生物炭配施化肥對稻田土壤有機碳礦化的影響

摘 要：

本研究通過大田試驗結合室內培養試驗和堿液吸收法，研究低量和高量生物炭配施化肥對稻田土壤有機碳（SOC）及其礦化的影響。試驗共設置4 個處理：不施氮肥（PK）、常規化肥（NPK）、低量生物炭4.0 t/hm2+常規化肥（NPK+LB）、高量生物炭12.0 t/hm2+常規化肥（NPK+HB），采用大區對比試驗。結果表明：與NPK處理相比，NPK+LB和NPK+HB處理的SOC含量分別增加了9.07%和15.77%。各處理SOC礦化速率在第1天達到最大值，第6～24天緩慢下降，第24～45天趨于平緩。培養結束（第45天）時，各處理SOC累積礦化量在1.47～2.52 g/kg之間。與NPK處理相比，NPK+LB和NPK+HB處理的SOC累積礦化率分別下降了22.23%和14.15%。在本試驗條件下，在安順地區稻田低量生物炭（4.0 t/hm2）配施化肥可明顯提高SOC含量，降低SOC累積礦化率，增強土壤固碳減排能力。

關鍵詞：

生物炭；稻田；土壤有機碳礦化；固碳減排

中圖分類號：S153.6

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2024）05－0053－05

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2024.05.008

土壤有機碳（Soil Organic Carbon ，SOC）對土壤健康、肥力和生產力有利，特別是對土壤功能和質量至關重要。土壤有機碳在微生物的作用下降解為二氧化碳（CO2）并釋放大量養分元素的過程稱之為有機碳礦化或土壤呼吸［1］，其對于農田生態系統碳循環至關重要［2］，同時也影響著全球氣候變化，大氣中CO2約5%～20%來源于土壤呼吸［3］。水稻是全球的主要糧食作物之一，在不增加肥料投入的情況下，提高水稻產量對可持續農業實踐至關重要。

秸稈是農業生產中的固體廢棄物，年均產量約為8.55×108 t，秸稈中蘊含著作物1/2光合作用產物［4］，如何合理利用巨大的秸稈資源成為一大難題。秸稈炭化還田是近年來的熱門研究方向，秸稈生物炭是在缺氧條件下對秸稈進行高溫熱解而得到的高碳產品，具有豐富的多孔結構、高吸附能力和高比表面積等優點［5］，將其用于稻田土壤改良，能夠保持土壤水分、提高土壤肥力和改善土壤團粒結構［6］，有助于實現稻田固碳減排和水稻增產的目標。

研究表明生物炭還田有助于提高土壤有機碳含量，郭琴波等［7］和史登林等［8］研究發現，與單施化肥相比，生物炭還田能夠顯著增加稻田土壤有機碳含量，并且隨還田量的增加而增加。目前為止，生物炭對土壤有機碳礦化的激發效應仍然存在爭議，湯奧涵等［9］的礦化培養研究發現，施入生物炭后土壤呼吸作用增強，正激發效應顯著。也有研究表明生物炭還田會抑制土壤有機碳礦化，在生物炭的作用下轉變為穩定性更高的有機碳，起到固碳減排的作用［10］。本研究通過開展大田試驗結合室內培養試驗，研究低量和高量水稻秸稈生物炭配施化肥對稻田土壤有機碳及其礦化的影響，為秸稈資源化利用和稻田土壤固碳培肥提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于貴州省安順市西秀區雞場鄉聯興村后山（東經106°5′58″，北緯26°7′10″），屬亞熱帶季風濕潤型氣候，年均降雨量968～1309 mm，年平均氣溫13.2～15.0 ℃，海拔1204 m。供試土壤為黃壤性水稻土，其pH為5.19，有機質35.16 g/kg，堿解氮177.03 mg/kg，速效磷9.14 mg/kg，速效鉀96.09 mg/kg。

1.2 試驗設計和試驗材料

本試驗共設置4個處理，依次為不施氮肥（PK）、常規化肥（NPK）、低量生物炭配施常規化肥（NPK+LB）、高量生物炭配施常規化肥（NPK+HB），各處理生物炭和化肥施用量見表1。各處理采用大區對比試驗，大區面積為72 m2（4 m×18 m）。種植模式為單季稻。水稻于2021年6月移栽，株距和行距分別為20 cm和30 cm，在插秧之前一次性施入全部的生物炭和磷肥以及50%的氮肥和50%的鉀肥，剩余50%氮肥按3∶2的比例分別于分蘗期和抽穗期進行追施，剩余50%鉀肥于抽穗期作追肥全部施用，其他田間管理與當地水田管理保持一致。

供試水稻品種為‘錦城優雅禾’（‘錦城2A’ב雅禾’），全生育期152 d。供試水稻秸稈生物炭（B）由南京勤豐眾成生物質新材料有限公司生產，炭化溫度450 ℃，pH=8.65，有機碳667.22 g/kg，全氮5.99 g/kg，全磷1.99 g/kg和全鉀27.15 g/kg。供試化肥為含N 46.2%的尿素、含P2O5 16%的過磷酸鈣、含K2O 60%的氯化鉀。

1.3 土壤樣品采集和測定

在水稻收獲后，將各處理的大區等分為3個采樣小區作為3次重復，每個采樣小區面積24 m2，采用“五點取樣”法采集表層（0～20 cm）土壤樣品，剔除可見根系和植物殘體，混勻分2份，一份風干后，過0.15 mm的篩子，用于土壤有機碳含量的測定，另外一份過2 mm篩后存放在4 ℃的冰箱中，用于土壤有機碳礦化培養試驗。采用K2Cr2O7—H2SO4外加熱法［11］測定SOC含量。

土壤有機碳礦化培養采用堿液吸收法：每個土壤樣品設置3個培養瓶作為平行，同時設6個不加土壤樣品的培養瓶作為對照，共42個培養瓶。稱取30.0 g過2 mm篩的鮮土（保存于4 ℃冰箱）于50 mL燒杯中，用去離子水調節至田間持水量的35%左右，置于1000 mL培養瓶底部，加蓋密封，在25℃、濕度為45%的恒溫箱中黑暗環境下預培養7 d。預培養結束后將盛有1 mol/L的10 mL NaOH溶液吸收杯放置于培養瓶底部，分別于培養的第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45天時，調節礦化培養系統含水量并更換堿液吸收杯（0.1 mol/L NaOH溶液10 mL），向堿性吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL和 2～3滴酚酞指示劑，最后用0.1 mol/L的 HCl溶液（用無水Na2CO3溶液標定）滴定直至紫紅色消失為止。

1.4 相關參數計算

土壤有機碳礦化量（mg/kg）=c（HCl）×（V0-V1）×22/0.03

式中：c（HCl）表示鹽酸濃度，mol/L；V0為空白滴定的體積，mL；V1為消耗鹽酸的體積，mL；

土壤有機碳礦化速率（mg/kg/d）=培養時間段內有機碳礦化量/培養時間（d）

土壤有機碳累積礦化量（g/kg）=從培養開始到結束土壤釋放的CO2量的總和

土壤有機碳累積礦化率（%）=有機碳累積礦化量/土壤有機碳含量

1.5 數據分析

采用SPSS 26.0和 Excel 2010軟件對數據進行處理、分析和繪圖。處理之間的差異使用最小顯著性差異（Duncan’s法）方法進行顯著性分析（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物炭配施化肥對稻田土壤有機碳的影響

由圖1可知， 不同處理SOC含量大小排序為NPK+HB（20.61 g/kg）、NPK+LB（19.42 g/kg）、NPK（17.80 g/kg）、PK（17.21 g/kg）。與PK處理相比，NPK、NPK+LB和NPK+HB處理的SOC含量分別提高了3.43%、12.81%和19.74%，PK、NPK+LB和NPK+HB處理間達顯著水平（P＜0.05），PK和NPK處理間無顯著差異。與NPK處理相448dd6a585a4a5d8d45267b3900482b1比，NPK+LB和NPK+HB處理的SOC含量分別顯著提高了9.07%和15.77%（P＜0.05）。總體來看，高量生物炭配施化肥對水稻土有機碳含量提升效果最佳。

2.2 生物炭配施化肥對稻田土壤有機碳礦化的影響

2.2.1 土壤有機碳礦化速率

不同處理土壤有機碳礦化速率見圖2，依據土壤有機碳礦化速率大小將土壤有機碳的礦化劃分為3個階段：前期（1～6 d），有機碳礦化速率從第1天的最大值（86.91～123.39 mg/kg·d）快速下降，第6天的礦化速率是第1天的37.38%～73.63%；中期（6～24 d），有機碳礦化速率緩慢下降，第24天的礦化速率是第6天的46.53%～84.14%；后期（24～45 d），有機碳礦化速率趨于平穩，第45天的礦化速率為第24天的49.73%～73.13%。整個培養周期，土壤有機碳礦化速率由高至低為NPK+HB、NPK、NPK+LB、PK，培養期內土壤有機碳礦化速率的變化符合對數函數關系y=a+k ln（t）（P＜0.01）（表2），表明培養時間每變化1%個單位，土壤有機碳礦化速率將變化k%的絕對值。

2.2.2 土壤有機碳累積礦化量

土壤有機碳累積礦化量是指礦化培養期間某一時段內土壤釋放的CO2總量。由圖3-a可知，各處理土壤有機碳累積礦化量隨培養時間的增加呈上升趨勢，釋放曲線斜率隨培養時間延長逐漸變小，表明土壤有機碳礦化強度在逐漸變弱。培養期間，NPK+HB和NPK處理的有機碳礦化強度相近，大小關系表現為NPK+HB=NPK＞NPK+LB＞PK。由圖3-b可知，培養45 d后，各處理土壤有機碳累積礦化量在1.47～2.52 g/kg之間，與PK處理相比，NPK、NPK+LB和 NPK+HB處理的有機碳累積礦化量分別顯著增加了70.06%、45.09%和71.07%（P＜0.05）；與NPK+LB處理相比，NPK和NPK+HB處理的有機碳累積礦化量分別顯著增加了17.21%和17.91%（P＜0.05），NPK和NPK+HB處理未達到顯著水平。

2.2.3 土壤有機碳累積礦化率

土壤有機碳累積礦化率是指土壤有機碳累積礦化量占土壤總有機碳的百分比，其值越小土壤固碳能力越強。如圖4所示，各處理土壤有機碳累積礦化率在8.62%～14.16%之間。礦化培養45 d后，NPK、NPK+LB 和NPK+HB處理較PK處理的土壤有機碳累積礦化率均上升，分別顯著上升了64.21%、27.70%和 40.98%（P＜0.05）；與NPK處理相比，NPK+LB 和NPK+HB處理的土壤有機碳累積礦化率分別顯著下降了22.23%和14.15%（P＜0.05）；NPK+LB處理的土壤有機碳累積礦化率比NPK+HB處理低9.42%，且NPK+LB 和NPK+HB處理間達顯著水平。說明低量生物炭配施化肥的的固碳效果優于高量生物炭配施化肥。

3 討論與結論

研究結果表明，與常規化肥處理相比，低量和高量生物炭配施化肥均提高了土壤有機碳含量，以高量生物炭配施化肥的提升效果更好。各處理土壤有機碳礦化速率在第1天達到最大值，第6～24天緩慢下降，第24～45天趨于平緩。與常規化肥處理相比，低量和高量生物炭配施化肥處理的土壤有機碳累積礦化率分別下降了22.23%和14.15%。生物炭配施化肥抑制了土壤有機碳的礦化，以低量生物炭（4.0 t/hm2）效果最好。

在農田生態系統中，氣候、土壤類型、種植模式和耕作管理方式等因素通過影響外源碳的輸入和土壤有機碳的礦化分解，從而影響土壤有機碳的含量高低。適當的農業管理措施，如保護性耕作、施用有機肥和秸稈還田，都有助于提高土壤有機碳含量。本研究結果表明，生物炭配施化肥顯著提高了土壤有機碳含量，且提高幅度與生物炭還田量正相關，這與郭琴波等［12］的研究結果相似。這可能是因為生物炭還田增加了難降解的烷基碳的相對含量，減少了易降解的烷氧基和羰基碳的相對含量，從而提高了土壤有機碳的穩定性［13］。生物炭對土壤有機碳礦化的強度受培養條件、培養周期、生物炭特性和土壤類型及其交互效應的影響［14-15］。

土壤有機碳的礦化是指微生物將土壤有機碳分解轉化為無機碳的過程，間接影響著農業生態系統中的養分循環和二氧化碳溫室氣體的排放。本研究中，所有處理土壤有機碳的礦化速率均呈下降趨勢，這與前人［16-17］的研究結果一致，這是因為經過預培養后在培養初期的土壤中存在較多易氧化有機碳和大量糖類及蛋白質，為土壤微生物提供豐富碳源和養分，使微生物活性增強，隨著培養時間延長，營養源降低，微生物活性減弱，礦化速率降低并趨于穩定［18-19］。本研究中，與常規化肥處理相比，高低量生物炭配施化肥處理的土壤有機碳累積礦化率均顯著降低，且低量生物炭配施化肥下降幅度較大，這是因為生物炭帶來大量穩定的芳香碳，因其穩定的化學結構，不易被微生物分解利用［20］。同時生物炭發達的孔隙結構能夠大量吸附土壤中原有有機碳，抑制了微生物對土壤原有有機碳的分解利用［21］。

本試驗條件下，在安順地區稻田低量生物炭（4.0 t/hm2）配施化肥可明顯提高SOC含量，抑制SOC礦化，增強土壤固碳減排能力。推薦低量生物炭（4.0 t/hm2）配施化肥作為該區稻田土壤固碳培肥的較優選擇。

（責任編輯：段麗麗 嚴秀芳 胡吉鳳 于慧梅）

參 考 文 獻：

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Effects of Biochar Combined with Chemical Fertilizers on Soil Organic Carbon Mineralization in Paddy Fields

Lu Qingtao1， Yang Hongwei1，Wang Xiaoli1*， Duan Jianjun2， Mei Tingting1

（1.College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China; 2.College of Tobacco， Guizhou University/Key Laboratory of Tobacco Quality Research， Guizhou Province， Guiyang 550025， Guizhou， China）

Abstract：

In this study， the effects of low and high amounts of biochar combined with fertilizer on soil organic carbon （SOC） and its mineralization were studied through field experiment， laboratory culture experiment and alkali absorption method. Four treatments were set up in the field： PK （no nitrogen fertilizer application）， NPK （conventional fertilizer）， NPK+LB （low biomass biochar 4.0 t/hm2+conventional fertilizer）， NPK+HB （high biomass biochar 12.0 t/hm2+conventional fertilizer） through large-scale comparative experiments without duplication. The results showed that the SOC contents of NPK+LB and NPK+HB treatments increased by 9.07% and 15.77%， respectively， compared with NPK treatment. The SOC mineralization rate of each treatment reaches its maximum value on day 1， drops slowly in day 6～24 d， and tends to be flat in day 24～45 d. At the end of culture （45 d）， the SOC accumulated mineralization of each treatment ranged from 1.47 to 2.52 g/kg. Compared with NPK treatment， the SOC cumulative mineralization rates of NPK+LB and NPK+HB treatments decreased by 22.23% and 14.15%， respectively. Under the experimental conditions， the application of low biochar （4.0 t/hm2） combined with chemical fertilizer in paddy fields in Anshun area can significantly increase SOC content， reduce SOC cumulative mineralization rate， and enhance soil carbon fixation and emission reduction capacity.

Keywords：

biochar; paddy field; soil organic carbon mineralization; carbon sequestration and emission reduction