張杏雨 王俊 周舟 周沈琪 劉立軍

（揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009；第一作者：lemon_zxy@sina.cn；*通訊作者：ljliu@yzu.edu.cn）

水稻作為世界三大糧食作物之一，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟建設(shè)具有重要意義。我國秸稈資源豐富，每年主要農(nóng)作物秸稈資源量約為8.4×108t[1]。在實際生產(chǎn)中，秸稈還田難度大、還田方式單一，存在秸稈利用效率低等突出問題[2]，同時還增加了稻田溫室氣體排放。甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）作為大氣中主要的溫室氣體，兩者的全球增溫潛勢（GWP）分別是二氧化碳（CO2）的25 倍和296 倍[3]。數(shù)據(jù)顯示，在各項土地利用類型（林地、旱地、橘園、稻田）土壤中，稻田的GWP 最高，表明稻田溫室氣體排放對全球變暖貢獻最大[4]。因此, 采用科學(xué)合理的田間管理技術(shù)，在水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時減少稻田溫室氣體排放，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在限氧或無氧條件下熱解碳化所形成的一類具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)[5]。近年來，通過作物殘渣熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭被認為是在環(huán)境管理維度上維持農(nóng)作物生產(chǎn)力同時減緩全球變暖潛力的有效措施[6]。而將秸稈制成生物質(zhì)炭還田可以提高秸稈利用效率，同時有效改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤有機質(zhì)含量和作物養(yǎng)分利用率[7-8]、增加微生物量并減少土壤土傳病害[9]。本研究綜述了生物質(zhì)炭輸入對水稻產(chǎn)量形成和稻田溫室氣體排放的影響，以期為水稻高效、高產(chǎn)栽培和稻田溫室氣體減排提供理論與實踐依據(jù)。

1 生物質(zhì)炭輸入對稻田土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 生物質(zhì)炭輸入對稻田土壤物理特性的影響

土壤的物理性質(zhì)主要包括土壤容重、孔隙度和含水量等。生物質(zhì)炭具有自身密度小、孔隙度高以及親水性強等優(yōu)良特性，使得其輸入土壤后能夠降低土壤容重、提高土壤總孔隙度與持水量，以及吸附重金屬和有機污染物。研究表明，生物質(zhì)炭的輸入量與土壤容重呈正相關(guān)[10-11]。ZHANG 等[12]向稻田添加20 t/hm2或30 t/hm2生物質(zhì)炭顯著降低土壤容重，增加土壤通氣性。生物質(zhì)炭還會影響稻田土壤團聚體的形成與穩(wěn)定性。朱夢濤等[13]通過大田試驗研究了生物質(zhì)炭輸入對水稻土團聚體的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用顯著促進了大團聚體（250~2 000 μm）的形成，并提高了團聚體的穩(wěn)定性。而宋燕鳳等[14]進一步研究表明，與新鮮生物質(zhì)炭相比，陳化生物質(zhì)炭可有效增加稻田土壤大團聚體（250~2 000 μm）比例。此外，生物質(zhì)炭輸入對土壤溫度、機械和電磁等特性也起到了一定的改善作用[15]。

1.2 生物質(zhì)炭輸入對稻田土壤化學(xué)特性的影響

生物質(zhì)炭通常用來調(diào)節(jié)土壤的pH 值、增加土壤養(yǎng)分元素含量和有效性。董達等[16]在研究中往稻田施加22.5 t/hm2的生物質(zhì)炭，稻田土壤pH 值1 年后提升0.30 個單位，2 年后仍然比對照土壤高出0.26 個單位。張愛平等[17]研究表明，生物質(zhì)炭可以降低稻田總氮淋濕量，且呈現(xiàn)隨生物質(zhì)炭用量（0、4.5、6.75、9 t/hm2）增加而降低的趨勢。張斌等[10]研究表明，高用量（40 t/hm2）生物質(zhì)炭顯著改善土壤性質(zhì)，升高土壤pH，提高土壤有機碳和全氮含量，這種效應(yīng)2 年內(nèi)具有持續(xù)性。張繼寧等[18]在濱海灘涂土壤進行2 年試驗發(fā)現(xiàn)，與對照相比，整個試驗期間5%~20%的生物質(zhì)炭添加量（生物質(zhì)炭質(zhì)量/灘涂土濕質(zhì)量）使得稻田土壤平均總碳和總氮分別增加22.7%~73.8%和25.1%~65.8%，土壤陽離子交換量（CEC）增加3.5%~17.0%?？赡苁且驗樯镔|(zhì)炭呈弱堿性，其自帶的負電荷羧基和羥基等含氧官能團可以結(jié)合土壤中的氫離子，降低氫離子濃度，提高土壤pH 值[19-20]，從而改善因銨態(tài)氮肥的大量施用和酸雨沉降導(dǎo)致稻田土壤pH 值和肥力質(zhì)量降低。

1.3 生物質(zhì)炭輸入對稻田土壤生物特性的影響

土壤質(zhì)量不僅取決于土壤理化性質(zhì)，還與土壤生物學(xué)性狀（微生物種群、微生物量、酶活性等）密切相關(guān)[21]。生物質(zhì)炭對土壤微生物的影響主要表現(xiàn)在微生物的組成變化以及量的增減兩個方面。主要是因為生物質(zhì)炭自身的高芳香烴結(jié)構(gòu)、多孔性和吸附性為土壤微生物提供了良好的棲息環(huán)境，進而提高了微生物群落多樣性[22-23]。蔣雪洋等[24]通過定量PCR 技術(shù)測定，發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭使得句容、南京兩地稻田土壤微生物豐度均有不同程度增加，土壤真菌、叢枝菌根真菌和古細菌豐度也有增加。生物質(zhì)炭對稻田土壤中的各種酶影響不一，且是長期的。施用秸稈炭6 年后，土壤脫氫酶和多酚氧化酶活性明顯升高，而過氧化氫酶活性逐漸下降，且顯著低于對照[25]。

2 生物質(zhì)炭輸入對水稻產(chǎn)量形成的影響

2.1 生物質(zhì)炭輸入對水稻根系生長的影響

根系是水稻重要的吸收、合成、固定和支持器官，作為生物質(zhì)炭輸入后的“第一直接接觸者”，其發(fā)育狀況與地上部器官的形態(tài)建成和產(chǎn)量密切相關(guān)[26]。

LIU 等[27]通過對西北地區(qū)水稻長期（7 年）生物質(zhì)炭田間試驗研究發(fā)現(xiàn)，在施用氮肥基礎(chǔ)上加入生物質(zhì)炭會促進分蘗期根系生長，降低根系生物量，但在拔節(jié)期和孕穗期則保持了較低的根直徑和較高的比根長，延緩灌漿期根系衰老，提高產(chǎn)量。張偉明等[28]通過盆栽試驗研究表明，添加玉米秸稈型生物質(zhì)炭可在一定程度上使水稻根系形態(tài)特征得到優(yōu)化，增強根系生理功能，其中以較高施炭量處理（10、20 g/kg）提升幅度較大。ZHANG 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，添加生物質(zhì)炭20 g/kg 顯著增加了根系生長，特別是根系質(zhì)量和不定根長度。與常規(guī)施肥相比，生物質(zhì)炭的輸入使得稻田土壤具有更好的通氣能力，降低土壤緊實度，減少土壤機械阻力，提高有機碳（DOC）含量，同時減少其在土壤中的淋溶，促進水稻根系的生長[30-31]。綜上所述，生物質(zhì)炭能夠改善限制水稻根系生長的物理因素包括缺氧、水分脅迫、機械阻抗等。

2.2 生物質(zhì)炭輸入對水稻地上部生長和產(chǎn)量形成的影響

研究發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭促進了水稻分蘗，提高各組分干物質(zhì)量，增大葉面積[32]。周勁松等[33]研究認為，在水稻育苗基質(zhì)中添加適量的生物質(zhì)炭能夠顯著增加水稻秧苗的株高以及干物質(zhì)積累量。生物質(zhì)炭的輸入能夠增加節(jié)間莖稈粗度、莖壁厚度及節(jié)間充實度，縮短水稻莖稈基部長度進而提高水稻抗折斷和抗倒伏能力[34-35]。這可能是由于生物質(zhì)炭能促進水稻吸收更多的鉀、硅元素，使得莖稈機械強度增加，進而提高抗折能力[36]。

生物質(zhì)炭的施用能夠提高稻田土壤的C/N 比、氮素利用率，降低氮素生物有效性，從而影響水稻的產(chǎn)量形成。大多研究數(shù)據(jù)證明，施用生物質(zhì)炭可以增加水稻產(chǎn)量、提高谷草比，水稻穗粒數(shù)和穗數(shù)均隨生物質(zhì)炭用量增多而增加[17-18]。ZHANG 等[37]對太湖地區(qū)水稻進行為期2 年的試驗，與對照相比，施用10 t/hm2生物質(zhì)炭使水稻產(chǎn)量提高27.6%。生物質(zhì)炭施用還提高水稻每叢穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率，平均比對照增產(chǎn)25.28%[28]。董林林等[38]發(fā)現(xiàn)，在氮肥與生物質(zhì)炭配施的基礎(chǔ)上添加蚯蚓糞能夠進一步促進水稻產(chǎn)量和氮素收獲指數(shù)的提高。JIN 等[39]通過盆栽試驗研究顯示，鹽堿地水稻土施用生物質(zhì)炭（15、30、45 g/kg）能夠顯著降低水稻植株各部位鈉離子的積累量，顯著增加水稻干物質(zhì)量，提高產(chǎn)量。而稻田增施生物質(zhì)炭能夠顯著提高水稻產(chǎn)量的原因是減少了稻季氨揮發(fā)損失，降低了氮素損失，提高了水稻的氮素利用效率以及改善稻田土壤理化性質(zhì)（如土壤容重、pH、水分含量、有機碳含量）[10，40]。

也有研究表明，雖然施用生物質(zhì)炭可以顯著提高氮肥吸收利用率，同時提高水稻穗數(shù)和千粒重，但對產(chǎn)量無顯著影響[41]。張斌等[10]在成都平原連續(xù)2 年的試驗發(fā)現(xiàn)，相同氮肥處理下，施用生物質(zhì)炭（20、40 t/hm2）不能顯著提高水稻產(chǎn)量。這可能是因為短期施用生物質(zhì)炭雖然增加了生物量，但降低了收獲指數(shù)，故水稻產(chǎn)量變化不大[42-43]。但隨著生物質(zhì)炭施用年限的繼續(xù)延長，其能夠減少土壤氮素的流失，提高水稻生產(chǎn)力，促進水稻增產(chǎn)。

3 生物質(zhì)炭對稻田溫室氣體排放的影響及其機理

大量研究表明，生物質(zhì)炭除改良稻田土壤，促進作物增產(chǎn)外，也影響稻田溫室氣體CH4和N2O 排放（表1）。

表1 不同原料和溫度制成的生物質(zhì)炭對稻田溫室氣體排放的影響

3.1 生物質(zhì)炭對稻田CH4 排放的影響及其機理

ZHANG 等[12]研究表明，生物質(zhì)炭的輸入導(dǎo)致稻田CH4排放增加26%～68%。SONG 等[50]和HE 等[51]通過Meta 分析表明，生物質(zhì)炭有增加稻田CH4排放的趨勢，增幅平均為19%。表1 及上述試驗中，生物質(zhì)炭促進稻田CH4排放的原因可能是：（1）生物質(zhì)炭本身有一些易裂解的成分，加速土壤有機質(zhì)分解，為產(chǎn)甲烷菌（MCRA）提供了底物[12]。（2）生物質(zhì)炭改變了稻田微生物群落組成，提高了產(chǎn)甲烷菌（MCRA）和甲烷氧化菌（pmoA）中相關(guān)基因的豐度[52]。

與之相反，F(xiàn)U 等[53]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對水稻土CH4排放具有全面抑制作用，對產(chǎn)甲烷菌群落沒有顯著影響。LIU 等[54]研究表明，將還田的秸稈轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭后再還田，可以使得我國每年可減少CH4排放2 400萬t CO2-C。其減排機制主要是：（1）生物質(zhì)炭自身對CH4有吸附作用[55]。（2）生物質(zhì)炭提高了稻田土壤的透氣性，而甲烷氧化菌是一組需氧的革蘭氏陰性菌，添加生物質(zhì)炭可以增加供氧從而刺激其生長，使得土壤所產(chǎn)生的CH4能夠重新被氧化。（3）添加生物質(zhì)炭不僅增加了MCRA，也增加了pmoA，并且對MCRA 的增幅顯著高于對pmoA 的增幅，降低了MCRA/pmoA 的比率，促進了CH4減排[56]。上述研究說明生物質(zhì)炭對稻田CH4排放的影響一方面取決于相關(guān)功能微生物的響應(yīng)，另一方面則是生物質(zhì)炭對土壤的影響過程。

此外，生物質(zhì)炭的老化時間和施用量也會影響CH4排放。新鮮生物質(zhì)炭被認為是減少CH4排放的理想材料，其能夠促進潛在CH4氧化[57]。但稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)加速了生物質(zhì)炭的老化過程[58-59]。一項為期4 年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的應(yīng)用在第1 年刺激了產(chǎn)甲烷菌和厭氧菌的豐度，減少了CH4排放量。但在接下來的3 年里抑制了產(chǎn)甲烷菌的豐度，且對CH4排放的抑制作用逐漸減弱[60]。吳震等[61]研究表明，生物質(zhì)炭和氮肥配施情況下，用老化3 年的生物質(zhì)炭處理降低了CH4排放，這主要是由于陳化生物質(zhì)炭在水稻季顯著增加了CH4氧化潛勢，而對產(chǎn)CH4潛勢無顯著影響?？赡苁巧镔|(zhì)炭老化后，其顆粒變小、表面光滑、表面羧酸官能團（COOR）增加，從而限制了CH4氧化[62]。WANG等[63]經(jīng)過4 年研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭24 t/hm2減少了32%的CH4年累積排放量，而施用生物質(zhì)炭48 t/hm2僅減少了28%CH4年累積排放量。故生物質(zhì)炭施用量對稻田CH4的影響還有待進一步研究。

3.2 生物質(zhì)炭對稻田N2O 排放的影響及其機理

稻田土壤N2O 排放主要來自于硝化與反硝化過程[64]。而生物質(zhì)炭因其自身性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特點，如較強的吸附能力、較大的比表面積，故能夠直接或間接地影響上述過程，從而影響N2O 排放。除自身性質(zhì)外，制備原料、施用量以及施用方式等對N2O 排放也有一定影響。汪勇等[65]以雙季稻田為研究對象，在不施氮條件下，施用生物質(zhì)炭降低了N2O 排放。向偉等[66]也得到了類似的結(jié)論，同時指出減氮配施生物質(zhì)炭可進一步降低N2O 排放。由于稻田自身肥力較高，適量的氮肥和生物質(zhì)炭配比對作物的生長效果更好，能夠提升氮肥利用率，減少土壤氣態(tài)氮的流失，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，N2O 減排效果增大[67]。李松等[11]研究表明，3 種生物質(zhì)炭用量水平（10、20、40 t/hm2）都能夠顯著降低稻田N2O 排放，但處理間差異不顯著。馬蕓蕓等[68]發(fā)現(xiàn)，長期施用生物質(zhì)炭可減少稻田土壤剖面的N2O 濃度，且隨施用量和土壤剖面深度增加減得更多。

上述試驗中生物質(zhì)炭能夠減少N2O 排放的原因主要是：（1）施用生物質(zhì)炭能夠吸附土壤硝化作用的底物，減弱反硝化細菌的活性，提高稻田土壤中陽離子交換，增加稻田土壤對NH4+的吸附能力，從而降低N2O排放[49，69]。（2）生物質(zhì)炭能夠提高土壤的通透性，促進土壤水分的下滲，使得大氣中進入水體的溶解氧更容易滲入下層，進而影響反硝化作用，減少N2O 排放[68]。（3）生物質(zhì)炭處理提高了土壤活性有機碳含量，刺激了土壤中有關(guān)硝化作用微生物的生長，導(dǎo)致N2O 排放降低[70]。但也有研究表示，施用生物質(zhì)炭提高了稻田N2O的排放。宋旭[71]在福州平原水稻田進行了為期1 年的生物質(zhì)炭處理梯度（10、20、40 t/hm2）試驗，發(fā)現(xiàn)所有處理均增加了早稻季和晚稻季N2O 的累計排放量。SHEN 等[72]認為，與對照相比，施用秸稈生物質(zhì)炭（22.5~48 t/hm2）使得N2O 排放量增加0.13~0.80 倍，是因為添加的生物質(zhì)炭提高了土壤中NH4+或NO3-的有效性。

4 研究展望

提高水稻產(chǎn)量，減排稻田溫室氣體對保護生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著極為重要的意義。目前生物質(zhì)炭已在中國以及世界其他國家推廣應(yīng)用。生物質(zhì)炭的施用對稻田溫室氣體排放、水稻產(chǎn)量的影響已有一定的結(jié)論。針對目前研究中存在的主要問題，今后應(yīng)加強以下幾個方面的研究。

4.1 加強生物質(zhì)炭對稻田土壤性狀長期影響的研究

生物質(zhì)炭可以改善稻田土壤理化性質(zhì)、改變根際微生物結(jié)構(gòu)，從而影響水稻生長發(fā)育。由于生物質(zhì)炭的自身性質(zhì)以及熱解溫度的不同，其對稻田土壤性狀的影響也不一致。目前大多數(shù)研究都是基于高輸入量的生物質(zhì)炭的短期試驗，缺乏低輸入量的生物質(zhì)炭還田試驗研究。同時，越來越多的研究表明生物質(zhì)炭輸入對土壤性狀的影響與生物質(zhì)炭的性質(zhì)、添加劑量密切相關(guān)，且生物質(zhì)炭老化對土壤理化性質(zhì)的作用效果以及機制還不明確，有必要進行長期的田間定位試驗以及相關(guān)研究，從而推動我國稻田土壤改良。

4.2 加強生物質(zhì)炭和田間管理耦合對水稻產(chǎn)量形成方面的研究

生物質(zhì)炭對水稻產(chǎn)量雖有一定的積極影響，但由于田間環(huán)境復(fù)雜，不同土壤的理化性質(zhì)，如不同通氣狀況、含水量、有機質(zhì)含量等，會造成生物質(zhì)炭施加后水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量方面存在差異。田間管理，如灌溉方式、施用肥料以及栽培方式對生物質(zhì)炭性質(zhì)變化影響較大，進而影響水稻產(chǎn)量形成。因此，要依據(jù)生物質(zhì)炭自身理化性質(zhì)、稻田土壤類型以及當(dāng)?shù)亓?xí)慣生產(chǎn)方式來確定生物質(zhì)炭的類型、添加比例以及施用方式，從而實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟效益的最大化。

4.3 加強生物質(zhì)炭生產(chǎn)和還田后對環(huán)境效應(yīng)綜合評估的研究

目前大多數(shù)研究均認為生物質(zhì)炭還田后有減少溫室氣體排放的作用。但在制備生物質(zhì)炭過程中也會產(chǎn)生一些有毒的副產(chǎn)物和溫室氣體，且吸附在生物質(zhì)炭上的重金屬和有機污染物的處置問題也亟待解決。故在以后研究生物質(zhì)炭對稻田溫室氣體排放的影響時，有必要將兩者同時考慮，為生物質(zhì)炭的環(huán)境效應(yīng)評估提供更全面的視角。