1 μL的模板和8.4 μL的滅菌水。陰性對(duì)照采用滅菌水作為模板。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.4 計(jì)算公式

氮肥表觀利用率、氮肥利用率、氮肥殘留率及損失率等相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式為：

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區(qū)植株總氮積累量-不施氮區(qū)植株總氮積累量)/施氮量×100%

植株氮素來自肥料氮的比例(%)=(植株N豐度-0.366)/(氮肥N豐度-0.366)×100%

植株中來自肥料的氮量(g/盆)=植株氮積累量×植株氮素來自肥料氮的比例/100

氮肥利用率(%)=植株吸收的肥料氮量/施氮量×100%

土壤中氮肥殘留量(g/盆)=土壤全氮含量×土壤干重×(土壤N豐度-0.366)/(氮肥N豐度-0.366)/1000

氮肥殘留率(%)=土壤中氮肥殘留量/施氮量×100%

氮肥損失量(g/盆)=施氮量-植株吸收的肥料氮量-土壤中肥料氮?dú)埩袅?/p>

氮肥損失率(%)=氮肥損失量/施氮量×100%

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以Duncan法進(jìn)行多重比較，差異顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用水稻秸稈生物炭對(duì)水稻生物量的影響

由表1可知，施用氮肥顯著提高水稻產(chǎn)量、秸稈生物量和總生物量。與CF處理相比，施用1%生物炭(BC2)和2%生物炭(BC3)分別增加水稻產(chǎn)量19.3%和22.0%；而BC1處理對(duì)水稻產(chǎn)量沒有顯著影響。BC1處理的水稻秸稈生物量最高，且顯著高于CF處理、BC2處理和BC3處理。施用生物炭處理相較于常規(guī)施肥處理提高水稻根生物量60.0%～95.0%。施用生物炭的水稻總生物量為79.2～82.8 g/盆，均顯著高于常規(guī)施肥處理(CF)。

表1 施用生物炭對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈、根及總生物量的影響 單位：g/盆

2.2 施用水稻秸稈生物炭對(duì)水稻氮素累積的影響

由表2可知，施用氮肥顯著提高水稻籽粒、秸稈、根及總的氮素累積量。生物炭施用處理的籽粒氮素積累量為0.50～0.52 g/盆，且均顯著高于CF處理(0.42 g/盆)。BC1處理的秸稈氮素積累量最高，且顯著高于其他處理；但是剩余施肥處理間(CF、BC2和BC3處理)沒有顯著差異。與常規(guī)施肥相比，生物炭施用顯著增加水稻根系的氮素積累量。生物炭施用處理(BC1、BC2和BC3)的總氮素積累量分別為0.76，0.69，0.70 g/盆，較CF處理分別增加28.6%，16.3%，18.1%。施用生物炭相較于CF處理氮肥表觀利用率增加38.9%～68.4%。

表2 施用生物炭對(duì)水稻氮素積累量和氮肥表觀利用率的影響

2.3 施用水稻秸稈生物炭對(duì)水稻肥料氮和土壤氮吸收的影響

由表3可知，施用生物炭處理相較于CF處理顯著提高了籽粒對(duì)肥料氮的吸收；對(duì)土壤氮的吸收也有所提高，但未達(dá)到顯著水平。對(duì)于水稻秸稈肥料氮和土壤氮的吸收，均是BC1處理最高，且顯著高于其他處理。高量生物炭處理(BC3)的根系肥料氮吸收量顯著高于CF處理，但低量和中量生物炭處理(BC1和BC2)與CF處理之間無顯著差異。生物炭施用處理(BC1、BC2和BC3)的水稻根系土壤氮吸收量為0.016～0.017 g/盆，高于CF處理的0.009 g/盆。與CF處理相比，BC1處理顯著促進(jìn)水稻對(duì)土壤氮的吸收。然而，BC2和BC3處理的水稻中總土壤氮吸收量與CF處理均無顯著差異。

表3 施用生物炭對(duì)水稻肥料氮和土壤氮吸收的影響 單位：g/盆

2.4 施用水稻秸稈生物炭對(duì)肥料氮去向的影響

從表4可以看出，施用生物炭的氮肥利用率分別為30.4%，28.5%和29.3%，均顯著高于CF處理的24.1%。37.5%～45.8%的氮肥殘留在土壤中，且與CF處理相比，施用生物炭(BC1處理除外)顯著提高土壤中肥料氮的殘留量和殘留率，這說明施用生物炭有較好的保肥性。CF、BC1、BC2和BC3處理的氮肥損失量分別為0.41，0.30，0.28，0.28 g/盆。施用生物炭處理相較于CF處理氮肥損失率降低28.5%～33.0%。

表4 施用生物炭對(duì)肥料氮(15N)去向的影響

2.5 施用水稻秸稈生物炭對(duì)氨氧化微生物的影響

從圖1可以看出，氨氧化細(xì)菌(3.7×10～6.8×10/g干土)的基因拷貝數(shù)高于氨氧化古菌(1.5×10～2.7×10/g干土)。與CF處理相比，B3處理顯著降低氨氧化細(xì)菌的基因拷貝數(shù)，但B1和B2處理對(duì)氨氧化細(xì)菌基因拷貝數(shù)沒有顯著影響。施用生物炭處理(BC1、BC2和BC3)與CF處理間的氨氧化古菌基因拷貝數(shù)沒有顯著差異。CK處理與CF處理之間的氨氧化微生物豐度沒有顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已有廣泛的應(yīng)用，但應(yīng)用效果不盡相同。有研究表明，施用生物炭可以促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高水稻產(chǎn)量。也有報(bào)道認(rèn)為，施用生物炭不會(huì)提高水稻產(chǎn)量，甚至還可能引起水稻減產(chǎn)。這是因?yàn)樯锾繉?duì)水稻產(chǎn)量的影響會(huì)受土壤類型、生物炭種類、生物炭施用年限、氣候等因素的影響。有研究認(rèn)為，生物炭具有較高的C/N，施入土壤后會(huì)引起土壤速效氮的微生物固持，從而影響水稻早期生長(zhǎng)發(fā)育養(yǎng)分供應(yīng)不足，最終引起減產(chǎn)。結(jié)果表明，施用生物炭處理比單施化肥處理增加9.9%～22.0%的水稻產(chǎn)量(表1)。類似地，Dong等采用田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與單施尿素相比，尿素配施生物炭顯著提高水稻產(chǎn)量12.9%。生物炭能夠改善土壤環(huán)境、提高土壤養(yǎng)分含量、促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，從而提高水稻產(chǎn)量。眭鋒等認(rèn)為生物炭通過影響稻田土壤氮素有效性，從而影響水稻的產(chǎn)量。

本研究顯示，施用水稻秸稈生物炭顯著增加水稻籽粒氮素積累量和總氮積累量。張愛平等對(duì)寧夏引黃灌區(qū)水稻研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭配施尿素相較于單施尿素顯著提高水稻地上部總吸氮量，且隨生物量施用量增加而增加；向偉等也研究認(rèn)為，與施用化肥處理相比，施用化肥配施10 t/hm生物炭顯著增加水稻總吸氮量10.2%～10.4%，使得施用生物炭處理的氮肥表觀利用率顯著高于單施化肥處理。在本研究中，施用生物炭處理的氮肥表觀利用率為31.2%～38.6%，顯著高于CF處理的22.9%(表2)，這與張愛平等研究結(jié)果一致；同時(shí)韓曉日等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高玉米氮肥表觀利用率。此外，筆者采用N示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著促進(jìn)水稻對(duì)肥料氮的吸收。這可能的原因是生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，還具有較大的比表面積，前期能夠固定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，后期可以釋放無機(jī)氮供作物吸收利用，從而提高氮肥利用率。同時(shí)，結(jié)果顯示生物炭處理的AOB基因拷貝數(shù)低于CF處理。施用生物炭還可能通過降低AOB豐度來抑制土壤硝化作用，從而減少氮肥損失，最終提高水稻氮肥利用率。Wang等研究認(rèn)為，施用生物炭能夠降低AOB豐度和多樣性而抑制土壤硝化作用，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)和氮肥利用。王鴻浩等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著降低AOB豐度，但提高基因豐度，從而減少稻田土壤NO排放損失。本研究還證明施用生物炭提高肥料氮在土壤中的殘留，起到保肥的效果。

在本研究中，對(duì)于施用生物炭處理，采用差減法得到的氮肥表觀利用率(31.2%～38.6%)高于N示蹤法計(jì)算得到的(28.5%～30.4%)；然而，在CF處理中，2種方法計(jì)算得到的氮肥利用率相似。這說明施用生物炭促進(jìn)肥料氮(N)的吸附固持，同時(shí)也促進(jìn)土壤氮的礦化。固持的肥料氮在水稻生長(zhǎng)發(fā)育過程中能不斷釋放出來供水稻吸收利用，從而提高水稻中肥料氮的積累量。施用生物炭還可通過吸附銨態(tài)氮來減少稻田氨揮發(fā)損失，從而提高氮肥利用率。此外，本研究還顯示，施用生物炭有增加水稻對(duì)土壤氮吸收利用的趨勢(shì)(表3)。當(dāng)然，水稻所吸收的未標(biāo)記N中可能有一小部分來自水稻秸稈生物炭。但是，Xie等利用N標(biāo)記的小麥秸稈生物炭進(jìn)行盆栽試驗(yàn)研究表明，生物炭中所含的氮素生物有效性極低，僅有2%能被水稻吸收利用。本研究表明，與CF處理相比，施用生物炭顯著降低氮肥損失率。許堃等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭相較于不施用生物炭顯著提高油菜中肥料氮的積累量，減少肥料氮的損失。生態(tài)碳具有的孔隙結(jié)構(gòu)可以延長(zhǎng)肥料氮的釋放，以供作物吸收利用，提高氮肥利用、減少氮肥損失。Huang等采用N示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，施用生物炭減少氮肥損失率9～10個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1)施用水稻秸稈生物炭相較于單施化肥可以提高水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)率為9.9%～22.0%，且較高生物炭施用量(1%和2%)的增產(chǎn)效果更明顯。

(2)施用生物炭不僅提高水稻氮素積累量，還提高氮肥表觀利用率。與單施化肥處理相比，施用生物炭促進(jìn)水稻對(duì)肥料氮的吸收，提高肥料氮的利用率。

(3)施用水稻秸稈生物炭還增加肥料氮在土壤中的留存，同時(shí)顯著降低氮肥的損失率。

(4)施用生物炭可能通過降低氨氧化細(xì)菌的豐度來抑制土壤硝化作用，從而減少氮肥損失，提高氮肥的作物吸收利用，不過該機(jī)制還需進(jìn)一步進(jìn)行研究。