稻秆炭还田对红壤双季稻田土壤碳氮磷钾生态化学计量学特征及其综合肥力的影响

周佳慧 张昆 谢志坚，* 王斌强

（1江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2江西省红壤及种质资源研究所，江西 南昌 331717）

红壤是我国南方地区重要的农业土壤资源，据统计，红壤区耕地仅占全国耕地面积的27.8%，却生产了全国42.7%的粮食和3/4的水稻，养育了全国2/5的人口［1］。因此，合理利用红壤资源对保障我国粮食安全具有重要作用。水稻为我国65%以上人口的主粮作物，常年种植面积约3 000万公顷［2］，而双季稻种植是保障我国粮食安全的重要种植制度。目前，南方双季稻种植面积与产量均占全国水稻种植面积与总产量的40%左右［3］。然而，在每年产出大量粮食的同时，不合理秸秆还田、耕作、施肥方式导致的农田氮素利用率低、土壤质量下降等问题日趋严重，已成为农业可持续发展中亟待解决的重要难题。以秸秆炭化还田为核心的生物炭技术是恢复土壤质量的治本之策，对我国发展绿色低碳的集约化农业和实现“双碳”目标有积极作用。

生物炭是将秸秆等农林废弃物在低氧环境下经过亚高温裂解炭化而成的高碳物质［4］，由于其具有比表面积大、孔隙丰富等特性，在改良土壤肥力和提高土壤质量等方面优势突出，已成为农业研究热点之一［5］。目前，国内外普遍采用较高剂量生物炭一次性还田模式。如邹瑞晗等［6］研究不同用量生物炭（15～60 t·hm-2）施用对耕层土壤团聚体及碳含量的调控效应时发现，土壤有机碳和微生物量碳含量随生物炭用量的增加先增加后减少。Mahmoud等［7］研究发现，添加19 t·hm-2玉米秸秆生物炭可以显著改善土壤肥力。然而，在一次性高剂量还田模式下，水稻秸秆生物质炭对水稻产量的提高会随着还田时间的延长而减弱［8］，同时生物炭的生产成本过高，使得高量生物炭的应用并不能达到资源循环利用和可持续发展的目标［9］。

因此，本研究采用一种新型可持续的低剂量生物炭还田模式，即采用与全年等量水稻秸秆产生量的炭化还田模式，探究稻秆炭还田对双季稻田土壤生态化学计量学特征及其综合肥力的影响，旨在为合理利用我国南方红壤双季稻区稻秆资源和提升稻田土壤质量提供科学依据与实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为第四纪红色黏土发育而来的潴育性水稻土，质地为粘壤，基础理化性质如下：土壤pH值5.23、有机质含量33.2 g·kg-1、全氮1.51 g·kg-1、碱解氮176.9 mg·kg-1、有效磷31.6 mg·kg-1、速效钾75.7 mg·kg-1。供试生物炭为水稻秸秆在亚高温（约500 ℃）缺氧条件下炭化制备获得，其基础性状如下：pH值10.5、比表面积39.91 m2·g-1、孔径50.2 nm、有机碳750 g·kg-1、全氮14 g·kg-1。供试早稻为湘早籼45，晚稻为泰优871，由江西省红壤与种质资源研究所提供。

1.2 试验设计

试验始于2021年，在江西省红壤与种质资源研究所内双季稻田进行。该区域属于亚热带湿润季风气候，年均气温17.0～17.7 ℃，年降雨量1 600～1 700 mm，年均相对湿度78.5%。

设置4个处理：不施氮肥和生物炭（CK）、单施生物炭（B）、100%氮肥（N100）、100%氮肥+生物炭（N100B），每个小区面积约20 m2（6 m×3.33 m），每个处理3次重复，随机排列。

供试早、晚稻100%化肥用量分别为：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。供试化学氮、磷和钾肥分别为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。所有处理的磷、钾肥用量相同，磷肥全部作为基肥施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3施用，钾肥按基肥∶穗肥=7∶3施用。基肥于水稻移栽前1 d施用，分蘖肥在水稻移栽后5～7 d施用，穗肥在主茎幼穗长1～2 cm时施用。生物炭按4 t·hm-2于早稻季作为基肥一次性施用。早稻按行距×株距=30 cm×15 cm移栽，每穴3～4株秧苗；晚稻所有施肥处理施肥量、类型和方法均相同，按行距×株距=24 cm×22 cm移栽，每穴2～3株秧苗。

1.3 土壤样品的采集与测定

分别在晚稻齐穗期与成熟期，按“S”路线采集0～20 cm土层土壤样品不少于300 g，装入塑封袋并密封带回实验室，一部分放置冰箱-4 ℃保存；一部分风干过筛备用。

采用S210 酸度计（梅特勒-托利多国际贸易上海有限公司）测定土壤pH值；有机质含量采用重铬酸钾容量法—外加热法测定；采用半微量开氏法测定全氮含量；采用2 mol·L-1KCl浸提-流动分析法测定硝态氮和铵态氮含量；采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定全磷含量；采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定有效磷含量；运用NaOH熔融—火焰光度法测定全钾含量；运用NH4OAc浸提—火焰光度法测定速效钾含量［10］。采用氯仿熏蒸法测定土壤微生物生物量碳氮含量［11］。

1.4 土壤综合肥力的计算

本研究选取土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾7项指标作为参评指标综合反映土壤肥力状况，采用内梅罗指数法计算土壤综合肥力指数（integratedfertilityindex，IFI）。根据全国土壤第二次普查标准对土壤进行分级（表1），分别计算各评价指标的分肥力系数（IFIi），采用修正后的内梅罗指数法计算土壤综合肥力［12］。

表1 土壤各属性的分级标准值Table 1 Grading standards of soil properties

分肥力系数IFIi计算公式如下：

式中，IFIi为分肥力系数；X为测定值；Xa、Xc和Xp值参照表1。

采用修正后的内梅罗（Nemoro）公式计算土壤综合肥力指数：

式中，IFI为土壤综合肥力指数；IFIi平均为各分肥力系数均值；IFIi最小为各分肥力系数最小值；n为评价指标的个数。IFI值介于0～3之间，数值越大表示土壤的综合肥力越高。

1.5 数据处理与统计分析

用SPSS 2.0统计软件进行数据统计分析，不同处理间进行ANOVA方差分析和主成分分析，各处理平均数比较采用最小显著性差异法（least significant difference，LSD）（P＜0.05）；分别使用Origin 2018和MS Excel 2018绘制图表。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

由图1可知，施用生物炭可提升稻田土壤pH值。与CK相比，B和N100B处理齐穗期土壤pH值分别提高0.06和0.19个单位，成熟期土壤pH值分别提高0.03和0.12个单位；而与N100相比，N100B齐穗期和成熟期土壤pH值分别提高0.09和0.07个单位。

图1 施用生物炭对晚稻齐穗期与成熟期土壤pH值的影响Fig.1 Effect of biochar on soil pH value at full heading and maturity stages of late rice

2.2 土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量

2.2.1 土壤有机质含量 由图2可知，施用生物炭增加了稻田土壤有机质含量。与CK相比，B和N100B齐穗期土壤有机质含量分别增加3.12%（P＞0.05）和20.57%（P＜0.05），成熟期土壤有机质含量分别增加3.65%（P＞0.05）和9.64%（P＜0.05）。与N100相比，N100B齐穗期和成熟期土壤有机质含量分别增加6.80%和3.45%。

图2 施用生物炭对晚稻齐穗期与成熟期土壤有机质含量的影响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，施用生物炭整体增加了稻田土壤全氮含量。与CK相比，B和N100B齐穗期土壤全氮含量分别增加了2.81%（P＞0.05）和11.80%（P＜0.05），成熟期土壤全氮含量分别增加了3.35%（P＞0.05）和9.50%（P＜0.05）；与N100相比，N100B齐穗期和成熟期土壤全氮含量分别增加了6.42%和0.51%。

2.2.3 土壤全磷和全钾含量 施用生物炭处理稻田土壤全磷与全钾含量较CK整体无显著差异（P＞0.05）。与CK相比，B、N100B齐穗期土壤全磷和全钾含量分别降低5.55%、1.85%和4.50%、2.54%；与N100相比，N100B主要降低了齐穗期土壤全磷和全钾含量，分别降低1.85%和0.30%。

2.3 土壤氮、磷、钾养分有效性

2.3.1 土壤无机氮含量 由表3可知，施用生物炭增加了稻田土壤中无机氮含量。与CK相比，B、N100B齐穗期土壤硝态氮与铵态氮含量分别增加56.10%、95.12%（P＜0.05）与3.82%（P＞0.05）、52.94%（P＜0.05），成熟期土壤硝态氮与铵态氮含量分别增加78.79%、88.89%（P＜0.05）与1.20%、24.84%（P＞0.05）。与N100相比，N100B齐穗期和成熟期土壤硝态氮含量分别增加3.90%和6.25%（P＞0.05），铵态氮含量分别增加19.50%（P＜0.05）和23.57%（P＞0.05）。

表3 施用生物炭对晚稻齐穗期与成熟期土壤氮、磷、钾养分有效性的影响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 施用生物炭处理较CK降低了稻田土壤有效磷含量，但处理间差异不显著（P＞0.05，表3）。与CK相比，B、N100B齐穗期土壤有效磷含量分别降低0.64%、10.84%，成熟期土壤有效磷含量分别降低6.79%、4.72%。与N100相比，N100B齐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 土壤速效钾含量 施用生物炭对稻田土壤速效钾含量的影响因氮肥不同而异（表3）。与CK相比，B处理齐穗期与成熟期土壤速效钾含量分别增加30.37%（P＜0.05）与20.57%（P＞0.05），而N100B齐穗期与成熟期土壤速效钾含量分别减少18.31%与27.06%。与N100相比，N100B齐穗期土壤速效钾含量降低7.18%，成熟期土壤速效钾含量增加5.30%。

2.4 土壤微生物生物量碳氮含量

由图3可知，施用生物炭显著增加稻田土壤微生物生物量碳和氮含量（P＜0.05）。与CK相比，B、N100B齐穗期与成熟期土壤微生物生物量碳含量分别显著增加60.08%、154.31%与100.28%、140.89%，土壤微生物生物量氮含量分别显著增加39.89%、191.43%与29.61%、104.68%。与N100相比，N100B齐穗期与成熟期土壤微生物生物量碳分别显著增加76.92%与44.86%，土壤微生物生物量氮含量分别显著增加16.52%与44.98%。

图3 施用生物炭对齐穗期与成熟期稻田土壤微生物生物量碳氮含量的影响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 土壤生态化学计量特征

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化学计量比。与CK相比，B处理齐穗期与成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化学计量比分别提高了2.35%、0.87%、7.95%、11.18%、11.76%与0.21%、7.08%、7.23%、6.73%、5.88%。与N100相比，N100B处理齐穗期与成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化学计量比分别提高了0.65%、0.95%、3.45%、4.42%、5.26%与3.11%、3.24%、2.22%、2.82%、5.56%。

表4 施用生物炭对晚稻齐穗期与成熟期土壤C、N、P、K化学计量特征的影响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 土壤综合肥力指数

由表5可知，不同处理齐穗期和成熟期的土壤综合肥力指数（IFI）分别表现为B＞N100B＞N100＞CK和B＞N100B＞CK＞N100。与CK相比，B处理齐穗期和成熟期IFI值分别提高了5.83%和9.17%；与N100相比，N100B处理下的IFI值在齐穗期与成熟期分别增加了0.81%与5.13%。

表5 施用生物炭对晚稻齐穗期与成熟期土壤综合肥力指数的影响Table 5 Effect of biochar on comprehensive fertility index of soil at full heading and maturity stages of late rice

2.7 Pearson相关性分析结果

由表6可知，土壤全氮与有机质含量呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤有机质含量与SMBN含量、C/N、C/P、C/K、N/K呈显著或极显著正相关（P＜0.05或P＜0.01）；全氮含量与SMBC、SMBN含量、C/P、C/K、N/K呈显著或极显著正相关（P＜0.05或P＜0.01）；全磷含量与C/P、N/P呈极显著负相关（P＜0.01），与P/K、IFI呈显著正相关（P＜0.05）；全钾含量与C/K、N/K、P/K呈显著或极显著负相关（P＜0.05或P＜0.01）；SMBC含量分别与SMBN含量、N/K呈极显著和显著正相关（P＜0.05或P＜0.01）；SMBN含量与C/P、C/K呈显著正相关（P＜0.05）。

表6 晚稻齐穗期与成熟期全C、N、P、K含量及其生态化学计量学特征与土壤综合肥力间的相关性（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 讨论

3.1 生物炭对土壤养分特征的影响

土壤有机质和全氮等养分含量直接影响其肥力质量和作物生长发育状况，是保障粮食生产的重要物质基础［13］。研究表明，生物炭还田会造成土壤有机碳分解的负激发效应，调节微生物碳利用效率，进而促进土壤碳的积累和固存，对提高土壤有机质含量有积极作用［14-15］。本研究结果同样表明，施加生物炭可以提升土壤有机质含量，其原因可能是生物炭在裂解过程中氧化不完全而产生一部分小分子有机碳，施入土壤后直接增加总有机碳的含量，同时生物炭表面含有高度浓缩的芳香环结构，也使非活性炭的性质更加稳定，不易矿化分解［16-17］。

生物炭本身丰富的矿质养分可以起到补充土壤养分的作用［18］。诸多研究表明，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］。付梦雪等［21］研究表明，土壤全氮主要来源于动植物残体形成的有机质，因此全氮含量会随土壤有机质含量的增加而增加。谢志坚等［22］发现，减氮配施炭基肥显著提高了水稻地上部氮素利用率。本研究发现，添加生物炭可提高土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量（表1、2）。这可能是由生物炭发达的孔隙结构及其表面丰富的官能团的吸附（收）等效果所致［23］，从而减少土壤氮素的淋失等损失［24］。与氮不同，在本研究条件下，生物炭对土壤中磷含量的影响不显著（表3），这与万海涛等［25］的研究结果一致。总之，生物炭不仅可以影响土壤氮素等养分转化与迁移［26］，而且随着其自身有效养分输入及其疏松多孔结构还可以提高土壤养分有效性［27］。

土壤微生物参与土壤的代谢过程，是土壤中最活跃的部分。土壤微生物生物量碳氮在土壤中的占比虽小，却能在很大程度上反映土壤的有效养分状况和生物活性，是评价土壤肥力及土壤微生物数量和活性的重要指标［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（图3），与张星等［29］的研究结果一致。这可能是由于添加生物炭后增加了土壤有机质含量，为微生物生存与活动提供了充足的碳源物质进而提升其活性，并促进微生物对土壤碳氮等养分的利用［30］。

3.2 生物炭对土壤C、N、P、K生态化学计量学特征的影响

生态化学计量学既可反映生态环境中各元素间的动态平衡、循环及其相互作用关系，又可为农田土壤培肥和维持其生产力提供理论指导［31］。本研究表明，添加生物炭较对照提高了土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K等生态化学计量比，而P/K较对照无明显变化（表4）。Kuzyakov等［32］认为，添加生物炭降低了土壤有机碳的矿化速率，从而对提高土壤C/N产生一定积极影响。土壤C/P是评价土壤磷释放能力的重要指标［33］，当C/P较低时，土壤有机磷会出现净矿化［34］。研究证明，当N/P＜10时，作物生产力受到N的限制［35］。因此，添加生物炭可增加土壤中有机质和全氮含量，但对全磷的影响不显著（图2、表3），进而提高土壤C/P与N/P。土壤C/K、N/K的变化趋势主要受碳素与氮素的影响，生物炭的添加使土壤有机碳、氮素养分的积累大于土壤钾，即土壤C、N的改善大于土壤K［36］。

3.3 生物炭对土壤综合肥力的影响

土壤综合肥力可用来衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力［37］。魏永霞等［38］发现，黑土土壤综合肥力水平随生物炭的添加而提高，这是由于添加生物炭吸附并固定了土壤有效养分，明显提高土壤肥力。本研究同样表明，添加生物炭有效改善了土壤有机质和氮等养分含量状况，进而提高土壤综合肥力指数，且添加化肥配施生物炭的效果优于单施化肥。因此，水稻秸秆炭化还田技术不仅可有效提升南方红壤稻区土壤肥力，还可实现农作物秸秆资源合理利用。

4 结论

单独施用稻秆生物炭或配施化肥不仅能增加土壤pH值、有机质、全氮、无机氮及微生物生物量碳氮含量，还能提升土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化学计量比，继而提升土壤综合肥力指数（IFI）。因此，稻秆生物炭还田可改善红壤区双季稻田土壤肥力，有助于合理高效利用南方红壤双季稻区稻秆资源。