生物质炭输入对稻田土壤理化特性和温室气体排放及水稻产量影响研究进展

张杏雨 王俊 周舟 周沈琪 刘立军

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009；第一作者：lemon_zxy@sina.cn；*通讯作者：ljliu@yzu.edu.cn）

水稻作为世界三大粮食作物之一，对我国农业生产和国民经济建设具有重要意义。我国秸秆资源丰富，每年主要农作物秸秆资源量约为8.4×108t[1]。在实际生产中，秸秆还田难度大、还田方式单一，存在秸秆利用效率低等突出问题[2]，同时还增加了稻田温室气体排放。甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）作为大气中主要的温室气体，两者的全球增温潜势（GWP）分别是二氧化碳（CO2）的25 倍和296 倍[3]。数据显示，在各项土地利用类型（林地、旱地、橘园、稻田）土壤中，稻田的GWP 最高，表明稻田温室气体排放对全球变暖贡献最大[4]。因此, 采用科学合理的田间管理技术，在水稻稳产高产的同时减少稻田温室气体排放，是促进农业可持续发展的必然选择。

生物质炭是指生物质在限氧或无氧条件下热解碳化所形成的一类具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质[5]。近年来，通过作物残渣热解产生的生物质炭被认为是在环境管理维度上维持农作物生产力同时减缓全球变暖潜力的有效措施[6]。而将秸秆制成生物质炭还田可以提高秸秆利用效率，同时有效改善土壤理化性质、提高土壤有机质含量和作物养分利用率[7-8]、增加微生物量并减少土壤土传病害[9]。本研究综述了生物质炭输入对水稻产量形成和稻田温室气体排放的影响，以期为水稻高效、高产栽培和稻田温室气体减排提供理论与实践依据。

1 生物质炭输入对稻田土壤理化性质的影响

1.1 生物质炭输入对稻田土壤物理特性的影响

土壤的物理性质主要包括土壤容重、孔隙度和含水量等。生物质炭具有自身密度小、孔隙度高以及亲水性强等优良特性，使得其输入土壤后能够降低土壤容重、提高土壤总孔隙度与持水量，以及吸附重金属和有机污染物。研究表明，生物质炭的输入量与土壤容重呈正相关[10-11]。ZHANG 等[12]向稻田添加20 t/hm2或30 t/hm2生物质炭显著降低土壤容重，增加土壤通气性。生物质炭还会影响稻田土壤团聚体的形成与稳定性。朱梦涛等[13]通过大田试验研究了生物质炭输入对水稻土团聚体的影响，发现生物质炭施用显著促进了大团聚体（250~2 000 μm）的形成，并提高了团聚体的稳定性。而宋燕凤等[14]进一步研究表明，与新鲜生物质炭相比，陈化生物质炭可有效增加稻田土壤大团聚体（250~2 000 μm）比例。此外，生物质炭输入对土壤温度、机械和电磁等特性也起到了一定的改善作用[15]。

1.2 生物质炭输入对稻田土壤化学特性的影响

生物质炭通常用来调节土壤的pH 值、增加土壤养分元素含量和有效性。董达等[16]在研究中往稻田施加22.5 t/hm2的生物质炭，稻田土壤pH 值1 年后提升0.30 个单位，2 年后仍然比对照土壤高出0.26 个单位。张爱平等[17]研究表明，生物质炭可以降低稻田总氮淋湿量，且呈现随生物质炭用量（0、4.5、6.75、9 t/hm2）增加而降低的趋势。张斌等[10]研究表明，高用量（40 t/hm2）生物质炭显著改善土壤性质，升高土壤pH，提高土壤有机碳和全氮含量，这种效应2 年内具有持续性。张继宁等[18]在滨海滩涂土壤进行2 年试验发现，与对照相比，整个试验期间5%~20%的生物质炭添加量（生物质炭质量/滩涂土湿质量）使得稻田土壤平均总碳和总氮分别增加22.7%~73.8%和25.1%~65.8%，土壤阳离子交换量（CEC）增加3.5%~17.0%。可能是因为生物质炭呈弱碱性，其自带的负电荷羧基和羟基等含氧官能团可以结合土壤中的氢离子，降低氢离子浓度，提高土壤pH 值[19-20]，从而改善因铵态氮肥的大量施用和酸雨沉降导致稻田土壤pH 值和肥力质量降低。

1.3 生物质炭输入对稻田土壤生物特性的影响

土壤质量不仅取决于土壤理化性质，还与土壤生物学性状（微生物种群、微生物量、酶活性等）密切相关[21]。生物质炭对土壤微生物的影响主要表现在微生物的组成变化以及量的增减两个方面。主要是因为生物质炭自身的高芳香烃结构、多孔性和吸附性为土壤微生物提供了良好的栖息环境，进而提高了微生物群落多样性[22-23]。蒋雪洋等[24]通过定量PCR 技术测定，发现添加生物质炭使得句容、南京两地稻田土壤微生物丰度均有不同程度增加，土壤真菌、丛枝菌根真菌和古细菌丰度也有增加。生物质炭对稻田土壤中的各种酶影响不一，且是长期的。施用秸秆炭6 年后，土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性明显升高，而过氧化氢酶活性逐渐下降，且显著低于对照[25]。

2 生物质炭输入对水稻产量形成的影响

2.1 生物质炭输入对水稻根系生长的影响

根系是水稻重要的吸收、合成、固定和支持器官，作为生物质炭输入后的“第一直接接触者”，其发育状况与地上部器官的形态建成和产量密切相关[26]。

LIU 等[27]通过对西北地区水稻长期（7 年）生物质炭田间试验研究发现，在施用氮肥基础上加入生物质炭会促进分蘖期根系生长，降低根系生物量，但在拔节期和孕穗期则保持了较低的根直径和较高的比根长，延缓灌浆期根系衰老，提高产量。张伟明等[28]通过盆栽试验研究表明，添加玉米秸秆型生物质炭可在一定程度上使水稻根系形态特征得到优化，增强根系生理功能，其中以较高施炭量处理（10、20 g/kg）提升幅度较大。ZHANG 等[29]研究发现，与对照相比，添加生物质炭20 g/kg 显著增加了根系生长，特别是根系质量和不定根长度。与常规施肥相比，生物质炭的输入使得稻田土壤具有更好的通气能力，降低土壤紧实度，减少土壤机械阻力，提高有机碳（DOC）含量，同时减少其在土壤中的淋溶，促进水稻根系的生长[30-31]。综上所述，生物质炭能够改善限制水稻根系生长的物理因素包括缺氧、水分胁迫、机械阻抗等。

2.2 生物质炭输入对水稻地上部生长和产量形成的影响

研究发现，添加生物质炭促进了水稻分蘖，提高各组分干物质量，增大叶面积[32]。周劲松等[33]研究认为，在水稻育苗基质中添加适量的生物质炭能够显著增加水稻秧苗的株高以及干物质积累量。生物质炭的输入能够增加节间茎秆粗度、茎壁厚度及节间充实度，缩短水稻茎秆基部长度进而提高水稻抗折断和抗倒伏能力[34-35]。这可能是由于生物质炭能促进水稻吸收更多的钾、硅元素，使得茎秆机械强度增加，进而提高抗折能力[36]。

生物质炭的施用能够提高稻田土壤的C/N 比、氮素利用率，降低氮素生物有效性，从而影响水稻的产量形成。大多研究数据证明，施用生物质炭可以增加水稻产量、提高谷草比，水稻穗粒数和穗数均随生物质炭用量增多而增加[17-18]。ZHANG 等[37]对太湖地区水稻进行为期2 年的试验，与对照相比，施用10 t/hm2生物质炭使水稻产量提高27.6%。生物质炭施用还提高水稻每丛穗数、每穗粒数、结实率，平均比对照增产25.28%[28]。董林林等[38]发现，在氮肥与生物质炭配施的基础上添加蚯蚓粪能够进一步促进水稻产量和氮素收获指数的提高。JIN 等[39]通过盆栽试验研究显示，盐碱地水稻土施用生物质炭（15、30、45 g/kg）能够显著降低水稻植株各部位钠离子的积累量，显著增加水稻干物质量，提高产量。而稻田增施生物质炭能够显著提高水稻产量的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以及改善稻田土壤理化性质（如土壤容重、pH、水分含量、有机碳含量）[10，40]。

也有研究表明，虽然施用生物质炭可以显著提高氮肥吸收利用率，同时提高水稻穗数和千粒重，但对产量无显著影响[41]。张斌等[10]在成都平原连续2 年的试验发现，相同氮肥处理下，施用生物质炭（20、40 t/hm2）不能显著提高水稻产量。这可能是因为短期施用生物质炭虽然增加了生物量，但降低了收获指数，故水稻产量变化不大[42-43]。但随着生物质炭施用年限的继续延长，其能够减少土壤氮素的流失，提高水稻生产力，促进水稻增产。

3 生物质炭对稻田温室气体排放的影响及其机理

大量研究表明，生物质炭除改良稻田土壤，促进作物增产外，也影响稻田温室气体CH4和N2O 排放（表1）。

表1 不同原料和温度制成的生物质炭对稻田温室气体排放的影响

3.1 生物质炭对稻田CH4 排放的影响及其机理

ZHANG 等[12]研究表明，生物质炭的输入导致稻田CH4排放增加26%～68%。SONG 等[50]和HE 等[51]通过Meta 分析表明，生物质炭有增加稻田CH4排放的趋势，增幅平均为19%。表1 及上述试验中，生物质炭促进稻田CH4排放的原因可能是：（1）生物质炭本身有一些易裂解的成分，加速土壤有机质分解，为产甲烷菌（MCRA）提供了底物[12]。（2）生物质炭改变了稻田微生物群落组成，提高了产甲烷菌（MCRA）和甲烷氧化菌（pmoA）中相关基因的丰度[52]。

与之相反，FU 等[53]发现，生物质炭对水稻土CH4排放具有全面抑制作用，对产甲烷菌群落没有显著影响。LIU 等[54]研究表明，将还田的秸秆转化成生物质炭后再还田，可以使得我国每年可减少CH4排放2 400万t CO2-C。其减排机制主要是：（1）生物质炭自身对CH4有吸附作用[55]。（2）生物质炭提高了稻田土壤的透气性，而甲烷氧化菌是一组需氧的革兰氏阴性菌，添加生物质炭可以增加供氧从而刺激其生长，使得土壤所产生的CH4能够重新被氧化。（3）添加生物质炭不仅增加了MCRA，也增加了pmoA，并且对MCRA 的增幅显著高于对pmoA 的增幅，降低了MCRA/pmoA 的比率，促进了CH4减排[56]。上述研究说明生物质炭对稻田CH4排放的影响一方面取决于相关功能微生物的响应，另一方面则是生物质炭对土壤的影响过程。

此外，生物质炭的老化时间和施用量也会影响CH4排放。新鲜生物质炭被认为是减少CH4排放的理想材料，其能够促进潜在CH4氧化[57]。但稻田土壤生态系统加速了生物质炭的老化过程[58-59]。一项为期4 年的田间试验发现，生物质炭的应用在第1 年刺激了产甲烷菌和厌氧菌的丰度，减少了CH4排放量。但在接下来的3 年里抑制了产甲烷菌的丰度，且对CH4排放的抑制作用逐渐减弱[60]。吴震等[61]研究表明，生物质炭和氮肥配施情况下，用老化3 年的生物质炭处理降低了CH4排放，这主要是由于陈化生物质炭在水稻季显著增加了CH4氧化潜势，而对产CH4潜势无显著影响。可能是生物质炭老化后，其颗粒变小、表面光滑、表面羧酸官能团（COOR）增加，从而限制了CH4氧化[62]。WANG等[63]经过4 年研究发现，施用生物质炭24 t/hm2减少了32%的CH4年累积排放量，而施用生物质炭48 t/hm2仅减少了28%CH4年累积排放量。故生物质炭施用量对稻田CH4的影响还有待进一步研究。

3.2 生物质炭对稻田N2O 排放的影响及其机理

稻田土壤N2O 排放主要来自于硝化与反硝化过程[64]。而生物质炭因其自身性质与结构特点，如较强的吸附能力、较大的比表面积，故能够直接或间接地影响上述过程，从而影响N2O 排放。除自身性质外，制备原料、施用量以及施用方式等对N2O 排放也有一定影响。汪勇等[65]以双季稻田为研究对象，在不施氮条件下，施用生物质炭降低了N2O 排放。向伟等[66]也得到了类似的结论，同时指出减氮配施生物质炭可进一步降低N2O 排放。由于稻田自身肥力较高，适量的氮肥和生物质炭配比对作物的生长效果更好，能够提升氮肥利用率，减少土壤气态氮的流失，随着生物质炭施用量的增加，N2O 减排效果增大[67]。李松等[11]研究表明，3 种生物质炭用量水平（10、20、40 t/hm2）都能够显著降低稻田N2O 排放，但处理间差异不显著。马芸芸等[68]发现，长期施用生物质炭可减少稻田土壤剖面的N2O 浓度，且随施用量和土壤剖面深度增加减得更多。

上述试验中生物质炭能够减少N2O 排放的原因主要是：（1）施用生物质炭能够吸附土壤硝化作用的底物，减弱反硝化细菌的活性，提高稻田土壤中阳离子交换，增加稻田土壤对NH4+的吸附能力，从而降低N2O排放[49，69]。（2）生物质炭能够提高土壤的通透性，促进土壤水分的下渗，使得大气中进入水体的溶解氧更容易渗入下层，进而影响反硝化作用，减少N2O 排放[68]。（3）生物质炭处理提高了土壤活性有机碳含量，刺激了土壤中有关硝化作用微生物的生长，导致N2O 排放降低[70]。但也有研究表示，施用生物质炭提高了稻田N2O的排放。宋旭[71]在福州平原水稻田进行了为期1 年的生物质炭处理梯度（10、20、40 t/hm2）试验，发现所有处理均增加了早稻季和晚稻季N2O 的累计排放量。SHEN 等[72]认为，与对照相比，施用秸秆生物质炭（22.5~48 t/hm2）使得N2O 排放量增加0.13~0.80 倍，是因为添加的生物质炭提高了土壤中NH4+或NO3-的有效性。

4 研究展望

提高水稻产量，减排稻田温室气体对保护生态环境和农业可持续发展有着极为重要的意义。目前生物质炭已在中国以及世界其他国家推广应用。生物质炭的施用对稻田温室气体排放、水稻产量的影响已有一定的结论。针对目前研究中存在的主要问题，今后应加强以下几个方面的研究。

4.1 加强生物质炭对稻田土壤性状长期影响的研究

生物质炭可以改善稻田土壤理化性质、改变根际微生物结构，从而影响水稻生长发育。由于生物质炭的自身性质以及热解温度的不同，其对稻田土壤性状的影响也不一致。目前大多数研究都是基于高输入量的生物质炭的短期试验，缺乏低输入量的生物质炭还田试验研究。同时，越来越多的研究表明生物质炭输入对土壤性状的影响与生物质炭的性质、添加剂量密切相关，且生物质炭老化对土壤理化性质的作用效果以及机制还不明确，有必要进行长期的田间定位试验以及相关研究，从而推动我国稻田土壤改良。

4.2 加强生物质炭和田间管理耦合对水稻产量形成方面的研究

生物质炭对水稻产量虽有一定的积极影响，但由于田间环境复杂，不同土壤的理化性质，如不同通气状况、含水量、有机质含量等，会造成生物质炭施加后水稻生长发育和产量方面存在差异。田间管理，如灌溉方式、施用肥料以及栽培方式对生物质炭性质变化影响较大，进而影响水稻产量形成。因此，要依据生物质炭自身理化性质、稻田土壤类型以及当地习惯生产方式来确定生物质炭的类型、添加比例以及施用方式，从而实现生态、经济效益的最大化。

4.3 加强生物质炭生产和还田后对环境效应综合评估的研究

目前大多数研究均认为生物质炭还田后有减少温室气体排放的作用。但在制备生物质炭过程中也会产生一些有毒的副产物和温室气体，且吸附在生物质炭上的重金属和有机污染物的处置问题也亟待解决。故在以后研究生物质炭对稻田温室气体排放的影响时，有必要将两者同时考虑，为生物质炭的环境效应评估提供更全面的视角。