節水灌溉下生物炭對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

（綏化學院農業與水利工程學院 黑龍江綏化 152000）

水稻是我國主要糧食作物，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和環境污染[2]。因此，有效利用秸稈是資源、環境和農業可持續發展的亟需解決的問題。秸稈富含有機質、N、P、K等礦物質營養元素，直接還田可以改善土壤的結構和理化性質。同時可以防止氮素流失，提高土壤肥力，有助于水稻實現高產[3]。盡管秸稈還田帶來許多潛在的好處，但它增加了有機碳的礦化，使土壤有機碳庫減少[4]。特別是與南方相比，東北地區冬季低溫條件下秸稈分解較慢。因此，在寒冷的東北地區肥沃的土壤中，進行大規模秸稈還田難以實現。

生物炭施用作為一種新型的碳管理技術，能夠降低易礦化有機質中碳的礦化速率，快速恢復土壤有機碳。與秸稈還田相比更有利于土壤固碳[5]，因而其在農業領域的應用研究日益受到關注，并逐漸成為一種農業保肥增產的新途徑[6]。將生物炭還田可以迅速提高土壤碳儲量、氮含量和土壤肥力。生物炭在固碳方面具有巨大的、穩定的、長期的潛力。目前，由于區域氣候因素和土壤性質的差異，生物炭對不同地區土壤氮素轉化、養分保持、作物生長等方面的影響還不清楚。因此，生物炭在農業中的應用目前仍存在爭議[7，8]。

隨著熱解炭化技術的進步和秸稈生物炭產業化進程的加快，深入研究和合理利用秸稈生物炭，對于農業高效、環保、可持續發展具有重要意義。目前，生物炭添加主要在我國南方進行[9]。由于氣候寒冷，土壤肥沃，對生物炭在東北稻田的應用研究較少。如何量化生物炭對東北地區土壤固碳的影響是十分重要的。本研究旨在探討節水灌溉模式下生物炭添加對土壤碳氮含量、氮肥利用效率和水稻產量的影響。研究結果可為秸稈生物炭在寒地黑土區稻田的應用提供理論依據和技術支撐。

一、材料與方法

（一）試驗區概況。試驗時間為2018年5月19日—9月30日，在黑龍江省慶安縣和平灌區水稻灌溉試驗站進行。試驗站(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。該地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候，第三積溫帶，全年無霜期128d左右，多年平均降水量500～600mm，平均氣溫為2℃～3℃，平均日照時數為2600h，為黑龍江省典型的水稻生產區。

（二）試驗材料。水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農業開發有限公司生產，在450℃高溫無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，含碳質量分數42.72%。供試土壤為黑土，土壤理化性質：pH值6.40，有機質質量比41.80g/kg，全氮質量比1.51g/kg，全磷質量比15.61g/kg，全鉀質量比19.86g/kg，堿解氮質量比148.27mg/kg，速效磷質量比24.22mg/kg，速效鉀質量比156.13mg/kg。供試水稻品種為研究區大面積推廣種植的綏粳18，插秧密度為25穴/m2。

（三）試驗設計。本試驗主要研究控制灌溉(Control irrigation)模式(見表2)，秸稈生物炭施用量設置4個水平分別為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4個處理，每個處理3次重復，考慮不同組合布置12個小區，方形小區面積16m2，采用隨機區組排列。將生物質炭在泡田之前于土壤表層以下10cm(耕作層中部)施入；按當地施肥標準施純氮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質量分數46.4%)、過磷酸鈣(含P2O5質量分數12%)、硫酸鉀(含K2O質量分數52%)，并換算成實際化肥施入量。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）樣品的采集與測定。土壤有機碳含量：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，標記后放置于冷藏保溫箱內，帶回實驗室立即冷凍。試驗時將土樣風干后剔除草根，用粉碎機粉碎并過篩(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碳，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量，計算有機碳的含量。

土壤活性有機碳含量：采用高錳酸鉀(KMnO4)氧化法。稱取含碳量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稀釋清液，最后進行分光光度計(565nm)比色，利用高錳酸鉀(KMnO4)消耗量求出活性有機碳含量。

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

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

土壤有機碳密度(SOCD)是指單位面積土壤在一定深度下的碳儲量，計算方法如下：

式中：SOC—土壤有機碳含量，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量，計算方法如下：

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。

數據分析和處理采用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、結果與分析

（一）生物炭對土壤碳庫的影響。由表2可知，添加2.5t/hm2、12.5t/hm2和25t/hm2秸稈生物炭會顯著影響0～20cm土壤有機碳(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%。碳庫管理指數(CPMI)是反映土壤碳庫的重要指標，對評價土壤有機質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管理指數差異顯著(P<0.05)，分別提高87.45%和69.74%，添加過量的生物炭會使土壤碳庫管理指數減小。

表2 不同處理的土壤碳庫管理指數

（二）生物炭對土壤有機碳密度的影響。由圖1（注：圖中同一生育期不同小寫字母表示數據在P＜0.05水平差異顯著，下同。）可知，各處理0～20cm土壤有機碳密度在4.41～6.84kg/m2范圍內變化。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)，大小關系為C12.5＞C25＞C0＞C2.5，產生這種現象的主要原因可能是由于在土壤有機質含量較高的黑土區，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，土壤有機碳含量對增加土壤有機碳密度的影響更大；添加2.5t/hm2的秸稈生物炭對土壤有機碳含量增加有限，土壤容重降幅較大。水稻拔節期各處理0～20cm土壤有機碳密度均降低，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土壤有機碳密度均為全生育期最低，土壤有機碳密度大小關系為C25＞C12.5＞C2.5＞C0。水稻灌漿期和成熟期各處理0～20cm土壤有機碳密度增加，C12.5和C25處理與C0處理之間0～20cm土壤有機碳密度差異性顯著(P<0.05)，而C2.5處理與C0處理之間無顯著差異(P＞0.05)。

圖1 不同生育期各處理土壤有機碳密度的變化

（三）生物炭對土壤氮密度的影響。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)，大小關系為C2.5＞C0＞C12.5＞C25，產生這種現象可能是添加秸稈生物炭使土壤容重顯著降低(P<0.05)，但對土壤全氮的含量增加有限。水稻拔節期各處理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，土壤氮密度大小關系為C25＞C12.5＞C0＞C2.5，各處理之間無顯著差異(P＞0.05)。水稻成熟期各處理0～20cm土壤氮密度進一步增加，土壤氮密度大小關系為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，順序為C25＞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)。控制灌溉模式下，水碳聯合調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，順序為 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)，減少土壤氮素損失量。

圖4 不同處理的土壤氮持留量

三、結語

（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土壤碳庫管理指數(P<0.05)，而添加過量（25t/hm2）的生物炭會使土壤碳庫管理指數減小。

（二）各處理0～20cm土壤有機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)，減少土壤氮素損失量。