棉稈生物炭對南疆地區水稻產量和氮素利用效率的影響

王德勝， 胡蕓莎， 曹 琦， 楚合營， 王 芳

(1.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300； 2.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300； 3.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏銀川 750002)

南疆是指新疆天山以南地區，屬于典型溫帶干旱性大陸氣候，光熱資源豐富，但晝夜溫差較大，降水量少，屬于干旱地區。南疆塔里木盆地周邊分布著大大小小的綠洲，經過多年開墾和耕耘，形成了相對完善的灌溉體系，已成為新疆重要的優質棉和特色林果生產基地[1]。在充分發揮南疆水熱資源的前提條件下，南疆種植業結構也在進行調整，種植水稻是南疆地區防御風沙、積蓄水源和治理土壤鹽漬化主要措施之一。

棉花秸稈作為固體廢棄物儲存了1/2的光合產物，直接還田當季難以腐解，棉花秸稈作為農業廢棄物無法合理利用[2]，近年來興起的生物質炭化技術為棉花秸稈合理利用開辟了新途徑[3]。生物質炭是一種以生物質為原料，在厭氧條件下高溫進行熱裂解生成的一種含碳豐富的固體物質，生物炭一般含碳60%以上，具有發達的孔隙和較大的比表面積[4-5]，使生物炭有極強的吸附和抗氧化能力，在土壤理化性狀改良、土壤微生態環境調控、提高作物產量以及肥料利用率等方面受到國內外學者的廣泛關注[6-9]。生物炭作為一種新型“碳負”材料，不但為新疆地區棉稈資源化利用提供了新途徑，而且具有改善土壤理化性狀和保蓄水分、養分的效果，還可以改善自然界碳循環，減少溫室氣體排放。

塔里木盆地灌區由于土壤基礎肥力和結構較差以及次生鹽漬化嚴重，水稻產量徘徊和肥料利用率低是水稻生產中的主要問題。研究表明，稻田添加外源生物炭具有提高水稻產量、養分利用效率和增加土壤氮素持留的效果。通常情況下水稻產量隨生物炭實用量的增加而增加[10-11]，但有時也存在高量生物炭添加反而不如低量生物炭添加增產效果明顯的現象[12]。劉玉學研究表明，秸稈生物炭對水稻增產效果顯著，不施氮肥情況下，1%秸稈生物炭能夠使水稻增產19.9%，施氮情況下增產11.2%[13]。張千豐等通過盆栽試驗研究表明，在 1 kg 干土中添加20 g生物炭情況下，水稻產量增加最多，相比對照產量提高33.21%，且顯著增加水稻粒數和千粒質量[14]。

生物炭對氮肥具有良好的吸附、固持作用，配合施用能起到相互促進的效果[15]。Knowles等研究表明，在粉沙壤土中施入生物炭可以減少硝態氮(NO3--N)淋失[11]；Novak等研究了沙壤土中氮素淋失與生物炭之間的關系[9]。Glaser等研究發現，生物炭與肥料配合施用能夠明顯提高肥料利用率，二者間的互補或協同作用可減少氮素養分的損失，延長養分的釋放期，同時化肥可以彌補生物炭養分不足的缺陷[12]。Bruun等研究認為，可能是因為生物炭的施入提高了土壤中有機碳含量，生物炭與肥料的協同作用從而引起土壤C/N的升高，進一步提高了土壤對營養元素的吸持容量，促進了農作物對氮的吸收[16]。生物炭能夠提高氮肥利用率，可能與其表面豐富的官能團和巨大的比表面積使其自身具有吸附大量養分離子的能力有關[17]，再通過土壤陽離子交換量的提高，進一步提升了交換吸附更多養分的能力，起到對養分的吸附和緩慢釋放的積極作用，從而達到促進水稻營養生長，提高水稻氮肥利用率的作用[18-19]。

提高產量是南疆水稻種植領域研究的熱點，前期研究工作主要圍繞高產品種選育和水肥管理開展，通過施用外源生物炭對水稻產量和氮肥利用率的研究少有報道。本試驗將外源棉稈生物炭添加到稻田中，旨在研究南疆水稻生產中肥料利用率較低的現象，為南疆水稻高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于新疆生產建設兵團農一師2團，該區屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫40.6 ℃，極端最低氣溫-21.6 ℃。該區太陽輻射年均0.56～0.61 MJ/cm2，年均日照2 556～2 992 h，日照率為58.7%，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發強烈，年均降水量40～82 mm，年均蒸發量 1 877～2 559 mm。供試土壤類型為水稻土，耕層(20 cm)土壤養分含量為：有機質含量8.64 g/kg，全氮含量0.91 g/kg，速效氮含量 52.31 mg/kg，速效磷含量14.87 mg/kg，速效鉀含量 101.6 mg/kg，全鹽含量4.17 mg/kg，土壤肥力狀況偏下。供試生物炭為棉稈用裂解爐在450 ℃條件下炭化2 h制備，理化性狀為：pH值9.03，有機碳含量590 g/kg，全氮含量 29.36 g/kg，全磷含量10.44 g/kg，全鉀含量18.46 g/kg，堿解氮含量21.38 g/kg。

1.2 試驗設計

田間小區試驗共設6個處理，對照處理不施氮肥和生物質炭，生物質炭處理設置5個水平，各處理化學肥料和生物質炭用量見表1。對照處理只施用磷鉀肥，常規施肥處理(不施炭)氮肥用量為根據當地農技推廣部門推薦的水稻用量 240 kg/hm2，氮肥的60%在整地時作為基肥施入，20%分蘗期施入，另20%拔節期施入。全部磷肥和鉀肥均在整地時作為基肥一次性施入，P2O5用量為105 kg/hm2，K2O用量為 75 kg/hm2，全部生物質炭整地時隨基肥一次施入。

表1 試驗設計

田間小區試驗于2016年4—10月進行，水稻品種為新稻36號，條播，行距為20 cm，試驗小區面積為5 m×10 m=50 m2，2016年4月15號播種，播種量為180 kg/hm2，重復3次，隨機區組排列。各小區之間用地膜隔離，地面田埂包高30 cm，地下隔離埋深50 cm，防止水分和養分在小區間側滲和串流，各小區均設單獨的灌水口和排水口，單灌單排，其他管理同大田常規管理。

1.3 樣品采集

水稻收獲時按1 m2小區采集樣品，樣品中秸稈和籽粒分開進行考種和養分含量測定，在烘箱內將樣品于70 ℃下殺青 20 min，105 ℃烘干至恒質量，計算生物量，整個小區實打實收計算產量。水稻收獲后按照20 cm等距離層次采集100 cm深度的土壤，計算土體中礦質氮累積和氮素平衡特征。

1.4 樣品測定及數據處理

環刀法測定土壤樣品容重，凱氏定氮法測定植株樣品全氮含量，擴散皿法測定速效氮含量，鉬藍比色法測定速效磷含量，火焰光度法測定速效鉀含量，硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定水樣總氮含量，FTURA流動注射分析儀測定硝態氮和銨態氮含量[20]。采用Excel和SAS 8.0軟件分析處理數據，Duncan’s新復極差法檢驗方差分析。

2 結果與分析

2.1 棉稈生物炭對南疆地區水稻產量及構成因素的影響

由表2可知，與對照處理(CK)比較，施用氮肥和添加棉稈生物炭均顯著提高了水稻籽粒產量，施肥處理產量提高 3 416～4 197 kg/hm2，增產率為81.41%～100.02%，可見氮肥施用是保障水稻產量的基礎。與C0處理相比，除添加生物炭4 500 kg/hm2(C1處理)水稻產量增加不顯著外，其余添加生物炭處理均顯著提高了水稻產量，其中以添加生物炭 13 500 kg/hm2(C3處理)水稻產量最高，比C0處理增產 781 kg/hm2，相應的增產幅度為 10.26%。當生物炭用量超過 13 500 kg/hm2時，水稻產量增產效果不明顯。在南疆水稻種植區，添加生物炭在9 000～13 500 kg/hm2對水稻有增產效果。

表2 添加生物質炭對水稻產量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表4同。

由表3可知，各處理間相比，CK處理因為沒有氮肥投入，營養生長較弱，株高、穗長、穗粒數和有效穗數指標均低于其他處理，只有千粒質量高于其他處理，這是因為水稻不施氮肥而營養不足，提前進入生殖生長。各施氮處理間相比，添加生物炭可以提高水稻的穗粒數和有效穗數，對于株高和千粒質量影響不大。與C0處理相比，C3處理的穗粒數和有效穗數分別提高 8.57%、4.70%，原因可能是添加生物炭以后水稻根系活力增強，加上生物炭對養分的吸附作用提高了后期的養分供應能力，減少了水稻空妣率，提高了水稻穗粒數和有效穗數，使水稻籽粒產量提高成為可能。

2.2 棉稈生物炭對南疆地區氮肥利用率的影響

由表4可知，與CK處理相比，施用氮肥可明顯促進水稻對氮肥的吸收，添加棉稈生物炭可明顯影響水稻的吸氮量和氮肥利用率，且隨著生物炭用量增加逐漸提高。與C0處理相比，C2、C3、C4處理的氮肥利用率分別提高4.96、5.75、5.91百分點，表明棉稈生物炭的施入可顯著提高水稻的氮肥利用率，但C2、C3、C4處理間氮肥利用率差異未達到顯著水平。生物炭能夠提高氮肥利用率，可能與其表面豐富的官能團和巨大的比表面積使其自身具有吸附大量養分離子的能力有關，再通過土壤陽離子交換量的提高，進一步提升了交換吸附更多養分的能力，起到對養分的吸附和緩慢釋放的積極作用，從而達到促進水稻營養生長、提高水稻氮肥利用率的作用。

表3 添加生物質炭對水稻產量構成因素的影響

表4 施用生物質炭對水稻氮素吸收及氮肥利用率的影響

2.3 棉稈生物炭對稻田土體中礦質氮累積和氮平衡特征的影響

稻田由于頻繁灌水導致土體中的礦質氮向下淋洗，向下淋洗的礦質氮脫離了水稻根系吸收區域，不僅造成了養分損失，降低氮肥利用率，而且進入淺層地下水的養分還會對水環境造成威脅[21]。從圖1可見，CK處理沒有施用氮肥，水稻整個生育期結束后，0～100 cm土層內的硝態氮和銨態氮累積量均明顯低于其他處理。C0處理硝態氮累積量出現了向下淋洗的趨勢，在40～60 cm深度土層范圍內，硝態氮累積量高于其他處理。各施用生物炭處理提高了0～40 cm土層內硝態氮累積量，減少了硝態氮向40～60 cm深度土層的淋洗。0～40 土層深度硝態氮容易被水稻吸收利用，通常將20、40 cm 深度硝態氮累積量之和作為評價土壤供氮能力指標[21]。C0處理0～40 cm深度土層硝態氮量為 36.68 kg/hm2，C1、C2、C3、C4處理0～40 cm深度土層硝態氮量分別為41.78、42.98、44.10、45.58 kg/hm2，說明施用生物炭明顯提高了耕層土壤中硝態氮含量，是因為生物炭本身帶有正電荷，對負電荷的硝態氮吸附能力較強，降低了硝態氮向深層土體的淋洗[22]。各施肥處理間銨態氮在土體中累積量差異不大。

3 討論與結論

研究結果表明，同等施氮處理間比較，棉稈生物炭施用量達到9 000 kg/hm2以上時，水稻產量顯著提高，以添加棉稈生物炭13 500 kg/hm2處理產量最高，增產幅度為10.26%。施用棉稈生物炭對南疆水稻千粒質量影響不顯著，添加生物炭C3處理水稻的穗粒數和有效穗分別提高8.57%、4.70%，原因是添加生物炭以后水稻根系活力增強，加上生物炭對養分的吸附作用提高了后期的養分供應能力，減少了水稻空妣率，提高了水稻穗粒數和有效穗數，為水稻籽粒產量提高奠定了基礎。

研究結果顯示，添加生物炭處理氮肥利用率增幅在 4.96～5.91百分點，除C1處理外，其他添加生物炭量處理間氮肥利用率差異未達到顯著水平。水稻收獲后通過對土體中礦質氮進行測定，顯示施用生物炭明顯提高了耕層土壤中硝態氮含量，但對銨態氮的持留效果則不明顯，這是因為生物炭本身帶有正電荷，對負電荷的硝態氮吸附能力較強，降低了硝態氮向深層土壤進一步淋洗的可能。說明生物炭能夠增強氮的固定，減少硝態氮淋失。生物炭施入稻田以后，土壤的理化性質以及微生物活動產生變化，與稻田小氣候共同作用影響作物產量，但相互作用機制尚不清楚，此外，養分吸收及轉化對生物炭施用的響應不同，還與生物炭的種類、添加量、土壤性質等多種因素相關[23]。