周佳慧 張昆 謝志堅(jiān)，* 王斌強(qiáng)

（1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045；2江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所，江西 南昌 331717）

紅壤是我國(guó)南方地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)土壤資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，紅壤區(qū)耕地僅占全國(guó)耕地面積的27.8%，卻生產(chǎn)了全國(guó)42.7%的糧食和3/4的水稻，養(yǎng)育了全國(guó)2/5的人口［1］。因此，合理利用紅壤資源對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要作用。水稻為我國(guó)65%以上人口的主糧作物，常年種植面積約3 000萬(wàn)公頃［2］，而雙季稻種植是保障我國(guó)糧食安全的重要種植制度。目前，南方雙季稻種植面積與產(chǎn)量均占全國(guó)水稻種植面積與總產(chǎn)量的40%左右［3］。然而，在每年產(chǎn)出大量糧食的同時(shí)，不合理秸稈還田、耕作、施肥方式導(dǎo)致的農(nóng)田氮素利用率低、土壤質(zhì)量下降等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的重要難題。以秸稈炭化還田為核心的生物炭技術(shù)是恢復(fù)土壤質(zhì)量的治本之策，對(duì)我國(guó)發(fā)展綠色低碳的集約化農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有積極作用。

生物炭是將秸稈等農(nóng)林廢棄物在低氧環(huán)境下經(jīng)過(guò)亞高溫裂解炭化而成的高碳物質(zhì)［4］，由于其具有比表面積大、孔隙豐富等特性，在改良土壤肥力和提高土壤質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì)突出，已成為農(nóng)業(yè)研究熱點(diǎn)之一［5］。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用較高劑量生物炭一次性還田模式。如鄒瑞晗等［6］研究不同用量生物炭（15～60 t·hm-2）施用對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體及碳含量的調(diào)控效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳和微生物量碳含量隨生物炭用量的增加先增加后減少。Mahmoud等［7］研究發(fā)現(xiàn)，添加19 t·hm-2玉米秸稈生物炭可以顯著改善土壤肥力。然而，在一次性高劑量還田模式下，水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量的提高會(huì)隨著還田時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱［8］，同時(shí)生物炭的生產(chǎn)成本過(guò)高，使得高量生物炭的應(yīng)用并不能達(dá)到資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)［9］。

因此，本研究采用一種新型可持續(xù)的低劑量生物炭還田模式，即采用與全年等量水稻秸稈產(chǎn)生量的炭化還田模式，探究稻稈炭還田對(duì)雙季稻田土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其綜合肥力的影響，旨在為合理利用我國(guó)南方紅壤雙季稻區(qū)稻稈資源和提升稻田土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而來(lái)的潴育性水稻土，質(zhì)地為粘壤，基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：土壤pH值5.23、有機(jī)質(zhì)含量33.2 g·kg-1、全氮1.51 g·kg-1、堿解氮176.9 mg·kg-1、有效磷31.6 mg·kg-1、速效鉀75.7 mg·kg-1。供試生物炭為水稻秸稈在亞高溫（約500 ℃）缺氧條件下炭化制備獲得，其基礎(chǔ)性狀如下：pH值10.5、比表面積39.91 m2·g-1、孔徑50.2 nm、有機(jī)碳750 g·kg-1、全氮14 g·kg-1。供試早稻為湘早秈45，晚稻為泰優(yōu)871，由江西省紅壤與種質(zhì)資源研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2021年，在江西省紅壤與種質(zhì)資源研究所內(nèi)雙季稻田進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫17.0～17.7 ℃，年降雨量1 600～1 700 mm，年均相對(duì)濕度78.5%。

設(shè)置4個(gè)處理：不施氮肥和生物炭（CK）、單施生物炭（B）、100%氮肥（N100）、100%氮肥+生物炭（N100B），每個(gè)小區(qū)面積約20 m2（6 m×3.33 m），每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。

供試早、晚稻100%化肥用量分別為：N量150 kg·hm-2、P2O5量75 kg·hm-2、K2O量120 kg·hm-2；N量180 kg·hm-2、P2O5量75 kg·hm-2、K2O量150 kg·hm-2。供試化學(xué)氮、磷和鉀肥分別為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。所有處理的磷、鉀肥用量相同，磷肥全部作為基肥施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用，鉀肥按基肥∶穗肥=7∶3施用?；视谒疽圃郧? d施用，分蘗肥在水稻移栽后5～7 d施用，穗肥在主莖幼穗長(zhǎng)1～2 cm時(shí)施用。生物炭按4 t·hm-2于早稻季作為基肥一次性施用。早稻按行距×株距=30 cm×15 cm移栽，每穴3～4株秧苗；晚稻所有施肥處理施肥量、類型和方法均相同，按行距×株距=24 cm×22 cm移栽，每穴2～3株秧苗。

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

分別在晚稻齊穗期與成熟期，按“S”路線采集0～20 cm土層土壤樣品不少于300 g，裝入塑封袋并密封帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分放置冰箱-4 ℃保存；一部分風(fēng)干過(guò)篩備用。

采用S210 酸度計(jì)（梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易上海有限公司）測(cè)定土壤pH值；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測(cè)定；采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定全氮含量；采用2 mol·L-1KCl浸提-流動(dòng)分析法測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量；采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測(cè)定有效磷含量；運(yùn)用NaOH熔融—火焰光度法測(cè)定全鉀含量；運(yùn)用NH4OAc浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀含量［10］。采用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物生物量碳氮含量［11］。

1.4 土壤綜合肥力的計(jì)算

本研究選取土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀7項(xiàng)指標(biāo)作為參評(píng)指標(biāo)綜合反映土壤肥力狀況，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)（integratedfertilityindex，IFI）。根據(jù)全國(guó)土壤第二次普查標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤進(jìn)行分級(jí)（表1），分別計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分肥力系數(shù)（IFIi），采用修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算土壤綜合肥力［12］。

表1 土壤各屬性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Grading standards of soil properties

分肥力系數(shù)IFIi計(jì)算公式如下：

式中，IFIi為分肥力系數(shù)；X為測(cè)定值；Xa、Xc和Xp值參照表1。

采用修正后的內(nèi)梅羅（Nemoro）公式計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)：

式中，IFI為土壤綜合肥力指數(shù)；IFIi平均為各分肥力系數(shù)均值；IFIi最小為各分肥力系數(shù)最小值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。IFI值介于0～3之間，數(shù)值越大表示土壤的綜合肥力越高。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 2.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間進(jìn)行ANOVA方差分析和主成分分析，各處理平均數(shù)比較采用最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）（P＜0.05）；分別使用Origin 2018和MS Excel 2018繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值

由圖1可知，施用生物炭可提升稻田土壤pH值。與CK相比，B和N100B處理齊穗期土壤pH值分別提高0.06和0.19個(gè)單位，成熟期土壤pH值分別提高0.03和0.12個(gè)單位；而與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤pH值分別提高0.09和0.07個(gè)單位。

圖1 施用生物炭對(duì)晚稻齊穗期與成熟期土壤pH值的影響Fig.1 Effect of biochar on soil pH value at full heading and maturity stages of late rice

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量 由圖2可知，施用生物炭增加了稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量。與CK相比，B和N100B齊穗期土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加3.12%（P＞0.05）和20.57%（P＜0.05），成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加3.65%（P＞0.05）和9.64%（P＜0.05）。與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加6.80%和3.45%。

圖2 施用生物炭對(duì)晚稻齊穗期與成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of biochar on soil organic matter content at full heading and maturity stages of late rice

2.2.2 土壤全氮含量 由表2可知，施用生物炭整體增加了稻田土壤全氮含量。與CK相比，B和N100B齊穗期土壤全氮含量分別增加了2.81%（P＞0.05）和11.80%（P＜0.05），成熟期土壤全氮含量分別增加了3.35%（P＞0.05）和9.50%（P＜0.05）；與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤全氮含量分別增加了6.42%和0.51%。

2.2.3 土壤全磷和全鉀含量 施用生物炭處理稻田土壤全磷與全鉀含量較CK整體無(wú)顯著差異（P＞0.05）。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤全磷和全鉀含量分別降低5.55%、1.85%和4.50%、2.54%；與N100相比，N100B主要降低了齊穗期土壤全磷和全鉀含量，分別降低1.85%和0.30%。

2.3 土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分有效性

2.3.1 土壤無(wú)機(jī)氮含量 由表3可知，施用生物炭增加了稻田土壤中無(wú)機(jī)氮含量。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量分別增加56.10%、95.12%（P＜0.05）與3.82%（P＞0.05）、52.94%（P＜0.05），成熟期土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量分別增加78.79%、88.89%（P＜0.05）與1.20%、24.84%（P＞0.05）。與N100相比，N100B齊穗期和成熟期土壤硝態(tài)氮含量分別增加3.90%和6.25%（P＞0.05），銨態(tài)氮含量分別增加19.50%（P＜0.05）和23.57%（P＞0.05）。

表3 施用生物炭對(duì)晚稻齊穗期與成熟期土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分有效性的影響Table 3 Effects of biochar on available N，P，K in paddy soil at full heading and maturity stages of late rice /（mg·kg-1）

2.3.2 土壤有效磷含量 施用生物炭處理較CK降低了稻田土壤有效磷含量，但處理間差異不顯著（P＞0.05，表3）。與CK相比，B、N100B齊穗期土壤有效磷含量分別降低0.64%、10.84%，成熟期土壤有效磷含量分別降低6.79%、4.72%。與N100相比，N100B齊穗期土壤有效磷含量降低10.98%，而成熟期土壤有效磷含量增加10.04%。

2.3.3 土壤速效鉀含量 施用生物炭對(duì)稻田土壤速效鉀含量的影響因氮肥不同而異（表3）。與CK相比，B處理齊穗期與成熟期土壤速效鉀含量分別增加30.37%（P＜0.05）與20.57%（P＞0.05），而N100B齊穗期與成熟期土壤速效鉀含量分別減少18.31%與27.06%。與N100相比，N100B齊穗期土壤速效鉀含量降低7.18%，成熟期土壤速效鉀含量增加5.30%。

2.4 土壤微生物生物量碳氮含量

由圖3可知，施用生物炭顯著增加稻田土壤微生物生物量碳和氮含量（P＜0.05）。與CK相比，B、N100B齊穗期與成熟期土壤微生物生物量碳含量分別顯著增加60.08%、154.31%與100.28%、140.89%，土壤微生物生物量氮含量分別顯著增加39.89%、191.43%與29.61%、104.68%。與N100相比，N100B齊穗期與成熟期土壤微生物生物量碳分別顯著增加76.92%與44.86%，土壤微生物生物量氮含量分別顯著增加16.52%與44.98%。

圖3 施用生物炭對(duì)齊穗期與成熟期稻田土壤微生物生物量碳氮含量的影響Fig.3 Effect of biochar on microbial biomasses of C and N in paddy soil at full heading and maturity stages of late rice

2.5 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

由表4可知，添加生物炭提高了土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學(xué)計(jì)量比。與CK相比，B處理齊穗期與成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學(xué)計(jì)量比分別提高了2.35%、0.87%、7.95%、11.18%、11.76%與0.21%、7.08%、7.23%、6.73%、5.88%。與N100相比，N100B處理齊穗期與成熟期土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學(xué)計(jì)量比分別提高了0.65%、0.95%、3.45%、4.42%、5.26%與3.11%、3.24%、2.22%、2.82%、5.56%。

表4 施用生物炭對(duì)晚稻齊穗期與成熟期土壤C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征的影響Table 4 Effects of biochar on the stoichiometric characteristics of C，N，P，K in soil at full heading and maturity stages of late rice

2.6 土壤綜合肥力指數(shù)

由表5可知，不同處理齊穗期和成熟期的土壤綜合肥力指數(shù)（IFI）分別表現(xiàn)為B＞N100B＞N100＞CK和B＞N100B＞CK＞N100。與CK相比，B處理齊穗期和成熟期IFI值分別提高了5.83%和9.17%；與N100相比，N100B處理下的IFI值在齊穗期與成熟期分別增加了0.81%與5.13%。

表5 施用生物炭對(duì)晚稻齊穗期與成熟期土壤綜合肥力指數(shù)的影響Table 5 Effect of biochar on comprehensive fertility index of soil at full heading and maturity stages of late rice

2.7 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

由表6可知，土壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；土壤有機(jī)質(zhì)含量與SMBN含量、C/N、C/P、C/K、N/K呈顯著或極顯著正相關(guān)（P＜0.05或P＜0.01）；全氮含量與SMBC、SMBN含量、C/P、C/K、N/K呈顯著或極顯著正相關(guān)（P＜0.05或P＜0.01）；全磷含量與C/P、N/P呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與P/K、IFI呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；全鉀含量與C/K、N/K、P/K呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05或P＜0.01）；SMBC含量分別與SMBN含量、N/K呈極顯著和顯著正相關(guān)（P＜0.05或P＜0.01）；SMBN含量與C/P、C/K呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表6 晚稻齊穗期與成熟期全C、N、P、K含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征與土壤綜合肥力間的相關(guān)性（n=15）Table 6 Correlation efficiencies between the total C，N，P，K contents and ecological stoichiometry and the integrated fertility of soil at full heading and maturity stages of late rice（n=15）

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分特征的影響

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮等養(yǎng)分含量直接影響其肥力質(zhì)量和作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況，是保障糧食生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［13］。研究表明，生物炭還田會(huì)造成土壤有機(jī)碳分解的負(fù)激發(fā)效應(yīng)，調(diào)節(jié)微生物碳利用效率，進(jìn)而促進(jìn)土壤碳的積累和固存，對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量有積極作用［14-15］。本研究結(jié)果同樣表明，施加生物炭可以提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，其原因可能是生物炭在裂解過(guò)程中氧化不完全而產(chǎn)生一部分小分子有機(jī)碳，施入土壤后直接增加總有機(jī)碳的含量，同時(shí)生物炭表面含有高度濃縮的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，也使非活性炭的性質(zhì)更加穩(wěn)定，不易礦化分解［16-17］。

生物炭本身豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分可以起到補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的作用［18］。諸多研究表明，生物炭能增加土壤中氮的吸持能力，并提高氮素有效性［19-20］。付夢(mèng)雪等［21］研究表明，土壤全氮主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w形成的有機(jī)質(zhì)，因此全氮含量會(huì)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。謝志堅(jiān)等［22］發(fā)現(xiàn)，減氮配施炭基肥顯著提高了水稻地上部氮素利用率。本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可提高土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量（表1、2）。這可能是由生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及其表面豐富的官能團(tuán)的吸附（收）等效果所致［23］，從而減少土壤氮素的淋失等損失［24］。與氮不同，在本研究條件下，生物炭對(duì)土壤中磷含量的影響不顯著（表3），這與萬(wàn)海濤等［25］的研究結(jié)果一致?？傊锾坎粌H可以影響土壤氮素等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與遷移［26］，而且隨著其自身有效養(yǎng)分輸入及其疏松多孔結(jié)構(gòu)還可以提高土壤養(yǎng)分有效性［27］。

土壤微生物參與土壤的代謝過(guò)程，是土壤中最活躍的部分。土壤微生物生物量碳氮在土壤中的占比雖小，卻能在很大程度上反映土壤的有效養(yǎng)分狀況和生物活性，是評(píng)價(jià)土壤肥力及土壤微生物數(shù)量和活性的重要指標(biāo)［28］。本研究中，施加生物炭增加了土壤微生物生物量碳氮含量（圖3），與張星等［29］的研究結(jié)果一致。這可能是由于添加生物炭后增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，為微生物生存與活動(dòng)提供了充足的碳源物質(zhì)進(jìn)而提升其活性，并促進(jìn)微生物對(duì)土壤碳氮等養(yǎng)分的利用［30］。

3.2 生物炭對(duì)土壤C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)既可反映生態(tài)環(huán)境中各元素間的動(dòng)態(tài)平衡、循環(huán)及其相互作用關(guān)系，又可為農(nóng)田土壤培肥和維持其生產(chǎn)力提供理論指導(dǎo)［31］。本研究表明，添加生物炭較對(duì)照提高了土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K等生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，而P/K較對(duì)照無(wú)明顯變化（表4）。Kuzyakov等［32］認(rèn)為，添加生物炭降低了土壤有機(jī)碳的礦化速率，從而對(duì)提高土壤C/N產(chǎn)生一定積極影響。土壤C/P是評(píng)價(jià)土壤磷釋放能力的重要指標(biāo)［33］，當(dāng)C/P較低時(shí)，土壤有機(jī)磷會(huì)出現(xiàn)凈礦化［34］。研究證明，當(dāng)N/P＜10時(shí)，作物生產(chǎn)力受到N的限制［35］。因此，添加生物炭可增加土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量，但對(duì)全磷的影響不顯著（圖2、表3），進(jìn)而提高土壤C/P與N/P。土壤C/K、N/K的變化趨勢(shì)主要受碳素與氮素的影響，生物炭的添加使土壤有機(jī)碳、氮素養(yǎng)分的積累大于土壤鉀，即土壤C、N的改善大于土壤K［36］。

3.3 生物炭對(duì)土壤綜合肥力的影響

土壤綜合肥力可用來(lái)衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分的能力［37］。魏永霞等［38］發(fā)現(xiàn)，黑土土壤綜合肥力水平隨生物炭的添加而提高，這是由于添加生物炭吸附并固定了土壤有效養(yǎng)分，明顯提高土壤肥力。本研究同樣表明，添加生物炭有效改善了土壤有機(jī)質(zhì)和氮等養(yǎng)分含量狀況，進(jìn)而提高土壤綜合肥力指數(shù)，且添加化肥配施生物炭的效果優(yōu)于單施化肥。因此，水稻秸稈炭化還田技術(shù)不僅可有效提升南方紅壤稻區(qū)土壤肥力，還可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源合理利用。

4 結(jié)論

單獨(dú)施用稻稈生物炭或配施化肥不僅能增加土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、無(wú)機(jī)氮及微生物生物量碳氮含量，還能提升土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K化學(xué)計(jì)量比，繼而提升土壤綜合肥力指數(shù)（IFI）。因此，稻稈生物炭還田可改善紅壤區(qū)雙季稻田土壤肥力，有助于合理高效利用南方紅壤雙季稻區(qū)稻稈資源。