關(guān)鍵詞 化肥減量； 生物炭； 秸稈還田； 養(yǎng)分吸收； 土壤碳； 水稻

施用化肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是保障作物產(chǎn)量和糧食安全必不可少的措施［1］，然而，長(zhǎng)期不合理的化肥投入也導(dǎo)致肥料利用率低下、資源浪費(fèi)、大氣和水體污染以及生物多樣性降低等一系列資源環(huán)境問(wèn)題［2-3］，嚴(yán)重制約了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。因此，在保障國(guó)家糧食安全的前提下，如何通過(guò)科學(xué)合理的養(yǎng)分管理措施來(lái)實(shí)現(xiàn)化肥減量提質(zhì)增效與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同發(fā)展，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展迫切需要解決的重大問(wèn)題之一［4］。

有機(jī)養(yǎng)分替代部分化肥作為農(nóng)業(yè)減肥增效綠色生產(chǎn)的重要措施，在提升土壤質(zhì)量、促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面具有積極影響，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一［5］。秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)一種重要有機(jī)養(yǎng)分資源，除富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和糖類(lèi)等有機(jī)能源外，還含有作物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀和中微量營(yíng)養(yǎng)元素，合理的秸稈還田不僅可以有效替代部分化肥，而且還有利于提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定作物產(chǎn)量、促進(jìn)農(nóng)田固碳減排［6-8］。生物炭是農(nóng)林廢棄生物質(zhì)在缺氧或有限氧條件下經(jīng)亞高溫（lt; 700 ℃） 熱解碳化過(guò)程而形成的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面大、理化性質(zhì)穩(wěn)定的富碳物質(zhì)，其在改善土壤性狀和固碳減排，提高作物產(chǎn)量及肥料利用率等方面具有多重效益，已逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛利用［9-11］。然而，由于作物產(chǎn)量以及土壤特性對(duì)生物炭和秸稈還田的響應(yīng)，受氣候條件、替代比例、土壤類(lèi)型、種植作物以及試驗(yàn)周期等各種因素的影響較大［7，9-12］，在實(shí)際生產(chǎn)中，具體到特定的地域和生產(chǎn)體系，對(duì)生物炭和秸稈的作用效果評(píng)估還需要進(jìn)行針對(duì)性更強(qiáng)的科學(xué)試驗(yàn)。

沿淮平原地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶、地勢(shì)平坦、光溫水熱資源豐富，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，在保障國(guó)家糧食安全中占有極其重要的地位。水稻-小麥輪作是該區(qū)域的主要種植模式，水稻種植主要以中熟中粳水稻品種為主，化肥投入采取的是“高投入、高產(chǎn)出”的管理模式，不僅浪費(fèi)了資源，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了不利的影響。同時(shí)，砂姜黑土是該區(qū)域廣泛分布的一類(lèi)中低產(chǎn)田，養(yǎng)分瘠薄、結(jié)構(gòu)性能差、功能微生物缺乏等問(wèn)題使得該地域自然資源優(yōu)勢(shì)、土壤生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮［13］。因此，如何保證該類(lèi)中低產(chǎn)田在產(chǎn)量穩(wěn)步提升的前提下兼顧化肥減施增效值得關(guān)注。鑒于此，本研究連續(xù)2 a 在砂姜黑土區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)，以常糯1 號(hào)為材料，研究化肥減量配施秸稈和生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、土壤總有機(jī)碳和微生物量碳等的影響，明確秸稈和生物炭在砂姜黑土區(qū)的節(jié)肥增產(chǎn)效果，探討其調(diào)控土壤碳庫(kù)的內(nèi)在機(jī)制，旨在為該區(qū)域養(yǎng)分資源高效管理和秸稈資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在沿淮平原典型稻麥輪作區(qū)的安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣淮西現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)（117° 04′12″E，32°58′58″N）開(kāi)展田間試驗(yàn)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.3 ℃，年均日較差9.1 ℃，日照時(shí)數(shù)2 206 h，無(wú)霜期218 d，年均降水量874.6 mm，年內(nèi)降水分布不均勻，多集中在6-8月。試驗(yàn)田種植制度為水稻-小麥輪作，土壤為潛育型水稻土砂姜黑土，2018 年6 月試驗(yàn)前0～20 cm 耕層土壤基本理化性狀：pH（m 水∶m 土=2.5∶1） 6.27，有機(jī)質(zhì)21.4 g/kg，全氮1.4 g/kg，堿解氮97.7 mg/kg，Olsen-P 18.5 mg/kg，速效鉀104.9 mg/kg，CEC251.3 mmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 和2019 年連續(xù)2 a 在水稻季開(kāi)展，共設(shè)置5 個(gè)處理：①不施肥（CK）；②常規(guī)施肥（100%NPK）；③化肥減量20%（80% NPK）；④化肥減量20%+秸稈（80% NPK+S）；⑤化肥減量20%+生物炭（80% NPK+B），每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積為 6.5 m×4 m。試驗(yàn)中常規(guī)施肥處理氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的用量分別為225、90、90 kg/hm2，此用量是周邊92 戶(hù)農(nóng)民平均施肥量。肥料品種為尿素（含N 46.2%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O5 12%）和氯化鉀（含K2O 60%），其中氮肥分別按基肥、分蘗肥和穗肥40%、30% 和30% 施用，磷鉀肥作為基肥一次性施入（表1）。小區(qū)間以寬50 cm、高30 cm 的泥埂隔開(kāi)，用厚質(zhì)農(nóng)膜包裹泥埂并壓至犁底層以下防止串水串肥，實(shí)行單灌單排。本試驗(yàn)中秸稈和生物炭的用量主要是根據(jù)當(dāng)?shù)匦←溄斩掃€田投入量（6 000 kg/hm2）設(shè)置的，生物炭等碳量還田（表1）。小麥秸稈主要養(yǎng)分含量平均為：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，是以小麥秸稈為原料，在500 ℃熱裂解1 h 制作而成，主要養(yǎng)分含量平均為：C52.3%、N 4.4 g/kg、P 6.2 g/kg、K 50.6 g/kg，pH 值平均為9.37。以當(dāng)?shù)刂髟运酒贩N“常糯１號(hào)”為供試材料，秧苗于每年6 月上旬移栽，10 月下旬收獲。上茬小麥?zhǔn)斋@后將秸稈全部移出，粉碎成5 cm 左右的小段備用。水稻移栽前，將秸稈或生物炭撒勻于相應(yīng)處理的小區(qū)，立即用耙翻耕約5 cm 深的土層內(nèi)，且攪漿均勻，隨后進(jìn)行施肥移栽等，其他田間栽培管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锉３忠恢隆?/p>

1.3 樣品采集與測(cè)試方法

1）水稻產(chǎn)量及地上部生物量的測(cè)定。于水稻成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5 蔸水稻植株，用不銹鋼剪刀從根莖結(jié)合部剪斷取其地上部分，待水稻植株自然風(fēng)干后脫粒、稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算草谷比，為了縮小草谷比的計(jì)算偏差，水稻籽粒和秸稈均自然風(fēng)干至恒質(zhì)量，保證兩者在含水率上的一致性。所有小區(qū)均全部實(shí)收計(jì)產(chǎn)，收割后脫粒稱(chēng)質(zhì)量，用谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水率，按照 14.5% 含水率折算籽粒產(chǎn)量。

2）植株養(yǎng)分的測(cè)定。2019 年水稻收獲后，將采集的水稻植株樣品分器官（籽粒和莖稈）于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，磨碎過(guò)0.25 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩后用于測(cè)定籽粒和莖稈的養(yǎng)分含量。樣品經(jīng)H2SO4-H2O2 消化后，分別用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定水稻籽粒和莖稈氮、磷、鉀含量［ 14］，氮磷鉀含量均以各部位烘干質(zhì)量為基數(shù)表示。

3）土壤理化性狀的測(cè)定。試驗(yàn)開(kāi)始前，以整個(gè)試驗(yàn)田塊為采樣單元，采用“S”法采集 0～20 cm 耕層土樣，用于測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性狀。2019 年水稻收獲后，以每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為采樣單元，采用“S”法采集0～20 cm 深度5 個(gè)位點(diǎn)土壤混合成1 個(gè)樣品，作為試驗(yàn)結(jié)束后土壤樣品。采集的土壤樣品剔除雜質(zhì)后，過(guò)2 mm 篩，分成2 部分，一部分風(fēng)干過(guò)篩，供理化性質(zhì)分析用；另一部分儲(chǔ)藏于4 ℃冰箱中用于測(cè)定土壤微生物量碳（MBC）的含量。土壤基本理化生化性質(zhì)測(cè)定方法［15-16］如下：土壤pH 采用酸度計(jì)法測(cè)定（m 水∶m 土=2.5∶1）；土壤有機(jī)質(zhì)和總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用濃H2SO4消化-凱氏定氮法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤Olsen- P 采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用 1 mol/LNH4OAc 浸提- 火焰光度法測(cè)定；土壤CEC 采用BaCl2-MgSO4 法測(cè)定；土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸-K2SO4 溶液浸提法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2021 進(jìn)行整理和繪圖，使用SPSS19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用最小顯著性法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)水稻產(chǎn)量和地上部生物量的影響

各處理的水稻產(chǎn)量及地上部生物量見(jiàn)表2。由表2 可見(jiàn)，所有施肥處理水稻產(chǎn)量和地上部生物量均顯著高于不施肥處理（CK）（Plt;0.05），增加幅度分別為45.1%～56.4% 和49.9%～60.7%。所有施肥處理中，化肥減量20% 配施生物炭（80% NPK+B）處理的水稻產(chǎn)量、地上部生物量均最高，較常規(guī)施肥100% NPK處理分別顯著增加5.2%和4.7%（ Plt;0.05），較80% NPK 處理，分別顯著增加7.9% 和7.2%（Plt;0.05）。化肥減量20% 配施秸稈（80%NPK+S）處理與100% NPK 處理相比，水稻產(chǎn)量和地上部生物量分別增加3.4% 和3.0%，第1 季差異不顯著（Pgt;0.05），第2 季差異達(dá)顯著水平（Plt;0.05），較80% NPK 處理，水稻產(chǎn)量和地上部生物量差異均達(dá)顯著水平（Plt;0.05）。80% NPK+S 和 80%NPK+B 處理間水稻籽粒和地上部生物量無(wú)顯著差異（Pgt;0.05）。另外，化肥減量20%（80% NPK）處理與100% NPK 處理相比，2 季水稻產(chǎn)量、地上部生物量平均僅分別減少2.5% 和2.4%，且差異未達(dá)顯著水平（Pgt;0.05）。綜合2 季試驗(yàn)結(jié)果，水稻連續(xù)2 季化肥減量20%，其產(chǎn)量和地上部生物量均與常規(guī)施肥處理差異不大，在沿淮砂姜黑土稻作系統(tǒng)適當(dāng)減少化肥用量不會(huì)顯著影響水稻產(chǎn)量，在化肥減施20% 的條件下增施生物炭或者秸稈對(duì)水稻產(chǎn)量的提高均有促進(jìn)作用，且生物炭較秸稈直接還田的增產(chǎn)效果更明顯。

2.2 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)水稻成熟期養(yǎng)分吸收的影響

1）氮素吸收。由圖1 可見(jiàn)，水稻成熟期所有施肥處理的水稻籽粒和秸稈含N 量均較CK 處理顯著提高（Plt;0.05），這說(shuō)明單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施均可顯著促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈含N 量最高，顯著高于100% NPK 和80% NPK 處理（Plt;0.05），這說(shuō)明，化肥減量20% 條件下配施生物炭可以顯著提高水稻植株含N 量。80% NPK+S 與100% NPK 、80% NPK 相比，籽粒和秸稈含N 量無(wú)顯著差異（Pgt;0.05）。

由圖2 可見(jiàn)，不同處理間水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量均存在顯著差異（Plt;0.05）。單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施均顯著提高了水稻籽粒、秸稈和地上部的N 素累積量（Plt;0.05），較CK 處理分別增加了38.60～51.81、31.02～43.52 和69.61～95.34 kg/hm2。所有施肥處理中，水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量均以80% NPK+B 處理最高，較100% NPK 處理分別顯著增加10.0%、10.8% 和10.4%，較80% NPK 處理分別顯著增加14.8%、18.7% 和16.5%（Plt;0.05），說(shuō)明化肥減量20% 配施生物炭可以顯著增加水稻的N 素吸收量。與100%NPK 處理相比，80% NPK+S 處理水稻籽粒、秸稈和地上部N 素累積量分別提高6.4%、4.4% 和5.5%，其中籽粒和地上部N 素累積量的差異均達(dá)顯著水平，并且也顯著高于80% NPK 處理（Plt;0.05）。表明在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭或者秸稈可顯著提高水稻對(duì)N 素的吸收、同化和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，從而為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2）磷素吸收。與N 類(lèi)似，單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施也顯著提高了水稻成熟期籽粒和秸稈的磷素含量（Plt;0.05）（圖3）。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理籽粒、秸稈P2O5含量均最高，顯著高于80% NPK 處理（Plt;0.05），與100% NPK 處理相比，也略有增加，但差異不顯著（Pgt;0.05）。與100% NPK 處理相比，80% NPK 和80% NPK+S 處理的籽粒和秸稈P2O5含量均顯著降低（Plt;0.05）。

由圖4 可見(jiàn)，不同處理對(duì)水稻籽粒、秸稈和地上部P2O5累積量的影響存在顯著差異。施肥顯著促進(jìn)了水稻對(duì)磷素的吸收，較CK 處理分別增加了9.25～14.89、5.21～7.80 和14.46～22.69 kg/hm2。所有施肥處理中，80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈和地上部P2O5 累積量均最高，均顯著高于其他處理（Plt;0.05），較100% NPK 處理分別增加7.8%、6.0% 和7.2%，較80% NPK 處理分別增加25.4%、21.7% 和24.1%。而80% NPK+S 處理籽粒、秸稈和地上部P2O5 累積量均顯著低于100% NPK 處理，降低幅度分別為5.8%、6.0% 和5.8%，但顯著高于80% NPK處理（Plt;0.05）。由此可見(jiàn)，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭可顯著提高水稻對(duì)磷素吸收能力，而配施秸稈卻降低了對(duì)磷素的吸收。

3）鉀素吸收。由圖5 可見(jiàn)，單施化肥、化肥與秸稈或生物炭配施也顯著提高了水稻成熟期籽粒和秸稈的鉀素含量。與100% NPK 和80% NPK 處理相比，80% NPK+S 和80% NPK+B 處理的水稻籽粒、秸稈K2O 含量均顯著提高（Plt;0.05），且80%NPK+B 效果更顯著。與100% NPK 處理相比，80% NP 處理的籽粒和秸稈的K2O 含量均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但差異不顯著（Pgt;0.05）。

不同處理間水稻成熟期籽粒、秸稈和地上部K2O 累積量均存在顯著差異（圖6）。施肥顯著促進(jìn)了水稻對(duì)鉀素的吸收，較CK 處理分別增加了11.14～16.57、77.98～118.53和89.12～135.10 kg/hm2。與100% NPK 處理相比，80% NPK+B 和80%NPK+S 處理籽粒K2O 累積量分別顯著增加了17.7% 和12.4%，秸稈K2O 累積量分別顯著增加了20.3% 和15.2%，地上部K2O 累積量分別顯著增加了20.0% 和14.8%。另外，與100% NPK 處理相比，80% NPK 的籽粒、秸稈和地上部K2O 累積量均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但差異不顯著（Pgt;0.05）。由此可見(jiàn)，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 條件下配施生物炭或者秸稈可顯著提高水稻對(duì)鉀素的吸收能力，有利于鉀素的吸收積累。

2.3 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)土壤碳的影響

1）土壤總有機(jī)碳。由圖7 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)2 季定位試驗(yàn)，化肥減量20% 配施生物炭或秸稈均有利于水稻成熟期0～20 cm 土層土壤總有機(jī)碳含量（TOC）的提升。80% NPK+B 和80% NPK+S 處理的土壤TOC 含量較100% NPK 處理（12.60 mg/kg）分別增加了10.5% 和5.1%，較80% NPK 處理（12.12mg/kg）分別顯著增加了16.2% 和9.6%（Plt;0.05）。另外，各施肥處理的土壤TOC 含量較CK 處理（10.42 mg/kg）均顯著提高（Plt;0.05），增加幅度為16.3%～ 35.1%。

2）土壤微生物量碳。圖8 顯示，經(jīng)過(guò)2 季定位試驗(yàn)，化肥減量20% 配施生物炭或秸稈均顯著提高了水稻成熟期0～20 cm 土層土壤微生物量碳（MBC）的含量。80% NPK+S 和80% NPK+B 處理的土壤MBC 含量較100% NPK 處理（29.1 mg/kg）分別顯著增加了23.9% 和18.7%（Plt;0.05），較80% NPK 處理（26.1 mg/kg）分別顯著增加了46.6% 和37.2%（Plt;0.05）。各施肥處理與CK 處理相比，土壤MBC的含量均顯著增加（Plt;0.05），增加幅度為66.2% ～143.6%。

3 討論

3.1 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是品種、土壤特性、氣候、施肥和栽培管理措施等多因素綜合作用的結(jié)果，也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。關(guān)于生物炭和秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，目前大部分研究結(jié)果表明，生物炭和秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的提升具有明顯的促進(jìn)作用［17-19］，也有少部分研究顯示，對(duì)水稻產(chǎn)量沒(méi)有影響或影響不顯著，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象，如Zhao 等［20］研究認(rèn)為，與秸稈不還田相比，秸稈還田均未對(duì)水稻產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響；張斌等［21］報(bào)道，相同氮肥處理下，連續(xù)2 a 施用生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量基本沒(méi)有影響。生物炭和秸稈對(duì)水稻產(chǎn)量的效應(yīng)存在差異，可能與原料特性、土壤類(lèi)型、替代比例、氣候條件、肥料運(yùn)籌以及試驗(yàn)周期等因素有關(guān)［7，11，22-23］。本研究結(jié)果表明，化肥減量20% 條件下配施生物炭或秸稈有利于維持水稻產(chǎn)量的高產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。原因可能在于：（1）生物炭和秸稈在一定程度上可以改善土壤結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性，增加土壤通透性，改善根際環(huán)境，增強(qiáng)根系活力，進(jìn)而促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育［7， 22-24］；（2）秸稈和生物炭本身含有豐富的有機(jī)成分和營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤養(yǎng)分的有效補(bǔ)給源。本試驗(yàn)中，施用生物炭直接帶入到土壤中的主要養(yǎng)分分別為N 10.9 kg/hm2、P2O5 12.5 kg/hm2、K2O 50.0 kg/hm2，小麥秸稈還田帶入的主要養(yǎng)分分別為N 21.6 kg/hm2 、P2O5 69. 6 kg/hm2、K2O 299.1 kg/hm2。（3）生物炭豐富的多微孔結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素有吸附固持和緩釋效應(yīng)，增強(qiáng)了水稻生育后期養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)性能，提高了肥料利用率，進(jìn)而促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)發(fā)育［22］。然而，水稻產(chǎn)量對(duì)生物炭和秸稈的響應(yīng)，取決于氣候條件、替代比例、土壤類(lèi)型、種植作物體系以及試驗(yàn)周期等各種因素的綜合影響。因此，對(duì)于生物炭和秸稈增產(chǎn)或減產(chǎn)的效果和機(jī)制研究仍需要多生態(tài)點(diǎn)位的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。

3.2 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)水稻養(yǎng)分吸收的影響

氮、磷是植物體內(nèi)核酸、氨基酸、磷脂等許多重要化合物的成分，鉀則參與植物的新陳代謝，這3 種營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用，其含量的多少及耦合狀況，可以從側(cè)面反映出作物的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分利用狀況，并將會(huì)直接影響水稻的產(chǎn)量［25］。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，化肥減量20% 配施生物炭顯著提高了水稻地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分積累量，特別對(duì)鉀元素的提升效應(yīng)更為顯著，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果［12，19，26-28］一致。生物炭對(duì)水稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收的促進(jìn)作用，首先得益于其豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)與生物學(xué)特性、提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤pH 值和陽(yáng)離子交換量、吸附固持養(yǎng)分等途徑改善根際環(huán)境，提升根系活力，進(jìn)而促進(jìn)水稻對(duì)氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收［22-23］；其次，生物炭和秸稈自身所攜帶的豐富的養(yǎng)分，能夠作為土壤養(yǎng)分的有效補(bǔ)充，大大提高了土壤對(duì)作物養(yǎng)分的供給能力，從而也促進(jìn)水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收利用［9，22-24］?；蕼p量20% 的條件下，同樣作為有機(jī)肥源的秸稈盡管顯著提高了水稻對(duì)氮鉀的累積量，但卻降低了水稻磷含量及吸磷量，造成這種現(xiàn)象的原因是，一方面本試驗(yàn)所用的小麥秸稈本身含磷量較低，且中穩(wěn)性有機(jī)磷比例較高，其腐解直接釋放到土壤中磷以及分泌的有機(jī)酸活化的土壤固定態(tài)磷不足以彌補(bǔ)磷肥減量引起的磷供應(yīng)水平的下降［29］，另一方面秸稈類(lèi)生物炭和秸稈C/P 值較高，易引起磷的生物固持，進(jìn)而使土壤有效磷含量降低，不利于水稻對(duì)磷素的吸收利用［30］。因此，在本區(qū)域?qū)嵤┗蕼p量措施時(shí)，應(yīng)慎重考慮磷肥的減少比例，以免影響作物對(duì)磷素的吸收利用。

3.3 化肥減量配施生物炭和秸稈對(duì)土壤固碳的影響

土壤有機(jī)碳（SOC）作為土壤質(zhì)量和土壤肥力的核心，與土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性密切相關(guān)，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要作用［31］。增加外源有機(jī)物料的投入是提高土壤有機(jī)碳固持、提升土壤肥力的重要手段。本研究結(jié)果表明，在沿淮砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈均有利于0～20 cm 土層SOC 含量的提高，生物炭效果要優(yōu)于秸稈，這與前人的研究結(jié)果［32-33］一致。原因在于，一方面秸稈和生物炭均是含碳豐富的有機(jī)物料，還田后直接增加了外源有機(jī)碳的投入；同時(shí)，秸稈和生物炭還能促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)和干物質(zhì)累積，進(jìn)而通過(guò)提高作物根系、殘茬殘留量以及根系分泌物來(lái)增加有機(jī)碳的投入；另一方面，秸稈和生物炭與化肥配施后有助于土壤團(tuán)聚化作用以及結(jié)構(gòu)的形成，可為有機(jī)碳提供物理保護(hù)作用，從而減少微生物對(duì)有機(jī)碳的礦化分解［ 32，34］。生物炭提高土壤總有機(jī)碳含量效果優(yōu)于秸稈，這是因?yàn)榻斩捄写罅炕钚蕴浚ɡw維素和半纖維素等），其歸還的碳通過(guò)土壤呼吸作用損失較多［35］，相比之下，生物炭則具有高度羧酸酯化和穩(wěn)定的芳香化結(jié)構(gòu)［30，36］，碳有效性較低，具有極強(qiáng)的生物化學(xué)穩(wěn)定性和抗礦化降解能力，施入土壤后通過(guò)呼吸作用損失的碳較少，從而有利于有機(jī)碳的穩(wěn)定保存，因此，生物炭和秸稈還田均可以提高土壤有機(jī)碳含量，但提高程度存在較大差異。

土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳庫(kù)中最為活躍的部分，盡管數(shù)量少，在調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著十分重要的作用，是衡量土壤生物學(xué)肥力的重要指標(biāo)［32］。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施配合秸稈或者生物炭能夠顯著增加土壤MBC 的含量，且秸稈還田效果優(yōu)于生物炭。秸稈還田顯著提升土壤MBC 的原因主要在于秸稈中含有豐富的碳、氮、鉀及微量元素等養(yǎng)分，可為微生物生長(zhǎng)、繁殖提供充足能源和基質(zhì)，改善了土壤微生物繁育環(huán)境條件，從而提高了微生物的活性和數(shù)量［37］。盡管生物炭中碳有效性較低，施入土壤仍可顯著提高土壤MBC 的含量，原因在于生物炭能夠?yàn)橥寥牢⑸锏纳L(zhǎng)、繁殖提供充足的養(yǎng)分來(lái)源以及良好的棲息地，從而顯著增加土壤微生物的數(shù)量，并最終改善土壤生物肥力［38］。雖然生物炭和秸稈均可顯著增加土壤MBC 的含量，但秸稈對(duì)MBC 含量的促進(jìn)作用要高于生物炭。原因在于秸稈中可溶性物質(zhì)、纖維素和糖類(lèi)等可被微生物直接分解利用的碳、氮含量相對(duì)較高，而生物炭在制備過(guò)程中，活性較高的組分多轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)，致使其生物活性降低，因而，生物炭還田條件下對(duì)土壤MBC的含量要低于秸稈還田。

綜上，砂姜黑土區(qū)化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈均有利于水稻產(chǎn)量的提高，較常規(guī)施肥分別增加5.2% 和3.4%；化肥減量20% 條件下，配施生物炭可顯著增加水稻氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收量，較常規(guī)施肥分別提高10.4%、7.2% 和20.0%，配施秸稈可顯著增加氮、鉀吸收量，但卻降低了對(duì)磷素的吸收；化肥減量20% 配施生物炭或者秸稈有利于砂姜黑土總有機(jī)碳和微生物量碳含量的提升，其中生物炭提高總有機(jī)碳含量效果優(yōu)于秸稈，而秸稈提高微生物量碳含量效果優(yōu)于生物炭。綜合來(lái)看，在砂姜黑土區(qū)，化肥減量20% 配施生物炭或者氮鉀減量20% 配施秸稈可增加或維持水稻產(chǎn)量，提高水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，利于固碳培肥。