节水灌溉下生物炭对寒地黑土稻田碳氮固持的影响

张作合 李 凯 李浩宇 孔凡丹 郑美玉

（绥化学院农业与水利工程学院 黑龙江绥化 152000）

水稻是我国主要粮食作物，播种面积约占粮食作物总种植面积的26.89%[1]，收获后大量水稻秸秆被丢弃或在露天焚烧，造成了资源的极大浪费和环境污染[2]。因此，有效利用秸秆是资源、环境和农业可持续发展的亟需解决的问题。秸秆富含有机质、N、P、K等矿物质营养元素，直接还田可以改善土壤的结构和理化性质。同时可以防止氮素流失，提高土壤肥力，有助于水稻实现高产[3]。尽管秸秆还田带来许多潜在的好处，但它增加了有机碳的矿化，使土壤有机碳库减少[4]。特别是与南方相比，东北地区冬季低温条件下秸秆分解较慢。因此，在寒冷的东北地区肥沃的土壤中，进行大规模秸秆还田难以实现。

生物炭施用作为一种新型的碳管理技术，能够降低易矿化有机质中碳的矿化速率，快速恢复土壤有机碳。与秸秆还田相比更有利于土壤固碳[5]，因而其在农业领域的应用研究日益受到关注，并逐渐成为一种农业保肥增产的新途径[6]。将生物炭还田可以迅速提高土壤碳储量、氮含量和土壤肥力。生物炭在固碳方面具有巨大的、稳定的、长期的潜力。目前，由于区域气候因素和土壤性质的差异，生物炭对不同地区土壤氮素转化、养分保持、作物生长等方面的影响还不清楚。因此，生物炭在农业中的应用目前仍存在争议[7，8]。

随着热解炭化技术的进步和秸秆生物炭产业化进程的加快，深入研究和合理利用秸秆生物炭，对于农业高效、环保、可持续发展具有重要意义。目前，生物炭添加主要在我国南方进行[9]。由于气候寒冷，土壤肥沃，对生物炭在东北稻田的应用研究较少。如何量化生物炭对东北地区土壤固碳的影响是十分重要的。本研究旨在探讨节水灌溉模式下生物炭添加对土壤碳氮含量、氮肥利用效率和水稻产量的影响。研究结果可为秸秆生物炭在寒地黑土区稻田的应用提供理论依据和技术支撑。

一、材料与方法

（一）试验区概况。试验时间为2018年5月19日—9月30日，在黑龙江省庆安县和平灌区水稻灌溉试验站进行。试验站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼兰河流域中上游，属于寒地黑土区。该地区属于寒温带大陆性季风气候，第三积温带，全年无霜期128d左右，多年平均降水量500～600mm，平均气温为2℃～3℃，平均日照时数为2600h，为黑龙江省典型的水稻生产区。

（二）试验材料。水稻秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产，在450℃高温无氧条件下裂解制备而成，每公顷稻草可制成直径2mm颗粒形式的秸秆生物炭(去除灰分)约2.5t，pH值8.86，含碳质量分数42.72%。供试土壤为黑土，土壤理化性质：pH值6.40，有机质质量比41.80g/kg，全氮质量比1.51g/kg，全磷质量比15.61g/kg，全钾质量比19.86g/kg，碱解氮质量比148.27mg/kg，速效磷质量比24.22mg/kg，速效钾质量比156.13mg/kg。供试水稻品种为研究区大面积推广种植的绥粳18，插秧密度为25穴/m2。

（三）试验设计。本试验主要研究控制灌溉(Control irrigation)模式(见表2)，秸秆生物炭施用量设置4个水平分别为0、2.5t/hm2(1年还田量)、12.5t/hm2(5年还田量)、25t/hm2(10年还田量)，分别用C0、C2.5、C12.5、C25表示。共计4个处理，每个处理3次重复，考虑不同组合布置12个小区，方形小区面积16m2，采用随机区组排列。将生物质炭在泡田之前于土壤表层以下10cm(耕作层中部)施入；按当地施肥标准施纯氮110kg/hm2，基肥、蘖肥、穗肥按5：2：3分施；K2O施入量80kg/hm2，基肥：穗肥按1：1分施；P2O5施入量45kg/hm2，作为基肥一次性施入。供试肥料选择尿素(含N质量分数46.4%)、过磷酸钙(含P2O5质量分数12%)、硫酸钾(含K2O质量分数52%)，并换算成实际化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32cm，行距30cm，每穴3株，9月21日收获。

表1 控制灌溉模式各生育期水分管理

（四）样品的采集与测定。土壤有机碳含量：在水稻各生育期取土样，每次用土钻取0-20cm土层土壤充分混合后密封，标记后放置于冷藏保温箱内，带回实验室立即冷冻。试验时将土样风干后剔除草根，用粉碎机粉碎并过筛(0.149 mm)，取所制备土样1.0g用重铬酸钾容量法，在外加热条件下(温度为180℃，沸腾5分钟)，用重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤有机碳，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量。

土壤活性有机碳含量：采用高锰酸钾(KMnO4)氧化法。称取含碳量15mg左右的土壤样品，用25mL高锰酸钾(KMnO4)溶液浸提震荡1h，再离心5min后取上清液，按1：250的比例用去离子水来稀释清液，最后进行分光光度计(565nm)比色，利用高锰酸钾(KMnO4)消耗量求出活性有机碳含量。

土壤全氮含量：利用同位素质谱仪（DELTAV Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA)测定土壤N的含量。将同位素质谱仪调至C/N模式，取100ug左右粉碎过的样品(粉末状)用锡纸包严，放入分析仪一次性测出氮百分含量。

（五）计算方法和数据分析。土壤碳库管理指数(CPMI，Carbon pool management index)的计算方法参照井大炜等[10]如下：碳库指数(CPI)=样品总有机碳含量(g/kg)/参考土壤有机碳含量(g/kg)；碳库活度(A)=土壤活性有机碳含量(g/kg)/土壤非活性有机碳含量(g/kg)；碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度；碳库管理指数CPMI=100×CPI×AI。

土壤有机碳密度(SOCD)是指单位面积土壤在一定深度下的碳储量，计算方法如下：

式中：SOC—土壤有机碳含量，g/kg；BD—土壤容重，g/cm3；H—表土厚度(20cm)，cm

单位面积上的土壤固碳量(SCS)=SOCD水稻收获后−SOCD水稻种植前。

土壤氮密度(SND)是指单位面积土壤在一定深度下的氮储量，计算方法如下：

式中：SON—土壤全氮含量，g/kg

单位面积上的土壤氮持留量(SNR)=SND水稻收获后−SND水稻种植前。

数据分析和处理采用Excel2007、SPSS，处理间的多重比较(P>0.05)采用Duncan法，作图采用Origin8.0软件。

二、结果与分析

（一）生物炭对土壤碳库的影响。由表2可知，添加2.5t/hm2、12.5t/hm2和25t/hm2秸秆生物炭会显著影响0～20cm土壤有机碳(TOC)的含量(P<0.05)，使其分别提高了3.42%、15.44%和22.80%。C2.5、C12.5和C25处理的活性有机碳(AC)含量均显著高于C0(P<0.05)，分别提高11.81%、74.18%和60.44%。碳库管理指数(CPMI)是反映土壤碳库的重要指标，对评价土壤有机质与土壤肥力状况具有重要意义[10]。C12.5和C25处理与C0处理之间的土壤碳库管理指数差异显著(P<0.05)，分别提高87.45%和69.74%，添加过量的生物炭会使土壤碳库管理指数减小。

表2 不同处理的土壤碳库管理指数

（二）生物炭对土壤有机碳密度的影响。由图1（注：图中同一生育期不同小写字母表示数据在P＜0.05水平差异显著，下同。）可知，各处理0～20cm土壤有机碳密度在4.41～6.84kg/m2范围内变化。水稻分蘖期C12.5和C25处理与C0处理之间0～20 cm土壤有机碳密度差异性显著(P<0.05)，分别提高9.82%、6.38%；C2.5处理与C0之间差异不显著(P＞0.05)，大小关系为C12.5＞C25＞C0＞C2.5，产生这种现象的主要原因可能是由于在土壤有机质含量较高的黑土区，添加25t/hm2的秸秆生物炭土壤容重大大降低，但与土壤容重变化相比，土壤有机碳含量对增加土壤有机碳密度的影响更大；添加2.5t/hm2的秸秆生物炭对土壤有机碳含量增加有限，土壤容重降幅较大。水稻拔节期各处理0～20cm土壤有机碳密度均降低，C25处理的值高于C12.5处理，且二者差异显著(P<0.05)。水稻抽穗期，各处理0～20cm土壤有机碳密度均为全生育期最低，土壤有机碳密度大小关系为C25＞C12.5＞C2.5＞C0。水稻灌浆期和成熟期各处理0～20cm土壤有机碳密度增加，C12.5和C25处理与C0处理之间0～20cm土壤有机碳密度差异性显著(P<0.05)，而C2.5处理与C0处理之间无显著差异(P＞0.05)。

图1 不同生育期各处理土壤有机碳密度的变化

（三）生物炭对土壤氮密度的影响。由图2可知，各处理0～20cm土壤氮密度在0.433～0.563kg/m2范围内变化。水稻分蘖期C2.5处理与C0处理之间0～20cm土壤氮密度差异不显著(P＞0.05)，C12.5和C25处理与C0处理之间差异性显著(P<0.05)，大小关系为C2.5＞C0＞C12.5＞C25，产生这种现象可能是添加秸秆生物炭使土壤容重显著降低(P<0.05)，但对土壤全氮的含量增加有限。水稻拔节期各处理0～20cm土壤氮密度均降低，各处理降低幅度不同，C2.5和C12.5处理与C0处理之间差异不显著(P＞0.05)。水稻抽穗期，各处理0～20cm土壤氮密度均为全生育期最低，土壤氮密度大小关系为C2.5＞C12.5＞C25＞C0。水稻灌浆期各处理0～20cm土壤氮密度增加，土壤氮密度大小关系为C25＞C12.5＞C0＞C2.5，各处理之间无显著差异(P＞0.05)。水稻成熟期各处理0～20cm土壤氮密度进一步增加，土壤氮密度大小关系为C25＞C12.5＞C2.5＞C0。

图2 不同生育期各处理土壤氮密度的变化

（四）生物炭对土壤固碳和氮持留的影响。由图3可知，处理0～20cm土壤固碳量在0.054～0.109kg/m2之间，顺序为C25＞C12.5＞C2.5＞C0。与 C0相比，C2.5、C12.5和C25处理的土壤固碳量分别增加了26.25%、83.36%和91.87%，C12.5处理与C25之间差异不显著(P＞0.05)。控制灌溉模式下，水碳联合调控能够有效增加土壤固碳量。

图3 不同处理的土壤固碳量

由图4可知，处理0～20cm土壤氮持留量在0.026～0.031kg/m2之间，顺序为 C25＞C12.5＞C2.5＞C0。与C0相比，C12.5和C25处理的土壤氮持留量分别增加了19.53%和21.48%，C12.5处理与C25之间差异不显著(P＞0.05)，且C2.5处理与C0之间差异不显著(P＞0.05)。在控制灌溉模式下，添加12.5t/hm2以上的生物炭能够显著增加土壤氮持留量(P<0.05)，减少土壤氮素损失量。

图4 不同处理的土壤氮持留量

三、结语

（一）控制灌溉模式下，添加秸秆生物炭能够显著增加TOC和AC的含量(P<0.05)。添加12.5t/hm2的秸秆生物炭能够显著增加0～20cm土壤碳库管理指数(P<0.05)，而添加过量（25t/hm2）的生物炭会使土壤碳库管理指数减小。

（二）各处理0～20cm土壤有机碳密度在抽穗期最低，而在成熟期最高。C12.5和C25处理能够显著提高0～20cm土壤有机碳密度(P<0.05)，而C2.5处理影响不显著(P＞0.05)。

（三）控制灌溉模式下，各处理0～20cm土壤氮密度在抽穗期最低，而在成熟期最高。

（四）与C0处理相比，添加秸秆生物炭能够使土壤固碳量增加。添加12.5t/hm2以上的生物炭能够显著增加土壤氮持留量和碳氮比(P<0.05)，减少土壤氮素损失量。