逐年全量秸稈炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響

張 璐，董 達，2，平 帆，徐興坤，易倩倩，孫 雪，吳偉祥*

（1.浙江大學環境污染防治研究所，杭州 310058；2.浙江農林大學環境與資源學院，杭州 311300）

中國是世界上水稻種植面積最廣的國家，每年產生的水稻秸稈量高達2億多t[1]。水稻秸稈富含氮、磷、鉀等營養元素，被認為是一種豐富的可再生資源[2]。農業部推廣的秸稈直接還田雖能促進養分循環、減少化肥施用、提升農作物產量[3]，然而也會促進稻田溫室氣體甲烷的大量排放，長期還田還會導致稻田病蟲害以及僵苗等現象發生[4-5]。

生物質炭（Biochar）是生物質在缺氧條件下低溫熱解產生的高度芳香化物質，具有高pH、高碳含量與較強的陽離子交換能力、較大的比表面積和豐富的營養元素含量等優良特性，目前越來越多地被應用于土壤改良和作物增產[6-7]。研究發現，水稻秸稈生物質炭化還田具有提高水稻產量、提升土壤碳庫儲備以及減少稻田溫室氣體排放等作用，是替代秸稈直接還田的理想措施[8-16]。然而關于水稻秸稈生物質炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響研究基本采用一次性、高劑量（高于等劑量，等劑量=秸稈產量×炭化得率）的還田模式[8-11]，未曾有單季稻作制下，連續的等量水稻秸稈炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響研究。而且，在一次性高劑量還田模式下，水稻秸稈生物質炭對水稻產量的提高會隨著還田時間的延長而減弱[8-10]。此外，受水稻生長季節性、單位面積秸稈產量和秸稈生物質炭化得率等因素的限制，生產實踐過程中稻田不可能普遍實施基于秸稈資源異位轉移方式的高劑量炭化還田模式。因此，若在稻田生態系統中采用逐年全量秸稈生物質炭化還田模式，即逐年將產生的水稻秸稈生物質全量炭化后原位還田，既能實現秸稈資源的完全利用，又能不斷向稻田補充生物質炭，維持其營養水平，理論上將比一次性高劑量還田模式更有應用前景。

為探究逐年全量秸稈生物質炭化還田模式在實際生產中對稻田增產和土壤改良的持續效應，本文擬選擇浙江省北部一處多年種植單季稻的中產稻田進行4年的定位試驗，每年定期測定水稻株高和籽粒產量及土壤pH、CEC、TC、TN、有效態P、K、Ca、Mg等營養元素含量，并在此基礎上探究秸稈生物質炭對土壤養分和水稻產量的影響機理，旨在為我國開發和應用秸稈炭化還田技術提供理論和實踐依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況和實驗材料

選擇浙江省杭州市余杭區（30°22′N，119°51′E）一處多年種植單季稻的水田作為試驗田，根據中國土壤數據庫的分類，試驗田土種是泥質田，以黏壤土為主。氣候為典型的亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.2℃，年均降雨量1490 mm。本實驗所采用的生物質炭是以水稻秸稈為原料，切碎至粒徑5 mm后經自制的自燃內熱式炭化爐在450～500℃下高溫裂解2 h制成。實驗采用的土壤、水稻秸稈和秸稈生物質炭的基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗準備和設計

試驗期為2013年7月至2016年11月，采用水稻單季的種植方式，每年水稻7月初移栽，11月底收獲。共設三個處理：CK：對照（無任何水稻秸稈和生物質炭還田）；RS：水稻秸稈全量還田（8 t·hm-2）；RSB：全量秸稈生物質炭化還田[2.8 t·hm-2水稻秸稈生物質炭=8 t·hm-2水稻秸稈×0.35（炭化爐炭化得率）]。每個處理設置3個重復區塊，共計9個區塊，每個區塊的面積是：4 m×5 m=20 m2。在每年耕種前對各區塊修建田埂，并用薄膜包被，防止串水。切碎后的秸稈（5 mm）和秸稈生物質炭在每年水稻移栽前分別施入耕作層（15 cm），常規翻土混勻后淹水。水稻品種為粳稻秀水134（Oryza sativa L），采用秧苗移栽的方式，控制每個區塊秧苗數量一致。稻田采用前期淹水，后期澇干的常規管理方式。各處理按照傳統施肥方法施加等量化肥，分別是氮肥（以純N計）270 kg·hm-2，磷肥（以P2O5計）75 kg·hm-2，鉀肥（以K2O計）90 kg·hm-2。其中氮肥類型為尿素，以基肥、分蘗肥和穗肥按照4∶3∶3的比例輸入。磷肥和鉀肥為過磷酸鈣和氯化鉀，以基肥的形式一次性施入。

1.3 試驗樣品的采集、處理及指標測定

在2013—2016年期間，每年收獲期測定水稻株高和籽粒產量。在每個小區內隨機取6株水稻測量株高，實測每個小區內所有水稻植株的籽粒產量并換算成每公頃產量。

表1 供試土壤、水稻秸稈和秸稈生物質炭的基本理化性質Table 1 Properties of soil，rice straw and rice straw-derived biochar in the study

同時，采集根際土壤，自然條件下風干后過2 mm篩，裝入塑封袋用于pH、CEC及有效態P、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Al和Mn（以下簡稱M3-P、K等）等營養元素的測定。其中，采用pH電位計（Seven Compact，MET?TLER TOLEDO，Switzerland）測定土壤pH（土∶水質量體積比為1∶2.5）；土壤和秸稈生物質炭的CEC采用氯化鋇平衡法測得，有效態營養元素采用Mehlich3提取液提取，電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）儀和鉬銻抗比色法測定[17]，具體測量方法參照文獻[8]。

此外，將風干土磨細過100目篩后采用元素分析儀（FlashEA1112，ThermoFinnigan，Italy）測定TC、TN含量。

1.4 數據處理和分析

數據經Excel 2013預處理后用SPSS 20.0單因素方差分析（One-way ANOVA）中的最小顯著性差異法（LSD）分析進行處理間各項指標的顯著性差異檢驗，P＜0.05視為統計學上具有顯著性差異。運用SPSS 20.0軟件對水稻四年平均產量、pH、CEC和土壤養分含量進行Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 對水稻株高和籽粒產量的影響

從表2可看出，與CK相比，RSB和RS均能促進水稻生長和產量的提高（P＜0.05），其中RSB第一年增產7.6%，第二年增產10.6%，第三、第四年分別增產14.5%和9.7%，平均每年增產10.7%。RS第1～4年分別增產5.2%、10.5%、15.5%、7.0%，平均每年增產9.6%。除了2015年，其他年份RSB對株高和產量的增幅均大于RS。

2.2 對稻田土壤pH和CEC的影響

土壤pH和CEC是重要的土壤化學指標，pH可以影響土壤養分元素的形態，CEC可以評價土壤保肥能力。與CK相比，RSB和RS對pH平均每年增加0.13和0.04個單位，對CEC平均增加0.14、0.07 cmol·kg-1（表3）。由于添加量小，土壤酸性強，緩沖作用大，RSB對土壤pH的影響并不顯著。

2.3 對稻田土壤TC和TN的影響

2013—2016年，RSB和RS均能持續提高稻田土壤TC含量（圖1），其中RSB第1～4年的增幅分別為6.91%、15.23%、12.69%、27.89%，RS第1～4年的增幅分別為10.68%、10.84%、12.28%、15.18%。4年內，RSB和RS對土壤TC含量的年均增量分別為3.05 g·kg-1和2.50 g·kg-1，年均增幅分別為15.77%和11.81%。而在試驗持續第4年，RSB的土壤TC含量從第一年的22.51 g·kg-1提升到了 27.78 g·kg-1，已顯著高于CK與RS（P＜0.05），因此從4年的綜合效應來看，RSB的累積作用比RS更明顯。

同樣，RSB和RS也能持續提高稻田土壤TN含量（圖1），4年內RSB和RS對土壤TN含量的年均增量分別為 0.13 g·kg-1和 0.24 g·kg-1，年均增幅分別為5.12%和9.24%，小于土壤TC的增幅。此外，從4年的綜合效應來看，RSB和RS可以實現土壤TN的顯著累積（P＜0.05），第4年RSB與RS與CK相比分別增加了8.56%和12.58%。

2.4 對稻田土壤有效態營養元素含量的影響

P、K、Ca、Mg、Zn、Fe和Mn是植物生長的必需營養元素，但是土壤Fe和Mn元素過量會對水稻產生毒害作用，而Al是酸性土壤中抑制植物生長的主要因素之一。因此，土壤速效養分的豐缺程度與水稻產量息息相關。

由圖2可知，與CK相比，RSB和RS均能持續提高土壤M3-P、K、Mg、Ca含量，RSB和RS對M3-P、K、Mg、Ca平均增幅分別為40.0%、37.0%、5.6%、3.7%和48.1%、31.2%、4.4%、2.4%。但是，RSB和RS對某些土壤營養元素含量的影響程度存在差異。比如，在試驗第4年，RSB的M3-K、Ca含量顯著高于RS（P＜0.05）。

表2 全量秸稈炭化還田對水稻株高和籽粒產量的影響Table 2 Effects of biochar application on rice height and grain yield

表3 全量秸稈炭化還田對土壤pH和CEC的影響Table 3 Effects of biochar application on soil pH and CEC

圖1 全量秸稈炭化還田對稻田土壤TC和TN的影響Figure 1 Effects of biochar addition on the paddy soil TC and TN contents

此外，與CK相比，RSB能夠顯著降低土壤M3-Al、Fe、Mn含量（P＜0.05）。RSB在試驗第3年顯著降低了M3-Al含量（P＜0.05），在試驗第2年顯著降低了M3-Fe、Mn含量（P＜0.05）。與RS相比，RSB在試驗第1年顯著降低了M3-Al含量（P＜0.05）。

3 討論

3.1 全量秸稈炭化還田對土壤養分的影響及其機理

4年田間試驗表明，RSB能明顯提高土壤TC、TN（圖1）、有效態P、K、Ca、Mg含量（圖2）。秸稈生物質炭還田對土壤養分的提高作用，可能有以下兩方面的原因：一是秸稈生物質炭直接輸入導致其攜帶的養分進入土壤，二是秸稈生物質炭本身促進了土壤養分的累積。為考察秸稈生物質炭對土壤養分的影響機理，假設試驗土壤容重為1.0 g·cm-3[18-20]，耕層土厚度為15 cm。按照全量秸稈生物質炭還田量2.8 t·hm-2可估算出RSB每年向土壤中添加的TC、TN分別為1.00 g·kg-1和0.02 g·kg-1，添加的M3-P、K、Mg、Ca分別為2.24、6.16、2.99 mg·kg-1和6.16 mg·kg-1。由圖1和圖2可知，RSB對土壤TC、TN的增量分別為3.05 g·kg-1和0.13 g·kg-1，對M3-P、K、Ca、Mg的增量分別為 4.66、21.61、10.29、36.80 mg·kg-1。秸稈生物質炭自身攜帶的TC、TN和速效P、K、Ca、Mg對土壤養分的增加貢獻率分別為 30.3%、15.3%、48.07%、28.50%、29.06%、16.74%，均不足50%。這表明，土壤養分的提高更大程度上是由于秸稈生物質炭間接增強了土壤碳氮元素及速效養分的累積。

目前，已有大量文獻報道了生物質炭輸入對土壤有機碳形成負激發效應[21-25]。其機理可能為：（1）生物質炭與黏土礦物結合，提高土壤團聚體穩定性，減緩有機質的分解[21-23]；（2）生物質炭改變微生物群落結構，使微生物碳代謝效率降低[23-25]。此外，4年的定位試驗表明秸稈生物質炭添加能夠促進水稻生長（表2），因此推測水稻根系向土壤分泌的“新碳”增多。考慮到本試驗中土壤M3-Al、Fe含量豐富（圖2），這些“新碳”會受到土壤團聚體的保護形成鐵鋁氧化物結合態而穩定下來[26]。值得注意的是，RS雖然同樣能夠促進土壤TC的累積，但是累積效果卻不如RSB。這可能是因為，秸稈中大分子有機物在土壤中易腐解成小分子有機物，進而被微生物降解轉化為CH4和CO2，排放到大氣中。但是，秸稈生物質炭的碳以穩定的芳環結構存在[27]，不易礦化。

圖2 全量秸稈炭化還田對稻田土壤M3-P、K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn和Zn的影響Figure 2 Effects of biochar addition on the paddy soil M3-P，K，Ca，Mg，Al，Fe，Mn and Zn contents

同時，一些文獻表明，生物質炭主要是通過提高土壤對銨氮的吸附能力[28]，減少稻田氧化亞氮排放[29]和氨揮發[30]，增加土壤固氮微生物種類和數量[31]來促進土壤氮素的固定。

關于生物質炭本身提高土壤速效養分P、K、Ca、Mg含量的機理可能是：（1）秸稈生物質炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構以及大量帶負電荷的-COOH、-COH、-OH等含氧官能團，能吸附土壤營養元素、提高土壤持水性，從而減少養分流失[32]；（2）添加生物質炭影響了土壤微生物對養分的循環過程，促進土壤有效態P、K的生成[33]；（3）添加生物質炭能提高土壤pH（表3），有研究表明隨著土壤pH的升高，有效態P、K含量增加[34]。不同于秸稈生物質炭還田，秸稈直接還田對土壤速效養分的提高與秸稈腐解有關。秸稈腐解一方面釋放攜帶的營養元素，另一方面生成小分子有機物質與土壤礦物反應，促進土壤本身養分的釋放[35]。

此外，從圖2可知，秸稈生物質炭添加可以降低土壤M3-Al、Fe、Mn含量，這可能與土壤pH及TC含量升高有關。從表2可知，RSB對土壤pH提高的平均幅度為0.13個單位。土壤pH升高使有效態Al、Fe、Mn形態發生變化，變成難溶性的氫氧化物或氧化物沉淀[36-38]。同時，有文獻表明生物質炭會促進土壤生成大量胡敏酸[39]。胡敏酸的分子量大，聚合度高，與鋁鐵錳絡合成鹽類，使鋁鐵錳活性降低[40]。

3.2 水稻產量與土壤養分的內在聯系

進一步將水稻籽粒4年平均產量和pH、CEC及其他養分含量的4年平均值做相關性分析（圖3）。Pear?son相關系數表明水稻產量和土壤TC、M3-K、Mg含量呈極顯著正相關關系（P＜0.01），和TN、M3-Al含量分別呈顯著正相關和負相關關系（P＜0.05）。有文獻指出，土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）分別與土壤TC、TN呈極顯著正相關關系[41]，RSB和RS能明顯提高土壤TC、TN含量（圖1），從而促進土壤MBC、MBN的提高。MBC、MBN是土壤有機質的重要活性組分，參與土壤養分轉化和循環的各個過程，對植物養分吸收和生長發育具有積極影響。當土壤K＜110 mg·kg-1時（Mehlich3通用浸提法），屬于嚴重缺K的狀態[42]。本試驗地測得的土壤有效K為77.6 mg·kg-1，明顯＜110 mg·kg-1。秸稈生物質炭還田能明顯提高土壤有效K的含量（圖2），緩解土壤K的虧缺，促進水稻生長。因此，RSB增產的關鍵因素是土壤TC、TN、有效K、Mg含量的提高及有效Al含量的減少。此外，RSB比RS增產效果更明顯的原因可能是對土壤TC、M3-K、Mg含量及有效Al含量的影響效率更高。

3.3 與一次性高劑量生物質炭還田模式的比較

圖3 水稻產量、土壤pH、CEC及營養元素之間的相關性矩陣Figure 3 Correlation matrices among rice yield，soil pH，CEC and soil nutrients from paddy soil

與一次性高劑量還田模式相比，逐年全量秸稈生物質炭化還田模式能維持較高水平的增產效應。試驗開展的4年間，RSB對水稻產量的增幅在7.6%～14.5%之間，平均增產10.7%（表2）。而在同一氣候和地形水平下，一次性施用22.5 t·hm-2水稻秸稈生物質炭在還田第2～5年只分別增產6.1%、2.2%、2.9%、3.1%[8]。這主要是由于在一次性高劑量還田模式后期，生物質炭在土壤中發生縱向遷移，且吸附位點漸趨飽和，于是表層土壤速效養分含量不再提高，水稻增產減弱。相反，逐年全量秸稈生物質炭化還田模式能不斷為土壤補充養分，并提供新的吸附位點，增強土壤自身固定養分的能力，使水稻產量維持在較高水平。事實證明，逐年全量秸稈生物質炭化還田持續增產增肥效果顯著，是稻田生態系統極具潛力的秸稈資源利用模式。

4 結論

（1）全量秸稈炭化還田能顯著提高水稻株高和籽粒產量，且增幅大于秸稈直接還田。

（2）全量秸稈炭化還田能明顯提高稻田土壤TC、TN、有效態P、K、Mg、Ca含量，降低土壤過量的有效Al、Fe、Mn含量。

（3）全量秸稈炭化還田對土壤養分的提高更大程度上是由于秸稈生物質炭本身增強了土壤固定C、N及速效養分的能力。

（4）全量秸稈炭化還田對水稻增產的關鍵因素是土壤TC、TN和有效K、Mg含量的提高以及土壤有效Al含量的降低。