秸稈直接還田與炭化還田對熱帶土壤-水稻系統氨揮發的影響

林智文，張 鵬，吳天昊，單 穎，鄒剛華，趙鳳亮，*，鄭桂萍

(1.黑龍江八一農墾大學 農學院，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶農業科學院 環境與植物保護研究所，海南 海口 571101；3.貴州大學 精細化工研究開發中心，貴州 貴陽 550025)

水稻是全球近半數人口的主要糧食作物。我國是世界最大的水稻生產國，總產量位居世界第一[1]。同時，我國也是世界氮肥第一大消費國，約占世界氮肥總使用量的30%[2]。然而，水稻生產過程中氮肥的當季利用率只有30%～41%[3]。大量的氮素損失引發土壤酸化、水體富營養化等諸多環境問題[4]，其中，氨揮發是氮素損失的主要途徑，約90%的氨揮發損失直接進入大氣。

目前，我國農業秸稈的主要利用方式為直接還田[5]。秸稈還田雖有利于補充土壤養分[6]，但也會增加稻田的氨揮發[7-8]。由秸稈制備而成的生物炭具有穩定性強、比表面積大、吸附性強等優點，被視作減少氨揮發損失的潛在工具[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揮發降低12.3%[12]。然而，Dong等[13]對稻麥輪作系統開展連續5 a的觀測，發現增施新鮮生物炭加速了氨的揮發。此外，溫度和光照對氨揮發排放也具有促進作用[14]。熱帶地區溫度高、光照強，面臨的土壤氨揮發損失風險也較其他地區更大。

目前，關于熱帶地區土壤氨揮發的研究還較為有限[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-水稻系統氨揮發排放通量和累積排放量的潛在影響及其與土壤、田面水化學性質的關系，旨在為減少熱帶稻田的氨揮發提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

室內盆栽試驗于2021年5—11月在位于海南省海口市的中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所試驗溫室進行。當地屬熱帶季風氣候，年平均氣溫24.3 ℃。

供試水稻品種為珍優9822(粵審稻2015054)，生育期120 d。

試驗所用土壤系玄武巖發育而成的水稻土。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。

水稻秸稈風干后剪碎至2 cm段備用，取部分經研磨、粉碎后測定其養分含量：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的質量分數為46%，上海化工研究院有限公司)、過磷酸鈣(P2O5的質量分數為12%，廣東湛化集團有限公司)、氯化鉀(K2O的質量分數為60%，廣州天禾農資股份有限公司)。

1.2 試驗設計

采用溫室土柱試驗，土柱高度為50 cm，直徑為25 cm。試驗共設置6個處理：0N，不施氮肥；CF，常規施肥處理；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。每個處理均設置3個重復。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)，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)，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《土壤農化分析》[17]中的方法測定。

采用通氣室法收集揮發的氨氣。采集裝置由內徑24 cm、高度50 cm的有機玻璃制成，頂部有進氣孔和采氣孔，另配內徑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1周采樣，直到數值穩定后停止采樣。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。計算每天的氨揮發排放通量(取平均值)。氨累積揮發量為觀測期間的排放量之和。

1.4 數據分析

氨揮發排放通量(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軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關性分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan法進行多重比較。采用Origin 2019b軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 對田面水、土壤理化性質的影響

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，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。總體而言，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變化

2.2 稻田氨揮發的排放特征

各處理的稻田氨揮發主要集中在施肥后，在施肥后2～3 d達到峰值而后逐漸降低，約2周后趨于平穩(圖5)。施入分蘗肥后，各處理的氨揮發排放通量迅速上升，并在第2天達到峰值(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排放通量的動態變化

在分蘗期，各處理的氨累積揮發量以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處理的氨累積揮發量分別降低了31.65%、32.42%。在穗分化期，各處理的氨累積揮發量以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量

在水稻整個生育期內，各時期相比，分蘗期的氨累積揮發量最大。受此影響，各處理在水稻整個生育期的氨累積揮發量與分蘗期的表現相似，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。

2.3 氨揮發排放與環境因子的相關性

表2 氨揮發排放通量與環境因子的相關性

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-水稻系統氨揮發的影響。結果表明：秸稈炭化還田配施氮肥有利于土壤pH升高，對氨揮發具有較好的抑制作用，氨揮發累積排放量比常規施肥處理降低了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，秸稈有機質分解后可以產生有機酸，導致土壤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]。施用堿性生物炭產生了一定的“石灰效應”，從而導致土壤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。