生物炭施用對節水灌溉稻田土壤氮素含量及脲酶活性的影響

陳曦　江賾偉　丁潔　蔡敏　楊士紅

摘要：為探究生物炭施用對節水灌溉稻田土壤氮素遷移轉化的影響，基于田間試驗，分析不同水碳調控條件下稻田土壤NH4+-N、NO3--N含量及脲酶活性的變化規律。結果表明，節水灌溉稻田表層土壤中NH4+-N含量在水稻生育前期較高，乳熟期開始NO3--N含量較高。施加高量（40 t/hm2）生物炭處理土壤中NH4+-N 含量比不施炭處理（0 t/hm2）提高26.47%;施加生物炭使土壤中NO3--N含量與脲酶活性分別提高7.52%～22.29%、13.87%～26.68%。不同灌溉方式下土壤脲酶活性在水稻全生育期均無顯著差異，但以淹水灌溉條件下脲酶活性較高。與傳統淹水灌溉相比，節水灌溉稻田表層土壤中NH4+-N、NO3--N含量分別增加了67.46%、67.19%，減小了稻田氮素淋失的風險。生物炭與節水灌溉的聯合調控有利于增強土壤對水溶性氮素離子的固持，減少氮素的淋失。

關鍵詞：節水灌溉;生物炭;稻田;氮素遷移;土壤脲酶活性

中圖分類號： S275;S181? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）19-0268-07

收稿日期：2020-01-17

基金項目：國家自然科學基金（編號：51879076、51579070）;中央高校基本科研業務費專項資金（編號：2019B67814）;江蘇省研究生科研創新計劃（編號：SJKY19_0525）;江蘇省水利科技項目（編號：2018065）。

作者簡介：陳 曦（1996—），女，四川安岳人，碩士研究生，主要從事節水灌溉與農田生態效應研究。E-mail：sunrise@hhu.edu.cn。

通信作者：楊士紅，博士，教授，主要從事節水灌溉與農田生態效應研究。E-mail：ysh7731@ hhu.edu.cn。

近年來，隨著點源污染的有效控制，農業面源污染已經成為我國湖泊水體富營養化的主要污染源之一[1]，而化肥污染是農業面源污染的最大來源[2]。由于化肥在作物增產中的重要作用，自1993年以后，我國一直是世界第一的化肥消耗大國[3]。水稻作為我國主要糧食作物，其種植面積和產量分別占世界的22.7%、37%[4]，稻田單季氮肥平均用量為180 kg/hm2，比世界平均用量約高75%[5]。大量的氮肥施用后，并不能被植物全部利用，研究表明，我國水稻生產中，氮肥的平均利用率為30% ～ 35%，高產地區甚至更低[6-7]，大部分氮肥經揮發、徑流、淋溶、硝化、反硝化等途徑損失于環境之中。在稻田面積占比較大的太湖地區，每年施氮量高達500～600 kg/hm2[8]，農田面源污染總氮輸出量約占氮素入湖總量的41.5%[9]，人們越來越關注高氮負荷下的環境問題。因此，研究稻田土壤氮素遷移轉化規律對于提高水稻氮肥利用效率、減輕稻田面源污染具有重要意義。

生物炭是生物質在缺氧條件下通過化學轉化得到的固態產物。生物炭施用作為一種新型的碳管理技術，具有明顯的改善土壤性質、提升耕地生產性能和作物生產能力，降低農田氮磷損失及減排溫室氣體等作用[10-13]，因此具有農業經濟價值和環境生態效益雙重功能[14]。有研究表明，生物炭施用能夠降低淹水稻田田表水中的氮磷含量[15]，使土壤中銨態氮（NH+4-N）、硝態氮（NO-3-N）和磷酸鹽（PO3-4-P）的淋濾量分別降低15%、11%、69%[16-17]，從而能夠維持農作物生長期土壤的肥力。面對日益嚴峻的水土資源緊缺、農田面源污染加重等問題，《全國農業可持續發展規劃（2015—2030年）》強調，未來一個時期應推廣節水灌溉，大力發展節水農業。以往生物炭在稻田的應用效果及其對農田環境影響的研究主要針對淹灌稻田，生物炭施用對于節水灌溉稻田土壤氮素遷移轉化的影響有待進一步研究。本試驗主要研究生物炭與節水灌溉聯合調控下土壤NH+4-N、NO-3-N 含量和脲酶活性的變化特征，以期闡明生物炭施用對節水灌溉稻田土壤氮素遷移轉化的影響，為稻田節水、控污及水土資源的可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地（34°63′ 21″ N，121°05′ 22″ E）。試區屬亞熱帶南部季風氣候區，年平均氣溫為15.5 ℃，年降水量為1 097.1 mm，年蒸發量為1 365.9 mm，日照時數為2 085.9 h，平均無霜期為234 d。當地習慣稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤質地為重壤土，0～18 cm土層土壤有機質含量為21.71 g/kg，全氮含量為1.79 g/kg，全磷含量為1.4 g/kg，全鉀含量為20.86 g/kg，pH值為7.4，0～30 cm 土壤容重為1.32 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗于2019年6—10月進行，試驗設置2種灌溉模式，分別為節水灌溉（C）與淹水灌溉（F）。在節水灌溉條件下，設置不施生物炭（A）、施用中量（20 t/hm2）生物炭（B）和高量（40 t/hm2）生物炭（C）等3個處理，在淹水灌溉（F）條件下設置施用高量（40 t/hm2）生物炭（C） 1個處理，依次記為CA、CB、CC、FC，每個處理設3次重復，共計12個小區。試驗在排水式蒸滲儀中進行，每個小區（2.5 m×2.0 m）每天下午人工排水，排水量：節水灌溉為3 mm/d，常規灌溉為5 mm/d。水稻品種為蘇香米，株距為25 cm，行距為25 cm，每穴苗量3～4株，于2019年6月25日插秧，2019年10月24日收割。

生物炭制造原料為水稻秸稈，其pH值、碳含量、總氮含量、總磷含量、總鉀含量、比表面積、總孔隙體積依次為10.1、42.6%、0.75%、0.15%、1.06%、81.9 m2/g、0.08 m3/g。淹灌處理按當地水稻種植習慣管理，除分蘗后期排水曬田外，其余各生育階段均在田間保留薄水層，黃熟期自然落干。控灌處理在返青期田面保留10～30 mm薄水層，以后各生育期灌溉后田間不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合作為灌水控制指標。常規肥料施用依據當地農民習慣施肥方法和施肥量進行管理，其中氮肥用量為312.69 kg/hm2，磷肥用量為63.00 kg/hm2，鉀肥用量為89.25 kg/hm2。

1.3 樣品采集與分析

采用三點采樣法隨機采集稻田表層（0～10 cm）土壤，在整個水稻生育期土壤樣品共采集6次，采集時間分別為移栽前（2019年6月23日）、分蘗期（2019年7月23日）、拔節孕穗期（2019年8月19日）、乳熟期（2019年9月19日）、黃熟期（2019年10月17日）和收割后（2019年10月25日）。采集的土樣帶回實驗室，剔除植物根系、石礫后，一部分新鮮土樣置于冰箱4 ℃保存，測定樣品的NH+4-N含量、NO-3-N含量;另一部分土壤自然風干后過20目篩和100目篩，用于測定土壤脲酶活性。其中NH+4-N 含量的測定采用 KCl提取-分光光度法，NO-3-N含量的測定采用紫外分光光度法，土壤脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法。

1.4 數據處理

用Excel 2019對試驗數據進行初步分析并繪制圖表。數據方差分析與顯著性差異分析采用SPSS 22.0完成，采用最小顯著性差異法（LSD）法作多重比較分析（差異顯著性水平為P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對稻田土壤銨態氮含量的影響

控制灌溉條件下不同生物炭施用處理稻田土壤NH+4-N含量均呈單峰變化趨勢（圖1），且從移栽前至分蘗期土壤NH+4-N含量基本上隨著生物炭施用量的增加而增加。基肥施用后，各處理稻田土壤NH+4-N含量迅速升高，以CC處理增加最快，CB次之，CA最慢。3種處理土壤的NH+4-N含量均在水稻分蘗期達到峰值，以CC處理的最高，為47.148 mg/kg;CB處理的次之，為29.452 mg/kg;CA處理的最低，為21.844 mg/kg，且CC與其他處理差異顯著（P<0.05）。水稻拔節孕穗期，稻田土壤的NH+4-N含量迅速降低，降低程度隨著生物炭施用量的增加而增加，CC、CB、CA處理土壤NH+4-N 含量與分蘗期相比分別降低87.01%、72.77%、41.49%，此后直至水稻收獲前，土壤中NH+4-N 含量均表現為CA>CB>CC。生物炭的不同添加量對節水灌溉稻田中NH+4-N滯留效應的影響存在差異，添加高量生物炭對土壤中NH+4-N的吸附效果最好，能明顯降低NH+4-N的淋失風險。就水稻全生育期（分蘗期至收割后）而言，CA與CC處理土壤中NH+4-N平均含量分別為9.439、11.937 mg/kg，施加高量生物炭比不施加生物炭（CA）土壤中NH+4-N含量提高26.46%。這是因為生物炭具有豐富的孔隙結構、巨大的比表面積和豐富的含氧官能團，可通過范德華力與土壤中的NH+4-N、NO-3-N和PO4-3-P發生等離子交換作用[18]，甚至能夠通過穩定的化學鍵對其產生不可逆的吸附[19]。同時，生物炭施入土壤后易形成大團聚體，能夠降低NH+4-N、NO-3-N等水溶性離子的淋溶損失量、延緩遷移轉化的時間。

2.2 生物炭施用對稻田土壤硝態氮含量的影響

稻田土壤中NO-3-N含量變化趨勢和NH+4-N 不同，在水稻全生育期內呈雙峰波動（圖2）。節水灌溉條件下，不同生物炭施用量處理土壤中NO-3-N含量均于水稻分蘗期首次達到峰值，CA、CB、CC處理土壤中NO-3-N含量分別為18.792、23.013、25.403 mg/kg;隨著水稻的生長，水稻根系活性吸收面積增強，對氮素的吸收利用率增強，而在此階段也存在著較為嚴重的NO-3-N滲漏損失[20]，因此在拔節孕穗期土壤中NO-3-N含量較低。與NH+4-N不同的是，由于穗肥的施用，3種處理土壤中NO-3-N含量在乳熟期第2次達到峰值，且依然呈現CC>CB>CA的分布規律，CC處理土壤中NO-3-N含量分別是CB、CA處理的1.229、1.369倍。在水稻生育后期，土壤中NO-3-N含量依然維持在較高水平，主要是因為稻田自然落干增加了土壤的透氣性，有利于硝化活動的增強。經過整個稻季后，各處理土壤中NO-3-N含量均出現了不同程度的降低，與移栽前相比，CA、CB、CC收割后土壤NO-3-N含量的降幅分別為59.97%、31.50%、34.51%，施用生物炭有利于土壤NO-3-N的固持。在水稻全生育期（分蘗期至收割后），CA、CB、CC各處理土壤中NO-3-N平均含量分別為9.403、10.109、11.499 mg/kg，施加生物炭使土壤中NO-3-N含量提高了7.52%～22.29%。因此，生物炭可提高節水灌溉稻田土壤對NO-3-N的滯留能力。

2.3 生物炭施用對稻田土壤脲酶活性的影響

脲酶是土壤氮素轉化的關鍵性酶，它是尿素水解主要的生物活性驅動因子，極大地影響著尿素的轉化，其活性與土壤肥力指標顯著相關[21]。節水灌溉稻田土壤脲酶活性在水稻分蘗期與拔節期較高（圖3），隨后開始下降并基本處于穩定水平。受蘗肥影響，各處理土壤脲酶活性在分蘗期最大，且隨生物炭施用量的增加而升高， CA、CB、CC各處理的脲酶活性分別為0.779、0.903、1.004 mg/g。同樣，施用穗肥也激發了脲酶活性，拔節孕穗期CA、CB、

CC處理的脲酶活性分別為0.767、0.835、0.966 mg/g，略小于分蘗期。水稻全生育期，CA、CB、CC處理的土壤脲酶活性平均值分別為0.462、0.526、0.585 mg/g，施用生物炭比不施用生物炭土壤脲酶增加13.87%～26.28%，說明生物炭有利于土壤脲酶活性的提升。

由圖4可知，土壤脲酶活性與土壤NH+4-N含量呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤NO-3-N含量呈正相關關系，但未達到顯著水平。施入田面的尿素為土壤脲酶的酶促反應提供了大量的基質，刺激了表層土壤的脲酶活性;同時氮素營養的改善促進了土壤微生物的繁殖，從而使其向土壤中分泌更多的脲酶，其活性的增強反過來促進了尿素氮的水解從而引起田面水中NH+4-N濃度劇增[22]。

2.4 灌溉管理對稻田氮素遷移轉化的影響

相同生物炭施用條件下不同水分管理模式的土壤NH+4-N含量存在明顯差異（圖5-a）。就整個生育期（分蘗期至收割后）而言，控制灌溉與淹水灌溉處理的土壤NH+4-N含量均呈先增加后減少的變化特征，且都在分蘗期達到峰值，控制灌溉稻田土壤NH+4-N含量比淹水灌溉高24.544 mg/kg，高了61.46%。相同氮肥與生物炭管理條件下，節水灌溉稻田土壤NH+4-N含量顯著高于淹水灌溉稻田，這主要與節水灌溉稻田的水分調控有關，一方面可能是節水灌溉措施有利于提高氮肥的利用效率，能抑制尿素水解后的氨揮發損失，因此土壤膠體能吸附更多的NH+4;另一方面可能是由于淹水灌溉促進水分下滲，從而使得NH+4、NO-3等可溶性離子向土壤深層運移。

淹水灌溉FC處理土壤NO-3-N含量低于節水灌溉CC處理（圖5-b），表明節水灌溉可以有效減少NO-3-N的流失。與移栽前相比，CC處理收割后土壤NO-3-N含量比移栽前減少了3.274 mg/kg，FC處理收割后土壤NO-3-N含量比移栽前減少4.397 mg/kg，這主要是由于淹水灌溉稻田滲漏造成了更多的氮素淋失。隨著水稻生長，2個處理均在分蘗期與乳熟期達到峰值，CC處理在第1次和第2次峰值分別比FC處理高7.892、4.762 mg/kg，這是因為淹水灌溉稻田除分蘗末期外均處于有水層狀態，土壤長期處于還原條件下，導致氮肥水解后產生的大量NH+4-N無法向NO-3-N形態轉化。相對于淹水灌溉，節水灌溉除返青期外均處于無水層狀態，土壤透氣性好，土壤適宜的氧化與水分條件提高了硝化細菌的活性，促進了氮素的硝化過程。水稻全生育期（分蘗期至收割后），CC、FC處理稻田土壤中NO-3-N平均含量分別為11.499、6.878 mg/kg，節水灌溉的應用使土壤中NO-3-N含量增加67.19%。

不同灌溉方式下土壤脲酶活性隨水稻生育期的變化呈現不同的變化規律（圖5-c），土壤水分條件影響土壤脲酶活性變化，但2個處理在水稻全生育期均未達顯著水平。水稻分蘗期，2個處理的土壤脲酶活性均達到峰值，但以淹水灌溉為最大;自水稻乳熟期起，土壤脲酶活性基本穩定，控制灌溉條件下為0.244～0.375 mg/g，淹水灌溉條件下為0.273～0.396 mg/g，此階段灌溉對土壤脲酶活性的影響不大。除拔節孕穗期外，淹水灌溉處理土壤脲酶活性均高于控制灌溉處理，全生育期控制灌溉稻田脲酶平均活性為0.585 mg/g，而淹水灌溉稻田為0.618 mg/g，淹水灌溉條件下稻田土壤的脲酶活性更高。

3 討論

本試驗結果表明，生物炭施用提高了節水灌溉稻田對NO-3-N和NH+4-N的固持能力，并可以顯著提高稻田土壤脲酶活性。已有研究針對傳統淹

灌稻田的較多，且大部分研究都證實了生物炭在土壤氮素固持及減少氮素流失方面的積極作用。Lehmann發現，生物炭和肥料配施，土壤對NH+4-N 的吸附與固定作用明顯增強，水稻對氮素的利用也顯著提高[23]。崔虎等研究表明，生物炭施入農田后，能夠減弱NO-3-N、NH+4-N和PO3-4-P 在土-水界面的遷移能力，在提高肥效的同時，降低其隨農田退水流失的風險[24]。Chan等研究發現，無機肥減量配施生物炭使土壤中NO-3-N、NH+4-N 的濃度分別提高了38.9%、4.3%[25]。馮軻等通過對田面水氮素的測定，發現施加生物炭后田面水中NH+4-N含量減少了35.1%～64.3%[26]。本試驗結果與之基本一致，生物炭在節水灌溉稻田中對氮素同樣有較高的固持容量。生物炭施入土壤后易形成大團聚體，對氮素離子有較好的吸附效果，并且能夠降低氮素揮發量[27]，因此提高了土壤對可溶性氮素離子的滯留能力。在生物炭對土壤脲酶活性的影響方面，尚無統一定論。吳蔚君研究發現，施用生物炭的處理脲酶活性提高0.64%～42.17%，其中以B3（4 500 kg/hm2生物炭）處理的脲酶活性增加量最多[28]。崔虎等也發現所有配施生物炭處理的土壤脲酶活性均高于單施無機肥處理，因此認為生物炭施入農田后可以提高土壤脲酶活性[24]，這與黃劍等的研究結果[29-30]一致，本試驗也發現，生物炭施用可以增強節水灌溉稻田土壤脲酶活性。但也有研究指出，常規生物質炭會抑制脲酶活性，生物炭對脲酶活性的抑制可能是其表面自由基或自由基促使產生的活性氧簇與脲酶發生氧化反應的結果[31]。Sun等的研究也認為秸稈生物質炭降低了土壤脲酶活性，是NH3揮發減排的重要原因之一[32]。而余珊等對水熱炭的研究也表明，通過水熱法制備的生物質炭顯著降低了土壤脲酶活性，可實現脲酶抑制劑的作用[33]。

在灌溉管理方面，大部分研究表明，水稻節水灌溉模式的應用在節水、增產的同時能夠明顯減少稻田氮磷的損失，但在不同節水灌溉模式下土壤氮素遷移規律略有差異。晏軍通過試驗發現，淺灌深蓄稻田0～40 cm土層NH+4-N、NO-3-N、總氮（TN）、總磷（TP）及速效磷等的含量差別不大，認為淺灌深蓄的灌溉方式不會造成稻田0～40 cm土層養分累積[34];而在相同肥料處理條件下，節水灌溉減少了表層土壤中NH+4-N 質量比及40～60 cm土層中NH+4-N和NO-3-N的質量比[35]。本試驗發現，與傳統淹水灌溉相比，節水灌溉條件下稻田表層土壤中NH+4-N和NO-3-N的含量均較高，因此氮素離子隨下滲水流失的較少，生物炭與節水灌溉的聯合調控有利于增強土壤對養分的固持，減少養分的淋失。灌溉方式通過對土壤水氣熱條件的改變對土壤脲酶活性也會產生直接或間接的影響，旱作土壤酶活性一般高于水田[36]。目前關于土壤脲酶的研究大多關注施肥模式對其的影響，在灌溉方式方面也集中于咸水灌溉[37]、滴灌[38]等，對于節水灌溉稻田土壤脲酶活性的研究較少。本試驗發現控灌稻田中脲酶活性較低，這與張娜等關于充分濕潤與淹水栽培對設施土壤酶活性的研究結論[39]一致。節水灌溉稻田改善土壤環境，形成土壤水分的輕度虧缺，干濕交替影響土壤透氣性、有機質含量、溫度、pH值、氧化還原電位（Eh）等，進而影響土壤脲酶活性、尿素水解與氨揮發過程[40]。

4 結論

節水灌溉稻田土壤中NH+4-N和NO-3-N的含量均在分蘗期最高;在水稻生長前期，土壤中NH+4-N 含量較高，乳熟期及以后土壤中NO-3-N含量較高。生物炭施用提高了土壤中NH+4-N和NO-3-N的含量，從稻季含量均值來看，施加高量生物炭比不施加生物炭土壤中NH+4-N含量提高26.47%;CA、CB、CC各處理土壤NO-3-N含量分別是9.403、10.109、11.499 mg/kg，施加生物炭使土壤中NO-3-N含量提高了7.52%～22.29%，施加生物炭提升了土壤對養分的滯留能力。

施肥顯著激發了土壤脲酶活性，蘗肥與穗肥施用后脲酶活性均處于較高水平。土壤脲酶活性與土壤NH+4-N含量呈極顯著正相關（P<0.01），灌溉方式通過對土壤水氣熱條件的改變對土壤脲酶活性會產生直接或間接的影響。水稻全生育期，各處理土壤脲酶活性平均為0.462～0.618 mg/g，施用生物炭比不施用生物炭土壤脲酶活性增加13.87%～26.68%，生物炭施用有利于土壤脲酶活性的提升。

與淹水灌溉相比，節水灌溉條件下稻田表層土壤中NH+4-N和NO-3-N的含量分別增加了61.46%、67.19%，減小了稻田氮素淋失的風險，生物炭與節水灌溉的聯合調控有利于進一步增強土壤對養分的固持，降低養分淋失的風險。

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