生物炭基肥對水稻土理化性質、作物產量及化肥減量的影響

金惠芳，孔國夫，厲方楨，聞秀娟，肖炳虎，孫葉芳，*，章海波

(1.紹興市柯橋區柯巖街道事業綜合服務中心，浙江 紹興 312452；2.紹興市柯橋區柯巖路南糧油專業合作社，浙江 紹興 312030；3.紹興市農業科學研究院，浙江 紹興 312003；4.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300)

由于長期的化肥施用，我國水田土壤出現酸化、有機質減少及養分失衡等退化問題，極大地降低了土壤生產力，制約著水稻增產，危及糧食安全[1]。因此，在改善水田土壤理化性質的同時提高水稻產量，已成為農田土壤-水稻系統面臨的現實問題。

生物質炭因多孔、表面積巨大的特性，能夠吸附固持土壤主要營養元素，減少養分流失而備受土壤學者青睞[2-4]。炭基肥作為一種以生物質炭為載體的新型肥料，在保證土壤養分平衡供給的同時，兼具生物炭的元素吸附和緩釋特性，在煙草[3，5-6]、果樹、蔬菜[7-8]等農業生產領域廣泛使用[9-10]。目前，農業研究所用的生物炭原料多為農田廢棄物，包括秸稈炭、果殼炭及木質炭[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，木質炭則以竹炭[15]為主。受不同原料來源生物炭緩釋效果的影響，所開發炭基肥的應用效果也存在明顯差異。對南方地區而言，水稻秸稈[16]是極具性價比的生物炭來源，對相應炭基肥的開發及施用，能使農業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，實現土壤培肥[17]。紹興市每年產生的水稻秸稈總量近80 t，如果將秸稈直接還田，病原微生物等進入環境，對生態環境造成嚴重威脅，因此，以水稻秸稈為原料的炭基肥開發刻不容緩。

然而，目前常用的無機炭基肥以添加大量元素為主，對中微量元素的考慮較少，有機炭基肥雖然含有一定量的中微量元素，但釋放比較緩慢，與植物生長并不匹配。因此，將生物炭與有機質、無機養分科學配伍，研究開發針對田塊尺度養分失衡的炭基肥，有利于實現農田土壤養分的“因缺補缺”，為農田土壤的培育及優質水稻的生產提供系統性的技術支持，也為化肥減量提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實驗地位于浙江省紹興市，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.2 ℃，年均降雨量1 335.9 mm，年均蒸發量1 260.7 mm，年均相對濕度75.1%。土壤質地為黏土，屬紹興青紫泥。按常規標準法取樣，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60目(0.25 mm)篩。復合肥為配方肥(N 20%，P2O510%，K2O 15%)，尿素(N 46%)，硫酸鉀(K2O 60%)，有機肥氮磷鉀總養分含量為5%。試驗水稻品種為嘉禾香1號。

1.2 試驗設計

試驗地塊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，有機質含量為2.3%，有效態硫含量為12.53 mg·kg-1，有效態硅含量為371.2 mg·kg-1，有效態鈣含量為129.6 mg·kg-1，有效態鎂含量為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，重金屬元素含量沒有超過風險值，因此，本試驗在配制炭基肥時考慮添加鈣鎂磷肥、硅肥和硫酸鎂等，以補充磷、鈣、鎂、硅等元素。

試驗設5個處理，分別為不添加基肥(CK)、生物炭與復合肥配施(IBF)、生物炭與有機肥配施(OBF)、生物炭與復合肥及有機肥配施(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分量168 kg·hm-2施入，其中生物炭用量為總質量的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田中。于播前將各生物炭、炭基肥與土壤耕層混合，本試驗設3個重復，隨機區組排列。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，檢測各處理對土壤pH值和土壤有機質、氮、磷、鉀、中量元素含量的影響。

1.3 樣品預處理及分析

土壤樣品經風干、磨細、過100目(0.15 mm)尼龍篩，參照《土壤農業化學分析方法》測定基本理化性質。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2010進行處理，為3次重復的平均值；采用SPSS 21.0進行單因素方差分析，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 對土壤pH值和有機質含量的影響

圖1顯示，4個處理較對照土壤pH值和有機質含量均提高。其中，pH值增加0.13～0.30，生物炭處理對土壤酸堿度影響最大；生物炭與有機肥配施對土壤有機質含量提升效果最明顯。

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

2.2 對土壤氮磷鉀含量的影響

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

圖2 不同處理對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 對土壤中量元素的影響

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

圖3 不同處理對土壤有效態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 對水稻產量的影響

炭基肥的施入對水稻產量有明顯提高。從表1可以看出，炭基肥用作基肥后，水稻理論產量提高。有機無機炭基肥施入后，水稻單穗最重，每穗實粒數也最多，結實率也最高，相應的理論產量也最高，達到9 915.0 kg·hm-2，其次為無機炭基肥處理，理論產量居第2位，生物炭處理理論產量增加最少。

表1 炭基肥對水稻產量的影響Table 1 Effect of carbon-based fertilizer on rice yield

2.5 對化肥施用量的影響

將農民習慣施肥[18]與炭基肥施用對比后可以看出(表2)，炭基肥處理減少了化肥使用量。其中，習慣施肥的總量為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，無磷肥施入。

表2 炭基肥施用與習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 炭基肥對水田土壤養分含量的影響

生物炭基肥能有效提高水田土壤的營養元素[19]。炭基肥中的生物炭通過絡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]。生物炭中的磷可經礦化作用，形成羥基磷灰石和磷酸鈣等含磷礦物，通過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，有機無機炭基肥對提升氮素(全氮和堿解氮)和鉀素(全鉀和速效鉀)的效果最顯著。而有機炭基肥對磷素(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，其中有機無機炭基肥的總體效果最理想，這既符合生物炭的自身特性，也與其他學者得出的田間試驗結果基本一致[22，25]。此外，本研究也對中量元素在炭基肥中的添加效果做了比較。相較于有機炭基肥，無機炭基肥對土壤交換性鈣、交換性鎂、有效硅和有效硫的提升效果更理想，這可能受有機質的礦化和相關酶的活動影響。

3.2 炭基肥對水稻產量的提升效果

單位面積的有效穗、實粒數、千粒重和結實率是水稻產量的主要構成因素，它們相互影響又相互制約[26]。理論產量主要受產量構成因素的影響，然而主導因素并不固定，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，都會導致產量構成因素的變化。影響水稻產量的同時，水稻各生育期內氮、磷、鉀等營養元素的及時、平衡供給也決定了最終的產量[27-29]。本研究中，炭基肥通過改變土壤養分、提高水稻結實率及穗實粒數決定產量。其中，有機無機炭基肥的施用，能同時提高單穗重、穗實粒數和結實率，因此理論產量最高。此外，有機無機炭基肥的施用，既能通過無機肥在短期內快速滿足作物的養分需求，又能借有機肥為水稻各生育期提供持續的養分供給。因此，有機無機炭基肥是提高水稻產量的理想選擇。

3.3 炭基肥配施與化肥減量的關系

炭基肥對水稻系統的影響不僅作用在土壤質量和水稻產量2個方面，對化肥的減量也備受關注[24，30]。因此，本研究統計了在田塊尺度上的炭基肥和化肥的實際用量，以量化研究化肥減量所帶來的實際效果。根據統計結果，相較于習慣施肥，炭基肥的施用有效減少了化肥的施用量。從化肥的減量結構上看，炭基肥能不同程度地減少氮、磷和鉀肥。其中，有機肥的施入推動了土壤中磷素的釋放[31-33]，使磷素肥在不影響產量的同時實現零施入。本研究中，雖然有機炭基肥無復合肥添加，在化肥減量中的效果最佳，有機無機炭基肥次之。但具體的炭基肥選擇和施用仍需從作物需求和實際生產層面出發，不能一味追求化肥的減量效果。