连年秸秆与生物炭还田对盐碱土理化性状及水稻产量的影响

赵海成，郑桂萍*，靳明峰，陈亚桐，牛同旭，陈立强，赫 臣，李红宇，吕艳东，付志强

(1.黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省教育厅寒地作物遗传育种与栽培重点实验室，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江农垦齐齐哈尔管理局依安农场，黑龙江 齐齐哈尔 161502)

【研究意义】中国是农业生产大国，但我国农田土壤有机质含量偏低，低于15 000 mg/kg的耕地占耕地总面积的65 %[1]，且随着化肥施用量的逐年增多，环境质量、土壤质量日益下降。由于耕地资源的开发与利用，水稻种植面积不断增加，目前，黑龙江省水稻种植面积接近467万hm2，秸秆量超过4000万t，大量秸秆需要在短时间内处理，当前主要处理方法为焚烧，不仅造成资源的巨大浪费，还引发环境污染问题。秸秆还田作为直接有效的秸秆资源利用方式，进而推进了秸秆的综合利用，在一定程度上达到增产的目的。【前人研究进展】秸秆还田可提高土壤有机质和养分含量，改善土壤的物理性状和微生物体系[2]。然而，目前并未大量还田。主要是由于收割机需要带抛洒装置、水田捞稻茬的工作量大大增加、还田量大影响插秧、龙其是影响到当季作物的生长[3]。而秸秆焚烧，不仅造成资源的巨大浪费，也引发严重的大气污染。在日本70 %左右的秸秆还田，韩国秸秆主要用于还田和作为饲料，这些国家就地焚烧不到5 %。秸秆还田已成为当今农业发展的重要措施，保护生态环境同时还培肥地力，使作物的生长发育得到改善。由于秸秆中含有丰富的养分,秸秆还田后可增加土壤有机质和养分的含量,从而促进作物生长,因此,秸秆直接还田仍被作为当前农业利用的主要途。自2006年以来，秸秆资源化利用的新技术——秸秆热裂解的炭化技术应运而生[4]。2007年，科学家在Nature刊文提议热裂解产生的有机质用来培肥不断退化的土壤。同年，生物炭在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得统一命名，并不断完善[5-7]。近年来，生物炭作为土壤改良剂和碳封存剂已引起人们的广泛关注[8]。生物炭具有多孔隙性，可以增大土壤的比表面积、降低土壤容重，改善土壤的缓冲性，从而增加了土壤的持水量，生物炭与秸秆相比稳定性更强，生物炭还田有效提高土壤中有机碳的含量，钾素含量随还田量的增加而升高，对水稻产量提高有很大作用[9]。近几年对于生物炭的研究越来越多，而且应用在不同作物上，许多国内外学者相继对生物炭在理化性质、土壤改良、生态环境效应及其作物生长发育等方面进行了大量研究，取得了一些重要研究成果。

中国农林业废弃物14亿t，仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就达到6.5亿t。随着粮食生产总量的增加，这一数字还将进一步提高[10]。【本研究切入点】稻秆直接还田改良培肥土壤的效果人们早已熟知，稻秆直接还田易造成CH4和CO2等温室气体大量排放也有报道[11-12]。然而，关于盐碱土秸秆直接还田和秸秆转变为生物炭还田的比较研究鲜见报道[13-15]。黑龙江省的盐碱地总面积188.7万hm2，其中耕地盐碱化面积为56.7万hm2，且多为中低产田。目前，尚无秸秆与生物炭还田用于盐碱土壤改良效果比较的报道。【拟解决的关键问题】本研究拟进行水稻秸秆直接还田和生物炭还田对土壤理化性状及水稻产量影响的比较研究，以为盐碱地土壤改良和高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2012-2015年在大庆市黑龙江八一农垦大学寒地作物遗传育种与栽培重点实验室实验盆钵场(东经124°26′～125°15′、北纬45°30′～47°11′)进行，该区属东北半湿润—半干旱草原—草甸盐渍区，年日照时数2726 h，无霜期166 d，年平均气温4.2 ℃，夏季平均气温23.2 ℃，农作物生长发育期气温日差达10 ℃以上，年降水量427.5 mm，年蒸发量1635 mm。供试品种：垦鉴稻5号，主茎12片叶，株高87～90 cm，需≥10 ℃活动积温2450～2500 ℃。供试土壤：苏打盐碱土，土壤基础养分含量见表1。

表1 供试土壤养分含量状况(2012)

1.2 试验设计

试验采用单因素完全随机设计，盆栽试验，盆的规格：上直径：29.0 cm，下直径：18.5 cm，高：28.0 cm，面积：0.066 m2，本试验设置6个处理，每个处理14盆。分别为CK0：空白对照；CK：常规对照；秸秆1：水稻秸秆还田7500 kg/hm2(49.5 g/盆)；秸秆2：水稻秸秆还田16 500 kg/hm2(108.9 g/盆)；生物炭1：秸秆炭化还田7500 kg/hm2(49.5 g/盆)；生物炭2：秸秆炭化还田16 500 kg/hm2(108.9 g/盆)，不同量的生物炭和秸秆还田处理施肥方案见表2。每年还田的秸秆来自于试验基地当年收获的水稻，生物炭由辽宁金和福农业公司制备而成，生物炭化学性质：碳含量56.61 %、氮含量13.60 %、灰分21.07 %、pH为9.04。每一处理连年进行相同量、相同物质还田。试验中每盆盆底中心位置用2 mm的电钻钻均匀一致的孔，并用滤纸覆盖其上，每盆装过筛混匀的土壤12 kg，由于秸秆与生物炭质量较轻，移栽前模拟水耙地均匀搅浆，搅浆的同时施入秸秆和生物炭，由于供试土壤属于重度盐碱土[16]，为保全苗于2012-2013年移栽前盆土搅浆时施入96 %的工业硫酸0.9 mL/盆，沉降几日后插秧。插秧方法：4穴/盆，4苗/穴。供试肥料种类包括市售的21 %硫酸铵和46.4 %尿素、64 %磷酸二铵、50 %硫酸钾、43 %重过磷酸钙和99 %七水硫酸锌。施肥方法：氮肥分配比例为基肥∶蘖肥∶促花肥∶保花肥=40 %∶30 %∶10 %∶20 %，钾肥分配比例为基肥∶保花肥=60 %∶40 %；基肥在搅浆前施入，耙入土中0～10 cm土层中。返青后立即施用分蘖肥，8.5叶幼穗分化期(倒四叶长出一半时)施促花肥，倒二叶长出一半将40 %的硫酸钾与20 %的氮肥做保花肥一同施入(表2)。其它田间管理按照常规生产进行，生育期间人工除草和施肥，成熟期收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 不同处理土壤常规五项和全盐量的测定 连续种植4年，于2015年水稻收获后，取盆栽土进行化验，每一处理取4盆，自然风干后用于测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、pH和全盐量。测定方法：碱解氮为碱解扩散法、有效磷为钼锑抗比色法、速效钾为原子吸收分光光度法、有机质为油浴加热-K2Cr2O7容量法、pH用电位法测定水土比为5∶1土壤悬浊液的pH值、全盐量按照LY/T1121.16-1999测定。

表2 施肥种类、时期及施用量

1.3.2 不同处理产量及产量构成要素指标的测定与分析 于成熟期，连续调查10穴的穗数，选取与平均穗数相同的5穴，自然风干，常规方法考察产量及产量构成。

1.3.3 不同处理土壤容重的测定 于2015年水稻收获后封冻前，采用直径7 cm、容积100 cm3的圆形不锈钢环刀采集土壤，用环刀切割未搅动的土样，每个处理选取4盆，使土样充满环刀，称量后计算单位体积的烘干土重量即为土壤容重。

1.3.4 不同处理的肥料效率 (1)肥料农学效率( %)是指特定施肥条件下单位施肥量所增加的作物经济产量。

氮肥农学利用率( %)=(施氮区水稻产量-氮空白区水稻产量)/水稻施氮量×100

磷肥农学利用率( %)=(施磷区水稻产量-磷空白区水稻产量)/水稻施磷量×100

钾肥农学利用率( %)=(施钾区水稻产量-钾空白区水稻产量)/水稻施钾量×100

(2)肥料偏生产力( %)是指施用某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值。

氮肥偏生产率( %)=施氮区水稻产量/水稻施氮量×100

磷肥偏生产率( %)=施磷区水稻产量/水稻施磷量×100

钾肥偏生产率( %)=施钾区水稻产量/水稻施钾量×100

2 结果与分析

2.1 连年生物炭与秸秆还田对土壤理化性状的影响

2.1.1 连年生物炭与秸秆还田对土壤容重和孔隙度的影响 如图1所示，连续4年秸秆和生物炭还田后土壤容重和孔隙度的变化，秸秆还田均降低了土壤容重，且还田量越大降低幅度越大，秸秆2、秸秆1较CK和生物炭1的差异分别达到极显著和显著水平。生物炭还田与CK的差异均不显著，相同还田物质的不同处理间差异均不显著。土壤孔隙度变化规律与容重相反，表现秸秆2、秸秆1处理高于CK和生物炭1的差异分别达到极显著和显著水平，还田量越大提高幅度越大，相同还田物质的不同处理间差异达到显著水平。2个指标均表明秸秆还田大幅度提高了土壤的通透性。

图1 不同处理土壤容重和孔隙度的变化Fig.1 Changes of soil bulk density and porosity in different treatments

图2 不同处理土壤pH和全盐量的变化Fig.2 Changes of soil pH and total salt content in different treatments

图3 不同处理土壤碱解氮和有效磷含量的变化Fig.3 Changes of available nitrogen and available phosphorus content in soil with different treatments

图4 不同处理土壤速效钾和有机质含量的变化Fig.4 Changes of soil available potassium and organic matter content in different treatments

2.1.2 连年生物炭与秸秆还田土壤pH和全盐量的变化 如图2所示，连续4年生物炭与秸秆还田土壤pH和全盐量的变化。2种物质还田均不同程度的降低了盐碱土的pH，以秸秆还田降低幅度更大，低于CK和生物炭1均达到极显著水平，还田量大的生物炭2低于CK也达到显著水平；秸秆2与CK相比降低幅度最大，与还田量小的处理间差异均达到显著水平；不同物质相同还田量时均以秸秆还田的pH低于生物炭还田达到极显著水平。生物炭还田全盐量与CK接近，秸秆还田均降低了土壤全盐量，除秸秆1外各处理与CK间的差异均不显著；相同物质不同还田量间全盐量差异均不显著。

2.1.3 连年生物炭与秸秆还田对土壤养分含量的影响 如图3～4所示，连续4年进行生物炭与秸秆还田，导致土壤养分和有机质含量发生了很大的变化，秸秆还田与CK相比均极显著提高了土壤碱解氮的含量，生物炭还田则降低；相同物质不同处理间差异均不显著。2种物质还田均大幅度提高了土壤有效磷含量，且以秸秆2处理有效磷最大，生物炭1高于CK达到显著水平，其它3个处理高于CK均达到极显著水平，以秸秆还田提高的幅度更大。不同处理均显著提高了土壤速效钾含量，生物炭2和秸秆2高于CK均达到极显著水平，且秸秆2高于其它处理也达到极显著水平，生物炭和秸秆1处理间差异不显著。连年进行两种物质还田均提高了土壤有机质含量，生物炭还田高于CK和秸秆还田均达到极显著水平，表明生物炭还田十分有利于培肥土壤；秸秆还田提高土壤有机质含量分别达到9.6 %和7.8 %；生物炭不同还田量分别与CK比较，有机质含量差异均达到极显著水平。

2.2 连年生物炭与秸秆还田对水稻产量及产量构成的影响

如图5所示，秸秆还田处理的穗数高于对应量生物炭还田，秸秆2极显著高于CK和其它处理，秸秆1高于生物炭1达到显著水平，生物炭1穗数低于CK和生物炭2，但差异不显著，表明连年大量秸秆还田有利于促进有效分蘖。各处理的穗粒数均显著高于CK，生物炭2高于CK达到极显著水平；同一物质不同还田量间穗粒数的差异均不显著、生物炭和秸秆还田的穗粒数差异也不显著，生物炭2穗粒数最多，于CK相比达到极显著水平。

图5 不同处理水稻穗数和穗粒数的变化Fig.5 Changes of panicle number and spike grain number in different treatments

图6 不同处理水稻结实率和千粒重的变化Fig.6 Changes of rice seed setting rate and 1000-grain weight in different treatments

如图6所示，以生物炭1处理还田结实率最高，生物炭1高于秸秆1和CK达到显著水平，相同物质不同还田量间结实率差异不显著，生物炭1还田的结实率高于对应量秸秆1还田分别为4.3 %。各处理千粒重不同程度的高于CK，千粒重整体以生物炭还田效果好于秸秆还田，增加幅度为0.2 %～3.9 %，其中生物炭2高于CK和秸秆2达到显著水平；同一物质不同还田量间千粒重差异不显著。

如图7所示，连续4年进行2种物质还田对水稻产量的影响，各处理均不同程度的提高了水稻产量，且2种物质均以有机物还田量大的处理提高幅度大。秸秆2和生物炭2高于CK均达到极显著水平、秸秆2高于其它处理均达到极显著水平、秸秆1高于CK达到显著水平、生物炭2高于生物炭1达到显著水平。

2.3 生物炭和秸秆还田对水稻肥料利用率的影响

如表3～4所示，不同处理氮磷钾的农学利用率和偏生产力差异比较，秸秆和生物炭均以还田量大的处理数值最高，相同还田量时则以秸秆还田大于生物炭还田。氮磷钾的农学利用率以秸秆2高于生物炭2均达到显著水平、高于其它处理和CK均达到极显著水平，生物炭2高于CK达到显著水平，还田量小的处理间及与CK间差异均不显著。氮磷钾的偏生产力以秸秆2高于其它处理和CK均达到极显著水平，生物炭2高于生物炭1均达到显著水平、高于CK均达到极显著水平，秸秆1高于CK均达到显著水平，还田量小的处理间差异均不显著。总之，连年生物炭和秸秆还田均不同程度的提高了水稻氮磷钾的农学利用率和偏生产力，相同还田量情况下以秸秆还田的效果优于生物炭还田。另外，各处理及CK的农学利用率和偏生产力均表现为钾肥>磷肥>氮肥。

图7 不同处理水稻产量的变化Fig.7 Changes of yield of rice in different treatments

处理Treatments氮肥农学利用率( %)Utilization rate of nitrogen fertilizer增加( %) Increase磷肥农学利用率( %)Utilization rate of phosphate fertilizer增加( %) Increase钾肥农学利用率( %)Utilization rate of potassic fertilizer增加( %)IncreaseCK28.25Bc36.39Bc 56.40Bc秸秆1 Straw141.08Bbc12.83 45.22Bbc 8.84 70.10Bbc13.70 秸秆2 Straw265.69Aa37.43 84.60Aa48.21 131.12Aa 74.72 生物炭1 Biochar131.51Bbc 3.25 40.58Bbc 4.19 62.90Bbc6.50 生物炭2 Biochar246.07ABb 17.81 59.33ABb22.94 91.96ABb 35.56

注：大写字母代表差异极显著，小写字母代表差异显著。下同。

Note:Capital letters represent extremely significant difference, lowercase letters represent significant difference. The same as below.

表4 不同处理各肥料偏生产力的差异比较

3 讨 论

3.1 秸秆和生物炭还田对盐碱土性状及水稻产量的影响

秸秆直接还田与秸秆炭化后形成生物炭还田是目前培肥土壤的最主要物质，由于秸秆与秸秆生物炭结构和性质的差异导致还田后的效果不同。生物炭具有稳定的炭质、良好的孔性及高的阳离子交换量，是其有别于秸杆直接还田的突出特点。Novak等研究发现，生物炭施入酸性土壤中会使pH增加，但是对碱性土壤pH的影响不显著[17]。与本试验生物炭还田量大时pH低于CK达到显著水平的结果不同，但与我们用有孔盆栽、连续进行4年达到了洗盐碱有关，也与还田量多少有关。生物炭具有多孔隙性，可以增大土壤的比表面积、降低土壤容重，改善土壤的收缩性，从而增加了土壤的持水量[18]，生物炭对水稻等作物有增产效果[19]。张晗芝等研究表明，施加生物炭对玉米苗期生长是抑制的，其原因是由于生物炭具有高的碳氮比，会降低土壤有效氮含量[20]，这与本研究生物炭还田土壤碱解氮降低的结果一致。因此，建议生物炭还田时要适当增施氮肥。

农业秸秆基本不含重金属等有害物质，常被还田用于贫瘠土壤的改良[21]。秸秆还田可改善土壤通透性、增加土壤养分、培肥土壤、提高土壤有机质、促进土壤团粒结构形成、增强保水保肥性、提高作物产量等，被认为是一种有效的农田培肥措施[22-26]。王小彬等研究指出耕层土壤速效钾含量与秸秆直接还田关系更为密切[27]，这与本研究水稻肥料利用率的结果相一致。秸秆还田可增加有效穗数和每穗实粒数[28-29]，秸秆还田配施氮肥还可提高氮素生产效率和氮肥农学效率[30]。本研究在重度盐碱土上连续4年的还田结果表明，随着秸秆和生物炭连年还田,从最初一年的保苗难，逐渐变成生育良好。即秸秆和其生物炭连年还田均能有效改良盐碱土，促进水稻生长。因此，对于土质粘重、pH高和缺磷的盐碱土，则秸秆还田效果更好；对于有机质含量低、氮丰富的土壤生物炭还田效果更佳。从对盐碱土通透性、pH和全盐量的影响来看秸秆还田更有利于盐碱地的改良。

3.2 秸秆还田与生物炭还田的效益

秸秆还田技术能否推广关键取决于经济效益, 秸秆还田除了增加技术成本外, 还会影响劳动力成本。黑龙江垦区多年采用机械化秸秆粉碎直接还田技术，以机械的方式将田间的农作物秸秆直接粉碎并抛洒于地表，随即耕翻入土使之腐烂分解，从而减少3/4左右的作业成本起到培肥地力的效果[31]。为了获得更长远的生态效益，可将秸秆制备成生物炭还田，改善结构恶劣的盐碱土。本研究结果表明生物炭还田成本较高，在短时间内未带来一定的经济效益。降低生物炭生产成本首先要解决秸秆运输的问题，经过风干后的秸秆质量会减轻，但是体积仍非常蓬松，为了尽可能减少运输成本，垦区可以针对中低产田在农场附近建立秸秆工厂，为其购置小型炭化炉，在田间直接处理秸秆，回收处理后的生物炭再运到工厂进行深加工。秸秆资源炭化技术正在向着产业化方向发展，中国工程院院士陈温福曾提议，炭化还田改土新技术应大面积示范推广，并出台相应扶持政策，例如将炭化炉纳入农机补贴目录，相应企业进行资金和政策扶持等[32]。目前,政府普遍采取财政补贴政策提高秸秆还田率。从秸秆还田投入产出经济效益分析结果看,政府应该加大秸秆还田初期的财政补贴力度, 以便更好地发挥秸秆还田补贴资金的引导作用。秸秆还田对土壤理化性状及产量的影响是一个复杂渐进的过程, 本研究基于长期定位试验,从理化性状、产量构成要素分析秸秆与生物炭还田对盐碱土理化性状及产量的影响, 并对秸秆还田的肥料利用率进行了探讨。至于不同秸秆与生物炭还田方式对土壤温度、含水量、有机酸含量、微生物及生物炭的研究、开发及产业化，合理、高效利用好生物质资源，有待于更进一步长期深入的研究。

4 结 论

连续4年秸秆还田不同程度降低了盐碱土土壤容重、pH且还田量越大降低幅度越大。在提高土壤通透性方面秸秆还田优于生物炭还田，秸秆还田有利于增加土壤孔隙数量。生物炭还田土壤全盐量均与CK接近，秸秆还田分别降低了31.6 %和10.8 %。少量秸秆还田有利于盐分的降低，表明生物炭与秸秆还田对盐碱地土壤起到了改良的作用。连年秸秆还田均极显著提高了土壤碱解氮的含量、土壤有效磷、速效钾含量，生物炭还田有机质含量极显著高于CK和秸秆还田，秸秆还田分别提高9.6 %和7.8 %。2种物质还田均以生物炭2、秸秆2处理的产量极显著高于CK，秸秆还田处理的穗数高于对应量生物炭还田，以秸秆2处理极显著高于CK和其它处理，秸秆1高于生物炭1达到显著水平，即连年大量秸秆还田有利于促进有效分蘖。各处理的穗粒数均显著或极显著高于CK；相同还田量时以生物炭还田的穗粒数略多于秸秆还田。结实率则以生物炭还田的处理高于秸秆还田和CK，生物炭还田高于对应量秸秆还田分别为4.3 %和1.4 %。各处理千粒重不同程度的高于CK，以生物炭还田高于秸秆还田达0.2 %～3.9 %。相同还田量时以秸秆还田氮磷钾的农学利用率和偏生产力提高幅度大于生物炭还田，且均表现为钾肥>磷肥>氮肥，表明秸秆衍生物均富含钾元素，通过还田方式还到土壤中去，使钾素得到循环利用，进而土壤养分得到改善。