稻稈炭還田對紅壤雙季稻田土壤碳氮磷鉀生態化學計量學特征及其綜合肥力的影響

周佳慧 張昆 謝志堅，* 王斌強

（1江西農業大學國土資源與環境學院，江西 南昌 330045；2江西省紅壤及種質資源研究所，江西 南昌 331717）

紅壤是我國南方地區重要的農業土壤資源，據統計，紅壤區耕地僅占全國耕地面積的27.8%，卻生產了全國42.7%的糧食和3/4的水稻，養育了全國2/5的人口［1］。因此，合理利用紅壤資源對保障我國糧食安全具有重要作用。水稻為我國65%以上人口的主糧作物，常年種植面積約3 000萬公頃［2］，而雙季稻種植是保障我國糧食安全的重要種植制度。目前，南方雙季稻種植面積與產量均占全國水稻種植面積與總產量的40%左右［3］。然而，在每年產出大量糧食的同時，不合理秸稈還田、耕作、施肥方式導致的農田氮素利用率低、土壤質量下降等問題日趨嚴重，已成為農業可持續發展中亟待解決的重要難題。以秸稈炭化還田為核心的生物炭技術是恢復土壤質量的治本之策，對我國發展綠色低碳的集約化農業和實現“雙碳”目標有積極作用。

生物炭是將秸稈等農林廢棄物在低氧環境下經過亞高溫裂解炭化而成的高碳物質［4］，由于其具有比表面積大、孔隙豐富等特性，在改良土壤肥力和提高土壤質量等方面優勢突出，已成為農業研究熱點之一［5］。目前，國內外普遍采用較高劑量生物炭一次性還田模式。如鄒瑞晗等［6］研究不同用量生物炭（15～60 t·hm-2）施用對耕層土壤團聚體及碳含量的調控效應時發現，土壤有機碳和微生物量碳含量隨生物炭用量的增加先增加后減少。Mahmoud等［7］研究發現，添加19 t·hm-2玉米秸稈生物炭可以顯著改善土壤肥力。然而，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］，同時生物炭的生產成本過高，使得高量生物炭的應用并不能達到資源循環利用和可持續發展的目標［9］。

因此，本研究采用一種新型可持續的低劑量生物炭還田模式，即采用與全年等量水稻秸稈產生量的炭化還田模式，探究稻稈炭還田對雙季稻田土壤生態化學計量學特征及其綜合肥力的影響，旨在為合理利用我國南方紅壤雙季稻區稻稈資源和提升稻田土壤質量提供科學依據與實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為第四紀紅色黏土發育而來的潴育性水稻土，質地為粘壤，基礎理化性質如下：土壤pH值5.23、有機質含量33.2 g·kg-1、全氮1.51 g·kg-1、堿解氮176.9 mg·kg-1、有效磷31.6 mg·kg-1、速效鉀75.7 mg·kg-1。供試生物炭為水稻秸稈在亞高溫（約500 ℃）缺氧條件下炭化制備獲得，其基礎性狀如下：pH值10.5、比表面積39.91 m2·g-1、孔徑50.2 nm、有機碳750 g·kg-1、全氮14 g·kg-1。供試早稻為湘早秈45，晚稻為泰優871，由江西省紅壤與種質資源研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗始于2021年，在江西省紅壤與種質資源研究所內雙季稻田進行。該區域屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.0～17.7 ℃，年降雨量1 600～1 700 mm，年均相對濕度78.5%。

設置4個處理：不施氮肥和生物炭（CK）、單施生物炭（B）、100%氮肥（N100）、100%氮肥+生物炭（N100B），每個小區面積約20 m2（6 m×3.33 m），每個處理3次重復，隨機排列。

供試早、晚稻100%化肥用量分別為：N量150 kg·hm-2、P2O5量75 kg·hm-2、K2O量120 kg·hm-2；N量180 kg·hm-2、P2O5量75 kg·hm-2、K2O量150 kg·hm-2。供試化學氮、磷和鉀肥分別為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。所有處理的磷、鉀肥用量相同，磷肥全部作為基肥施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用，鉀肥按基肥∶穗肥=7∶3施用。基肥于水稻移栽前1 d施用，分蘗肥在水稻移栽后5～7 d施用，穗肥在主莖幼穗長1～2 cm時施用。生物炭按4 t·hm-2于早稻季作為基肥一次性施用。早稻按行距×株距=30 cm×15 cm移栽，每穴3～4株秧苗；晚稻所有施肥處理施肥量、類型和方法均相同，按行距×株距=24 cm×22 cm移栽，每穴2～3株秧苗。

1.3 土壤樣品的采集與測定

分別在晚稻齊穗期與成熟期，按“S”路線采集0～20 cm土層土壤樣品不少于300 g，裝入塑封袋并密封帶回實驗室，一部分放置冰箱-4 ℃保存；一部分風干過篩備用。

采用S210 酸度計（梅特勒-托利多國際貿易上海有限公司）測定土壤pH值；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；采用半微量開氏法測定全氮含量；采用2 mol·L-1KCl浸提-流動分析法測定硝態氮和銨態氮含量；采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定有效磷含量；運用NaOH熔融—火焰光度法測定全鉀含量；運用NH4OAc浸提—火焰光度法測定速效鉀含量［10］。采用氯仿熏蒸法測定土壤微生物生物量碳氮含量［11］。

1.4 土壤綜合肥力的計算

本研究選取土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀7項指標作為參評指標綜合反映土壤肥力狀況，采用內梅羅指數法計算土壤綜合肥力指數（integratedfertilityindex，IFI）。根據全國土壤第二次普查標準對土壤進行分級（表1），分別計算各評價指標的分肥力系數（IFIi），采用修正后的內梅羅指數法計算土壤綜合肥力［12］。

表1 土壤各屬性的分級標準值Table 1 Grading standards of soil properties

分肥力系數IFIi計算公式如下：

式中，IFIi為分肥力系數；X為測定值；Xa、Xc和Xp值參照表1。

采用修正后的內梅羅（Nemoro）公式計算土壤綜合肥力指數：

式中，IFI為土壤綜合肥力指數；IFIi平均為各分肥力系數均值；IFIi最小為各分肥力系數最小值；n為評價指標的個數。IFI值介于0～3之間，數值越大表示土壤的綜合肥力越高。

1.5 數據處理與統計分析

用SPSS 2.0統計軟件進行數據統計分析，不同處理間進行ANOVA方差分析和主成分分析，各處理平均數比較采用最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）（P＜0.05）；分別使用Origin 2018和MS Excel 2018繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

由圖1可知，施用生物炭可提升稻田土壤pH值。與CK相比，B和N100B處理齊穗期土壤pH值分別提高0.06和0.19個單位，成熟期土壤pH值分別提高0.03和0.12個單位；而與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤pH值分別提高0.09和0.07個單位。

圖1 施用生物炭對晚稻齊穗期與成熟期土壤pH值的影響Fig.1 Effect of biochar on soil pH value at full heading and maturity stages of late rice

2.2 土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量

2.2.1 土壤有機質含量 由圖2可知，施用生物炭增加了稻田土壤有機質含量。與CK相比，B和N100B齊穗期土壤有機質含量分別增加3.12%（P＞0.05）和20.57%（P＜0.05），成熟期土壤有機質含量分別增加3.65%（P＞0.05）和9.64%（P＜0.05）。與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤有機質含量分別增加6.80%和3.45%。

圖2 施用生物炭對晚稻齊穗期與成熟期土壤有機質含量的影響Fig.2 Effect of biochar on soil organic matter content at full heading and maturity stages of late rice

2.2.2 土壤全氮含量 由表2可知，施用生物炭整體增加了稻田土壤全氮含量。與CK相比，B和N100B齊穗期土壤全氮含量分別增加了2.81%（P＞0.05）和11.80%（P＜0.05），成熟期土壤全氮含量分別增加了3.35%（P＞0.05）和9.50%（P＜0.05）；與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤全氮含量分別增加了6.42%和0.51%。

2.2.3 土壤全磷和全鉀含量 施用生物炭處理稻田土壤全磷與全鉀含量較CK整體無顯著差異（P＞0.05）。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤全磷和全鉀含量分別降低5.55%、1.85%和4.50%、2.54%；與N100相比，N100B主要降低了齊穗期土壤全磷和全鉀含量，分別降低1.85%和0.30%。

2.3 土壤氮、磷、鉀養分有效性

2.3.1 土壤無機氮含量 由表3可知，施用生物炭增加了稻田土壤中無機氮含量。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤硝態氮與銨態氮含量分別增加56.10%、95.12%（P＜0.05）與3.82%（P＞0.05）、52.94%（P＜0.05），成熟期土壤硝態氮與銨態氮含量分別增加78.79%、88.89%（P＜0.05）與1.20%、24.84%（P＞0.05）。與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤硝態氮含量分別增加3.90%和6.25%（P＞0.05），銨態氮含量分別增加19.50%（P＜0.05）和23.57%（P＞0.05）。

表3 施用生物炭對晚稻齊穗期與成熟期土壤氮、磷、鉀養分有效性的影響Table 3 Effects of biochar on available N，P，K in paddy soil at full heading and maturity stages of late rice /（mg·kg-1）

2.3.2 土壤有效磷含量 施用生物炭處理較CK降低了稻田土壤有效磷含量，但處理間差異不顯著（P＞0.05，表3）。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤有效磷含量分別降低0.64%、10.84%，成熟期土壤有效磷含量分別降低6.79%、4.72%。與N100相比，N100B齊穗期土壤有效磷含量降低10.98%，而成熟期土壤有效磷含量增加10.04%。

2.3.3 土壤速效鉀含量 施用生物炭對稻田土壤速效鉀含量的影響因氮肥不同而異（表3）。與CK相比，B處理齊穗期與成熟期土壤速效鉀含量分別增加30.37%（P＜0.05）與20.57%（P＞0.05），而N100B齊穗期與成熟期土壤速效鉀含量分別減少18.31%與27.06%。與N100相比，N100B齊穗期土壤速效鉀含量降低7.18%，成熟期土壤速效鉀含量增加5.30%。

2.4 土壤微生物生物量碳氮含量

由圖3可知，施用生物炭顯著增加稻田土壤微生物生物量碳和氮含量（P＜0.05）。與CK相比，B、N100B齊穗期與成熟期土壤微生物生物量碳含量分別顯著增加60.08%、154.31%與100.28%、140.89%，土壤微生物生物量氮含量分別顯著增加39.89%、191.43%與29.61%、104.68%。與N100相比，N100B齊穗期與成熟期土壤微生物生物量碳分別顯著增加76.92%與44.86%，土壤微生物生物量氮含量分別顯著增加16.52%與44.98%。

圖3 施用生物炭對齊穗期與成熟期稻田土壤微生物生物量碳氮含量的影響Fig.3 Effect of biochar on microbial biomasses of C and N in paddy soil at full heading and maturity stages of late rice

2.5 土壤生態化學計量特征

由表4可知，添加生物炭提高了土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學計量比。與CK相比，B處理齊穗期與成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學計量比分別提高了2.35%、0.87%、7.95%、11.18%、11.76%與0.21%、7.08%、7.23%、6.73%、5.88%。與N100相比，N100B處理齊穗期與成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學計量比分別提高了0.65%、0.95%、3.45%、4.42%、5.26%與3.11%、3.24%、2.22%、2.82%、5.56%。

表4 施用生物炭對晚稻齊穗期與成熟期土壤C、N、P、K化學計量特征的影響Table 4 Effects of biochar on the stoichiometric characteristics of C，N，P，K in soil at full heading and maturity stages of late rice

2.6 土壤綜合肥力指數

由表5可知，不同處理齊穗期和成熟期的土壤綜合肥力指數（IFI）分別表現為B＞N100B＞N100＞CK和B＞N100B＞CK＞N100。與CK相比，B處理齊穗期和成熟期IFI值分別提高了5.83%和9.17%；與N100相比，N100B處理下的IFI值在齊穗期與成熟期分別增加了0.81%與5.13%。

表5 施用生物炭對晚稻齊穗期與成熟期土壤綜合肥力指數的影響Table 5 Effect of biochar on comprehensive fertility index of soil at full heading and maturity stages of late rice

2.7 Pearson相關性分析結果

由表6可知，土壤全氮與有機質含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤有機質含量與SMBN含量、C/N、C/P、C/K、N/K呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05或P＜0.01）；全氮含量與SMBC、SMBN含量、C/P、C/K、N/K呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05或P＜0.01）；全磷含量與C/P、N/P呈極顯著負相關（P＜0.01），與P/K、IFI呈顯著正相關（P＜0.05）；全鉀含量與C/K、N/K、P/K呈顯著或極顯著負相關（P＜0.05或P＜0.01）；SMBC含量分別與SMBN含量、N/K呈極顯著和顯著正相關（P＜0.05或P＜0.01）；SMBN含量與C/P、C/K呈顯著正相關（P＜0.05）。

表6 晚稻齊穗期與成熟期全C、N、P、K含量及其生態化學計量學特征與土壤綜合肥力間的相關性（n=15）Table 6 Correlation efficiencies between the total C，N，P，K contents and ecological stoichiometry and the integrated fertility of soil at full heading and maturity stages of late rice（n=15）

3 討論

3.1 生物炭對土壤養分特征的影響

土壤有機質和全氮等養分含量直接影響其肥力質量和作物生長發育狀況，是保障糧食生產的重要物質基礎［13］。研究表明，生物炭還田會造成土壤有機碳分解的負激發效應，調節微生物碳利用效率，進而促進土壤碳的積累和固存，對提高土壤有機質含量有積極作用［14-15］。本研究結果同樣表明，施加生物炭可以提升土壤有機質含量，其原因可能是生物炭在裂解過程中氧化不完全而產生一部分小分子有機碳，施入土壤后直接增加總有機碳的含量，同時生物炭表面含有高度濃縮的芳香環結構，也使非活性炭的性質更加穩定，不易礦化分解［16-17］。

生物炭本身豐富的礦質養分可以起到補充土壤養分的作用［18］。諸多研究表明，生物炭能增加土壤中氮的吸持能力，并提高氮素有效性［19-20］。付夢雪等［21］研究表明，土壤全氮主要來源于動植物殘體形成的有機質，因此全氮含量會隨土壤有機質含量的增加而增加。謝志堅等［22］發現，減氮配施炭基肥顯著提高了水稻地上部氮素利用率。本研究發現，添加生物炭可提高土壤全氮、硝態氮和銨態氮含量（表1、2）。這可能是由生物炭發達的孔隙結構及其表面豐富的官能團的吸附（收）等效果所致［23］，從而減少土壤氮素的淋失等損失［24］。與氮不同，在本研究條件下，生物炭對土壤中磷含量的影響不顯著（表3），這與萬海濤等［25］的研究結果一致。總之，生物炭不僅可以影響土壤氮素等養分轉化與遷移［26］，而且隨著其自身有效養分輸入及其疏松多孔結構還可以提高土壤養分有效性［27］。

土壤微生物參與土壤的代謝過程，是土壤中最活躍的部分。土壤微生物生物量碳氮在土壤中的占比雖小，卻能在很大程度上反映土壤的有效養分狀況和生物活性，是評價土壤肥力及土壤微生物數量和活性的重要指標［28］。本研究中，施加生物炭增加了土壤微生物生物量碳氮含量（圖3），與張星等［29］的研究結果一致。這可能是由于添加生物炭后增加了土壤有機質含量，為微生物生存與活動提供了充足的碳源物質進而提升其活性，并促進微生物對土壤碳氮等養分的利用［30］。

3.2 生物炭對土壤C、N、P、K生態化學計量學特征的影響

生態化學計量學既可反映生態環境中各元素間的動態平衡、循環及其相互作用關系，又可為農田土壤培肥和維持其生產力提供理論指導［31］。本研究表明，添加生物炭較對照提高了土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K等生態化學計量比，而P/K較對照無明顯變化（表4）。Kuzyakov等［32］認為，添加生物炭降低了土壤有機碳的礦化速率，從而對提高土壤C/N產生一定積極影響。土壤C/P是評價土壤磷釋放能力的重要指標［33］，當C/P較低時，土壤有機磷會出現凈礦化［34］。研究證明，當N/P＜10時，作物生產力受到N的限制［35］。因此，添加生物炭可增加土壤中有機質和全氮含量，但對全磷的影響不顯著（圖2、表3），進而提高土壤C/P與N/P。土壤C/K、N/K的變化趨勢主要受碳素與氮素的影響，生物炭的添加使土壤有機碳、氮素養分的積累大于土壤鉀，即土壤C、N的改善大于土壤K［36］。

3.3 生物炭對土壤綜合肥力的影響

土壤綜合肥力可用來衡量土壤能夠提供作物生長所需的各種養分的能力［37］。魏永霞等［38］發現，黑土土壤綜合肥力水平隨生物炭的添加而提高，這是由于添加生物炭吸附并固定了土壤有效養分，明顯提高土壤肥力。本研究同樣表明，添加生物炭有效改善了土壤有機質和氮等養分含量狀況，進而提高土壤綜合肥力指數，且添加化肥配施生物炭的效果優于單施化肥。因此，水稻秸稈炭化還田技術不僅可有效提升南方紅壤稻區土壤肥力，還可實現農作物秸稈資源合理利用。

4 結論

單獨施用稻稈生物炭或配施化肥不僅能增加土壤pH值、有機質、全氮、無機氮及微生物生物量碳氮含量，還能提升土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學計量比，繼而提升土壤綜合肥力指數（IFI）。因此，稻稈生物炭還田可改善紅壤區雙季稻田土壤肥力，有助于合理高效利用南方紅壤雙季稻區稻稈資源。