不同吸附特性的稻草生物炭对稻田氨挥发和 水稻产量的影响

张 丰，刘 畅，王 喆，孟 军，迟道才，陈涛涛,※

（1. 沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866； 2. 沈阳农业大学农学院，沈阳 110866； 3. 沈阳农业大学国家生物炭研究院，沈阳 110866）

0 引言

中国的氮肥施用量已经超过全球的30%[1]，但氮肥利用率仅为30%～35%[2]。过量和不合理施肥是导致氮肥利用率低下、面源污染严重、温室效应等问题的主要原因[3]。氨挥发是稻田土壤系统中氮肥损失的主要途径之一，占施氮量的10%～60%[4]。大量的氨挥发损失不仅造成了资源浪费，还会引起水体营养化、土壤酸化、温室效应等一系列环境问题，严重制约着农业、生态的可持续发展，对环境产生严重影响[5]。因此，开展科学试验研究，减少稻田氨挥发损失，对降低稻田生产系统氮肥资源消耗和面源污染、提高中国稻田氮肥利用效率具有重要的意义。另一方面，中国作为农业生产大国，稻草秸秆资源年产近2.2亿t，但利用率却不足50%，其中，直接焚烧处理所占比例最高，达33%[6-7]。这不但造成了大量的资源浪费，还带来了极其严重的空气污染和火灾隐患。因此，加强秸秆综合利用途径，提高秸秆利用的深度和广度，是实现中国农业绿色可持续发展的迫切需要。

近年来，将稻草秸秆制备成生物炭还田被认为是土壤固氮、增产、减排的一种关键途径[8]。生物炭因其内部较大的比表面积和高阳离子交换位点，具有强吸附性及高阳离子交换量等优点[9]。大量研究表明，秸秆生物炭具有改善土壤生态环境、土壤蓄水保肥和减少温室气体排放等诸多正效应，但也因其石灰效应加大了稻田的氨挥发损失[10-12]。目前关于生物炭对稻田生态系统氨挥发的影响主要有3种不同的观点，一种观点认为大部分生物炭（特别是秸秆类生物炭）本身含有丰富的Ca2+、K+和Mg2+等盐基离子，生物炭进入土壤后，这些离子部分同土壤中的H+和Al3+发生交换，通常会提高土壤pH值，因此，往往会导致负面效应，促进氨挥发增大[13-14]。另一种观点认为生物炭表面和内部孔隙含有丰富的官能团或阳离子交换位点，其阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC）一般介于71.0～451.5 cmol/kg范围之内，远大于稻田土壤（7～30 cmol/kg），进而有利于降低氨挥发[15-16]。也有人认为生物炭对土壤氨挥发无影响[17]。由此可见，生物炭pH值和CEC的双重调控作用对稻田生态系统氨挥发影响较大，如何发挥其正面调控作用、降低负面调控影响有必要进行深入系统研究。

研究发现生物炭的CEC受热解温度影响较大[18]。随着热解温度的升高，生物炭比表面积和孔隙结构增大，吸附能力增强，高温制备的秸秆生物炭更有利于对NH4+的吸附[19]。而对生物炭进行酸化处理可直接抑制其石灰效应，生物炭经酸改性后比表面积和表面酸性官能团的数量增加，含氧量提高，对NH4+-N的吸附效果得到进一步增强[20-22]。因此，本研究将稻草生物炭应用到稻田生态系统当中，并通过调整其制备过程中的热解温度和制备后的酸化水平（pH值），探讨生物炭对稻田氨挥发过程的调控作用和减排效应，以期为稻田合理应用生物炭和减少化肥施用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况和试验材料

试验于2019—2020年在沈阳农业大学卡力玛水稻试验站（122°67′E，41°52′N）进行。盆栽用土为当地水稻土，有机质11.46 g/kg，铵态氮5.02 mg/kg，硝态氮21.63 mg/kg，全氮0.90 g/kg，全磷4.58 g/kg，全钾21.03 g/kg，速效钾80.90 mg/kg，土壤pH值为7.04。水稻生育期内的逐日降水和平均温度如图1所示。

水稻供试品种为沈农大粒糯，生物炭供试原料为稻草秸秆。

1.2 试验设计和过程

1.2.1 生物炭制备

参考生物炭的定义、制备过程及适宜作物生长的酸碱环境[23-24]，生物炭热解温度分别选用300、500和700 ℃，酸化水洗pH值选择5、7和9三个水平。生物炭制备：将备用稻秆置于密闭性良好的钢盒当中，在马弗炉（SX-12-10，北京中兴伟业仪器有限公司）内进行热解炭化，稳定热解温度分别为300、500、700 ℃，升温速率为15 ℃/min，保温时间为2 h，冷却至室温后，研磨，过100目（0.15 mm）筛后分别密封保存，做好标记备用。

1.2.2 试验过程

采用完全随机区组试验设计，设置生物炭10个处理（表1），分别为3个热解温度（300、500、700 ℃），3个pH值（5、7、9）的9个组合处理和1个空白对照（不施加生物炭），共30个盆栽。盆直径0.40 m，高0.39 m，每盆种植3穴水稻。在试验开始之前，取稻田表层土壤，经晾晒、去杂、过筛等处理后，按照每盆30 kg标准装盆（干土质量），再将烧制好的300、500和700 ℃热解温度稻草生物炭用硫酸（1 mol/L）酸化48 h，用清水冲洗，再酸化再冲洗，直到生物炭pH值洗到5、7、9三个水平，在插秧前1 d施生物炭和基肥，按照20 t/hm2的用量标准折算生物炭，期间保持水层不超过3 cm，并进行手工翻地，保证生物炭与0～10 cm之间土混合均匀；氮磷钾肥分别选用包括尿素（以纯N计）5.48 g/盆，过磷酸钙（以P2O5计）7.54 g/盆和氯化钾（以K2O计）3.14 g/盆，基肥（2019年6月10日、2020年6月9日）、分蘖肥（2019年6月23日、2020年6月24日）和穗肥（2019年7月22日、2020年7月26日）3次施肥比例分别为4:4:2、1:0:0和5:0:5。其他病、虫、杂草等管理按照当地管理方式。2020年重复2019年试验，且不换土。

表1 试验处理设置 Table 1 Experimental treatment settings

1.3 测定指标

1.3.1 生物炭CEC的测定

生物炭阳离子交换量的测定采用乙酸铵法[25]。称取过100目（0.15 mm）筛的生物炭0.20 g，先用pH值为7.0的1 mol/L乙酸铵溶液离心（3 500 r/min）、淋洗生物炭3次，每次60 mL；再用无水乙醇离心（3 500 r/min）、淋洗生物炭3次，每次60 mL；最后用蒸馏水将生物炭淋洗过滤，收集滤液并用AA3连续流动分析仪（德国SEAL公司）测定溶液中NH4+浓度，计算生物炭的CEC

式中CEC为阳离子交换量，cmol/kg；C为测定样品中的NH4+-N浓度，mg/L；m为称取的生物炭质量，g。

1.3.2 氨挥发样品采集

使用密闭气室间歇式抽气法[26]测定稻田土壤氨气挥发量，装置如图2所示。在尿素施加后第1周，每隔24 h采样1次，每次采气时间为2 h，以这2 h的通量值作为当天氨挥发的平均通量计算全天的氨挥发量；施肥后2～3周，每隔2～3 d采集1次气体；当氨气排放量明显下降后，取样间隔延长至5～7 d，直至水稻收获。将洗气瓶中的硼酸带回实验室，使用全自动凯氏定氮仪（BUCHIK-360，瑞士步琪公司）测定收集氨挥发的硼酸溶液的耗酸量，然后按照如下公式计算：

式中VNH3-N为单位时间单位面积上氨挥发通量（以纯氮计），kg/(hm2·d)；V为滴定样品时所用标准酸溶液的体积，mL；V0为滴定空白时所用标准酸的体积，mL；c为标准酸溶液的浓度，mol/L；A为采气装置的横截面积，m2；D为每次采集氨挥发的时间，d。对时段内的氨挥发通量进行内插积分求和即为本时段内稻田氨挥发损失量。

1.3.3 田面水水样采集

在施肥后第1、2、3、5、7天采集田面水水样，第2～3周每隔3 d取一次样，之后每隔5～7 d取1次样，每次使用注射器抽取50 mL。用AA3连续流动分析仪对田面水铵态氮含量进行测定。

1.3.4 水稻产量

水稻成熟后单打单收、单独脱粒，按照14%标准含水率折算计产。

1.3.5 水稻氮素累积和土壤氮素残余量

秋收后，水稻茎、叶和穗，经冲洗、分解、分装和杀青（105 ℃，0.5 h）等过程后70 ℃烘干至恒质量，称质量计量。粉碎、过80目筛（0.20 mm）、充分混合后，分别称取茎、叶和穗样品0.20 g，采用浓H2SO4-H2O2法进行消煮；水稻收割后，在每个盆栽中按0～10和>10～20 cm两个土层取样，将采集的土样风干后粉碎至粉末状，称取2.0 g进行消煮。采用全自动凯氏定氮仪（BUCHIK-360，瑞士步琪公司）测定消煮液中的氮浓度。各部分干物质量与氮素含量乘积之和为水稻地上部氮素积累量。

1.4 数据分析

2年试验数据分别采用单因素完全随机试验设计模型单独进行方差分析，使用R软件实现。不同处理事后均值差异检测采用Tukey’s HSD方法，显著性水平为P<0.05。采用Origin 2019进行作图。生物炭处理与稻田氨挥发影响因子关联分析使用结构方程模型，采用R语言lavaan软件包实现[27]。

2 结果与分析

2.1 不同热解温度和酸化水平处理对稻草生物炭CEC的影响

不同热解温度和酸化水平下生物炭的CEC如表2所示。由表可知，热解温度和酸化水平对稻草生物炭CEC影响显著（P<0.05）。未经过酸化处理的稻草生物炭CEC分别为46.30 cmol·kg-1（300 ℃）、36.07 cmol·kg-1（500 ℃）和31.38 cmol·kg-1（700 ℃），经过酸化处理后，相同酸化水平下，CEC随热解温度升高显著上升（P<0.05）。较之300 ℃，500 ℃和700 ℃稻草生物炭的CEC分别提高75.57%和14.43%（pH值=5）、83.72%和25.81%（pH值=7）、42.49%和16.41%（pH值=9）。较之热解温度，酸化水平高低对稻草生物炭CEC的影响更为明显。相对于P5，P9水平稻草生物炭的CEC显著提高81.15%（300 ℃）、47.02%（500 ℃）、49.56%（700 ℃），P7水平生物炭的CEC显著提高34.62%（700 ℃）。

表2 不同热解温度和酸化水平制备的生物炭CEC Table 2 Biochar CEC prepared at different pyrolysis temperatures and acidification levels

2.2 不同热解温度和酸化水平稻草生物炭对田面水-N浓度的影响

不同热解温度和酸化水平生物炭处理下田面水NH4+-N浓度变化如图3所示。

稻田全生育期内田面水NH4+-N浓度在0.01～66.28 mg/L之间变化，峰值均出现在施肥后的1～3 d内。不同生物炭处理对基肥期、分蘖肥期和穗肥期田面水NH4+-N峰值和均值浓度的影响见表3。由表可知，除穗肥期外，不同施肥期的田面水NH4+-N浓度峰值受稻草生物炭的热解温度和酸化水平影响显著（P<0.05），与对照组相比，呈现出随二者水平的提高而降低的趋势。酸化水平为5时，700 ℃生物炭显著降低NH4+-N浓度峰值16.90%（基肥期）、35.60%（分蘖肥期），500和300 ℃生物炭分别降低23.85%和18.19%（分蘖肥期）；酸化水平为7时，700 ℃生物炭显著降低NH4+-N浓度峰值32.23%（分蘖肥期）；酸化水平为9时，300 ℃和500 ℃生物炭分别显著提高田面水NH4+-N浓度16.85%、12.81%（基肥期）和24.55%、22.16%（分蘖肥期），700 ℃生物炭只在分蘖肥期显著提高了田面水NH4+-N浓度14.15%。就平均值而言，只有700 ℃生物炭在分蘖肥期显著降低田面水NH4+-N浓度24.08%（pH值=5）和25.04%（pH值=7）。

表3 不同生物炭处理下的肥期田面水NH4+-N浓度峰值和均值 Table 3 Peak and mean values of NH4+-N concentration in surface water during fertilization periods

2.3 不同热解温度和酸化水平稻草生物炭对稻田氨挥发的影响

2.3.1 不同酸化水平生物炭对稻田氨挥发的影响

3个热解温度条件下，不同生物炭酸化水平的稻田生态系统2019和2020年全生育期氨挥发通量动态曲线如图4所示。3个热解温度不同生物炭酸化水平下，稻田生态系统氨挥发通量均出现3个明显的峰值，分别发生在施肥后的1～3 d左右。平均而言，3次施肥后5、10和20 d内氨挥发总量分别占全生育期氨挥发总量的63.2%、77.0%和92.9%（2019），55.9%、72.9%和92.2%（2020）。整个水稻生长季，不同热解温度下氨挥发通量随生物炭酸化水平的提高而降低，在施肥后的5 d内效果尤为明显。

不同酸化水平的稻草生物炭对肥期氨挥发损失的影响见表4，不同施肥期（2019年3个施肥期、2020年基肥期）稻田氨挥发损失量差异明显（P<0.05）。2019年表现为分蘖肥期氨挥发量较大，而2020年为基肥期氨挥发量较大。从3个施肥期的氨挥发总量来看（2019），偏酸性生物炭对氨挥发的抑制效果要明显好于中性，700 ℃水平下，酸化水平为5的处理氨挥发显著减少了31.76%（分蘖肥期）；同时不管热解温度如何改变，酸化水平为9的处理显著增加了氨挥发损失19.54%～68.60%（基肥期和分蘖肥期）。2020年中，在700 ℃水平下，酸化水平为5和7的处理显著减少了氨挥发14.27%和12.97%（基肥期）。本试验中供试土壤的pH值在7左右，不同酸化水平的生物炭改变了土壤pH值，酸碱反应带来的石灰效应导致氨挥发随生物炭pH值的升高而增大。由此可见，稻草生物炭的酸化水平对氨挥发的排放具有显著影响，施加酸性改良的生物炭更能抑制稻田系统中氨挥发的排放。

表4 不同生物炭处理下稻田生态系统3个施肥期的氨挥发损失量 Table 4 Ammonia volatilization loss in paddy ecosystem during three fertilization periods under different biochar treatments

2.3.2 不同热解温度生物炭对稻田氨挥发的影响

3种酸化水平下，不同热解温度生物炭处理稻田生态系统2019和2020年全生育期氨挥发通量动态变化曲线如图4所示。由图4可知，在酸化水平为5和7的条件下，2 a氨挥发最大值均表现出300 ℃>500 ℃>700 ℃；但在酸化水平为9的条件下，不同年份间的趋势存在差异。

不同热解温度的稻草生物炭处理对不同施肥期氨挥发损失量的影响见表4。由表4可知，与空白处理相比，当酸化水平为5时，700 ℃生物炭处理显著降低氨挥发损失31.76%（2019，分蘖肥期）、14.27%（2020，基肥期）；酸化水平为7时，700 ℃处理显著降低氨挥发损失12.97%（2020，基肥期）；酸化水平为9的条件下，3个热解温度处理均显著增加了基肥期和分蘖肥期的氨挥发损失（2019），这是因为此时的氨挥发主要受生物炭酸化水平的影响，热解温度对其贡献相对较小。

2.3.3 不同热解温度和酸化水平生物炭对稻田全生育期氨挥发损失的影响

生物炭的热解温度和酸化水平对稻田全生育期氨挥发的影响见表5。不同生物炭处理稻田氨挥发总量在30.27～52.10 kg/hm2（2019）、30.25～38.00 kg/hm2（2020）之间，占总施氮量（200 kg/hm2）的15.14%～26.05%、15.10%～19.00%。2 a试验结果表明，生物炭的热解温度和酸化水平对氨挥发有显著影响（P<0.05）。分析表明（表5），酸化水平为9的处理氨挥发损失总量在48.27～52.10 kg/hm2（2019）、35.65～38.00 kg/hm2（2020）之间，较之无生物炭处理（CK），显著增加28.15%～38.01%（2019，C300P9、C500P9、C700P9），9.79%（2020，C300P9）；C700P5处理显著减少了22.93%（2019），12.61%（2020）的氨挥发损失；C500P5、C500P7和C700P7处理显著减少了12.21%、7.74%和8.83%的氨挥发损失（2020）。由此可见，适当提高稻草生物炭的热解温度和酸化水平，能够有效降低稻田氨挥发损失。

表5 2019和2020年不同处理下稻田全生育期总氨挥发损失量 Table 5 Total ammonia volatilization loss in the whole growth period of paddy field under different treatments in 2019 and 2020

2.4 不同热解温度和酸化水平稻草生物炭对水稻地上部氮素累积量和产量的影响

不同生物炭处理对水稻地上部氮素累积和土壤氮素残余量的影响见表6。2 a试验结果表明，生物炭的热解温度及酸化水平对水稻地上部氮素积累量有显著影响（P<0.05）。由表可知，与CK处理相比，酸化为5水平下，700 ℃生物炭处理提高水稻地上部氮素积累量16.80%（2019）和24.84%（2020），500 ℃生物炭处理提高9.10%（2019）；酸化7的水平下，700 ℃处理提高地上部氮素积累量15.63%（2019）、15.41%（2020）；酸化为9水平下，不管如何改变热解温度，其地上部氮素积累量均无显著性差异。土壤氮素残余含量受生物炭的热解温度影响显著（P<0.05）。与CK处理相比，两年间300 ℃生物炭在3种酸化水平下显著提高土壤氮素残余量14.55%～28.64%；500 ℃生物炭在P5和P7水平下分别提高19.85%和17.85%（2020），700 ℃生物炭在P5和P9水平下分别提高15.80%和13.19%（2020）。

2 a试验结果一致表明，不同热解温度和酸化水平制备的生物炭对水稻产量有显著影响（表6）。偏酸性搭配高温热解的生物炭增产效果显著（P<0.05）。与不施加生物炭处理相比，酸化水平为5的生物炭处理在两年间增产12.31%～13.50%（700 ℃）；酸化水平为7的生物炭处理两年间增产9.92%～12.72%（700 ℃）；酸化水平为9的（300 ℃、500 ℃、700 ℃）处理两年间对产量均无显著性影响。

表6 水稻地上部氮素积累及土壤氮素残余量 Table 6 Aboveground nitrogen accumulation and soil nitrogen residual amount of rice

2.5 生物炭处理与稻田氨挥发影响因子关联分析

为了明晰不同生物炭处理对氨挥发的影响机制，采用结构方程模型来剖析生物炭热解温度和酸化水平与氨挥发多个响应因子的因果关系（图5，路径系数B表示两变量间因果关系的强弱）。

由图5可以看出，与不同热解温度的生物炭CEC相比，酸化水平对田面水中NH4+-N浓度影响更为显著，B达到了0.87，说明在稻田生态系统中，稻草生物炭的酸碱性对氨挥发的影响要远大于其热解温度（CEC）。虽然碱性生物炭（pH值=9）具有更高的CEC，但将其施入土壤后，强烈的酸碱反应带来的石灰效应导致稻田土壤中的氨大量挥发，其CEC对氨挥发的贡献较小；氨挥发受生物炭酸化水平（B=0.91）和田面水NH4+-N浓度（B=0.89）影响显著，表现出强烈的正相关性；氨挥发损失同水稻地上部氮素积累量（B=-0.75）和产量（B=-0.88）呈显著负相关，说明过多的氨挥发损失必然导致水稻地上部分氮素含量的下降，最终影响水稻产量（B=0.90）。由此可知，中、酸性改良搭配高温热解生物炭（C700P5、C700P7）主要由于酸化后显著降低稻草生物炭pH值，抑制其石灰效应，降低了田面水中NH4+-N浓度，进而抑制氨挥发、减少了氮素损失，最终提高了水稻地上部的氮素积累量，实现水稻增产。

3 讨 论

3.1 热解温度和酸化水平控制对生物炭CEC、田面水-N浓度和稻田氨挥发的影响

CEC是衡量生物炭化学吸附能力的重要指标。相关研究表明，随着热解温度的升高，生物炭表面酸性官能团减少，CEC下降[28]；也有研究表明，稻草生物炭对水溶液中NH4+的吸附作用随热解温度的增加而持续增高[29]。本研究支持前者观点，但本研究进一步发现，用1 mol/L硫酸进行酸化处理后，稻草生物炭CEC随热解温度提升而显著增加。这可能是由于在酸化的过程中表面引入了更多的酸性官能团[30-31]，此时高温热解使酸化后的生物炭具有更大的比表面积和更丰富的孔隙结构，物理结构吸附性能更强[32-33]，对NH4+的吸附作用更强。但稻草生物炭酸化后，其CEC随着pH值降低（酸化程度越高）而逐渐降低。因为在酸性条件下，H+同NH4+又存在竞争关系，pH值越小，H+浓度越大，NH4+吸附量越小。

在稻田众多氮素损失途径中，氨挥发是土壤系统中氮肥损失的主要途径之一。本研究中氨挥发损失占施氮量的15.14%～26.05%，在正常稻田氨挥发损失范围内[34-36]，但结果偏高，主要因为在本试验中没有渗漏，因而没有氮素淋失。氨挥损失发生在施肥后的10 d左右，3次施肥后5、10和20 d内氨挥发总量分别占全生育期氨挥发总量的63.2%、77.0%和92.9%（2019年），55.9%、72.9%和和92.2%（2020年）。这同Sun等[37]研究氨挥损失发生在3次施肥后的10 d内，并且占氨挥发总损失80%以上基本一致。目前生物炭的直接应用对稻田生态系统氨挥发的影响有促进、降低和无影响等3种不同的观点[10-14]。本研究结果表明，生物炭对稻田氨挥发影响主要受到其pH值和CEC的正负双重作用所调控，石灰效应明显，则表现为促进氨挥发；CEC吸附作用明显则表现为抑制氨挥发。本研究通过对稻草生物炭进行酸化水平和热解温度的调整，并进行大田试验发现，碱性稻草生物炭（pH值=9）直接应用于稻田（土壤pH值为7.04），不管热解温度如何，均体现出较强烈的石灰效应，会加大氨挥发损失；而将偏酸性或中性的稻草生物炭配合提高热解温度，可降低石灰效应，同时提高稻草生物炭CEC，能够进一步激发其正面调控作用，降低氨挥发损失（表5）。

另一方面，将稻草生物炭应用在中性稻田土壤中，强大的石灰效应必会加剧当年稻田氨挥发。2019年达总施氮量的24%，较不施生物炭处理高25%。2020年尽管氨挥发占比仍达到18%，但较不施生物炭处理仅仅高1%。由此可见，氨挥发随着生物炭应用年限的增长，其石灰效应有明显减弱的趋势。同时本研究中的结构方程模型也表明，氨挥发不仅同生物炭的pH值和CEC有关，还同田面水NH4+-N浓度有关。本研究表明，田面水中氮素主要以NH4+-N形态存在，NH4+-N浓度影响稻田氨挥发，其NH4+-N浓度同氨挥发动态变化曲线完全一致（图3）。生物炭对氨挥发的影响，还体现在其对田面水NH4+-N浓度的调控作用（表3）。生物炭显著降低了稻田基肥期和分蘖肥期的田面水NH4+-N峰值浓度，对施肥10 d后均无显著影响。生物炭pH值对氨挥发的影响要远大于其CEC，当前市场稻草生物炭热解温度多采用500 ℃，其pH值大多在9.0～10.5之间，若能对其进行一定的酸化处理，再配合提高热解温度，以此来降低稻草生物炭强大的石灰效应，可充分激发其降氨潜能，加大生物炭对稻田生态系统氨挥发调控的正效应。

3.2 不同热解温度和酸化水平的稻草生物炭对水稻产量的影响

相关研究表明，生物炭的施入能促进水稻根系生长，增加水稻根系的活跃吸收面积，进而提高水稻吸收养分的能力，增加水稻产量[38]。本研究表明，生物炭显著提高了收获期水稻地上部氮素积累量，与其结论一致。过多的氨挥发损失必然导致稻田生态系统中可供水稻吸收利用的氮素减少，进而影响水稻的生长发育和产量的形成，偏酸性或中性的稻草生物炭施入到中性稻田土壤中，因其降低了石灰效应，能明显减弱施用生物炭带来的负面效应；同时高温热解的稻草生物炭具有较大的孔隙结构和比表面积，物理结构吸附和阳离子交换能力更强，不仅能吸附稻田水土系统中的NH4+-N，减少氨挥发损失，还能提高水稻对氮素的吸收利用，为水稻生长发育提供了良好的养分条件。相关研究表明，生物炭能够显著提高作物的氮素利用效率[39]，使作物平均增产10%左右[40]。本研究表明，中性稻田增施稻草生物炭可以提高产量，提高水稻地上部的氮素积累量，酸化水平为5、热解温度为700 ℃的生物炭增产效果最好。也有研究表明，稻草生物炭（pH值=9～12）不经酸化处理直接施入稻田土壤（pH值=5～6），提高其热解温度也可以显著增加水稻产量[41]，但在本试验中，碱性水平下不管如何改变生物炭的热解温度，均没有达到显著增产的结果，这可能与土壤酸碱性、本底值和气候条件等密切相关，因此有关生物炭的热解温度和酸化水平对水稻产量的影响研究，应围绕不同土壤条件，水分调控机制和多种养分运移同步进行，进而确定生物炭对产量构成因子的影响。

4 结 论

本文以不施生物炭为对照，研究不同热解温度和酸化水平制备的生物炭对田面水NH4+-N浓度、氨挥发和产量的影响。主要结论如下：

1）水稻全生育期内田面水NH4+-N浓度在0.01～66.28 mg/L之间变化，C700P5（酸化水洗pH值=5，热解温度为700 ℃）处理对中性稻田的田面水NH4+-N峰值浓度控制效果最为明显，分别降低基肥期和分蘖肥期NH4+-N峰值浓度16.90%和35.60%。

2）2 a稻田全生育期氨挥发损失量为30.27～52.10 kg/hm2，占施氮量的15.14%～26.05%。C700P5处理显著降低氨挥发12.61%～22.93%。稻田氨挥发损失55.9%～92.9%都发生在施肥后的5～20 d内，这段时间是采取有效措施控制氨挥发损失的关键时期。

3）稻田增施生物炭能够显著提高水稻产量，两年间均为C700P5处理产量最高，其增产原因是减少了稻季氨挥发损失，降低了氮素损失，提高了水稻的氮素利用效率。

4）生物炭对稻田氨挥发的影响具有多面性。其降氨原因不能完全归结于对NH4+的交换作用和土壤酸碱环境的调节，还与生物炭提高土壤持水保肥特性和促进硝化、反硝化作用有关，因此仍需进一步研究生物炭的热解温度和酸化改性在大田中的应用。