生物炭基肥对水稻土理化性质、作物产量及化肥减量的影响

金惠芳，孔国夫，厉方桢，闻秀娟，肖炳虎，孙叶芳，*，章海波

(1.绍兴市柯桥区柯岩街道事业综合服务中心，浙江 绍兴 312452；2.绍兴市柯桥区柯岩路南粮油专业合作社，浙江 绍兴 312030；3.绍兴市农业科学研究院，浙江 绍兴 312003；4.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300)

由于长期的化肥施用，我国水田土壤出现酸化、有机质减少及养分失衡等退化问题，极大地降低了土壤生产力，制约着水稻增产，危及粮食安全[1]。因此，在改善水田土壤理化性质的同时提高水稻产量，已成为农田土壤-水稻系统面临的现实问题。

生物质炭因多孔、表面积巨大的特性，能够吸附固持土壤主要营养元素，减少养分流失而备受土壤学者青睐[2-4]。炭基肥作为一种以生物质炭为载体的新型肥料，在保证土壤养分平衡供给的同时，兼具生物炭的元素吸附和缓释特性，在烟草[3，5-6]、果树、蔬菜[7-8]等农业生产领域广泛使用[9-10]。目前，农业研究所用的生物炭原料多为农田废弃物，包括秸秆炭、果壳炭及木质炭[11]。秸秆炭以小麦秸秆、花生秸秆和玉米秸秆[12]为主，果壳炭[13-14]以稻壳和花生壳为代表，木质炭则以竹炭[15]为主。受不同原料来源生物炭缓释效果的影响，所开发炭基肥的应用效果也存在明显差异。对南方地区而言，水稻秸秆[16]是极具性价比的生物炭来源，对相应炭基肥的开发及施用，能使农业废弃物得到资源化利用，也能有效减少化肥施用，降低面源污染，实现土壤培肥[17]。绍兴市每年产生的水稻秸秆总量近80 t，如果将秸秆直接还田，病原微生物等进入环境，对生态环境造成严重威胁，因此，以水稻秸秆为原料的炭基肥开发刻不容缓。

然而，目前常用的无机炭基肥以添加大量元素为主，对中微量元素的考虑较少，有机炭基肥虽然含有一定量的中微量元素，但释放比较缓慢，与植物生长并不匹配。因此，将生物炭与有机质、无机养分科学配伍，研究开发针对田块尺度养分失衡的炭基肥，有利于实现农田土壤养分的“因缺补缺”，为农田土壤的培育及优质水稻的生产提供系统性的技术支持，也为化肥减量提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验地位于浙江省绍兴市，属亚热带季风气候，年均气温16.2 ℃，年均降雨量1 335.9 mm，年均蒸发量1 260.7 mm，年均相对湿度75.1%。土壤质地为黏土，属绍兴青紫泥。按常规标准法取样，采样深度为0～20 cm。水稻秸秆在缺氧条件下缓慢升温至500 ℃，热解8 h制得秸秆生物炭，使用前过60目(0.25 mm)筛。复合肥为配方肥(N 20%，P2O510%，K2O 15%)，尿素(N 46%)，硫酸钾(K2O 60%)，有机肥氮磷钾总养分含量为5%。试验水稻品种为嘉禾香1号。

1.2 试验设计

试验地块pH值为5.81，全氮含量为12.5%，全磷含量为0.81 g·kg-1，全钾含量为8.9 g·kg-1，碱解氮含量为116.5 mg·kg-1，有效磷含量为17.6 mg·kg-1，速效钾含量为142 mg·kg-1，有机质含量为2.3%，有效态硫含量为12.53 mg·kg-1，有效态硅含量为371.2 mg·kg-1，有效态钙含量为129.6 mg·kg-1，有效态镁含量为21.6 mg·kg-1，镉、汞、铅、砷、铬含量分别为0.21、0.294、16.7、12.4、43.5 mg·kg-1。磷、钾、硅、硫、钙和镁含量较低，重金属元素含量没有超过风险值，因此，本试验在配制炭基肥时考虑添加钙镁磷肥、硅肥和硫酸镁等，以补充磷、钙、镁、硅等元素。

试验设5个处理，分别为不添加基肥(CK)、生物炭与复合肥配施(IBF)、生物炭与有机肥配施(OBF)、生物炭与复合肥及有机肥配施(OIBF)和生物炭(BC)处理。除CK和BC处理外，其他处理按氮磷钾总养分量168 kg·hm-2施入，其中生物炭用量为总质量的20%，BC处理中生物炭用量为7 500 kg·hm-2。除CK外，所有处理在基肥中加入硫酸镁60 kg·hm-2、硅肥90 kg·hm-2后做成颗粒肥施入试验田中。于播前将各生物炭、炭基肥与土壤耕层混合，本试验设3个重复，随机区组排列。分蘖肥均为180 kg·hm-2尿素，穗肥均为150 kg·hm-2尿素和120 kg·hm-2氯化钾。待水稻收割后采集土壤和植株样品，检测各处理对土壤pH值和土壤有机质、氮、磷、钾、中量元素含量的影响。

1.3 样品预处理及分析

土壤样品经风干、磨细、过100目(0.15 mm)尼龙筛，参照《土壤农业化学分析方法》测定基本理化性质。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010进行处理，为3次重复的平均值；采用SPSS 21.0进行单因素方差分析，差异显著性分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH值和有机质含量的影响

图1显示，4个处理较对照土壤pH值和有机质含量均提高。其中，pH值增加0.13～0.30，生物炭处理对土壤酸碱度影响最大；生物炭与有机肥配施对土壤有机质含量提升效果最明显。

柱子上无相同小写字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。图2～3同。图1 不同处理对土壤pH值和有机质含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil pH value and organic matter content

2.2 对土壤氮磷钾含量的影响

从图2可以看出，4个处理土壤中全氮和碱解氮含量较对照组均增加，均以生物炭与复合肥及有机肥配施增加最为显著。除生物炭处理外，其他3个处理土壤中全磷和有效磷含量较对照均明显增加，均以生物炭与有机肥配施对土壤磷含量的增加效果最显著。此外，除生物炭处理外，其他3个处理土壤中全钾和速效钾含量较对照均明显增加，均以生物炭与复合肥及有机肥配施对土壤钾含量的提升最显著。

图2 不同处理对土壤氮磷钾含量的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil nitrogen，phosphorus and potassium contents

2.3 对土壤中量元素的影响

从图3可以看出，4个处理的土壤有效硫含量较CK均增加，其中无机炭基肥和有机无机炭基肥对土壤有效态硫的增加效果最好。除生物炭处理外，其他3个处理土壤有效硅含量较CK均显著增加，无机炭基肥对土壤有效硅含量的增加效果最好，其次为有机无机炭基肥。4个处理的土壤交换性钙含量较CK组增加，其中无机炭基肥对土壤交换性钙的增加最明显，其次为有机无机炭基肥。土壤交换性镁含量从高到低依次为IBF>OIBF>OBF>BC>CK，且无机炭基肥施入后，土壤交换性镁含量达2.41 mg·kg-1。

图3 不同处理对土壤有效态中量元素含量的影响Fig.3 Effects of different treatments on the content of macroelements in the available state of soil

2.4 对水稻产量的影响

炭基肥的施入对水稻产量有明显提高。从表1可以看出，炭基肥用作基肥后，水稻理论产量提高。有机无机炭基肥施入后，水稻单穗最重，每穗实粒数也最多，结实率也最高，相应的理论产量也最高，达到9 915.0 kg·hm-2，其次为无机炭基肥处理，理论产量居第2位，生物炭处理理论产量增加最少。

表1 炭基肥对水稻产量的影响Table 1 Effect of carbon-based fertilizer on rice yield

2.5 对化肥施用量的影响

将农民习惯施肥[18]与炭基肥施用对比后可以看出(表2)，炭基肥处理减少了化肥使用量。其中，习惯施肥的总量为291.9 kg·hm-2，氮磷钾肥均有施入，氮肥施用量最大。炭基肥处理的化肥施用量为223.8 kg·hm-2，无磷肥施入。

表2 炭基肥施用与习惯施肥的化肥用量比较Table 2 Comparison of the application of carbon-based fertilizer with that of conventional fertilizer

3 讨论

3.1 炭基肥对水田土壤养分含量的影响

生物炭基肥能有效提高水田土壤的营养元素[19]。炭基肥中的生物炭通过络合作用固定尿素中的氨基，有利于提高氮素的固定能力，以静电吸附的形式与铵根离子结合，减少其在土壤中的淋失，降低氮素的释放速率[20-21]。生物炭中的磷可经矿化作用，形成羟基磷灰石和磷酸钙等含磷矿物，通过缓慢的解析作用得以释放，从而提高土壤磷素水平。此外，生物炭通过π-离子键固定钾素，能有效提高钾肥的利用率[22-24]。本研究表明，在土壤常量元素方面，相较于CK和生物炭组，有机无机炭基肥对提升氮素(全氮和碱解氮)和钾素(全钾和速效钾)的效果最显著。而有机炭基肥对磷素(全磷和有效磷)的提升效果略高于其余处理的炭基肥。表明炭基肥的配施能有效提升土壤中的常量元素，其中有机无机炭基肥的总体效果最理想，这既符合生物炭的自身特性，也与其他学者得出的田间试验结果基本一致[22，25]。此外，本研究也对中量元素在炭基肥中的添加效果做了比较。相较于有机炭基肥，无机炭基肥对土壤交换性钙、交换性镁、有效硅和有效硫的提升效果更理想，这可能受有机质的矿化和相关酶的活动影响。

3.2 炭基肥对水稻产量的提升效果

单位面积的有效穗、实粒数、千粒重和结实率是水稻产量的主要构成因素，它们相互影响又相互制约[26]。理论产量主要受产量构成因素的影响，然而主导因素并不固定，易受外部条件的变化而改变。水稻品种、地理位置和土壤肥力等方面的差异，都会导致产量构成因素的变化。影响水稻产量的同时，水稻各生育期内氮、磷、钾等营养元素的及时、平衡供给也决定了最终的产量[27-29]。本研究中，炭基肥通过改变土壤养分、提高水稻结实率及穗实粒数决定产量。其中，有机无机炭基肥的施用，能同时提高单穗重、穗实粒数和结实率，因此理论产量最高。此外，有机无机炭基肥的施用，既能通过无机肥在短期内快速满足作物的养分需求，又能借有机肥为水稻各生育期提供持续的养分供给。因此，有机无机炭基肥是提高水稻产量的理想选择。

3.3 炭基肥配施与化肥减量的关系

炭基肥对水稻系统的影响不仅作用在土壤质量和水稻产量2个方面，对化肥的减量也备受关注[24，30]。因此，本研究统计了在田块尺度上的炭基肥和化肥的实际用量，以量化研究化肥减量所带来的实际效果。根据统计结果，相较于习惯施肥，炭基肥的施用有效减少了化肥的施用量。从化肥的减量结构上看，炭基肥能不同程度地减少氮、磷和钾肥。其中，有机肥的施入推动了土壤中磷素的释放[31-33]，使磷素肥在不影响产量的同时实现零施入。本研究中，虽然有机炭基肥无复合肥添加，在化肥减量中的效果最佳，有机无机炭基肥次之。但具体的炭基肥选择和施用仍需从作物需求和实际生产层面出发，不能一味追求化肥的减量效果。