秸秆炭化还田对热带土壤-水稻体系氨挥发的影响

吴佩聪，张 鹏，单 颖，邹刚华，丁哲利，朱治强，赵凤亮，*

(1.海南大学 热带作物学院，海南 海口 570228； 2.中国热带农业科学院 环境与植物保护研究所，海南 海口 571101； 3.黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江 大庆 163319； 4.中国热带农业科学院 海口实验站，海南 海口 571101)

随着人口的增加，人们对粮食的需求也在逐步提高。为保障全球粮食安全，满足人们的需求，氮肥用量的需求也在不断增加。然而，过量施加氮肥带来一系列问题，如氮肥利用率低、氮素损失严重等[1]。王桂良[2]通过分析我国1990—2010年主要粮食作物氮肥利用率相关的文献得出，1990—1999、2000—2005、2006—2010年水稻的平均氮肥利用率分别为37%、28%和37%，北方单季稻氮肥利用率最高(40%)。一般地，氨挥发损失占氮素损失的1%～60%，而且总氨挥发量随着施氮量的增加而增加[3-5]。有研究表明，每年因氨挥发造成的全球氮肥损失达1 100×104t，占年施氮量的14%[6-7]。氨挥发会对农业生产和环境造成严重的影响，比如农业资源浪费、农业面源污染等。

水稻秸秆内含有丰富的矿质营养元素和有机质，可改善土壤肥力，提高水稻产量。然而，秸秆还田会提高田面水的pH，促进田面水的铵态氮转化成氨；秸秆还田还会直接增加土壤有机质含量，提高土壤脲酶活性，促进尿素水解，从而增加氨挥发[8-9]。Sun等[10]研究表明，秸秆还田显著提高了氨挥发总排放量。汪军等[11]研究表明，在田间试验条件下，与单施氮肥处理相比，小麦秸秆还田显著促进氨挥发，乌栅土和黄泥土的水稻氨挥发损失分别增加19.8%和20.6%。车庆博[12]研究表明，添加不同类型的秸秆(玉米、水稻和大豆)均会提髙氨挥发速率，增加氨挥发总量，而且氨挥发总量随着秸秆添加量的增加而增加。Tian等[13]通过连续3 a的稻麦轮作试验发现，秸秆还田会显著提高基肥期稻田的氨挥发量。Wang等[9]的研究也表明，秸秆还田会促进氨挥发。综上所述，秸秆直接还田可能不利于降低农田氨挥发。

生物炭是一种富碳材料，具有稳定性强、碱性、多孔性、多吸附性和养分含量丰富等独特的理化性质，作为一种外源输入材料参与土壤氮素循环，会对土壤氨挥发产生重要的影响。有研究表明，添加生物炭能够通过显著提高土壤pH，促进尿素分解，增加累积氨挥发量[14-18]。但由于其特有的官能团结构，生物炭对土壤中的矿质氮有较强的吸附能力，因而也有可能会减少土壤中氮肥的氨挥发损失[19-21]。He等[22]研究表明，长期来看，生物炭可通过提高土壤对NH3的吸附能力和硝化速率，减少NH3的排放。董玉兵等[23]研究认为，施用一定量的生物炭显著降低了水稻土的氨挥发，累积氨挥发量比对照减少了36.6%。Mandal等[19]在林地土壤上的研究也得到了相似的结果。目前，热带地区已开展的氨挥发研究主要集中在不同施肥制度和不同灌溉措施的优化管理方面[18，24]，关于生物炭对热带土壤-水稻种植体系氨挥发动态和排放通量影响的研究鲜有报道，在热带地区施用生物炭能否有效减少氨挥发也有待进一步试验验证。为此，本研究采用土柱试验方法，通过秸秆直接还田和炭化还田的对比，研究炭化还田对热带地区土壤-水稻种植体系氨挥发的影响，旨在为减轻农业污染、提高氮肥利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在中国热带农业科学院环境与植物保护研究所试验温室内进行，该地区属于热带季风气候，全年平均气温24.3 ℃，最高平均气温28 ℃，最低平均气温18 ℃，平均降水量2 067 mm，年平均日照时数2 000 h以上。

1.2 试供材料

试供水稻品种为博Ⅱ优15。所用生物炭系水稻秸秆在500 ℃厌氧条件下裂解制备而成。水稻秸秆含碳40.4%，含氮0.63%，碳氮比(C/N)为67.3。生物炭的pH为10.2，微孔比表面积153 m2·g-1，含碳65.7%，含氮0.61%，C/N为110。试供土壤采自已经连续进行3 a处理的田间小区(表1)。

表1 土壤基本理化性质

1.3 试验设计和田间管理

采用水稻土柱试验方法，土柱高度为50 cm，直径为25 cm(图1)。设置6个处理：不施氮肥(ON)，单施化肥(CT)，施用生物炭(BI)，生物炭+化肥(CBI)，添加秸秆(ST)，秸秆+化肥(CST)。土柱试验前各小区土壤(干基)基本理化性质见表1，土壤有机碳使用Multi N/C 3100总有机碳/有机氮测定仪(德国耶拿)测定。

试验处理与田间小区相同，每个处理设置3个重复。在田间试验中未设置施用生物炭(BI)和添加秸秆(ST)2个处理，为了更加明确地阐明施用秸秆和生物炭对氨挥发的影响，方便与生物炭+化肥(CBI)和秸秆+化肥(CST)作比较，在土柱试验中添加了BI和ST处理；并分别采用田间试验中CBI和CST处理小区的土壤进行研究。除ON、BI和ST不施氮肥处理外，其他3个处理氮投入量保持一致(秸秆和生物炭带入的氮考虑在内)。每个土柱生物炭施用量为6 t·hm-2，秸秆添加量为6 t·hm-2。施肥前均匀混入土壤。N、P2O5和K2O投入量分别为225 kg·hm-2、105 kg·hm-2、150 kg·hm-2，分别由尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)提供。氮肥分3次施用，基肥、分蘖肥和穗肥分别在8月2日、8月23日、10月4日施用，分别占50%、30%、20%。在水稻生长季节，田面水除晒田期与收获前1周外，均维持高度在5 cm左右。

图1 土柱示意图Fig.1 Soil column diagram

1.4 测定项目与方法

氨气采集装置由有机玻璃材质制成，系内径19 cm、高度15 cm、底部开放的圆筒。采用磷酸甘油-双层海绵吸收法收集氨气，2块海绵的厚度均为2 cm，直径为25 cm，用磷酸-甘油溶液将海绵均匀浸湿，放置于有机玻璃内。上层海绵与有机玻璃顶部持平，上下层海绵之间距离10 cm。在施肥后，用收集装置将整个水稻植株罩住，底部与土柱用水密封，每天10：00—18：00收集氨，收集结束后取出下层海绵，放入250 mL 2 mol·L-1KCl溶液振荡1 h后收集溶液，用靛酚蓝比色法测定铵态氮浓度，计算每天氨挥发的排放通量(取平均值)。

1.5 数据分析

数据经过Microsoft Excel 2010整理后，利用SPSS 25软件进行显著性检验，用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 氨挥发排放特征

2.1.1 氨挥发排放通量

水稻施肥期是氨挥发损失的主要时期[25]，因此，本研究在3次施肥后当天开始测定氨挥发排放通量。不同处理的氨挥发排放通量可见图2，不同处理间氨挥发排放通量的变化趋势相似。施入基肥后，各处理的氨挥发排放通量迅速上升，于第2天到达一个小高峰，峰值为2.38～3.81 kg·hm-2。氨挥发排放通量在施肥第7天出现另一个高峰，峰值为2.66～4.09 kg·hm-2，随后氨挥发排放通量迅速下降，直至各处理之间无明显差异。基肥期前一周内CST的氨挥发通量高于其他处理，说明添加生物炭对基肥期氨挥发排放通量有消减作用。施加分蘖肥后，所有处理的氨挥发排放通量均在施肥后第3～4天达到排放高峰，然后迅速下降，CST处理的氨挥发排放通量高峰于施肥后第4天出现，其余处理均在第3天出现。添加生物炭处理的氨挥发排放通量低于添加秸秆和单施化肥处理。穗肥施入后，各处理之间于第3天达到挥发高峰，挥发量最高的为ST处理，峰值为0.308 kg·hm-2；BI处理氨挥发排放通量最低。

同一处理不同施肥阶段氨挥发排放通量的变化趋势相似，都呈先升高后降低的趋势。所有处理的氨挥发排放通量均在基肥期最高，穗肥期最低。其中，CST处理的氨挥发排放通量在不同时期变化幅度最大，为0.03～4.09 kg·hm-2；CBI处理的变化幅度略小于CST，为0.034～3.960 kg·hm-2；ON处理的变化幅度最小。

以上结果表明，施肥后2～7 d为氨挥发排放的高峰期。与秸秆直接还田相比，秸秆炭化还田对氨挥发排放具有一定的消减作用，但是生物炭的添加对峰值出现时间没有明显的影响。

2.1.2 累积氨挥发量

表2显示了整个水稻生长期的累积氨挥发量。各个处理中，CST处理的累积氨挥发量最高，为26.15 kg·hm-2；其次为CT处理，累积氨挥发量为24.90 kg·hm-2；BI与ON处理的累积氨挥发量最低。基肥期在NH3收集过程中，累积氨挥发量占总生育期累积氨挥发量最大，达到总排放量的80%～85%。从整个生育期累积氨挥发量来看，CBI和BI处理的氨挥发减排效果最好，BI处理与ON处理累积氨挥发量一致。同一处理不同时期都呈基肥期累积氨挥发量最高、穗肥期最低的变化趋势。

箭头所示分别为施入基肥、分蘖肥、穗肥的时候，对应日期分别为8月2日、8月23日、10月4日。下同。The arrows show the time when basal fertilizer， tiller fertilizer and panicle fertilizer was applied， respectively.The same as below.图2 不同施肥阶段的氨挥发排放通量Fig.2 Ammonia volatilization flux at different fertilization stages

表2 不同处理下累积氨挥发量的动态变化

2.2 田面水的化学性质

如表3所示，各处理的田面水整体处于弱酸性至中性。基肥期与分蘖肥期各处理的pH之间存在显著差异(P<0.05)，其中ST处理的pH在基肥期相较于其他处理显著(P<0.05)高出0.10～0.69个pH单位。穗肥期除CT处理外，各处理之间无显著差异(P>0.05)。

表3 田面水pH

2.3 土壤的化学性质

图3 田面水浓度 concentration of surface water

图4 田面水NO3--N浓度 concentration of surface water

同一时期柱上无相同小写字母表示不同处理间差异显著。下同。Different lowercase letters indicated significant differences between different treatments in the same period. The same as below.图5 不同处理土壤含量变化Fig.5 Changes of content in soil treated with different treatments

2.4 不同处理田面水和表层土壤浓度或含量与氨挥发通量相关性分析

图6 不同处理土壤NO3--N含量变化Fig.6 Changes of NO3--N content in soil treated with different treatments

表4 土壤氨挥发通量与土壤、田面水理化指标之间的相关性

3 结论与讨论

田面水pH是影响土壤-水稻种植体系氨挥发的重要因素之一。本研究中，田面水的pH与氨挥发呈显著负相关。这与Sun等[26]的研究结果一致，但与前人的研究结果不一致[27，36]，这可能是因为试验为土柱盆栽试验，受灌溉排水的影响较大，但是具体机理还有待进一步研究。土壤氮素转化极其复杂，不仅与田面水pH有很大关系，而且与土壤微生物也密切相关[37]。关于生物炭施加对稻田氨挥发的影响机制还有待进一步验证。