節(jié)水灌溉下生物炭對(duì)寒地黑土稻田碳氮固持的影響

張作合 李 凱 李浩宇 孔凡丹 鄭美玉

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院 黑龍江綏化 152000）

水稻是我國(guó)主要糧食作物，播種面積約占糧食作物總種植面積的26.89%[1]，收獲后大量水稻秸稈被丟棄或在露天焚燒，造成了資源的極大浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]。因此，有效利用秸稈是資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的亟需解決的問(wèn)題。秸稈富含有機(jī)質(zhì)、N、P、K等礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，直接還田可以改善土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。同時(shí)可以防止氮素流失，提高土壤肥力，有助于水稻實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[3]。盡管秸稈還田帶來(lái)許多潛在的好處，但它增加了有機(jī)碳的礦化，使土壤有機(jī)碳庫(kù)減少[4]。特別是與南方相比，東北地區(qū)冬季低溫條件下秸稈分解較慢。因此，在寒冷的東北地區(qū)肥沃的土壤中，進(jìn)行大規(guī)模秸稈還田難以實(shí)現(xiàn)。

生物炭施用作為一種新型的碳管理技術(shù)，能夠降低易礦化有機(jī)質(zhì)中碳的礦化速率，快速恢復(fù)土壤有機(jī)碳。與秸稈還田相比更有利于土壤固碳[5]，因而其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究日益受到關(guān)注，并逐漸成為一種農(nóng)業(yè)保肥增產(chǎn)的新途徑[6]。將生物炭還田可以迅速提高土壤碳儲(chǔ)量、氮含量和土壤肥力。生物炭在固碳方面具有巨大的、穩(wěn)定的、長(zhǎng)期的潛力。目前，由于區(qū)域氣候因素和土壤性質(zhì)的差異，生物炭對(duì)不同地區(qū)土壤氮素轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分保持、作物生長(zhǎng)等方面的影響還不清楚。因此，生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用目前仍存在爭(zhēng)議[7，8]。

隨著熱解炭化技術(shù)的進(jìn)步和秸稈生物炭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，深入研究和合理利用秸稈生物炭，對(duì)于農(nóng)業(yè)高效、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，生物炭添加主要在我國(guó)南方進(jìn)行[9]。由于氣候寒冷，土壤肥沃，對(duì)生物炭在東北稻田的應(yīng)用研究較少。如何量化生物炭對(duì)東北地區(qū)土壤固碳的影響是十分重要的。本研究旨在探討節(jié)水灌溉模式下生物炭添加對(duì)土壤碳氮含量、氮肥利用效率和水稻產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果可為秸稈生物炭在寒地黑土區(qū)稻田的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)區(qū)概況。試驗(yàn)時(shí)間為2018年5月19日—9月30日，在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼蘭河流域中上游，屬于寒地黑土區(qū)。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，第三積溫帶，全年無(wú)霜期128d左右，多年平均降水量500～600mm，平均氣溫為2℃～3℃，平均日照時(shí)數(shù)為2600h，為黑龍江省典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。

（二）試驗(yàn)材料。水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)，在450℃高溫?zé)o氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可制成直徑2mm顆粒形式的秸稈生物炭(去除灰分)約2.5t，pH值8.86，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.72%。供試土壤為黑土，土壤理化性質(zhì)：pH值6.40，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比41.80g/kg，全氮質(zhì)量比1.51g/kg，全磷質(zhì)量比15.61g/kg，全鉀質(zhì)量比19.86g/kg，堿解氮質(zhì)量比148.27mg/kg，速效磷質(zhì)量比24.22mg/kg，速效鉀質(zhì)量比156.13mg/kg。供試水稻品種為研究區(qū)大面積推廣種植的綏粳18，插秧密度為25穴/m2。

（三）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)主要研究控制灌溉(Control irrigation)模式(見(jiàn)表2)，秸稈生物炭施用量設(shè)置4個(gè)水平分別為0、2.5t/hm2(1年還田量)、12.5t/hm2(5年還田量)、25t/hm2(10年還田量)，分別用C0、C2.5、C12.5、C25表示。共計(jì)4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，考慮不同組合布置12個(gè)小區(qū)，方形小區(qū)面積16m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列。將生物質(zhì)炭在泡田之前于土壤表層以下10cm(耕作層中部)施入；按當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)施純氮110kg/hm2，基肥、蘗肥、穗肥按5：2：3分施；K2O施入量80kg/hm2，基肥：穗肥按1：1分施；P2O5施入量45kg/hm2，作為基肥一次性施入。供試肥料選擇尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)、硫酸鉀(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%)，并換算成實(shí)際化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32cm，行距30cm，每穴3株，9月21日收獲。

表1 控制灌溉模式各生育期水分管理

（四）樣品的采集與測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量：在水稻各生育期取土樣，每次用土鉆取0-20cm土層土壤充分混合后密封，標(biāo)記后放置于冷藏保溫箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室立即冷凍。試驗(yàn)時(shí)將土樣風(fēng)干后剔除草根，用粉碎機(jī)粉碎并過(guò)篩(0.149 mm)，取所制備土樣1.0g用重鉻酸鉀容量法，在外加熱條件下(溫度為180℃，沸騰5分鐘)，用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機(jī)碳，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來(lái)滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量，計(jì)算有機(jī)碳的含量。

土壤活性有機(jī)碳含量：采用高錳酸鉀(KMnO4)氧化法。稱(chēng)取含碳量15mg左右的土壤樣品，用25mL高錳酸鉀(KMnO4)溶液浸提震蕩1h，再離心5min后取上清液，按1：250的比例用去離子水來(lái)稀釋清液，最后進(jìn)行分光光度計(jì)(565nm)比色，利用高錳酸鉀(KMnO4)消耗量求出活性有機(jī)碳含量。

土壤全氮含量：利用同位素質(zhì)譜儀（DELTAV Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA)測(cè)定土壤N的含量。將同位素質(zhì)譜儀調(diào)至C/N模式，取100ug左右粉碎過(guò)的樣品(粉末狀)用錫紙包嚴(yán)，放入分析儀一次性測(cè)出氮百分含量。

（五）計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI，Carbon pool management index)的計(jì)算方法參照井大煒等[10]如下：碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=樣品總有機(jī)碳含量(g/kg)/參考土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；碳庫(kù)活度(A)=土壤活性有機(jī)碳含量(g/kg)/土壤非活性有機(jī)碳含量(g/kg)；碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度；碳庫(kù)管理指數(shù)CPMI=100×CPI×AI。

土壤有機(jī)碳密度(SOCD)是指單位面積土壤在一定深度下的碳儲(chǔ)量，計(jì)算方法如下：

式中：SOC—土壤有機(jī)碳含量，g/kg；BD—土壤容重，g/cm3；H—表土厚度(20cm)，cm

單位面積上的土壤固碳量(SCS)=SOCD水稻收獲后?SOCD水稻種植前。

土壤氮密度(SND)是指單位面積土壤在一定深度下的氮儲(chǔ)量，計(jì)算方法如下：

式中：SON—土壤全氮含量，g/kg

單位面積上的土壤氮持留量(SNR)=SND水稻收獲后?SND水稻種植前。

數(shù)據(jù)分析和處理采用Excel2007、SPSS，處理間的多重比較(P>0.05)采用Duncan法，作圖采用Origin8.0軟件。

二、結(jié)果與分析

（一）生物炭對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。由表2可知，添加2.5t/hm2、12.5t/hm2和25t/hm2秸稈生物炭會(huì)顯著影響0～20cm土壤有機(jī)碳(TOC)的含量(P<0.05)，使其分別提高了3.42%、15.44%和22.80%。C2.5、C12.5和C25處理的活性有機(jī)碳(AC)含量均顯著高于C0(P<0.05)，分別提高11.81%、74.18%和60.44%。碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)是反映土壤碳庫(kù)的重要指標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)與土壤肥力狀況具有重要意義[10]。C12.5和C25處理與C0處理之間的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)差異顯著(P<0.05)，分別提高87.45%和69.74%，添加過(guò)量的生物炭會(huì)使土壤碳庫(kù)管理指數(shù)減小。

表2 不同處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

（二）生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響。由圖1（注：圖中同一生育期不同小寫(xiě)字母表示數(shù)據(jù)在P＜0.05水平差異顯著，下同。）可知，各處理0～20cm土壤有機(jī)碳密度在4.41～6.84kg/m2范圍內(nèi)變化。水稻分蘗期C12.5和C25處理與C0處理之間0～20 cm土壤有機(jī)碳密度差異性顯著(P<0.05)，分別提高9.82%、6.38%；C2.5處理與C0之間差異不顯著(P＞0.05)，大小關(guān)系為C12.5＞C25＞C0＞C2.5，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于在土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的黑土區(qū)，添加25t/hm2的秸稈生物炭土壤容重大大降低，但與土壤容重變化相比，土壤有機(jī)碳含量對(duì)增加土壤有機(jī)碳密度的影響更大；添加2.5t/hm2的秸稈生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳含量增加有限，土壤容重降幅較大。水稻拔節(jié)期各處理0～20cm土壤有機(jī)碳密度均降低，C25處理的值高于C12.5處理，且二者差異顯著(P<0.05)。水稻抽穗期，各處理0～20cm土壤有機(jī)碳密度均為全生育期最低，土壤有機(jī)碳密度大小關(guān)系為C25＞C12.5＞C2.5＞C0。水稻灌漿期和成熟期各處理0～20cm土壤有機(jī)碳密度增加，C12.5和C25處理與C0處理之間0～20cm土壤有機(jī)碳密度差異性顯著(P<0.05)，而C2.5處理與C0處理之間無(wú)顯著差異(P＞0.05)。

圖1 不同生育期各處理土壤有機(jī)碳密度的變化

（三）生物炭對(duì)土壤氮密度的影響。由圖2可知，各處理0～20cm土壤氮密度在0.433～0.563kg/m2范圍內(nèi)變化。水稻分蘗期C2.5處理與C0處理之間0～20cm土壤氮密度差異不顯著(P＞0.05)，C12.5和C25處理與C0處理之間差異性顯著(P<0.05)，大小關(guān)系為C2.5＞C0＞C12.5＞C25，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是添加秸稈生物炭使土壤容重顯著降低(P<0.05)，但對(duì)土壤全氮的含量增加有限。水稻拔節(jié)期各處理0～20cm土壤氮密度均降低，各處理降低幅度不同，C2.5和C12.5處理與C0處理之間差異不顯著(P＞0.05)。水稻抽穗期，各處理0～20cm土壤氮密度均為全生育期最低，土壤氮密度大小關(guān)系為C2.5＞C12.5＞C25＞C0。水稻灌漿期各處理0～20cm土壤氮密度增加，土壤氮密度大小關(guān)系為C25＞C12.5＞C0＞C2.5，各處理之間無(wú)顯著差異(P＞0.05)。水稻成熟期各處理0～20cm土壤氮密度進(jìn)一步增加，土壤氮密度大小關(guān)系為C25＞C12.5＞C2.5＞C0。

圖2 不同生育期各處理土壤氮密度的變化

（四）生物炭對(duì)土壤固碳和氮持留的影響。由圖3可知，處理0～20cm土壤固碳量在0.054～0.109kg/m2之間，順序?yàn)镃25＞C12.5＞C2.5＞C0。與 C0相比，C2.5、C12.5和C25處理的土壤固碳量分別增加了26.25%、83.36%和91.87%，C12.5處理與C25之間差異不顯著(P＞0.05)?？刂乒喔饶Ｊ较?，水碳聯(lián)合調(diào)控能夠有效增加土壤固碳量。

圖3 不同處理的土壤固碳量

由圖4可知，處理0～20cm土壤氮持留量在0.026～0.031kg/m2之間，順序?yàn)?C25＞C12.5＞C2.5＞C0。與C0相比，C12.5和C25處理的土壤氮持留量分別增加了19.53%和21.48%，C12.5處理與C25之間差異不顯著(P＞0.05)，且C2.5處理與C0之間差異不顯著(P＞0.05)。在控制灌溉模式下，添加12.5t/hm2以上的生物炭能夠顯著增加土壤氮持留量(P<0.05)，減少土壤氮素?fù)p失量。

圖4 不同處理的土壤氮持留量

三、結(jié)語(yǔ)

（一）控制灌溉模式下，添加秸稈生物炭能夠顯著增加TOC和AC的含量(P<0.05)。添加12.5t/hm2的秸稈生物炭能夠顯著增加0～20cm土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(P<0.05)，而添加過(guò)量（25t/hm2）的生物炭會(huì)使土壤碳庫(kù)管理指數(shù)減小。

（二）各處理0～20cm土壤有機(jī)碳密度在抽穗期最低，而在成熟期最高。C12.5和C25處理能夠顯著提高0～20cm土壤有機(jī)碳密度(P<0.05)，而C2.5處理影響不顯著(P＞0.05)。

（三）控制灌溉模式下，各處理0～20cm土壤氮密度在抽穗期最低，而在成熟期最高。

（四）與C0處理相比，添加秸稈生物炭能夠使土壤固碳量增加。添加12.5t/hm2以上的生物炭能夠顯著增加土壤氮持留量和碳氮比(P<0.05)，減少土壤氮素?fù)p失量。