紀仁婧，胡夢陽，和玉璞*，時元智，宋皓晨，馮政超

生物炭施用對節(jié)水灌溉稻田土壤養(yǎng)分的影響

紀仁婧1，胡夢陽2，和玉璞1*，時元智1，宋皓晨3，馮政超3

（1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029；2.河海大學 農業(yè)科學與工程學院，南京 211100；3.南京市高淳區(qū)水務局，南京 211300）

【目的】探究施用生物炭對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤養(yǎng)分的影響，為提升稻田土壤肥力、制定稻田水碳調控策略提供技術指導?！痉椒ā吭诳刂乒喔葪l件下，設置0、10、20、40 t/hm2共4個生物炭施用水平，分別記為CK、CL、CM、CH處理，分析不同生物炭施用水平對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤養(yǎng)分特征的影響?！窘Y果】施用生物炭后，各處理稻田土壤有機質、有機碳量由大到小依次為：CH處理>CM處理>CL處理>CK。2018年，CH、CM、CL處理下的水稻生育期土壤平均銨態(tài)氮量分別比CK增加1.52、0.61、0.39 g/kg，2019年分別比CK處理減少2.01、1.71、0.99 g/kg；施用分蘗肥后，CK條件下的稻田土壤銨態(tài)氮量上升速率最高，CH、CM、CL處理下的稻田土壤銨態(tài)氮量變化速率差異較?。皇┯盟敕屎?，2018年各處理土壤銨態(tài)氮量上升速率較為接近，2019年上升速率為CK>CL處理>CM處理>CH處理。綜合2 a試驗結果，CH、CM、CL處理下的稻田土壤硝態(tài)氮量的平均值比CK降低了32.34%、19.45%、9.21%?！窘Y論】施用生物炭對節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤有機質、有機碳量的提升效果與生物炭施用量呈正相關，且隨水稻生育進程的推進而逐漸下降；新鮮生物炭可增加稻田土壤銨態(tài)氮量，而老化生物炭的作用效果則相反；施用生物炭可降低稻田土壤硝態(tài)氮量，且硝態(tài)氮量與生物炭施加量呈負相關；施用生物炭可在一定程度上減緩施肥后稻田土壤銨態(tài)氮量的上升速度，對施肥后關鍵期內稻田氮素損失量的控制具有積極作用。

節(jié)水灌溉；生物炭；稻田；土壤養(yǎng)分

0 引言

【研究意義】中國作為水稻生產(chǎn)大國，水稻種植面積約占全國糧食作物種植面積的26%，產(chǎn)量占國內糧食總產(chǎn)量的32%[1]。水稻生產(chǎn)過程中耗水量較大，其用水量約占農業(yè)用水總量的65%[2]。隨著水稻節(jié)水灌溉的快速發(fā)展和大規(guī)模推廣，稻田灌溉用水量不斷下降。在長期高強度耕作下，稻田土壤肥力的保育與提升對保障水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義。如何在節(jié)水灌溉條件下進一步提升稻田土壤肥力，從而提高水稻產(chǎn)量，已成為研究的熱點問題?！狙芯窟M展】施用生物炭是提升農田土壤肥力的有效方法[3-4]。生物炭施用可以改善土壤環(huán)境，提高土壤持水、保肥能力，減排溫室氣體排放[5-8]。添加生物炭可以提高土壤中有機質、有機碳量[9-11]，但對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量的影響卻存在爭議。高德才等[12]、周志紅等[13]研究結果表明，添加少量生物炭對土壤氮素無明顯影響。Sun等[14]、吳玉潔等[15]發(fā)現(xiàn)，添加生物炭會降低土壤脲酶活性，抑制尿素的硝化，降低土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量?！厩腥朦c】以往圍繞生物炭對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤養(yǎng)分影響的研究中，對于生物炭不同施用水平下的稻季土壤養(yǎng)分的變化過程和響應方面關注較少，施肥后不同生物炭施用量對稻田土壤養(yǎng)分的影響效果尚不明確。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究基于田間原位觀測試驗，研究不同生物炭施用水平對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤養(yǎng)分動態(tài)變化過程的影響，探討施肥后關鍵期內生物炭施用對稻田土壤養(yǎng)分的影響效果及機制，為科學制定稻田水碳調控策略提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于南京市高淳區(qū)椏溪鎮(zhèn)尚義村（31°24′42″N，119°9′40″E）。該區(qū)屬于北亞熱帶和中亞熱帶過渡地區(qū)，年平均氣溫16 ℃，年平均降水量1 190.8 mm。當?shù)貍鹘y(tǒng)的農業(yè)生產(chǎn)模式為稻麥輪作，耕層土壤為黏壤土，土壤有機質量34.2 g/kg，全氮量2.01 g/kg，全磷量0.46 g/kg，全鉀量12.87 g/kg，pH值7.2。0～20、20～30、30～40 cm土層的土壤飽和體積含水率分別為52.0%、50.1%、47.9%。

1.2 試驗設計

所有處理的灌溉模式均為控制灌溉，灌水下限控制在土壤飽和含水率的60%～80%。生物炭施用量設置4個水平，分別為對照0（CK）、低生物炭施用量10 t/hm2（L）、中等生物炭施用量20 t/hm2（M）和高生物炭施用量40 t/hm2（H），共計4個處理（CK、CL、CM、CH），每個處理重復3次。各小區(qū)的灌溉、施肥、植保等農藝管理措施一致。2018年在稻田泡田前將生物炭按照設定的施用量均勻撒入各小區(qū)，并充分翻耕。施用的生物炭為南京勤豐秸稈科技有限公司生產(chǎn)的小麥秸稈生物炭，其理化性質如表1所示。

表1 生物炭理化性質

1.3 試驗布置

2018—2019年，在配套有獨立灌排系統(tǒng)和機械水表的田間小區(qū)內開展試驗，各小區(qū)面積均為60 m2（12 m×5 m）。小區(qū)之間使用磚砌混凝土埂進行分隔，磚砌混凝土埂埋設深度為田面以下80 cm，沿磚砌混凝土埂兩側布設同樣埋深的防水農膜，以減少小區(qū)之間的水分側向交換，在磚砌混凝土埂的田面以上部分覆土夯實作為田埂。

2018年，水稻于6月16日插秧，10月20日收割；2019年，水稻于6月5日插秧，10月12日收割。水稻品種為南粳5505，各處理稻田均沿用農民傳統(tǒng)施肥方式，施肥過程如表2所示。

1.4 觀測指標與方法

2018年，在水稻返青期、分蘗中期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期采樣，2019年在2018年的基礎上增加分蘗后期采樣，采用五點取樣法采集各小區(qū)0～20 cm土層土樣，測定土壤有機質、有機碳、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）量，測定方法詳見《土壤農業(yè)化學分析方法》[16]，取部分鮮土樣分別采用KCL浸提-靛酚藍比色法、CaSO4·2H2O浸提-酚二黃酸比色法測定土壤NH4+-N量和NO3-N量，將剩余土樣自然風干，研磨過篩后采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定土壤有機碳量，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質量。

表2 施肥過程

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2016分析數(shù)據(jù)并繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤有機質量的影響

不同生物炭施用量下的節(jié)水灌溉稻田土壤有機質量如圖1所示。施用生物炭提高了節(jié)水灌溉條件下稻田土壤有機質量，且土壤有機質量與生物炭的施用量呈正相關?？v觀整個水稻季，各處理稻田土壤有機質量總體呈先快后慢的下降趨勢，不同生物炭施用量下的稻田土壤有機質量的差距隨著水稻生育進程的推進逐漸縮小。2018—2019年，與CK相比，CH、CM、CL處理下的稻田土壤有機質量平均增幅分別為26.33%、14.20%、6.81%。

圖1 不同生物炭施用量下的稻田土壤有機質量

在水稻返青期，施用生物炭處理與CK之間的差異較大。與CK相比，CH、CM、CL處理下的稻田土壤有機質量增加了6.27～8.87 g/kg。各處理土壤有機質量下降，且呈先快后慢的趨勢。在水稻分蘗中期，施用生物炭的稻田土壤有機質量相比CK增加了0.38～7.22 g/kg，至水稻乳熟期，處理間的差異逐漸減小，CH、CM、CL處理下的土壤有機質量相比CK增加了1.25～3.28 g/kg。

2.2 生物炭施用對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤有機碳量的影響

不同生物炭施用量下的稻田土壤有機碳量如圖2所示。施用生物炭提高了稻田土壤有機碳量，且土壤有機碳量與生物炭的施用量呈正相關?？v觀整個水稻季，各處理稻田土壤有機碳量呈先快后慢的下降趨勢，不同生物炭施用量下的稻田土壤有機碳量的差距隨著水稻生育進程的推進而逐漸縮小。2018—2019年，與CK相比，CH、CM、CL處理下的稻田土壤有機碳量平均增幅分別為25.57%、10.09%、1.65%。

在水稻返青期，施用生物炭處理與CK之間的差異較大。與CK相比，CH、CM、CL處理下的稻田土壤有機碳量增加了2.33～5.81 g/kg。隨著水稻生育進程的推進，各處理土壤有機碳量逐漸下降。在水稻分蘗中期，CH、CM、CL處理下的稻田土壤有機碳量相比CK增加了0.43～3.54 g/kg，至水稻乳熟期，施用生物炭處理與CK的土壤有機碳量差距縮小至0.38～2.31 g/kg。

圖2 不同生物炭施用量下的稻田土壤有機碳量

2.3 生物炭施用對節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤NH4+-N量的影響

不同生物炭施用量下的稻田土壤NH4+-N量如圖3所示。施用生物炭對節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤NH4+-N量的影響在年際間并不一致。2018年的試驗結果表明，施用生物炭能夠提高土壤NH4+-N量，且生物炭施用量與土壤NH4+-N量提高幅度呈正相關，而2019年的試驗結果表明，稻田土壤NH4+-N量與生物炭施用量呈負相關。2018年，CH、CM、CL處理下的稻季土壤NH4+-N量的平均值分別相比CK增加了1.52、0.61、0.39 mg/kg，增幅分別為27.65%、11.15%、7.01%。2019年，CH、CM、CL處理下的稻季土壤NH4+-N量的平均值分別相比CK減少了2.01、1.71、0.99 mg/kg，降幅分別為44.22%、37.60%、21.93%。

圖3 不同生物炭施用量下的稻田土壤銨態(tài)氮量

施用生物炭一定程度上減緩了施肥后稻田土壤NH4+-N量的上升速度。分蘗肥后，CK條件下的稻田土壤NH4+-N量上升速率最快，CH、CM、CL處理下的稻田土壤NH4+-N量變化速率較為接近。穗肥后，稻田土壤NH4+-N量開始上升，至拔節(jié)孕穗后期達到整個生育期的峰值。2 a內各處理的稻田土壤NH4+-N量變化速率存在差異；其中，2018年穗肥后各處理土壤NH4+-N量上升速率較為接近，而2019年穗肥后各處理稻田土壤NH4+-N量的上升速率由大到小依次為：CK>CL處理>CM處理>CH處理。

2.4 生物炭施用對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤NO3--N量的影響

不同生物炭施用量下的稻田土壤NO3--N量如圖4所示。綜合2 a的試驗結果可知，施用生物炭有效降低了節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤NO3--N量，且土壤NO3--N量與生物炭的施用量呈負相關。2018—2019年，CH、CM、CL處理下的水稻季土壤NO3--N量的均值分別相比CK降低了32.34%、19.45%、9.21%。施肥后各處理土壤NO3--N量的變化特征沒有明顯規(guī)律。

圖4 不同生物炭施用量下的稻田土壤硝態(tài)氮量

3 討論

本試驗結果表明，施用生物炭可以提高節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤有機質、有機碳量，且提升效果與生物炭施用量呈正相關，但作用效果隨水稻生育進程的推進而逐漸下降。有機質是土壤的重要組成成分，施用生物炭相當于向土壤中添加外源有機質，因此可以增加土壤有機質量和有機碳量，且提高幅度取決于生物炭的施用量和穩(wěn)定性[17-18]。隨著水稻的發(fā)育，稻田土壤有機質量在礦化作用下不斷下降，前期下降速率較快可能是由于添加的生物炭為土壤中微生物的繁殖提供了能源，增強了微生物的活性，進而促進了有機質礦化[19]。進入水稻生長中后期，由于土壤中有效養(yǎng)分的不斷消耗，加之生物炭與土壤礦物質引起的老化作用，使得生物炭表面形成了新的官能團，促進了生物炭-礦物復合物的形成，增大了生物炭的表面積和孔徑，降低了土壤有機質的礦化速率[20-22]，最終使得稻田有機質、有機碳量的下降速度減緩。因此，節(jié)水灌溉條件下的稻田施用生物炭后，稻田土壤有機質、有機碳量初始值較高，隨后呈先快后慢的下降趨勢，且與未施用生物炭處理的差距在不斷縮小。

生物炭施用對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤NH4+-N量的影響隨施用年限而變化。2018年的試驗結果表明，稻田土壤NH4+-N量與生物炭的施用量成正相關關系。陳曦等[5]研究指出，節(jié)水灌溉稻田施加高量（40 t/hm2）生物炭下的土壤NH4+-N量比不施生物炭處理提高了26.47%。賈俊香等[23]在菜地的研究結果表明，施加生物炭處理后，菜地土壤NH4+-N量提高了34.9%。生物炭施入土壤后易形成較大的團聚體，對NH4+-N離子有較好的吸附及固持效果[24-25]。2019年的試驗結果表明，稻田土壤NH4+-N量隨生物炭施用量的增加呈下降趨勢，這可能是由于生物炭老化減弱了其對土壤氮素的固持作用[26-27]，此外，叢日環(huán)等[28]研究表明，土壤中NH4+-N量與有機碳量呈顯著負相關。本研究結果表明，施用生物炭提高了節(jié)水灌溉條件下稻田土壤有機碳量，而有機碳又進一步抑制了土壤對NH4+-N量的吸附能力，增加土壤的通透性，有利于硝態(tài)氮的轉化。因此，在2019年呈現(xiàn)出生物炭施用降低了節(jié)水灌溉稻田土壤NH4+-N量的現(xiàn)象。

由于本試驗采用尿素施肥，尿素在脲酶的作用下發(fā)生水解生成NH4+-N，脲酶活性則反映了土壤對氮素的需求和利用[29]。已有研究指出，秸稈等常規(guī)生物炭會抑制脲酶活性，生物炭對脲酶活性的抑制可能是其表面自由基或自由基促使產(chǎn)生的活性氧簇與脲酶發(fā)生氧化反應的結果[14,30]。生物炭施用后，節(jié)水灌溉條件下的稻田土壤脲酶活性下降，使得稻田施肥后土壤NH4+-N量上升速率較對照出現(xiàn)了不同程度的降低。肥后7 d是稻田土壤氮素通過氨揮發(fā)、淋失的關鍵時期[31]，生物炭的施用減緩了脲酶的作用，對稻田氮素損失量的控制具有積極作用。本試驗結果表明，稻田土壤NO3--N量與生物炭施用量呈負相關，這與賈俊香等[23]研究結論一致。研究表明，添加麥秸和煙桿2種生物炭均可通過抑制硝化作用降低土壤NO3--N量，并且影響效果與生物炭施加量呈正相關關系[15,32]。

4 結論

1）施用生物炭提高了節(jié)水灌溉條件下稻田土壤有機質、有機碳量，且提升效果與生物炭施用量呈正相關，但其作用效果隨水稻生育進程的推進而下降。

2）施用生物炭對節(jié)水灌溉條件下稻田土壤NH4+-N量的影響存在年際效應，新鮮生物炭可增加稻田土壤NH4+-N量，而老化生物炭的作用效果則相反。施用生物炭會降低稻田土壤的NO3--N量，且土壤NO3--N量與生物炭的施用量呈負相關。

3）施用生物炭會在一定程度上減緩施肥后稻田土壤NH4+-N量的上升速度，對施肥后關鍵期內稻田氮素損失量的控制具有積極作用。

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Effects of Biochar Amendment on Bioavailable Nutrients in Paddy Soil

JI Renjing1, HU Mengyang2, HE Yupu1*, SHI Yuanzhi1, SONG Haochen3, FENG Zhengchao3

(1. State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;3. Gaochun Water Authority, Nanjing 211300, China)

【Objective】 Biochar is often used in soil amendment to improve soil quality and productivity. The objective of this paper is to investigate its efficacy in improving soil nutrients in a water-saving irrigated paddy soil. 【Method】 The experiment was conducted from 2018 to 2019 in a paddy field with controlled irrigation. It consisted of four biochar treatments: 0 (CK), 10 (CL), 20 (CM) and 40 t/hm2(CH). In each treatment, we measured soil organic matter and mineral nitrogen. 【Result】 Amending the soil with biochar increased soil organic carbon and the increase was in the order of CH>CM>CL>CK. The impact of biochar amendment on soil mineral nitrogen varied. Compared to CK, CH, CM and CL increased ammonium by 1.52, 0.61 and 0.39 g/kg, respectively, in 2018, while reduced them by 2.01, 1.71 and 0.99 g/kg, respectively, in 2019. After fertilizer application at the tillering stage, CK saw the fastest increase in ammonium, while the ammonium in other treatments was comparable. After fertilizer application at the spiking stage in 2019, ammonium content was comparable with that in 2018, and its content in other treatments in 2019 was ranked in the order of CK>CL>CM>CH. The two-year experiment showed that CH, CM and CL reduced nitrate content by 32.34%, 19.45% and 9.21%, respectively, compared to CK.【Conclusion】 The effect of biochar amendment on soil organic carbon in the water-saving irrigated paddy field was positively correlated with the biochar amount, but decreased as time elapsed. The biochar increased ammonium content only at the early stage after the amendment, but it reduced nitrate nitrogen content. Nitrate content was negatively correlated with biochar amendment amount. The biochar slows down the increase of ammonium following fertilization, thereby reducing nitrogen loss.

water saving irrigation; biochar; paddy field; soil nutrients

1672 - 3317（2023）01 - 0047 - 07

S278

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022376

紀仁婧, 胡夢陽, 和玉璞, 等. 生物炭施用對節(jié)水灌溉稻田土壤養(yǎng)分的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(1): 47-53.

JI Renjing, HU Mengyang, HE Yupu, et al. Effects of Biochar Amendment on Bioavailable Nutrients in Paddy Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 47-53.

2015-03-04

國家自然科學基金項目（51609141）；江蘇省水利科技項目（2021052）；南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（Y920009）

紀仁婧（1989-），女。工程師，主要從事農田高效灌溉排水理論與環(huán)境效應研究。E-mail: jirenjing@126.com

和玉璞（1987-），男。高級工程師，主要從事農田高效灌溉排水理論與環(huán)境效應研究。E-mail: heyupu28@163.com

責任編輯：韓 洋