炭基有機肥對水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響

王海候　陸長嬰　沈明星

摘要：為減少生物質(zhì)炭在農(nóng)田應(yīng)用的農(nóng)事操作工序，探討生物質(zhì)炭與畜禽糞便混合堆肥產(chǎn)品——炭基有機肥對水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的影響，試驗設(shè)置了炭基有機肥、商品有機肥、不施有機肥3個處理，研究了炭基有機肥對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、干物質(zhì)積累與氮素養(yǎng)分吸收利用、土壤氮磷養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明：炭基有機肥對水稻具有增產(chǎn)作用，較商品有機肥處理增產(chǎn)4.39%，但差異未達(dá)顯著水平；與商品有機肥處理相比，炭基有機肥可以提高水稻抽穗期至成熟期的干物質(zhì)積累量、氮素積累量及氮素的籽粒生產(chǎn)效率；同時，炭基有機肥處理的土壤全氮、水溶性氮含量分別比商品有機肥處理增加了10.06%、11.92%，土壤全磷與水溶性磷含量增加了10%、9.67%。這說明炭基有機肥可以提高水稻產(chǎn)量，提升土壤有機質(zhì)含量，增強土壤氮、磷等養(yǎng)分的有效性，并且生物質(zhì)炭與畜禽糞便混合堆制后并不影響其在農(nóng)田土壤中的功能特性。

關(guān)鍵詞：炭基有機肥；水稻；產(chǎn)量；土壤養(yǎng)分

中圖分類號： S511.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0104-03

炭基有機肥是以生物質(zhì)炭作為輔料生產(chǎn)出的有機肥。生物質(zhì)炭是由農(nóng)作物廢棄秸稈在完全或部分缺氧情況下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)物質(zhì)[1]。相關(guān)研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭具有高度熱穩(wěn)定性和較強吸附特性，對養(yǎng)分具有很強的持留功能，能促進(jìn)土壤中碳素的固定、顯著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能減少肥料施用量和土壤養(yǎng)分的損失，減緩氣候變化對作物生產(chǎn)力的影響[2-6]。目前農(nóng)林秸稈廢棄物的生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化和應(yīng)用已作為一種農(nóng)業(yè)增匯減排技術(shù)途徑，擔(dān)負(fù)起應(yīng)對氣候變化的溫室氣體減排任務(wù)[7-8]。另外，生物質(zhì)炭的施用技術(shù)方面已開展了生物質(zhì)炭條施、穴施、表土層摻混等多種具體的還田方式探索[9-13]，但由于生物質(zhì)炭密度低、質(zhì)量輕，在運輸和使用過程中極易產(chǎn)生塵埃，直接還田方式易導(dǎo)致產(chǎn)品損耗，且存在一定的健康風(fēng)險，并且生物質(zhì)炭與肥料單獨施用，增加了1次農(nóng)事操作工序。

本研究通過將生物質(zhì)炭與養(yǎng)殖業(yè)廢棄物進(jìn)行混合堆肥，制備成炭基有機肥，實現(xiàn)了與常規(guī)農(nóng)藝措施的有效對接，在不增加勞動力、能源等經(jīng)濟(jì)投入的基礎(chǔ)上，完成生物質(zhì)炭農(nóng)田應(yīng)用的農(nóng)事操作工序。然而，生物質(zhì)炭與有機廢棄物料混合堆制并形成的炭基有機肥，其理化特性及功能特點尚不明確，并且有關(guān)炭基有機肥的研究在國內(nèi)外尚無報道。為此，本研究以炭基有機肥為處理，以商品有機肥、不施有機肥為對照，研究炭基有機肥對水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響，以期為炭基有機肥的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗于2013年6—11月，在江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)東林村東林農(nóng)場生產(chǎn)大田內(nèi)進(jìn)行。前茬為小麥，品種為揚麥9號。土壤為沙壤土，肥力中等偏下。水稻品種為南粳46號，5月28日工廠化基質(zhì)育秧，6月13日機械化栽插，株行距13.33 cm×30.00 cm，化學(xué)氮肥施用量375 kg/hm2，P2O5為101.25 kg/hm2、K2O為101.25 kg/hm2。

1.2 試驗設(shè)計

采用大區(qū)試驗法，每個大區(qū)面積約890 m2。試驗設(shè)3個處理，分別為炭基有機肥處理、商品有機肥處理、不施有機肥處理，3個處理的化學(xué)肥料施用量均相同。商品有機肥購買自江蘇太倉綠豐有機肥料有限公司，采用畜禽糞便與食用菌渣按體積比4 ∶ 1混合堆制而成（水分含量46%，干基含有機質(zhì)48.3%、全N 1.81%、P2O5 1.93%、K2O1.79%）；炭基有機肥是筆者所在項目組自主研發(fā)產(chǎn)品，將商品有機肥的初始混合堆肥體與生物質(zhì)炭按一定的干基質(zhì)量比例，再次混合堆制而成（水分含量45%，干基含有機質(zhì)58.8%、全N 1.76%、P2O5 2.13%、K2O 2.28%）。生物質(zhì)炭購于河南商丘三利新能源有限公司，其制備方法為：以花生殼粉為原料，厭氧條件、熱裂解炭化溫度為500 ℃，保持10 h，自然冷卻，過40目篩。有機肥料的施用量均為 37.5 t/hm2。在田間進(jìn)行測定與取樣時，將大區(qū)分為3等份，進(jìn)行3次重復(fù)的測定與取樣。有機肥料均基施，在稻田土壤耕翻前采用機械施肥機進(jìn)行均勻拋灑，再進(jìn)行犁耕、水旋與整地作業(yè)，其余防病、治蟲、除草、水漿管理等農(nóng)業(yè)措施均與常規(guī)生產(chǎn)方法一致。

1.3 測定項目與方法

（1）水稻的高峰苗、抽穗期干物質(zhì)質(zhì)量測定：先調(diào)查每穴的平均穗數(shù)，按每穴穗數(shù)的平均數(shù)，每處理取樣測定稻株的秸稈與穗部的干物質(zhì)量。

（2）產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成：分別于水稻成熟期，按平均穗數(shù)取稻株5穴，將籽粒與秸稈分離，秸稈烘干后測定干物質(zhì)量，籽粒采用水漂法測定飽癟粒數(shù)。產(chǎn)量采用實際收割測定。

（3）稻株氮素養(yǎng)分含量測定：將抽穗期、成熟期的植株樣品，采用雙氧水-濃硫酸消解，凱氏定氮法測定植株中的氮素含量。

（4）稻后土壤養(yǎng)分：采集0～20 cm土壤1 kg，經(jīng)風(fēng)干研磨過篩后，測定土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、水溶性氮與磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理，SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析[One-way ANOVA，Dunnetts t-test（2-sided）]與多重比較（Post-hoc comparison LSD法），對處理組間的均值進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基有機肥對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

2.1.1 對水稻產(chǎn)量的影響 由圖1可知，炭基有機肥處理的水稻產(chǎn)量為9 776.55 kg/hm2，商品有機肥處理的水稻產(chǎn)量為9 364.68 kg/hm2，不施有機肥處理的常規(guī)對照處理的水稻產(chǎn)量為9 287.14 kg/hm2。與不施有機肥處理相比，施用有機肥對水稻產(chǎn)量具有增產(chǎn)作用，其中炭基有機肥處理的水稻產(chǎn)量增產(chǎn)5.27%，商品有機肥處理的水稻產(chǎn)量增產(chǎn)0.83%；但統(tǒng)計分析結(jié)果表明，不同肥料處理之間，水稻產(chǎn)量的差異性均未

達(dá)顯著水平。

2.1.2 對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響 由表1可知，施用有機肥可以增加水稻的高峰苗數(shù)，其中炭基有機肥料處理的水稻高峰苗最多，但不同處理之間差異不顯著；炭基有機肥處理的水稻成穗率高于商品有機肥料及不施有機肥處理，且炭基有機肥料處理的穗數(shù)為437.99 萬個/hm2，分別較商品有機肥、不施有機肥處理增長28.69%、13.22%；不同處理之間的每穗粒數(shù)以不施有機肥處理最大，但處理間無顯著差異；施用有機肥料顯著提高了水稻的結(jié)實率與千粒質(zhì)量。可見，有機肥料處理的產(chǎn)量高于不施有機肥處理，與其結(jié)實率與千粒質(zhì)量的增加有關(guān)，而炭基有機肥處理顯著提高了水稻的穗數(shù)、結(jié)實率與千粒質(zhì)量，從而對水稻表現(xiàn)出增產(chǎn)的作用趨勢。

2.2 炭基有機肥對水稻干物質(zhì)積累及氮素吸收利用的影響

2.2.1 對水稻干物質(zhì)積累的影響 水稻干物質(zhì)的積累是建造營養(yǎng)器官和形成籽粒產(chǎn)量的基礎(chǔ)，干物質(zhì)積累多、生物量高，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量才有保證。由圖2可知，施用有機肥料可以提高水稻的干物質(zhì)積累量，與對照處理相比，不同有機肥料處理的干物質(zhì)積累量分別提高了23.88%、4.76%；但統(tǒng)計分析結(jié)果表明不同有機肥料處理之間干物質(zhì)積累量無顯著性差異。由圖2還可知，炭基有機肥處理的水稻在抽穗至成熟期積累的干物質(zhì)量最大，商品有機肥處理其次，較對照處理相比，分別增加了27.98%、9.75%，且統(tǒng)計分析結(jié)果表明，炭基有機肥處理的水稻抽穗期至成熟期積累的干物質(zhì)量顯著大于不施有機肥處理。可見，炭基有機肥處理的水稻產(chǎn)量較高，與該處理抽穗期至成熟期積累的干物質(zhì)量較多有關(guān)。

2.2.2 對水稻氮素吸收與利用的影響 氮素是水稻生長必需的營養(yǎng)元素，施用氮肥是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的主要手段。由圖3可知，水稻抽穗期至成熟期階段，炭基有機肥處理的稻株吸氮量最大，為 94.58 kg/hm2，商品有機肥處理的吸氮量為 86.36 kg/hm2，與對照處理相比，吸氮量分別提高了12.68%、2.86%。氮素的籽粒生產(chǎn)效率是指抽穗期至成熟期的水稻籽粒干物質(zhì)增加量與氮素積累增加量的比值，即單位氮素所能生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量。由圖3可知，炭基有機肥處理的水稻氮素

籽粒生產(chǎn)效率為97.04 kg/kg、商品有機肥處理的氮素籽粒生產(chǎn)效率為 94.95 kg/kg，而不施有機肥處理的氮素籽粒生產(chǎn)效率為 85.84 kg/kg，炭基有機肥處理的水稻增產(chǎn)與其抽穗期至成熟期的氮素籽粒生產(chǎn)效率較高有關(guān)。

2.3 炭基有機肥對稻田土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，施用有機肥對提高土壤的有機質(zhì)含量具有促進(jìn)作用。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，有機肥料處理的稻后土壤有機質(zhì)含量顯著大于不施有機肥處理，而炭基有機肥處理的土壤有機質(zhì)含量大于商品有機肥處理，但差異未達(dá)顯著水平。施用有機肥可以提高稻后土壤的氮素含量，且炭基有機肥與商品有機肥對土壤總氮含量的增加幅度分別為19.23%、833%，其中炭基有機肥處理的土壤全氮含量顯著大于不施有機肥料處理，而炭基有機肥處理雖然大于商品有機肥處理，但差異不顯著；另外，以0.01 mol/L的氯化鈣溶液浸提的土壤水溶性氮含量測定結(jié)果表明，炭基有機肥料處理最大、商品有機肥料處理其次，不施有機肥料處理最小，但差異未達(dá)顯著水平。施用有機肥料可以提高稻后土壤的磷素含量，且炭基有機肥料與商品有機肥料對土壤總磷含量的增加幅度分別為22.22%、11.11%，水溶性磷也以炭基有機肥處理表現(xiàn)為最大，但差異均未達(dá)顯著水平。

3 結(jié)論與討論

炭基有機肥對水稻具有增產(chǎn)作用，與商品有機肥相比增產(chǎn)率為4.39%，與不施有機肥處理相比增產(chǎn)率為527%，但差異未達(dá)顯著水平。喬志剛等在施用生物質(zhì)炭的基礎(chǔ)上設(shè)置了不同氮肥用量水平，發(fā)現(xiàn)施氮總量減少30%的處理與常規(guī)生產(chǎn)措施相比，對水稻產(chǎn)量無顯著影響[9]。可見，生物質(zhì)炭無論是單施或制成炭基有機肥后施用，對水稻均具有穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)作用；在化學(xué)肥料、有機肥料用量均相同的條件下，生物質(zhì)炭處理的肥效大于商品有機肥處理，是炭基有機肥對水稻的增產(chǎn)作用大于商品有機肥的主要原因。另外，炭基有機肥處理的水稻高峰苗、成穗率、千粒質(zhì)量均大于商品有機肥處理，是炭基有機肥處理水稻增產(chǎn)的重要農(nóng)藝性狀表現(xiàn)。

一般而言，籽粒干物質(zhì)的積累，一部分來自莖葉于抽穗前貯存而于抽穗后轉(zhuǎn)運到穗部的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，一部分來自抽穗后的光合作用，有研究表明抽穗后的光合產(chǎn)物占穗后干物質(zhì)積累的90%以上，因此，抽穗后的葉片光合作用對產(chǎn)量的形成起著決定性作用[14-16]。本試驗結(jié)果表明，炭基有機肥處理的水稻抽穗后干物質(zhì)積累量與商品有機肥處理相比提高了16.61%，說明有機肥料中添加生物質(zhì)炭更有利于水稻后期光合生產(chǎn)能力的提高，從而進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量。另外，曲晶晶等研究認(rèn)為施用生物質(zhì)炭能夠提高水稻的氮素利用率[17]。本試驗結(jié)果表明，與商品有機肥處理相比，稻株的抽穗后吸氮量與氮素籽粒生產(chǎn)效率分別提高了9.54%、220%，與曲晶晶等研究結(jié)論相一致，說明生物質(zhì)炭與畜禽糞便混合堆制后，并不影響其對水稻生長發(fā)育的作用功能。

施用生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤中氮的固定，同時生物質(zhì)炭能通過陽離子交換而達(dá)到對土壤中NH+4、NO-3的吸附，抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，減少氮素?fù)p失[18-19]。本試驗結(jié)果表明，與商品有機肥處理相比，炭基有機肥處理的稻田土壤全氮與水溶性氮含量分別提高了10.06%、11.92%，全磷與水溶性磷含量分別提高了10.00%、9.67%，說明炭基有機肥對氮磷養(yǎng)分具有吸附與緩慢釋放的特性，減少了氮磷養(yǎng)分通過徑流等途徑的損失，這可能是炭基有機肥提高氮素吸收利用率、實現(xiàn)水稻增產(chǎn)的直接原因。但是，炭基有機肥處理的水稻生長發(fā)育及土壤養(yǎng)分利用率，受生物質(zhì)炭的特性、土壤性狀、作物種類、栽培密度和田間管理措施等多因素影響，其功能特性尚有待作深入研究。

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