生物炭氮替代部分化肥氮对黄壤水稻的生物效应

史登林，王小利*，刘安凯，2，罗安焕，徐 彬，侯再芬，梁国太

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业农村厅，贵州 贵阳 550001；3.贵州省思南县农业农村局，贵州 铜仁 565100）

作物秸秆作为农业生产中的农副产物，其产量高、分布广、品种丰，一直是我国农业生产的宝贵资源［1］。长期以来，中国农作物秸秆并没有得到合理高效利用，且随着农业现代化和农村产能的不断发展，秸秆剩余量逐渐增加，大批量秸秆被就地焚烧，不仅浪费资源，还污染环境［2］，由此引起土壤结构恶化和温室气体排放增加等问题［3-4］。秸秆资源“用则利，不用则废”，农作物秸秆资源转化利用问题，已成为学术界的研究热点。秸秆炭化制成的生物炭，不仅可解决农作物秸秆综合利用的问题，而且可用来实现化肥减量配施，是一项符合农业现代化发展实际需求的重要技术措施。

生物炭是秸秆等生物质材料经炭化所得的一种高效、环保、多功能的稳定富碳产物［5］，备受关注。秸秆经过高温厌氧炭化后制成的生物炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和多样的表面官能团，施入土壤能明显改良土壤理化性质，改善微生物生存环境［6］，促进作物生长和提高作物产量及品质［7］，改善农业生态环境［8］。目前，生物炭在农业生产中的实践效果已有报道，前人研究发现生物炭可改良玉米根系性状，提高氮肥利用率［9］；生物炭施用可促进豆科作物固氮，但随生物炭老化其固氮效果和氮的利用能力下降［10］，可抑制大豆根腐病的发生，保证大豆根系的固氮功能和稳产［11］；Liang等［12］研究发现混合施用稻壳和椰子壳生物炭可提升小麦和玉米产量4.0%～7.2%；姬强等［13］研究表明，生物炭输入显著提高了小麦净光合速率18.9%～66.1%，且增幅随生物炭添加量的升高而增大；在低磷土壤中，磷肥与生物炭配合施用可促进作物对磷的吸收利用［14］；生物炭施用3年，提高了土壤硝化细菌的丰度，促进氮肥利用和小麦提质增量［15］；张萌等［16］研究发现生物质炭替代化学氮肥10%可使朝天椒产量提高7.3%，氮肥表观利用率提升4.45个百分点，并且可明显改善朝天椒品质；肖婧等［17］研究发现生物质炭的自身特性对作物产量影响显著，增产范围在9.2%～26.6%之间。由此可见，生物炭的问世与应用不仅可最大限度地实现秸秆养分高效利用，也能够成为改良土壤环境、提升农作物产量和品质、实现化肥减施增效的一项重要技术手段［18］。

合理高效的施肥模式既可防止农田地力退化，又能提高土地的可持续生产能力。近年来，基于化肥减量配施的研究已逐渐成为农业领域热点，生物炭配施化肥成为氮肥减量技术和秸秆资源化利用途径之一。然而，目前关于生物炭的研究主要集中在同等化肥施用条件下生物炭添加后的作用效果上［19］，针对化肥减量配施生物炭的研究相对较少，而基于单季施用条件下生物炭究竟能否用于氮肥减量配施、减施多少最佳等问题的研究也缺乏充分实践检验。因此，本研究以贵州黄壤稻田土壤种植的水稻“中浙优8号”为研究对象，从籽粒产量、稻米品质、养分吸收及氮肥利用率方面来研究生物炭对氮肥的减量配施效应，进而综合评估生物炭对氮肥减量配施效果，为贵州黄壤稻田水稻氮肥减施增效提供技术支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验地位于贵州省铜仁市思南县塘头镇（108°11′35′E，27°45′35′N），该区域属中亚热带季风湿润型气候区，平均海拔600 m，年均日照时数1349.8 h左右，年均气温17.5℃，相对湿度75.5%，全年无霜期294 d左右，年均降水量1200 mm。试验田为稻油轮作系统，供试土壤为黄壤稻田土壤，其基础性质为：pH 5.86，有机质29.62 g/kg，全氮1.39 g/kg，碱解氮133.00 mg/kg，有效磷

37.16 mg/kg，速效钾182.07 mg/kg。

供试化肥为尿素（N 46.2%）、过磷酸钙（P2O516%）、硫酸钾（K2O 60%）；供试生物炭为水稻秸秆炭，炭化温度450℃，其基本性质为：pH 8.65，有机碳667.22 g/kg，全氮5.99 g/kg，全磷1.99 g/kg，全钾27.15 g/kg，由南京勤丰众成生物质新材料有限公司提供；供试水稻品种为“中浙优8号”，由浙江勿忘农种业股份有限公司提供。

1.2 试验设计

试验共设置6个处理，分别为：（1）CK：不施氮肥，只施磷、钾肥；（2）T0：常规施肥施氮100%；（3）T1：生物炭氮10%（生物炭2.5 t/hm2）+常规施肥施氮90%；（4）T2：生物炭氮20%（生物炭5.0 t/hm2）+常规施肥施氮80%；（5）T3：生物炭氮30%（生物炭7.5 t/hm2）+常规施肥施氮70%；（6）T4：生物炭氮40%（生物炭10.0 t/hm2）+常规施肥施氮60%，各处理的化肥和生物炭施用量见表1。水稻移栽前先将生物炭均匀撒施于水田土壤表层，翻匀，然后将氮肥的50%、磷肥的100%和钾肥的50%混匀后作为基肥一次性施入，剩余化肥分3次追施：氮肥的20%作分蘖肥，氮肥的20%和钾肥的50%作保花肥，氮肥的10%作促花肥。各处理设3次重复，共18个小区，各小区面积为30 m2，田间随机区组排列，其他田间管理与当地农民习惯一致。

表1 不同施肥处理的生物炭和化肥用量

1.3 测定项目和方法

于成熟期进行采样测产，水稻样品采集时选择长势一致的6穴（约40株）植株地上部，测定穗数、穗粒数、千粒重等指标，再于105℃下杀青30 min，于60℃下恒温烘至恒重，测定干物质量，然后将植株样品粉碎后采用H2SO4-H2O2联合消煮，凯氏定氮仪测定全氮含量，并计算植株氮素积累量；各小区全部收获计产获取实际鲜重产量，称取30 g，采用烘干法测定实际含水量，按稻谷标准含水量13.5%折算水稻产量；稻谷风干后，根据国家优质稻谷标准［20］所述方法，测定各处理的稻谷糙米率、粒长、精米率及稻米垩白粒率、蛋白质含量、直链淀粉含量、胶稠度等品质指标。

1.4 相关参数计算

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮处理稻谷产量/施氮量；

氮肥农学效率（AEN，kg/kg）=（施氮处理稻谷产量-不施氮处理稻谷产量）/施氮量；

氮肥表观利用率（REN，%）=（施氮处理地上部吸氮量-不施氮处理地上部吸氮量）/施氮量×100；

氮素收获指数（NHI，%）=成熟期植株穗部氮积累量/植株氮素积累总量×100。

以上公式中水稻产量均按照水分为13.5%的实际产量计算。

1.5 数据分析

数据采用Excel 2016和DPS 7.05软件进行统计分析，多重比较采用LSD法，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 生物炭氮替代部分化肥氮对水稻产量及其构成因子的影响

水稻籽粒产量由收获期单位面积有效穗数、每穗粒数和千粒重决定，而穗粒数受总粒数和结实率影响。据表2可知，生物炭氮替代部分化肥氮对水稻籽粒产量及其构成因素有明显影响。就水稻产量而言，生物炭氮替代部分化肥氮处理水稻理论产量和实收产量均显著高于CK处理（P<0.05），增幅分别为32.1%～55.7%和35.4%～59.2%；与T0处理相比，T1、T2、T3处理水稻理论产量和实收产量依次提高2.2%、11.6%、4.7%和2.4%、13.4%、4.3%，其中T2处理理论产量和实收产量最高（8.58和7.96 t/hm2），呈显著增加，T4处理略微减产。从产量构成因子看出，与CK处理相比，常规施肥及生物炭氮替代部分化肥氮处理的单位面积有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重均明显增加，增幅依次为2.7%～4.7%、4.3%～11.5%、21.1%～30.1%和0.4%～7.8%，其中有效穗数、穗粒数和结实率均显著增加的为T2处理，千粒重仅T3显著增加。与T0处理相比，单位面积有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重均随着生物炭氮替代部分化肥氮水平的提高先增加后减少，除千粒重为T3处理水平最高外，其它都为T2处理最高。由此可见，适宜的生物炭氮替代部分化肥氮可以提高水稻有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重，从而提高水稻产量。

表2 不同施肥处理的水稻产量及其构成因子

2.2 生物炭氮替代部分化肥氮对稻米品质的影响

从稻米品质指标来看（表3），生物炭氮替代部分化肥氮可明显影响稻米的精米率、垩白粒率、粒长等加工品质和胶稠度、直链淀粉、蛋白质含量等营养品质，但对糙米率和垩白度无明显影响。与CK处理相比，常规施肥和生物炭氮替代部分化肥氮处理增加稻米粒长和蛋白质含量，增幅分别为0.4%～1.5%和0.52～0.99个百分点，其中粒长以T1和T3处理达到显著水平，最高为6.80 mm；蛋白质以T1、T3和T4处理达到显著水平，最高为6.58%；T0、T1、T2和T4处理均提高稻米精米率，T1和T2处理达显著水平，仅T3处理有所降低；T0、T1、T2、T3处理均降低了稻米垩白粒率，均未达显著水平，仅T4处理增加了垩白粒率，可能是氮肥替代量过高所致。与T0处理相比，生物炭氮替代部分化肥氮对稻谷糙米率、精米率等品质均有不同程度的改善，其中对精米率、垩白粒率、胶稠度和直链淀粉含量有明显影响；T1和T2处理的稻米精米率分别显著提高了1.00和1.03个百分点；T4处理的稻米垩白粒率显著增加了4.34个百分点；T2和T4处理的稻米胶稠度分别显著增加4.9%和4.0%；T2处理的稻米直链淀粉含量显著提高0.37个百分点。因此，适量生物炭氮替代部分化肥氮能提高稻米品质的同时也减少化肥施用。

表3 不同施肥处理的稻米品质

2.3 生物炭氮替代部分化肥氮对水稻氮素积累的影响

图1 显示了生物炭氮替代部分化肥氮对水稻秸秆和稻谷氮素积累的影响。从秸秆氮素积累来看，与常规施肥T0处理相比，T1、T2和T4处理的秸秆氮素积累量依次提高了8.5%、17.3%和4.5%，其中，T2处理显著增加，T3处理略有降低；从稻谷氮素积累来看，与T0处理相比，生物炭氮替代部分化肥氮处理的稻谷氮素积累均明显增加，T1、T2和T3处理的稻谷氮素积累量较T0处理分别显著增加了31.1%、27.3%和21.8%，T4处理略有降低。由此可见，适量生物炭氮替代部分化肥氮可有效提高水稻地上部氮素积累量，促进氮肥高效利用。

图1 不同施肥处理的氮素积累量

2.4 生物炭氮替代部分化肥氮对水稻秸秆生物量及氮肥利用率的影响

由表4可看出，不同施肥处理的秸秆生物量及氮肥利用率存在明显差异。与T0处理相比，T1、T2和T4处理的秸秆生物量依次增加7.1%、18.0%和13.0%，其中T2和T4处理显著增加，T3处理显著降低12.7%；T1、T2和T3处理的氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率均明显增加，增幅依次为2.4%～13.3%、8.2%～46.3%和8.87～22.41个百分点，其中T2处理的氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率均显著高于T0处理，T4处理的氮肥偏生产力和氮肥农学效率均低于T0处理，氮肥表观利用率有所增加，但不显著。从氮素收获指数来看，与CK相比，生物炭氮替代部分化肥氮处理均有所增加，仅T3达显 著 水平；与T0相 比，T1、T2、T3和T4处理均有所提高，但均不显著。由此可见，适量生物炭氮替代部分化肥氮可有效提高氮肥利用率。

表4 不同施肥处理的秸秆生物量及氮肥利用率

3 讨论

李伟等［21］研究表明生物炭配施氮肥处理下作物产量显著提高23.6%～27.9%，研究指出生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2对提高 土两季作物总产量效果最佳。本研究结果表明，与常规施肥T0处理相比，T1、T2、T3处理水稻理论产量和实收产量均有不同程度的增加，T2处理达显著水平，理论产量和实收产量分别显著提高了11.6%和13.4%，而T4处理则出现略微减产，但与T0处理相比差异不明显，这说明在当前试验条件下，施用生物炭配施70%～90%化学氮肥具有一定的可行性，80%化学氮肥配施比例最佳。生物炭氮替代部分化肥氮实现增产或稳产的主要原因一方面是生物炭自身含有丰富的氮素，尽管其含有的氮素并非都是易分解或可有效利用的，但由于氮素含量高，故而可替代部分化学氮肥［22］；另一方面，生物炭除了含有氮、磷、钾等大量元素外，还富含钙、镁、锌等多种矿质养分，有利于作物养分的平衡供应［23］，因此可以保证作物实现增产或稳产。而生物炭替代化学氮肥40%（T4）处理的水稻产量出现略微减产，分析其主要原因可能是，大量生物炭施用导致土壤可溶性有机碳含量增加，从而加剧了土壤微生物与作物根系对氮素的竞争，故而导致产量下降［24］。

前人研究发现，生物炭的施用可以改善作物品质［25-28］，本研究结果与前人研究结果类似。本研究中，与T0处理相比，生物炭氮替代部分化肥氮使稻米籽粒精米率、垩白度、粒长等外观品质和胶稠度、直链淀粉和蛋白质等食用品质均有不同程度的改善，这与曾研华等［29］、陈梦云等［25］研究结果相似。其中T1和T2处理的精米率较T0处理显著增加1.00和1.03个百分点，T2和T4处理的胶稠度较T0处理显著增加了4.9%和4.0%，T2处理的直链淀粉含量较T0处理显著提高0.37个百分点。这可能是由于生物炭中含有较高钾素和钙、锰、锌等多种微量元素能够促进相关酶在植株体内的合成，有利于改善稻谷的品质［30］。

肥料利用效率是评价施肥效应的重要指标，常用的是氮肥偏生产力、农学效率、表观利用率和氮素收获指数。徐明岗等［31］、刘红江等［32］证实，同等施肥下进行有机肥与化肥减量配施，对提高肥料利用率、促进水稻持续高产稳产有明显作用，且后续肥力较高。从本研究结果看，与T0处理相比，T1、T2和T3处理使氮肥偏生产力、农学效率和表观利用率分别提高了1.10～6.23 kg/kg、1.11～6.24 kg/kg和8.87～22.41个百分点，且T2处理的氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率均达显著水平，分别为53.03 kg/kg、19.71 kg/kg和60.57%，但T4处理均低于T0处理，说明适量生物炭氮替代部分化肥氮可明显提高氮肥利用率。分析其原因可能包括：第一，黄壤稻田黏粒含量高、土壤较为紧实，生物炭施入土壤后不仅能够提高土壤孔隙结构，还能增加土壤的蓄水能力及其持水性能，改善作物根系的水肥生长环境［7，33］；第二，生物炭自身具有巨大的比表面积、丰富的孔隙和较高的阳离子交换量、羟基等官能团，能够提高对铵态氮和硝态氮的吸附固持作用，减少了氮素的流失［34］，而被生物炭吸附的氮素又可以被再次释放，形成可供作物吸收利用的有效态氮，从而提高氮素利用率［35］；第三，生物炭的施用不仅能改良土壤理化性质，还能直接或间接地提高与土壤氮素转化有关的酶活性、细菌丰度及活性等，进而提高了氮素的生物有效性［36］。但是，生物炭氮替代部分化肥氮比例过高则会使氮肥利用率降低，可能原因包括：短时间施用生物炭，土壤碳矿化速率加剧，导致土壤碳含量激增，当土壤中现有的含氮物质不足以维持平衡时，土壤中的固氮菌就会固定更多的氮素，进而加剧了土壤微生物与作物对氮素的竞争［22，37］；另一方面，随生物质炭用量的增加，土壤pH上升，促进了NH3挥发［38］。因此，合理的生物炭氮替代部分化肥氮比例不仅有效提高氮肥利用率，且能促进稻田土壤固碳培肥和水稻增产提质，达到化肥减量配施增效目标。

4 结论

大田试验结果表明，与常规施肥相比，短期20%生物炭氮与80%化学氮肥配施可使稻谷理论产量和实收产量分别显著提高11.6%和13.4%，氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率显著提升13.3%、46.3%和22.4个百分点，并且可明显改善稻米品质，但生物炭氮替代化肥氮比例过高则会有减产风险。