張 璐，董 達(dá)，2，平 帆，徐興坤，易倩倩，孫 雪，吳偉祥*

（1.浙江大學(xué)環(huán)境污染防治研究所，杭州 310058；2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 311300）

中國(guó)是世界上水稻種植面積最廣的國(guó)家，每年產(chǎn)生的水稻秸稈量高達(dá)2億多t[1]。水稻秸稈富含氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，被認(rèn)為是一種豐富的可再生資源[2]。農(nóng)業(yè)部推廣的秸稈直接還田雖能促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、減少化肥施用、提升農(nóng)作物產(chǎn)量[3]，然而也會(huì)促進(jìn)稻田溫室氣體甲烷的大量排放，長(zhǎng)期還田還會(huì)導(dǎo)致稻田病蟲害以及僵苗等現(xiàn)象發(fā)生[4-5]。

生物質(zhì)炭（Biochar）是生物質(zhì)在缺氧條件下低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的高度芳香化物質(zhì)，具有高pH、高碳含量與較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力、較大的比表面積和豐富的營(yíng)養(yǎng)元素含量等優(yōu)良特性，目前越來(lái)越多地被應(yīng)用于土壤改良和作物增產(chǎn)[6-7]。研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈生物質(zhì)炭化還田具有提高水稻產(chǎn)量、提升土壤碳庫(kù)儲(chǔ)備以及減少稻田溫室氣體排放等作用，是替代秸稈直接還田的理想措施[8-16]。然而關(guān)于水稻秸稈生物質(zhì)炭化還田對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響研究基本采用一次性、高劑量（高于等劑量，等劑量=秸稈產(chǎn)量×炭化得率）的還田模式[8-11]，未曾有單季稻作制下，連續(xù)的等量水稻秸稈炭化還田對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響研究。而且，在一次性高劑量還田模式下，水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量的提高會(huì)隨著還田時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱[8-10]。此外，受水稻生長(zhǎng)季節(jié)性、單位面積秸稈產(chǎn)量和秸稈生物質(zhì)炭化得率等因素的限制，生產(chǎn)實(shí)踐過程中稻田不可能普遍實(shí)施基于秸稈資源異位轉(zhuǎn)移方式的高劑量炭化還田模式。因此，若在稻田生態(tài)系統(tǒng)中采用逐年全量秸稈生物質(zhì)炭化還田模式，即逐年將產(chǎn)生的水稻秸稈生物質(zhì)全量炭化后原位還田，既能實(shí)現(xiàn)秸稈資源的完全利用，又能不斷向稻田補(bǔ)充生物質(zhì)炭，維持其營(yíng)養(yǎng)水平，理論上將比一次性高劑量還田模式更有應(yīng)用前景。

為探究逐年全量秸稈生物質(zhì)炭化還田模式在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)稻田增產(chǎn)和土壤改良的持續(xù)效應(yīng)，本文擬選擇浙江省北部一處多年種植單季稻的中產(chǎn)稻田進(jìn)行4年的定位試驗(yàn)，每年定期測(cè)定水稻株高和籽粒產(chǎn)量及土壤pH、CEC、TC、TN、有效態(tài)P、K、Ca、Mg等營(yíng)養(yǎng)元素含量，并在此基礎(chǔ)上探究秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響機(jī)理，旨在為我國(guó)開發(fā)和應(yīng)用秸稈炭化還田技術(shù)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況和實(shí)驗(yàn)材料

選擇浙江省杭州市余杭區(qū)（30°22′N，119°51′E）一處多年種植單季稻的水田作為試驗(yàn)田，根據(jù)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的分類，試驗(yàn)田土種是泥質(zhì)田，以黏壤土為主。氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫17.2℃，年均降雨量1490 mm。本實(shí)驗(yàn)所采用的生物質(zhì)炭是以水稻秸稈為原料，切碎至粒徑5 mm后經(jīng)自制的自燃內(nèi)熱式炭化爐在450～500℃下高溫裂解2 h制成。實(shí)驗(yàn)采用的土壤、水稻秸稈和秸稈生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)期為2013年7月至2016年11月，采用水稻單季的種植方式，每年水稻7月初移栽，11月底收獲。共設(shè)三個(gè)處理：CK：對(duì)照（無(wú)任何水稻秸稈和生物質(zhì)炭還田）；RS：水稻秸稈全量還田（8 t·hm-2）；RSB：全量秸稈生物質(zhì)炭化還田[2.8 t·hm-2水稻秸稈生物質(zhì)炭=8 t·hm-2水稻秸稈×0.35（炭化爐炭化得率）]。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)區(qū)塊，共計(jì)9個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊的面積是：4 m×5 m=20 m2。在每年耕種前對(duì)各區(qū)塊修建田埂，并用薄膜包被，防止串水。切碎后的秸稈（5 mm）和秸稈生物質(zhì)炭在每年水稻移栽前分別施入耕作層（15 cm），常規(guī)翻土混勻后淹水。水稻品種為粳稻秀水134（Oryza sativa L），采用秧苗移栽的方式，控制每個(gè)區(qū)塊秧苗數(shù)量一致。稻田采用前期淹水，后期澇干的常規(guī)管理方式。各處理按照傳統(tǒng)施肥方法施加等量化肥，分別是氮肥（以純N計(jì)）270 kg·hm-2，磷肥（以P2O5計(jì)）75 kg·hm-2，鉀肥（以K2O計(jì)）90 kg·hm-2。其中氮肥類型為尿素，以基肥、分蘗肥和穗肥按照4∶3∶3的比例輸入。磷肥和鉀肥為過磷酸鈣和氯化鉀，以基肥的形式一次性施入。

1.3 試驗(yàn)樣品的采集、處理及指標(biāo)測(cè)定

在2013—2016年期間，每年收獲期測(cè)定水稻株高和籽粒產(chǎn)量。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取6株水稻測(cè)量株高，實(shí)測(cè)每個(gè)小區(qū)內(nèi)所有水稻植株的籽粒產(chǎn)量并換算成每公頃產(chǎn)量。

表1 供試土壤、水稻秸稈和秸稈生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)Table 1 Properties of soil，rice straw and rice straw-derived biochar in the study

同時(shí)，采集根際土壤，自然條件下風(fēng)干后過2 mm篩，裝入塑封袋用于pH、CEC及有效態(tài)P、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Al和Mn（以下簡(jiǎn)稱M3-P、K等）等營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定。其中，采用pH電位計(jì)（Seven Compact，MET?TLER TOLEDO，Switzerland）測(cè)定土壤pH（土∶水質(zhì)量體積比為1∶2.5）；土壤和秸稈生物質(zhì)炭的CEC采用氯化鋇平衡法測(cè)得，有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素采用Mehlich3提取液提取，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）儀和鉬銻抗比色法測(cè)定[17]，具體測(cè)量方法參照文獻(xiàn)[8]。

此外，將風(fēng)干土磨細(xì)過100目篩后采用元素分析儀（FlashEA1112，ThermoFinnigan，Italy）測(cè)定TC、TN含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2013預(yù)處理后用SPSS 20.0單因素方差分析（One-way ANOVA）中的最小顯著性差異法（LSD）分析進(jìn)行處理間各項(xiàng)指標(biāo)的顯著性差異檢驗(yàn)，P＜0.05視為統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著性差異。運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)水稻四年平均產(chǎn)量、pH、CEC和土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水稻株高和籽粒產(chǎn)量的影響

從表2可看出，與CK相比，RSB和RS均能促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高（P＜0.05），其中RSB第一年增產(chǎn)7.6%，第二年增產(chǎn)10.6%，第三、第四年分別增產(chǎn)14.5%和9.7%，平均每年增產(chǎn)10.7%。RS第1～4年分別增產(chǎn)5.2%、10.5%、15.5%、7.0%，平均每年增產(chǎn)9.6%。除了2015年，其他年份RSB對(duì)株高和產(chǎn)量的增幅均大于RS。

2.2 對(duì)稻田土壤pH和CEC的影響

土壤pH和CEC是重要的土壤化學(xué)指標(biāo)，pH可以影響土壤養(yǎng)分元素的形態(tài)，CEC可以評(píng)價(jià)土壤保肥能力。與CK相比，RSB和RS對(duì)pH平均每年增加0.13和0.04個(gè)單位，對(duì)CEC平均增加0.14、0.07 cmol·kg-1（表3）。由于添加量小，土壤酸性強(qiáng)，緩沖作用大，RSB對(duì)土壤pH的影響并不顯著。

2.3 對(duì)稻田土壤TC和TN的影響

2013—2016年，RSB和RS均能持續(xù)提高稻田土壤TC含量（圖1），其中RSB第1～4年的增幅分別為6.91%、15.23%、12.69%、27.89%，RS第1～4年的增幅分別為10.68%、10.84%、12.28%、15.18%。4年內(nèi)，RSB和RS對(duì)土壤TC含量的年均增量分別為3.05 g·kg-1和2.50 g·kg-1，年均增幅分別為15.77%和11.81%。而在試驗(yàn)持續(xù)第4年，RSB的土壤TC含量從第一年的22.51 g·kg-1提升到了 27.78 g·kg-1，已顯著高于CK與RS（P＜0.05），因此從4年的綜合效應(yīng)來(lái)看，RSB的累積作用比RS更明顯。

同樣，RSB和RS也能持續(xù)提高稻田土壤TN含量（圖1），4年內(nèi)RSB和RS對(duì)土壤TN含量的年均增量分別為 0.13 g·kg-1和 0.24 g·kg-1，年均增幅分別為5.12%和9.24%，小于土壤TC的增幅。此外，從4年的綜合效應(yīng)來(lái)看，RSB和RS可以實(shí)現(xiàn)土壤TN的顯著累積（P＜0.05），第4年RSB與RS與CK相比分別增加了8.56%和12.58%。

2.4 對(duì)稻田土壤有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

P、K、Ca、Mg、Zn、Fe和Mn是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，但是土壤Fe和Mn元素過量會(huì)對(duì)水稻產(chǎn)生毒害作用，而Al是酸性土壤中抑制植物生長(zhǎng)的主要因素之一。因此，土壤速效養(yǎng)分的豐缺程度與水稻產(chǎn)量息息相關(guān)。

由圖2可知，與CK相比，RSB和RS均能持續(xù)提高土壤M3-P、K、Mg、Ca含量，RSB和RS對(duì)M3-P、K、Mg、Ca平均增幅分別為40.0%、37.0%、5.6%、3.7%和48.1%、31.2%、4.4%、2.4%。但是，RSB和RS對(duì)某些土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響程度存在差異。比如，在試驗(yàn)第4年，RSB的M3-K、Ca含量顯著高于RS（P＜0.05）。

表2 全量秸稈炭化還田對(duì)水稻株高和籽粒產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of biochar application on rice height and grain yield

表3 全量秸稈炭化還田對(duì)土壤pH和CEC的影響Table 3 Effects of biochar application on soil pH and CEC

圖1 全量秸稈炭化還田對(duì)稻田土壤TC和TN的影響Figure 1 Effects of biochar addition on the paddy soil TC and TN contents

此外，與CK相比，RSB能夠顯著降低土壤M3-Al、Fe、Mn含量（P＜0.05）。RSB在試驗(yàn)第3年顯著降低了M3-Al含量（P＜0.05），在試驗(yàn)第2年顯著降低了M3-Fe、Mn含量（P＜0.05）。與RS相比，RSB在試驗(yàn)第1年顯著降低了M3-Al含量（P＜0.05）。

3 討論

3.1 全量秸稈炭化還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響及其機(jī)理

4年田間試驗(yàn)表明，RSB能明顯提高土壤TC、TN（圖1）、有效態(tài)P、K、Ca、Mg含量（圖2）。秸稈生物質(zhì)炭還田對(duì)土壤養(yǎng)分的提高作用，可能有以下兩方面的原因：一是秸稈生物質(zhì)炭直接輸入導(dǎo)致其攜帶的養(yǎng)分進(jìn)入土壤，二是秸稈生物質(zhì)炭本身促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的累積。為考察秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響機(jī)理，假設(shè)試驗(yàn)土壤容重為1.0 g·cm-3[18-20]，耕層土厚度為15 cm。按照全量秸稈生物質(zhì)炭還田量2.8 t·hm-2可估算出RSB每年向土壤中添加的TC、TN分別為1.00 g·kg-1和0.02 g·kg-1，添加的M3-P、K、Mg、Ca分別為2.24、6.16、2.99 mg·kg-1和6.16 mg·kg-1。由圖1和圖2可知，RSB對(duì)土壤TC、TN的增量分別為3.05 g·kg-1和0.13 g·kg-1，對(duì)M3-P、K、Ca、Mg的增量分別為 4.66、21.61、10.29、36.80 mg·kg-1。秸稈生物質(zhì)炭自身攜帶的TC、TN和速效P、K、Ca、Mg對(duì)土壤養(yǎng)分的增加貢獻(xiàn)率分別為 30.3%、15.3%、48.07%、28.50%、29.06%、16.74%，均不足50%。這表明，土壤養(yǎng)分的提高更大程度上是由于秸稈生物質(zhì)炭間接增強(qiáng)了土壤碳氮元素及速效養(yǎng)分的累積。

目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤有機(jī)碳形成負(fù)激發(fā)效應(yīng)[21-25]。其機(jī)理可能為：（1）生物質(zhì)炭與黏土礦物結(jié)合，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，減緩有機(jī)質(zhì)的分解[21-23]；（2）生物質(zhì)炭改變微生物群落結(jié)構(gòu)，使微生物碳代謝效率降低[23-25]。此外，4年的定位試驗(yàn)表明秸稈生物質(zhì)炭添加能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)（表2），因此推測(cè)水稻根系向土壤分泌的“新碳”增多。考慮到本試驗(yàn)中土壤M3-Al、Fe含量豐富（圖2），這些“新碳”會(huì)受到土壤團(tuán)聚體的保護(hù)形成鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)而穩(wěn)定下來(lái)[26]。值得注意的是，RS雖然同樣能夠促進(jìn)土壤TC的累積，但是累積效果卻不如RSB。這可能是因?yàn)?，秸稈中大分子有機(jī)物在土壤中易腐解成小分子有機(jī)物，進(jìn)而被微生物降解轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，排放到大氣中。但是，秸稈生物質(zhì)炭的碳以穩(wěn)定的芳環(huán)結(jié)構(gòu)存在[27]，不易礦化。

圖2 全量秸稈炭化還田對(duì)稻田土壤M3-P、K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn和Zn的影響Figure 2 Effects of biochar addition on the paddy soil M3-P，K，Ca，Mg，Al，F(xiàn)e，Mn and Zn contents

同時(shí)，一些文獻(xiàn)表明，生物質(zhì)炭主要是通過提高土壤對(duì)銨氮的吸附能力[28]，減少稻田氧化亞氮排放[29]和氨揮發(fā)[30]，增加土壤固氮微生物種類和數(shù)量[31]來(lái)促進(jìn)土壤氮素的固定。

關(guān)于生物質(zhì)炭本身提高土壤速效養(yǎng)分P、K、Ca、Mg含量的機(jī)理可能是：（1）秸稈生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)以及大量帶負(fù)電荷的-COOH、-COH、-OH等含氧官能團(tuán)，能吸附土壤營(yíng)養(yǎng)元素、提高土壤持水性，從而減少養(yǎng)分流失[32]；（2）添加生物質(zhì)炭影響了土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的循環(huán)過程，促進(jìn)土壤有效態(tài)P、K的生成[33]；（3）添加生物質(zhì)炭能提高土壤pH（表3），有研究表明隨著土壤pH的升高，有效態(tài)P、K含量增加[34]。不同于秸稈生物質(zhì)炭還田，秸稈直接還田對(duì)土壤速效養(yǎng)分的提高與秸稈腐解有關(guān)。秸稈腐解一方面釋放攜帶的營(yíng)養(yǎng)元素，另一方面生成小分子有機(jī)物質(zhì)與土壤礦物反應(yīng)，促進(jìn)土壤本身養(yǎng)分的釋放[35]。

此外，從圖2可知，秸稈生物質(zhì)炭添加可以降低土壤M3-Al、Fe、Mn含量，這可能與土壤pH及TC含量升高有關(guān)。從表2可知，RSB對(duì)土壤pH提高的平均幅度為0.13個(gè)單位。土壤pH升高使有效態(tài)Al、Fe、Mn形態(tài)發(fā)生變化，變成難溶性的氫氧化物或氧化物沉淀[36-38]。同時(shí)，有文獻(xiàn)表明生物質(zhì)炭會(huì)促進(jìn)土壤生成大量胡敏酸[39]。胡敏酸的分子量大，聚合度高，與鋁鐵錳絡(luò)合成鹽類，使鋁鐵錳活性降低[40]。

3.2 水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的內(nèi)在聯(lián)系

進(jìn)一步將水稻籽粒4年平均產(chǎn)量和pH、CEC及其他養(yǎng)分含量的4年平均值做相關(guān)性分析（圖3）。Pear?son相關(guān)系數(shù)表明水稻產(chǎn)量和土壤TC、M3-K、Mg含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），和TN、M3-Al含量分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。有文獻(xiàn)指出，土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）分別與土壤TC、TN呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[41]，RSB和RS能明顯提高土壤TC、TN含量（圖1），從而促進(jìn)土壤MBC、MBN的提高。MBC、MBN是土壤有機(jī)質(zhì)的重要活性組分，參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的各個(gè)過程，對(duì)植物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)發(fā)育具有積極影響。當(dāng)土壤K＜110 mg·kg-1時(shí)（Mehlich3通用浸提法），屬于嚴(yán)重缺K的狀態(tài)[42]。本試驗(yàn)地測(cè)得的土壤有效K為77.6 mg·kg-1，明顯＜110 mg·kg-1。秸稈生物質(zhì)炭還田能明顯提高土壤有效K的含量（圖2），緩解土壤K的虧缺，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。因此，RSB增產(chǎn)的關(guān)鍵因素是土壤TC、TN、有效K、Mg含量的提高及有效Al含量的減少。此外，RSB比RS增產(chǎn)效果更明顯的原因可能是對(duì)土壤TC、M3-K、Mg含量及有效Al含量的影響效率更高。

3.3 與一次性高劑量生物質(zhì)炭還田模式的比較

圖3 水稻產(chǎn)量、土壤pH、CEC及營(yíng)養(yǎng)元素之間的相關(guān)性矩陣Figure 3 Correlation matrices among rice yield，soil pH，CEC and soil nutrients from paddy soil

與一次性高劑量還田模式相比，逐年全量秸稈生物質(zhì)炭化還田模式能維持較高水平的增產(chǎn)效應(yīng)。試驗(yàn)開展的4年間，RSB對(duì)水稻產(chǎn)量的增幅在7.6%～14.5%之間，平均增產(chǎn)10.7%（表2）。而在同一氣候和地形水平下，一次性施用22.5 t·hm-2水稻秸稈生物質(zhì)炭在還田第2～5年只分別增產(chǎn)6.1%、2.2%、2.9%、3.1%[8]。這主要是由于在一次性高劑量還田模式后期，生物質(zhì)炭在土壤中發(fā)生縱向遷移，且吸附位點(diǎn)漸趨飽和，于是表層土壤速效養(yǎng)分含量不再提高，水稻增產(chǎn)減弱。相反，逐年全量秸稈生物質(zhì)炭化還田模式能不斷為土壤補(bǔ)充養(yǎng)分，并提供新的吸附位點(diǎn)，增強(qiáng)土壤自身固定養(yǎng)分的能力，使水稻產(chǎn)量維持在較高水平。事實(shí)證明，逐年全量秸稈生物質(zhì)炭化還田持續(xù)增產(chǎn)增肥效果顯著，是稻田生態(tài)系統(tǒng)極具潛力的秸稈資源利用模式。

4 結(jié)論

（1）全量秸稈炭化還田能顯著提高水稻株高和籽粒產(chǎn)量，且增幅大于秸稈直接還田。

（2）全量秸稈炭化還田能明顯提高稻田土壤TC、TN、有效態(tài)P、K、Mg、Ca含量，降低土壤過量的有效Al、Fe、Mn含量。

（3）全量秸稈炭化還田對(duì)土壤養(yǎng)分的提高更大程度上是由于秸稈生物質(zhì)炭本身增強(qiáng)了土壤固定C、N及速效養(yǎng)分的能力。

（4）全量秸稈炭化還田對(duì)水稻增產(chǎn)的關(guān)鍵因素是土壤TC、TN和有效K、Mg含量的提高以及土壤有效Al含量的降低。