生物炭基肥對(duì)水稻土理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量及化肥減量的影響

金惠芳，孔國(guó)夫，厲方楨，聞秀娟，肖炳虎，孫葉芳，*，章海波

(1.紹興市柯橋區(qū)柯巖街道事業(yè)綜合服務(wù)中心，浙江 紹興 312452；2.紹興市柯橋區(qū)柯巖路南糧油專業(yè)合作社，浙江 紹興 312030；3.紹興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 紹興 312003；4.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300)

由于長(zhǎng)期的化肥施用，我國(guó)水田土壤出現(xiàn)酸化、有機(jī)質(zhì)減少及養(yǎng)分失衡等退化問(wèn)題，極大地降低了土壤生產(chǎn)力，制約著水稻增產(chǎn)，危及糧食安全[1]。因此，在改善水田土壤理化性質(zhì)的同時(shí)提高水稻產(chǎn)量，已成為農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

生物質(zhì)炭因多孔、表面積巨大的特性，能夠吸附固持土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素，減少養(yǎng)分流失而備受土壤學(xué)者青睞[2-4]。炭基肥作為一種以生物質(zhì)炭為載體的新型肥料，在保證土壤養(yǎng)分平衡供給的同時(shí)，兼具生物炭的元素吸附和緩釋特性，在煙草[3，5-6]、果樹(shù)、蔬菜[7-8]等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛使用[9-10]。目前，農(nóng)業(yè)研究所用的生物炭原料多為農(nóng)田廢棄物，包括秸稈炭、果殼炭及木質(zhì)炭[11]。秸稈炭以小麥秸稈、花生秸稈和玉米秸稈[12]為主，果殼炭[13-14]以稻殼和花生殼為代表，木質(zhì)炭則以竹炭[15]為主。受不同原料來(lái)源生物炭緩釋效果的影響，所開(kāi)發(fā)炭基肥的應(yīng)用效果也存在明顯差異。對(duì)南方地區(qū)而言，水稻秸稈[16]是極具性價(jià)比的生物炭來(lái)源，對(duì)相應(yīng)炭基肥的開(kāi)發(fā)及施用，能使農(nóng)業(yè)廢棄物得到資源化利用，也能有效減少化肥施用，降低面源污染，實(shí)現(xiàn)土壤培肥[17]。紹興市每年產(chǎn)生的水稻秸稈總量近80 t，如果將秸稈直接還田，病原微生物等進(jìn)入環(huán)境，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，因此，以水稻秸稈為原料的炭基肥開(kāi)發(fā)刻不容緩。

然而，目前常用的無(wú)機(jī)炭基肥以添加大量元素為主，對(duì)中微量元素的考慮較少，有機(jī)炭基肥雖然含有一定量的中微量元素，但釋放比較緩慢，與植物生長(zhǎng)并不匹配。因此，將生物炭與有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分科學(xué)配伍，研究開(kāi)發(fā)針對(duì)田塊尺度養(yǎng)分失衡的炭基肥，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的“因缺補(bǔ)缺”，為農(nóng)田土壤的培育及優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)提供系統(tǒng)性的技術(shù)支持，也為化肥減量提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實(shí)驗(yàn)地位于浙江省紹興市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.2 ℃，年均降雨量1 335.9 mm，年均蒸發(fā)量1 260.7 mm，年均相對(duì)濕度75.1%。土壤質(zhì)地為黏土，屬紹興青紫泥。按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)法取樣，采樣深度為0～20 cm。水稻秸稈在缺氧條件下緩慢升溫至500 ℃，熱解8 h制得秸稈生物炭，使用前過(guò)60目(0.25 mm)篩。復(fù)合肥為配方肥(N 20%，P2O510%，K2O 15%)，尿素(N 46%)，硫酸鉀(K2O 60%)，有機(jī)肥氮磷鉀總養(yǎng)分含量為5%。試驗(yàn)水稻品種為嘉禾香1號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地塊pH值為5.81，全氮含量為12.5%，全磷含量為0.81 g·kg-1，全鉀含量為8.9 g·kg-1，堿解氮含量為116.5 mg·kg-1，有效磷含量為17.6 mg·kg-1，速效鉀含量為142 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為2.3%，有效態(tài)硫含量為12.53 mg·kg-1，有效態(tài)硅含量為371.2 mg·kg-1，有效態(tài)鈣含量為129.6 mg·kg-1，有效態(tài)鎂含量為21.6 mg·kg-1，鎘、汞、鉛、砷、鉻含量分別為0.21、0.294、16.7、12.4、43.5 mg·kg-1。磷、鉀、硅、硫、鈣和鎂含量較低，重金屬元素含量沒(méi)有超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)值，因此，本試驗(yàn)在配制炭基肥時(shí)考慮添加鈣鎂磷肥、硅肥和硫酸鎂等，以補(bǔ)充磷、鈣、鎂、硅等元素。

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，分別為不添加基肥(CK)、生物炭與復(fù)合肥配施(IBF)、生物炭與有機(jī)肥配施(OBF)、生物炭與復(fù)合肥及有機(jī)肥配施(OIBF)和生物炭(BC)處理。除CK和BC處理外，其他處理按氮磷鉀總養(yǎng)分量168 kg·hm-2施入，其中生物炭用量為總質(zhì)量的20%，BC處理中生物炭用量為7 500 kg·hm-2。除CK外，所有處理在基肥中加入硫酸鎂60 kg·hm-2、硅肥90 kg·hm-2后做成顆粒肥施入試驗(yàn)田中。于播前將各生物炭、炭基肥與土壤耕層混合，本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。分蘗肥均為180 kg·hm-2尿素，穗肥均為150 kg·hm-2尿素和120 kg·hm-2氯化鉀。待水稻收割后采集土壤和植株樣品，檢測(cè)各處理對(duì)土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、中量元素含量的影響。

1.3 樣品預(yù)處理及分析

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)100目(0.15 mm)尼龍篩，參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定基本理化性質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理，為3次重復(fù)的平均值；采用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖1顯示，4個(gè)處理較對(duì)照土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量均提高。其中，pH值增加0.13～0.30，生物炭處理對(duì)土壤酸堿度影響最大；生物炭與有機(jī)肥配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升效果最明顯。

柱子上無(wú)相同小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。圖2～3同。圖1 不同處理對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil pH value and organic matter content

2.2 對(duì)土壤氮磷鉀含量的影響

從圖2可以看出，4個(gè)處理土壤中全氮和堿解氮含量較對(duì)照組均增加，均以生物炭與復(fù)合肥及有機(jī)肥配施增加最為顯著。除生物炭處理外，其他3個(gè)處理土壤中全磷和有效磷含量較對(duì)照均明顯增加，均以生物炭與有機(jī)肥配施對(duì)土壤磷含量的增加效果最顯著。此外，除生物炭處理外，其他3個(gè)處理土壤中全鉀和速效鉀含量較對(duì)照均明顯增加，均以生物炭與復(fù)合肥及有機(jī)肥配施對(duì)土壤鉀含量的提升最顯著。

圖2 不同處理對(duì)土壤氮磷鉀含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil nitrogen，phosphorus and potassium contents

2.3 對(duì)土壤中量元素的影響

從圖3可以看出，4個(gè)處理的土壤有效硫含量較CK均增加，其中無(wú)機(jī)炭基肥和有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥對(duì)土壤有效態(tài)硫的增加效果最好。除生物炭處理外，其他3個(gè)處理土壤有效硅含量較CK均顯著增加，無(wú)機(jī)炭基肥對(duì)土壤有效硅含量的增加效果最好，其次為有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥。4個(gè)處理的土壤交換性鈣含量較CK組增加，其中無(wú)機(jī)炭基肥對(duì)土壤交換性鈣的增加最明顯，其次為有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥。土壤交換性鎂含量從高到低依次為IBF>OIBF>OBF>BC>CK，且無(wú)機(jī)炭基肥施入后，土壤交換性鎂含量達(dá)2.41 mg·kg-1。

圖3 不同處理對(duì)土壤有效態(tài)中量元素含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on the content of macroelements in the available state of soil

2.4 對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

炭基肥的施入對(duì)水稻產(chǎn)量有明顯提高。從表1可以看出，炭基肥用作基肥后，水稻理論產(chǎn)量提高。有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥施入后，水稻單穗最重，每穗實(shí)粒數(shù)也最多，結(jié)實(shí)率也最高，相應(yīng)的理論產(chǎn)量也最高，達(dá)到9 915.0 kg·hm-2，其次為無(wú)機(jī)炭基肥處理，理論產(chǎn)量居第2位，生物炭處理理論產(chǎn)量增加最少。

表1 炭基肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of carbon-based fertilizer on rice yield

2.5 對(duì)化肥施用量的影響

將農(nóng)民習(xí)慣施肥[18]與炭基肥施用對(duì)比后可以看出(表2)，炭基肥處理減少了化肥使用量。其中，習(xí)慣施肥的總量為291.9 kg·hm-2，氮磷鉀肥均有施入，氮肥施用量最大。炭基肥處理的化肥施用量為223.8 kg·hm-2，無(wú)磷肥施入。

表2 炭基肥施用與習(xí)慣施肥的化肥用量比較Table 2 Comparison of the application of carbon-based fertilizer with that of conventional fertilizer

3 討論

3.1 炭基肥對(duì)水田土壤養(yǎng)分含量的影響

生物炭基肥能有效提高水田土壤的營(yíng)養(yǎng)元素[19]。炭基肥中的生物炭通過(guò)絡(luò)合作用固定尿素中的氨基，有利于提高氮素的固定能力，以靜電吸附的形式與銨根離子結(jié)合，減少其在土壤中的淋失，降低氮素的釋放速率[20-21]。生物炭中的磷可經(jīng)礦化作用，形成羥基磷灰石和磷酸鈣等含磷礦物，通過(guò)緩慢的解析作用得以釋放，從而提高土壤磷素水平。此外，生物炭通過(guò)π-離子鍵固定鉀素，能有效提高鉀肥的利用率[22-24]。本研究表明，在土壤常量元素方面，相較于CK和生物炭組，有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥對(duì)提升氮素(全氮和堿解氮)和鉀素(全鉀和速效鉀)的效果最顯著。而有機(jī)炭基肥對(duì)磷素(全磷和有效磷)的提升效果略高于其余處理的炭基肥。表明炭基肥的配施能有效提升土壤中的常量元素，其中有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥的總體效果最理想，這既符合生物炭的自身特性，也與其他學(xué)者得出的田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致[22，25]。此外，本研究也對(duì)中量元素在炭基肥中的添加效果做了比較。相較于有機(jī)炭基肥，無(wú)機(jī)炭基肥對(duì)土壤交換性鈣、交換性鎂、有效硅和有效硫的提升效果更理想，這可能受有機(jī)質(zhì)的礦化和相關(guān)酶的活動(dòng)影響。

3.2 炭基肥對(duì)水稻產(chǎn)量的提升效果

單位面積的有效穗、實(shí)粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率是水稻產(chǎn)量的主要構(gòu)成因素，它們相互影響又相互制約[26]。理論產(chǎn)量主要受產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響，然而主導(dǎo)因素并不固定，易受外部條件的變化而改變。水稻品種、地理位置和土壤肥力等方面的差異，都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化。影響水稻產(chǎn)量的同時(shí)，水稻各生育期內(nèi)氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的及時(shí)、平衡供給也決定了最終的產(chǎn)量[27-29]。本研究中，炭基肥通過(guò)改變土壤養(yǎng)分、提高水稻結(jié)實(shí)率及穗實(shí)粒數(shù)決定產(chǎn)量。其中，有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥的施用，能同時(shí)提高單穗重、穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，因此理論產(chǎn)量最高。此外，有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥的施用，既能通過(guò)無(wú)機(jī)肥在短期內(nèi)快速滿足作物的養(yǎng)分需求，又能借有機(jī)肥為水稻各生育期提供持續(xù)的養(yǎng)分供給。因此，有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥是提高水稻產(chǎn)量的理想選擇。

3.3 炭基肥配施與化肥減量的關(guān)系

炭基肥對(duì)水稻系統(tǒng)的影響不僅作用在土壤質(zhì)量和水稻產(chǎn)量2個(gè)方面，對(duì)化肥的減量也備受關(guān)注[24，30]。因此，本研究統(tǒng)計(jì)了在田塊尺度上的炭基肥和化肥的實(shí)際用量，以量化研究化肥減量所帶來(lái)的實(shí)際效果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，相較于習(xí)慣施肥，炭基肥的施用有效減少了化肥的施用量。從化肥的減量結(jié)構(gòu)上看，炭基肥能不同程度地減少氮、磷和鉀肥。其中，有機(jī)肥的施入推動(dòng)了土壤中磷素的釋放[31-33]，使磷素肥在不影響產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)零施入。本研究中，雖然有機(jī)炭基肥無(wú)復(fù)合肥添加，在化肥減量中的效果最佳，有機(jī)無(wú)機(jī)炭基肥次之。但具體的炭基肥選擇和施用仍需從作物需求和實(shí)際生產(chǎn)層面出發(fā)，不能一味追求化肥的減量效果。