秸稈直接還田與炭化還田對熱帶土壤-水稻系統(tǒng)氨揮發(fā)的影響

林智文，張 鵬，吳天昊，單 穎，鄒剛?cè)A，趙鳳亮，*，鄭桂萍

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 ?？?571101；3.貴州大學(xué) 精細(xì)化工研究開發(fā)中心，貴州 貴陽 550025)

水稻是全球近半數(shù)人口的主要糧食作物。我國是世界最大的水稻生產(chǎn)國，總產(chǎn)量位居世界第一[1]。同時，我國也是世界氮肥第一大消費(fèi)國，約占世界氮肥總使用量的30%[2]。然而，水稻生產(chǎn)過程中氮肥的當(dāng)季利用率只有30%～41%[3]。大量的氮素?fù)p失引發(fā)土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等諸多環(huán)境問題[4]，其中，氨揮發(fā)是氮素?fù)p失的主要途徑，約90%的氨揮發(fā)損失直接進(jìn)入大氣。

目前，我國農(nóng)業(yè)秸稈的主要利用方式為直接還田[5]。秸稈還田雖有利于補(bǔ)充土壤養(yǎng)分[6]，但也會增加稻田的氨揮發(fā)[7-8]。由秸稈制備而成的生物炭具有穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、吸附性強(qiáng)等優(yōu)點，被視作減少氨揮發(fā)損失的潛在工具[9-10]。Sun等[11]研究表明，與秸稈還田相比，摻入秸稈生物炭后，稻田的累積氨揮發(fā)量降低了20%左右。在江蘇宜興開展的土柱試驗也表明，與對照相比，將生物炭與肥料混合施用，可使NH3揮發(fā)降低12.3%[12]。然而，Dong等[13]對稻麥輪作系統(tǒng)開展連續(xù)5 a的觀測，發(fā)現(xiàn)增施新鮮生物炭加速了氨的揮發(fā)。此外，溫度和光照對氨揮發(fā)排放也具有促進(jìn)作用[14]。熱帶地區(qū)溫度高、光照強(qiáng)，面臨的土壤氨揮發(fā)損失風(fēng)險也較其他地區(qū)更大。

目前，關(guān)于熱帶地區(qū)土壤氨揮發(fā)的研究還較為有限[15-16]。本研究采用土柱試驗，研究等量氮素投入條件下，水稻秸稈直接還田和炭化還田對熱帶土壤-水稻系統(tǒng)氨揮發(fā)排放通量和累積排放量的潛在影響及其與土壤、田面水化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，旨在為減少熱帶稻田的氨揮發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

室內(nèi)盆栽試驗于2021年5—11月在位于海南省海口市的中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所試驗溫室進(jìn)行。當(dāng)?shù)貙贌釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫24.3 ℃。

供試水稻品種為珍優(yōu)9822(粵審稻2015054)，生育期120 d。

試驗所用土壤系玄武巖發(fā)育而成的水稻土。顆粒組成如下：礫石(>2 mm)33.6%，粗砂(0.2～2 mm)45.2%，細(xì)砂及以下(<0.2 mm)22.4%。土壤全氮含量1.80 g·kg-1，全磷含量1.50 g·kg-1，全鉀含量1.97 g·kg-1，全碳含量6.52 g·kg-1，pH值6.40。

水稻秸稈風(fēng)干后剪碎至2 cm段備用，取部分經(jīng)研磨、粉碎后測定其養(yǎng)分含量：全氮7.18 g·kg-1，全磷1.99 g·kg-1，全鉀23.6 g·kg-1，全碳417 g·kg-1。

生物炭由水稻秸稈在450～500 ℃缺氧條件下高溫裂解制備而成，基本理化性狀如下：全氮6.64 g·kg-1，全磷1.95 g·kg-1，全鉀14.9 g·kg-1，全碳594 g·kg-1，pH值9.56。

試驗用到的氮、磷、鉀肥分別為尿素(N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，上海化工研究院有限公司)、過磷酸鈣(P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，廣東湛化集團(tuán)有限公司)、氯化鉀(K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，廣州天禾農(nóng)資股份有限公司)。

1.2 試驗設(shè)計

采用溫室土柱試驗，土柱高度為50 cm，直徑為25 cm。試驗共設(shè)置6個處理：0N，不施氮肥；CF，常規(guī)施肥處理；ST，秸稈還田處理；NST，秸稈還田配施氮肥處理；BI，生物炭(秸稈炭化)還田處理；NBI，生物炭還田配施氮肥處理。每個處理均設(shè)置3個重復(fù)。各處理的磷、鉀投入量一致(秸稈和生物炭帶入的磷、鉀考慮在內(nèi))，分別為105 kg·hm-2(以P2O5計)和150 kg·hm-2(以K2O計)，秸稈和生物炭的添加量均為6 t·hm-2。除不施氮肥的處理(0N、ST和BI)外，其他處理的氮投入量保持一致(秸稈和生物炭帶入的氮考慮在內(nèi))，均為225 kg·hm-2。氮肥分3次施用，基肥、分蘗肥、穗肥的氮素投入比例為5∶3∶2，分別在7月27日、8月24日和9月26日施入；鉀肥分兩次施入，基肥和穗肥中的鉀投入量分別占47%、53%；磷肥作為基肥一次性施入。生物炭和秸稈均在施基肥前投入。除水稻收獲前兩周外，各處理田面水均維持在5 cm左右。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

土壤顆粒組成采用濕篩法測定；土壤、秸稈、生物炭的全氮、全磷、全鉀、全碳含量和pH值參照《土壤農(nóng)化分析》[17]中的方法測定。

采用通氣室法收集揮發(fā)的氨氣。采集裝置由內(nèi)徑24 cm、高度50 cm的有機(jī)玻璃制成，頂部有進(jìn)氣孔和采氣孔，另配內(nèi)徑24 cm、高度45 cm的增高罩以便于后期氨氣的采集。采集裝置通過硅膠軟管連接真空泵，將氨氣抽到裝有100 mL 2%硼酸的500 mL洗氣瓶中。每次施肥后，連續(xù)1周采樣，直到數(shù)值穩(wěn)定后停止采樣。采樣時間為每天上午的9：00—11：00和下午的2：00—4：00。收集后的樣品，采用0.01 mol·L-1H2SO4滴定。計算每天的氨揮發(fā)排放通量(取平均值)。氨累積揮發(fā)量為觀測期間的排放量之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

氨揮發(fā)排放通量(F，kg·hm-2·d-1)的計算公式為

(1)

式(1)中：V為滴定用的硫酸體積，mL；C為滴定用硫酸的標(biāo)定濃度，mol·L-1；r為氣室半徑，m；t為采集時間，h。

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用Origin 2019b軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對田面水、土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 pH值的變化

各處理田面水的pH值整體呈中性至弱堿性，在水稻全生育期內(nèi)總體呈先增后降趨勢(圖1)。在水稻分蘗期，NBI處理的田面水pH值同CF、NST處理差異顯著(P<0.05)。與CF相比，NST處理降低了田面水的pH值，而NBI處理提高了田面水的pH值。在穗分化期，NBI處理田面水的pH值顯著(P<0.05)高于ST和NST處理。在成熟期，NBI處理田面水的pH值顯著(P<0.05)高于NST和CF處理。

箭頭表示施肥時期。下同。

在整個水稻生育期內(nèi)，BI和NBI處理的田面水pH值均顯著(P<0.05)高于ST、CF、NST處理，其中，NST處理較BI處理低0.17個pH單位，NBI處理較CF處理高0.18個pH單位?？傮w而言，秸稈直接還田處理(ST和NST)的田面水pH值在水稻分蘗期和穗分化期與其他處理相比都較低，而生物炭處理(BI和NBI)的效果與之相反。

在水稻分蘗期和穗分化期，ST處理的土壤pH值最低，NBI處理的土壤pH值最高，二者差異顯著(P<0.05)(表1)。至成熟期，CF處理的土壤pH值最小，且較前2個時期的土壤pH值明顯減小，表明該處理下土壤有一定的酸化趨勢；0N、ST、BI處理的土壤pH值較前2個時期都有所提高，且0N和BI處理的土壤pH值顯著(P<0.05)高于CF處理。此外，水稻成熟期NBI處理的土壤pH值也顯著(P<0.05)高于CF處理。總的來看，添加生物炭的處理(BI和NBI)的土壤pH值在整個水稻生育期內(nèi)相對較高，而添加秸稈的處理(ST和NST)的土壤pH值相對較低。

表1 水稻不同生育期各處理的土壤pH值

圖2 水稻不同生育期各處理田面水含量的動態(tài)變化

同一時期不同處理柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

圖4 水稻不同生育期各處理土壤含量的動態(tài)變化

2.2 稻田氨揮發(fā)的排放特征

各處理的稻田氨揮發(fā)主要集中在施肥后，在施肥后2～3 d達(dá)到峰值而后逐漸降低，約2周后趨于平穩(wěn)(圖5)。施入分蘗肥后，各處理的氨揮發(fā)排放通量迅速上升，并在第2天達(dá)到峰值(0.66～1.01 kg·hm-2)。各處理中，ST處理的峰值最大。施氮肥的處理中，峰值由小到大依次為NST

圖5 水稻不同生育期各處理的土壤氨揮發(fā)排放通量的動態(tài)變化

在分蘗期，各處理的氨累積揮發(fā)量以ST處理最大(圖6)，顯著(P<0.05)高于其他處理，NBI和0N處理的氨累積揮發(fā)量最低，顯著(P<0.05)低于CF和NST處理。由此可知，NBI處理在分蘗期展現(xiàn)出較好的減排效果。與CF和NST處理相比，分蘗期NBI處理的氨累積揮發(fā)量分別降低了31.65%、32.42%。在穗分化期，各處理的氨累積揮發(fā)量以NST處理最大，顯著(P<0.05)高于其他處理；ST和NBI處理次之，顯著(P<0.05)高于CF處理。在成熟期，CF處理的氨累積揮發(fā)量最大，顯著(P<0.05)高于其他處理。

圖6 水稻不同生育期氨累積揮發(fā)量

在水稻整個生育期內(nèi)，各時期相比，分蘗期的氨累積揮發(fā)量最大。受此影響，各處理在水稻整個生育期的氨累積揮發(fā)量與分蘗期的表現(xiàn)相似，同樣以ST處理最大，但與CF和NST處理差異不顯著。NBI和0N處理的氨累積揮發(fā)量最低，顯著(P<0.05)低于CF和NST處理。與CF相比，NBI處理的氨累積揮發(fā)量顯著(P<0.05)降低了28.9%。這表明，秸稈炭化還田有助于減少稻田氨揮發(fā)。

2.3 氨揮發(fā)排放與環(huán)境因子的相關(guān)性

表2 氨揮發(fā)排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)性

3 討論

本研究采用溫室土柱水稻生長試驗方法，研究等量氮素投入條件下秸稈還田及其炭化還田對熱帶土壤-水稻系統(tǒng)氨揮發(fā)的影響。結(jié)果表明：秸稈炭化還田配施氮肥有利于土壤pH升高，對氨揮發(fā)具有較好的抑制作用，氨揮發(fā)累積排放量比常規(guī)施肥處理降低了28.9%。

在分蘗期，由于尿素水解、溫度較高等原因，各處理田面水的pH值呈增加趨勢，在穗分化期和成熟期，受氨揮發(fā)和硝化作用、溫度下降等因素影響，田面水的pH值逐漸下降。這一結(jié)果與前人研究相同[18-19]。在水稻的分蘗期和穗分化期，與不施氮肥的處理相比，施氮肥的處理提高了土壤pH值。同時，添加秸稈處理對土壤pH值的降低作用也集中在這一時期。添加生物炭的處理在水稻整個生育期內(nèi)對土壤pH值均有提高作用。這可能是因為，微生物在秸稈腐解中起主導(dǎo)作用。在水稻生長前期，溫度適宜，有利于微生物對秸稈腐解，秸稈有機(jī)質(zhì)分解后可以產(chǎn)生有機(jī)酸，導(dǎo)致土壤pH值降低。后期，隨著溫度降低和秸稈腐解的完成，秸稈還田處理的土壤pH值有所提升[20]。施用堿性生物炭產(chǎn)生了一定的“石灰效應(yīng)”，從而導(dǎo)致土壤pH值升高[21]。綜合田面水和土壤的pH值來看，秸稈還田會降低田面水和土壤的pH值，而施用生物炭則會提高土壤的pH值。