化肥减量配施生物炭和秸秆对砂姜黑土区水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响

关键词 化肥减量； 生物炭； 秸秆还田； 养分吸收； 土壤碳； 水稻

施用化肥作为农业生产的基础，是保障作物产量和粮食安全必不可少的措施［1］，然而，长期不合理的化肥投入也导致肥料利用率低下、资源浪费、大气和水体污染以及生物多样性降低等一系列资源环境问题［2-3］，严重制约了我国现代农业绿色可持续发展。因此，在保障国家粮食安全的前提下，如何通过科学合理的养分管理措施来实现化肥减量提质增效与生态环境安全的协同发展，是现代农业高质量发展迫切需要解决的重大问题之一［4］。

有机养分替代部分化肥作为农业减肥增效绿色生产的重要措施，在提升土壤质量、促进作物稳产高产、改善农田生态环境等方面具有积极影响，是促进农业绿色可持续发展的有效途径之一［5］。秸秆是农田生态系统一种重要有机养分资源，除富含纤维素、半纤维素、木质素和糖类等有机能源外，还含有作物生长所必需的氮、磷、钾和中微量营养元素，合理的秸秆还田不仅可以有效替代部分化肥，而且还有利于提高土壤肥力，改善土壤结构与功能、稳定作物产量、促进农田固碳减排［6-8］。生物炭是农林废弃生物质在缺氧或有限氧条件下经亚高温（lt; 700 ℃） 热解碳化过程而形成的孔隙结构发达、比表面大、理化性质稳定的富碳物质，其在改善土壤性状和固碳减排，提高作物产量及肥料利用率等方面具有多重效益，已逐步在农业生产中广泛利用［9-11］。然而，由于作物产量以及土壤特性对生物炭和秸秆还田的响应，受气候条件、替代比例、土壤类型、种植作物以及试验周期等各种因素的影响较大［7，9-12］，在实际生产中，具体到特定的地域和生产体系，对生物炭和秸秆的作用效果评估还需要进行针对性更强的科学试验。

沿淮平原地处我国南北气候过渡带、地势平坦、光温水热资源丰富，是我国重要的粮食生产区，在保障国家粮食安全中占有极其重要的地位。水稻-小麦轮作是该区域的主要种植模式，水稻种植主要以中熟中粳水稻品种为主，化肥投入采取的是“高投入、高产出”的管理模式，不仅浪费了资源，而且对生态环境造成了不利的影响。同时，砂姜黑土是该区域广泛分布的一类中低产田，养分瘠薄、结构性能差、功能微生物缺乏等问题使得该地域自然资源优势、土壤生产潜力不能充分发挥［13］。因此，如何保证该类中低产田在产量稳步提升的前提下兼顾化肥减施增效值得关注。鉴于此，本研究连续2 a 在砂姜黑土区开展试验，以常糯1 号为材料，研究化肥减量配施秸秆和生物炭对水稻产量、养分吸收、土壤总有机碳和微生物量碳等的影响，明确秸秆和生物炭在砂姜黑土区的节肥增产效果，探讨其调控土壤碳库的内在机制，旨在为该区域养分资源高效管理和秸秆资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究在沿淮平原典型稻麦轮作区的安徽省蚌埠市怀远县淮西现代农业示范区（117° 04′12″E，32°58′58″N）开展田间试验。该区域属于典型的暖温带半湿润季风气候区，年均气温15.3 ℃，年均日较差9.1 ℃，日照时数2 206 h，无霜期218 d，年均降水量874.6 mm，年内降水分布不均匀，多集中在6-8月。试验田种植制度为水稻-小麦轮作，土壤为潜育型水稻土砂姜黑土，2018 年6 月试验前0～20 cm 耕层土壤基本理化性状：pH（m 水∶m 土=2.5∶1） 6.27，有机质21.4 g/kg，全氮1.4 g/kg，碱解氮97.7 mg/kg，Olsen-P 18.5 mg/kg，速效钾104.9 mg/kg，CEC251.3 mmol/kg。

1.2 试验设计

试验于2018 和2019 年连续2 a 在水稻季开展，共设置5 个处理：①不施肥（CK）；②常规施肥（100%NPK）；③化肥减量20%（80% NPK）；④化肥减量20%+秸秆（80% NPK+S）；⑤化肥减量20%+生物炭（80% NPK+B），每个处理设3 次重复，随机区组设计，每个小区面积为 6.5 m×4 m。试验中常规施肥处理氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的用量分别为225、90、90 kg/hm2，此用量是周边92 户农民平均施肥量。肥料品种为尿素（含N 46.2%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）和氯化钾（含K2O 60%），其中氮肥分别按基肥、分蘖肥和穗肥40%、30% 和30% 施用，磷钾肥作为基肥一次性施入（表1）。小区间以宽50 cm、高30 cm 的泥埂隔开，用厚质农膜包裹泥埂并压至犁底层以下防止串水串肥，实行单灌单排。本试验中秸秆和生物炭的用量主要是根据当地小麦秸秆还田投入量（6 000 kg/hm2）设置的，生物炭等碳量还田（表1）。小麦秸秆主要养分含量平均为：C 42.8%、N1.82 g/kg、P 0.91 g/kg、K 6.92 g/kg。生物炭由河南三利新能源公司提供，是以小麦秸秆为原料，在500 ℃热裂解1 h 制作而成，主要养分含量平均为：C52.3%、N 4.4 g/kg、P 6.2 g/kg、K 50.6 g/kg，pH 值平均为9.37。以当地主栽水稻品种“常糯１号”为供试材料，秧苗于每年6 月上旬移栽，10 月下旬收获。上茬小麦收获后将秸秆全部移出，粉碎成5 cm 左右的小段备用。水稻移栽前，将秸秆或生物炭撒匀于相应处理的小区，立即用耙翻耕约5 cm 深的土层内，且搅浆均匀，随后进行施肥移栽等，其他田间栽培管理措施与当地大田保持一致。

1.3 样品采集与测试方法

1）水稻产量及地上部生物量的测定。于水稻成熟期，每个小区随机选取5 蔸水稻植株，用不锈钢剪刀从根茎结合部剪断取其地上部分，待水稻植株自然风干后脱粒、称质量，计算草谷比，为了缩小草谷比的计算偏差，水稻籽粒和秸秆均自然风干至恒质量，保证两者在含水率上的一致性。所有小区均全部实收计产，收割后脱粒称质量，用谷物水分测定仪测定籽粒含水率，按照 14.5% 含水率折算籽粒产量。

2）植株养分的测定。2019 年水稻收获后，将采集的水稻植株样品分器官（籽粒和茎秆）于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，磨碎过0.25 mm 标准筛后用于测定籽粒和茎秆的养分含量。样品经H2SO4-H2O2 消化后，分别用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定水稻籽粒和茎秆氮、磷、钾含量［ 14］，氮磷钾含量均以各部位烘干质量为基数表示。

3）土壤理化性状的测定。试验开始前，以整个试验田块为采样单元，采用“S”法采集 0～20 cm 耕层土样，用于测定土壤基础理化性状。2019 年水稻收获后，以每个试验小区为采样单元，采用“S”法采集0～20 cm 深度5 个位点土壤混合成1 个样品，作为试验结束后土壤样品。采集的土壤样品剔除杂质后，过2 mm 筛，分成2 部分，一部分风干过筛，供理化性质分析用；另一部分储藏于4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物量碳（MBC）的含量。土壤基本理化生化性质测定方法［15-16］如下：土壤pH 采用酸度计法测定（m 水∶m 土=2.5∶1）；土壤有机质和总有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；土壤全氮采用浓H2SO4消化-凯氏定氮法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤Olsen- P 采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用 1 mol/LNH4OAc 浸提- 火焰光度法测定；土壤CEC 采用BaCl2-MgSO4 法测定；土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸-K2SO4 溶液浸提法测定。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2021 进行整理和绘图，使用SPSS19.0 软件进行统计分析，并采用最小显著性法（LSD）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施生物炭和秸秆对水稻产量和地上部生物量的影响

各处理的水稻产量及地上部生物量见表2。由表2 可见，所有施肥处理水稻产量和地上部生物量均显著高于不施肥处理（CK）（Plt;0.05），增加幅度分别为45.1%～56.4% 和49.9%～60.7%。所有施肥处理中，化肥减量20% 配施生物炭（80% NPK+B）处理的水稻产量、地上部生物量均最高，较常规施肥100% NPK处理分别显著增加5.2%和4.7%（ Plt;0.05），较80% NPK 处理，分别显著增加7.9% 和7.2%（Plt;0.05）。化肥减量20% 配施秸秆（80%NPK+S）处理与100% NPK 处理相比，水稻产量和地上部生物量分别增加3.4% 和3.0%，第1 季差异不显著（Pgt;0.05），第2 季差异达显著水平（Plt;0.05），较80% NPK 处理，水稻产量和地上部生物量差异均达显著水平（Plt;0.05）。80% NPK+S 和 80%NPK+B 处理间水稻籽粒和地上部生物量无显著差异（Pgt;0.05）。另外，化肥减量20%（80% NPK）处理与100% NPK 处理相比，2 季水稻产量、地上部生物量平均仅分别减少2.5% 和2.4%，且差异未达显著水平（Pgt;0.05）。综合2 季试验结果，水稻连续2 季化肥减量20%，其产量和地上部生物量均与常规施肥处理差异不大，在沿淮砂姜黑土稻作系统适当减少化肥用量不会显著影响水稻产量，在化肥减施20% 的条件下增施生物炭或者秸秆对水稻产量的提高均有促进作用，且生物炭较秸秆直接还田的增产效果更明显。

2.2 化肥减量配施生物炭和秸秆对水稻成熟期养分吸收的影响

1）氮素吸收。由图1 可见，水稻成熟期所有施肥处理的水稻籽粒和秸秆含N 量均较CK 处理显著提高（Plt;0.05），这说明单施化肥、化肥与秸秆或生物炭配施均可显著促进水稻对氮素的吸收。所有施肥处理中，80% NPK+B 处理的水稻籽粒、秸秆含N 量最高，显著高于100% NPK 和80% NPK 处理（Plt;0.05），这说明，化肥减量20% 条件下配施生物炭可以显著提高水稻植株含N 量。80% NPK+S 与100% NPK 、80% NPK 相比，籽粒和秸秆含N 量无显著差异（Pgt;0.05）。

由图2 可见，不同处理间水稻籽粒、秸秆和地上部N 素累积量均存在显著差异（Plt;0.05）。单施化肥、化肥与秸秆或生物炭配施均显著提高了水稻籽粒、秸秆和地上部的N 素累积量（Plt;0.05），较CK 处理分别增加了38.60～51.81、31.02～43.52 和69.61～95.34 kg/hm2。所有施肥处理中，水稻籽粒、秸秆和地上部N 素累积量均以80% NPK+B 处理最高，较100% NPK 处理分别显著增加10.0%、10.8% 和10.4%，较80% NPK 处理分别显著增加14.8%、18.7% 和16.5%（Plt;0.05），说明化肥减量20% 配施生物炭可以显著增加水稻的N 素吸收量。与100%NPK 处理相比，80% NPK+S 处理水稻籽粒、秸秆和地上部N 素累积量分别提高6.4%、4.4% 和5.5%，其中籽粒和地上部N 素累积量的差异均达显著水平，并且也显著高于80% NPK 处理（Plt;0.05）。表明在沿淮砂姜黑土区，化肥减量20% 条件下配施生物炭或者秸秆可显著提高水稻对N 素的吸收、同化和转运能力，从而为实现高产稳产奠定基础。

2）磷素吸收。与N 类似，单施化肥、化肥与秸秆或生物炭配施也显著提高了水稻成熟期籽粒和秸秆的磷素含量（Plt;0.05）（图3）。所有施肥处理中，80% NPK+B 处理籽粒、秸秆P2O5含量均最高，显著高于80% NPK 处理（Plt;0.05），与100% NPK 处理相比，也略有增加，但差异不显著（Pgt;0.05）。与100% NPK 处理相比，80% NPK 和80% NPK+S 处理的籽粒和秸秆P2O5含量均显著降低（Plt;0.05）。

由图4 可见，不同处理对水稻籽粒、秸秆和地上部P2O5累积量的影响存在显著差异。施肥显著促进了水稻对磷素的吸收，较CK 处理分别增加了9.25～14.89、5.21～7.80 和14.46～22.69 kg/hm2。所有施肥处理中，80% NPK+B 处理的水稻籽粒、秸秆和地上部P2O5 累积量均最高，均显著高于其他处理（Plt;0.05），较100% NPK 处理分别增加7.8%、6.0% 和7.2%，较80% NPK 处理分别增加25.4%、21.7% 和24.1%。而80% NPK+S 处理籽粒、秸秆和地上部P2O5 累积量均显著低于100% NPK 处理，降低幅度分别为5.8%、6.0% 和5.8%，但显著高于80% NPK处理（Plt;0.05）。由此可见，在沿淮砂姜黑土区，化肥减量20% 条件下配施生物炭可显著提高水稻对磷素吸收能力，而配施秸秆却降低了对磷素的吸收。

3）钾素吸收。由图5 可见，单施化肥、化肥与秸秆或生物炭配施也显著提高了水稻成熟期籽粒和秸秆的钾素含量。与100% NPK 和80% NPK 处理相比，80% NPK+S 和80% NPK+B 处理的水稻籽粒、秸秆K2O 含量均显著提高（Plt;0.05），且80%NPK+B 效果更显著。与100% NPK 处理相比，80% NP 处理的籽粒和秸秆的K2O 含量均表现出下降的趋势，但差异不显著（Pgt;0.05）。

不同处理间水稻成熟期籽粒、秸秆和地上部K2O 累积量均存在显著差异（图6）。施肥显著促进了水稻对钾素的吸收，较CK 处理分别增加了11.14～16.57、77.98～118.53和89.12～135.10 kg/hm2。与100% NPK 处理相比，80% NPK+B 和80%NPK+S 处理籽粒K2O 累积量分别显著增加了17.7% 和12.4%，秸秆K2O 累积量分别显著增加了20.3% 和15.2%，地上部K2O 累积量分别显著增加了20.0% 和14.8%。另外，与100% NPK 处理相比，80% NPK 的籽粒、秸秆和地上部K2O 累积量均表现出降低的趋势，但差异不显著（Pgt;0.05）。由此可见，在沿淮砂姜黑土区，化肥减量20% 条件下配施生物炭或者秸秆可显著提高水稻对钾素的吸收能力，有利于钾素的吸收积累。

2.3 化肥减量配施生物炭和秸秆对土壤碳的影响

1）土壤总有机碳。由图7 可见，经过2 季定位试验，化肥减量20% 配施生物炭或秸秆均有利于水稻成熟期0～20 cm 土层土壤总有机碳含量（TOC）的提升。80% NPK+B 和80% NPK+S 处理的土壤TOC 含量较100% NPK 处理（12.60 mg/kg）分别增加了10.5% 和5.1%，较80% NPK 处理（12.12mg/kg）分别显著增加了16.2% 和9.6%（Plt;0.05）。另外，各施肥处理的土壤TOC 含量较CK 处理（10.42 mg/kg）均显著提高（Plt;0.05），增加幅度为16.3%～ 35.1%。

2）土壤微生物量碳。图8 显示，经过2 季定位试验，化肥减量20% 配施生物炭或秸秆均显著提高了水稻成熟期0～20 cm 土层土壤微生物量碳（MBC）的含量。80% NPK+S 和80% NPK+B 处理的土壤MBC 含量较100% NPK 处理（29.1 mg/kg）分别显著增加了23.9% 和18.7%（Plt;0.05），较80% NPK 处理（26.1 mg/kg）分别显著增加了46.6% 和37.2%（Plt;0.05）。各施肥处理与CK 处理相比，土壤MBC的含量均显著增加（Plt;0.05），增加幅度为66.2% ～143.6%。

3 讨论

3.1 化肥减量配施生物炭和秸秆对水稻产量的影响

作物产量是品种、土壤特性、气候、施肥和栽培管理措施等多因素综合作用的结果，也是农业持续发展的重要评价指标。关于生物炭和秸秆还田对水稻产量的影响，目前大部分研究结果表明，生物炭和秸秆还田对水稻产量的提升具有明显的促进作用［17-19］，也有少部分研究显示，对水稻产量没有影响或影响不显著，甚至出现减产的现象，如Zhao 等［20］研究认为，与秸秆不还田相比，秸秆还田均未对水稻产量产生显著影响；张斌等［21］报道，相同氮肥处理下，连续2 a 施用生物炭对水稻产量基本没有影响。生物炭和秸秆对水稻产量的效应存在差异，可能与原料特性、土壤类型、替代比例、气候条件、肥料运筹以及试验周期等因素有关［7，11，22-23］。本研究结果表明，化肥减量20% 条件下配施生物炭或秸秆有利于维持水稻产量的高产或稳产。原因可能在于：（1）生物炭和秸秆在一定程度上可以改善土壤结构和生物学特性，增加土壤通透性，改善根际环境，增强根系活力，进而促进水稻生长发育［7， 22-24］；（2）秸秆和生物炭本身含有丰富的有机成分和营养元素，是土壤养分的有效补给源。本试验中，施用生物炭直接带入到土壤中的主要养分分别为N 10.9 kg/hm2、P2O5 12.5 kg/hm2、K2O 50.0 kg/hm2，小麦秸秆还田带入的主要养分分别为N 21.6 kg/hm2 、P2O5 69. 6 kg/hm2、K2O 299.1 kg/hm2。（3）生物炭丰富的多微孔结构以及较大的比表面积对氮、磷等营养元素有吸附固持和缓释效应，增强了水稻生育后期养分的持续供应性能，提高了肥料利用率，进而促进了水稻生长发育［22］。然而，水稻产量对生物炭和秸秆的响应，取决于气候条件、替代比例、土壤类型、种植作物体系以及试验周期等各种因素的综合影响。因此，对于生物炭和秸秆增产或减产的效果和机制研究仍需要多生态点位的长期定位试验。

3.2 化肥减量配施生物炭和秸秆对水稻养分吸收的影响

氮、磷是植物体内核酸、氨基酸、磷脂等许多重要化合物的成分，钾则参与植物的新陈代谢，这3 种营养元素对于作物的生长发育与产量形成起着至关重要的作用，其含量的多少及耦合状况，可以从侧面反映出作物的生长发育和养分利用状况，并将会直接影响水稻的产量［25］。本研究结果表明，与常规施肥相比，化肥减量20% 配施生物炭显著提高了水稻地上部氮、磷和钾养分积累量，特别对钾元素的提升效应更为显著，这与许多学者的研究结果［12，19，26-28］一致。生物炭对水稻氮磷钾养分吸收的促进作用，首先得益于其丰富的微观孔隙结构和巨大的比表面积，通过改善土壤结构与生物学特性、提高土壤有机碳含量、增加土壤pH 值和阳离子交换量、吸附固持养分等途径改善根际环境，提升根系活力，进而促进水稻对氮磷钾等养分的吸收［22-23］；其次，生物炭和秸秆自身所携带的丰富的养分，能够作为土壤养分的有效补充，大大提高了土壤对作物养分的供给能力，从而也促进水稻对养分的吸收利用［9，22-24］。化肥减量20% 的条件下，同样作为有机肥源的秸秆尽管显著提高了水稻对氮钾的累积量，但却降低了水稻磷含量及吸磷量，造成这种现象的原因是，一方面本试验所用的小麦秸秆本身含磷量较低，且中稳性有机磷比例较高，其腐解直接释放到土壤中磷以及分泌的有机酸活化的土壤固定态磷不足以弥补磷肥减量引起的磷供应水平的下降［29］，另一方面秸秆类生物炭和秸秆C/P 值较高，易引起磷的生物固持，进而使土壤有效磷含量降低，不利于水稻对磷素的吸收利用［30］。因此，在本区域实施化肥减量措施时，应慎重考虑磷肥的减少比例，以免影响作物对磷素的吸收利用。

3.3 化肥减量配施生物炭和秸秆对土壤固碳的影响

土壤有机碳（SOC）作为土壤质量和土壤肥力的核心，与土壤的物理、化学以及生物学特性密切相关，在土壤养分循环中发挥重要作用［31］。增加外源有机物料的投入是提高土壤有机碳固持、提升土壤肥力的重要手段。本研究结果表明，在沿淮砂姜黑土区，化肥减量20% 配施生物炭或者秸秆均有利于0～20 cm 土层SOC 含量的提高，生物炭效果要优于秸秆，这与前人的研究结果［32-33］一致。原因在于，一方面秸秆和生物炭均是含碳丰富的有机物料，还田后直接增加了外源有机碳的投入；同时，秸秆和生物炭还能促进作物根系生长和干物质累积，进而通过提高作物根系、残茬残留量以及根系分泌物来增加有机碳的投入；另一方面，秸秆和生物炭与化肥配施后有助于土壤团聚化作用以及结构的形成，可为有机碳提供物理保护作用，从而减少微生物对有机碳的矿化分解［ 32，34］。生物炭提高土壤总有机碳含量效果优于秸秆，这是因为秸秆含有大量活性炭（纤维素和半纤维素等），其归还的碳通过土壤呼吸作用损失较多［35］，相比之下，生物炭则具有高度羧酸酯化和稳定的芳香化结构［30，36］，碳有效性较低，具有极强的生物化学稳定性和抗矿化降解能力，施入土壤后通过呼吸作用损失的碳较少，从而有利于有机碳的稳定保存，因此，生物炭和秸秆还田均可以提高土壤有机碳含量，但提高程度存在较大差异。

土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳库中最为活跃的部分，尽管数量少，在调控土壤养分循环方面发挥着十分重要的作用，是衡量土壤生物学肥力的重要指标［32］。本研究发现，化肥减施配合秸秆或者生物炭能够显著增加土壤MBC 的含量，且秸秆还田效果优于生物炭。秸秆还田显著提升土壤MBC 的原因主要在于秸秆中含有丰富的碳、氮、钾及微量元素等养分，可为微生物生长、繁殖提供充足能源和基质，改善了土壤微生物繁育环境条件，从而提高了微生物的活性和数量［37］。尽管生物炭中碳有效性较低，施入土壤仍可显著提高土壤MBC 的含量，原因在于生物炭能够为土壤微生物的生长、繁殖提供充足的养分来源以及良好的栖息地，从而显著增加土壤微生物的数量，并最终改善土壤生物肥力［38］。虽然生物炭和秸秆均可显著增加土壤MBC 的含量，但秸秆对MBC 含量的促进作用要高于生物炭。原因在于秸秆中可溶性物质、纤维素和糖类等可被微生物直接分解利用的碳、氮含量相对较高，而生物炭在制备过程中，活性较高的组分多转化为惰性物质，致使其生物活性降低，因而，生物炭还田条件下对土壤MBC的含量要低于秸秆还田。

综上，砂姜黑土区化肥减量20% 配施生物炭或者秸秆均有利于水稻产量的提高，较常规施肥分别增加5.2% 和3.4%；化肥减量20% 条件下，配施生物炭可显著增加水稻氮、磷和钾养分吸收量，较常规施肥分别提高10.4%、7.2% 和20.0%，配施秸秆可显著增加氮、钾吸收量，但却降低了对磷素的吸收；化肥减量20% 配施生物炭或者秸秆有利于砂姜黑土总有机碳和微生物量碳含量的提升，其中生物炭提高总有机碳含量效果优于秸秆，而秸秆提高微生物量碳含量效果优于生物炭。综合来看，在砂姜黑土区，化肥减量20% 配施生物炭或者氮钾减量20% 配施秸秆可增加或维持水稻产量，提高水稻对养分的吸收能力，利于固碳培肥。