环境科学  2021, Vol. 42 Issue (1): 443-449   PDF    
引用本文
史登林, 王小利, 刘安凯, 侯再芬, 梁国太. 黄壤稻田土壤微生物量碳氮及水稻品质对生物炭配施氮肥的响应[J]. 环境科学, 2021, 42(1): 443-449.
SHI Deng-lin, WANG Xiao-li, LIU An-kai, HOU Zai-fen, LIANG Guo-tai. Response of Microbial Biomass Carbon and Nitrogen and Rice Quality in a Yellow Soil Paddy Field to Biochar Combined with Nitrogen Fertilizer[J]. Environmental Science, 2021, 42(1): 443-449.
黄壤稻田土壤微生物量碳氮及水稻品质对生物炭配施氮肥的响应
史登林1, 王小利1, 刘安凯1,2, 侯再芬3, 梁国太3     
1. 贵州大学农学院, 贵阳 550025;
2. 贵州省农业农村厅, 贵阳 550001;
3. 贵州省思南县农业农村局, 铜仁 565100
收稿日期: 2020-05-18; 修订日期: 2020-06-28
基金项目: 国家自然科学基金项目（31860160，41361064）；思南县秸秆生物炭还田试验项目
作者简介: 史登林(1994~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为稻田土壤培肥, E-mail:sdlin0126@163.com
通信作者: 王小利, E-mail:xlwang@gzu.edu.cn
摘要: 探讨生物炭与氮肥减量配施对黄壤稻田土壤微生物碳、氮（SMBC、SMBN）和稻谷产量及品质的影响，旨在为该区域土壤培肥及氮肥减施增效提供科学依据.采用大田试验，设置5个氮肥减施梯度（T0~T4）：0、10%、20%、30%和40%，用等氮量生物炭氮替代，以不施氮肥为对照（CK），在水稻成熟期进行测产采样，并对样品进行室内分析.结果表明，生物炭与氮肥减量配施处理的SMBC和SMBN变化范围分别在208.42~303.16 mg·kg-1和32.28~54.73 mg·kg-1之间.SMBC、SMBN、土壤微生物熵（qMB）、土壤微生物量氮与全氮比值（SMBN/TN）及稻谷产量随生物炭与氮肥配施比例的增加均呈先增加后降低趋势，T2处理的SMBC、SMBN及稻谷产量均最高，较T0处理依次增加了28.0%、30.0%和13.4%（P < 0.05），而T4处理略有降低（P>0.05）.各处理的SMBC、qMB、SMBN及SMBN/TN两两之间均呈极显著正相关关系（P < 0.01）.与T0处理相比，T2处理可显著增加稻米精米率、胶稠度和直链淀粉含量.本试验条件下生物炭（5.0 t·hm-2）与氮肥减量（20%）配施可有效提高土壤微生物量碳氮，稻谷增产提质，可作为贵州黄壤稻田水稻氮肥减施增效的较好选择.
关键词: 生物炭      黄壤稻田      土壤微生物量      土壤微生物熵      产量      稻米品质     
Response of Microbial Biomass Carbon and Nitrogen and Rice Quality in a Yellow Soil Paddy Field to Biochar Combined with Nitrogen Fertilizer
SHI Deng-lin1 , WANG Xiao-li1 , LIU An-kai1,2 , HOU Zai-fen3 , LIANG Guo-tai3     
1. College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
2. Department of Agriculture and Rural Affairs of Guizhou Province, Guiyang 550001, China;
3. Agriculture and Rural Bureau of Sinan County, Guizhou Province, Tongren 565100, China
Abstract: The effects of biochar combined with nitrogen fertilizer on soil microbial carbon, nitrogen (SMBC, SMBN), and rice yield and quality were investigated to provide a scientific basis for soil fertilization and nitrogen fertilizer reduction. Using a field experiment, we set up a nitrogen reduction gradient (T0-T4):0, 10%, 20%, 30%, and 40% reductions. The same amount of biochar nitrogen was used as the substitute and no nitrogen fertilizer was used as the control (CK). The yield was measured and sampled at the mature stage of rice, and the samples were analyzed in the laboratory. The results showed that the range of SMBC and SMBN was 208.42-303.16 mg·kg-1 and 32.28-54.73 mg·kg-1, respectively. SMBC, SMBN, soil microbial entropy (qMB), soil microbial biomass nitrogen to total nitrogen ratio (SMBN/TN), and rice yield increased first and then decreased as the proportion of biochar and nitrogen fertilizer increased. SMBC, SMBN, and rice yield were all the highest in T2, which increased successively by 28.0%, 30.0%, and 13.4% compared with that of the T0 treatment (P < 0.05), while those of the T4 treatment decreased slightly (P>0.05). The processing of SMBC, qMB, SMBN, and SMBN/TN showed a significantly positive relationship between the two (P < 0.01). Compared with that of the T0 treatment, the T2 treatment significantly increased the Milled rice, gel consistency, and amylose content. In this study, the combination of biochar (5.0 t·hm-2) and nitrogen reduction (20%) effectively improved soil microbial carbon and nitrogen content and increased the yield and quality of rice, which could be a good choice for reducing nitrogen fertilization and increasing the efficiency of rice in a yellow soil paddy field in Guizhou.
Key words: biochar      yellow paddy soil      soil microbial biomass      qMB      yield      rice quality     

生物炭(biochar)是由生物质(农林废弃物和动物粪便等)在无氧或厌氧条件下通过热化学转化得到的富碳黑色固态物[1], 具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积和较强吸附能力, 是良好的土壤改良剂[2, 3], 在土壤微生态调控、农作物增产提质和农业废弃物资源化利用等方面受到科研工作者青睐.将农林废弃物炭化后作为土壤改良剂, 不仅解决了农林废弃物等直接焚烧造成的环境破坏和资源浪费问题, 且在土壤固碳培肥和缓解温室效应方面极具潜力, 因此, 农林废弃物炭化后还田是一项多赢策略.土壤微生物是土壤中碳、氮等植物营养元素转化和循环的动力源泉, 土壤微生物量(SMB)是土壤中最活跃和最易被利用的养分[4].土壤耕作层中的土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)分别占土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)的3%和5%左右[5], 其含量是表征土壤肥力的重要依据之一.生物炭的多孔性和表面特性为土壤微生物生存提供丰富附着位点和空间, 增加土壤微生物数量和生物量[6~9], 促进土壤养分有效供给, 提高农作物产量和品质[10~12].陶朋闯等[13]和芮绍云等[14]的研究发现, 旱地红壤SMBC和SMBN随生物炭施用量的增加而增加; 而张志龙等[15]的研究表明, 潮土SMBC和SMBN随生物炭添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 塿土中也呈类似规律[16]; Fang等[17]的研究发现施用生物炭显著提高SMBC含量, 但对SMBN没有明显影响; 而刘杰云等[18]的研究发现添加生物炭均降低SMBC和SMBN.以上研究结果的差异, 可能是因为不同生物炭源材料、炭化温度及炭化时间和施用土壤类型、土壤肥力、耕作方式及种植作物种类等不同所致.生物炭还田不仅可有效改良土壤性状, 且在作物提质增效方面也发挥重要作用[10, 19, 20].有研究发现, 稻田土壤中施用生物炭不仅可增产稳产, 且能保质增质[21~23].

综上, 国内外关于生物炭对土壤微生物活性、SMBC、SMBN、农作物产量及品质的研究较多, 而针对黄壤稻田中生物炭与氮肥减量配施对SMBC、SMBN、水稻产量及品质的研究较为缺乏, 且在贵州黄壤稻田中生物炭能否用于氮肥减量配施、减施多少对SMBC、SMBN、农作物产量及品质的提升效果最佳尚不明确.因此, 本研究通过秸秆生物炭配施氮肥试验, 分析黄壤稻田SMBC、SMBN、水稻产量及品质对生物炭与氮肥减量配施的响应, 通过提升贵州黄壤稻田土壤肥力, 以期为实现水稻绿色高效生产提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况和试验材料

试验地为贵州省思南县水稻绿色增产增效技术示范基地, 位于贵州省铜仁市思南县塘头镇(108°11′35″E, 27°45′35″N), 该区域属中亚热带季风湿润型气候区, 平均海拔600 m, 年均日照时数1 349.80 h左右, 年均气温17.5℃, 相对湿度75.5%, 全年无霜期294 d左右, 年均降水量1 200 mm.试验田为稻油轮作, 土壤为黄壤性水稻土, 其基础性质为：pH 5.86, 有机质29.62 g·kg-1, 全氮1.39 g·kg-1, 碱解氮133.00 mg·kg-1, 有效磷37.16 mg·kg-1, 速效钾182.07 mg·kg-1.

供试化肥为尿素(N 46.2%)、过磷酸钙(P2O5 16%)和硫酸钾(K2O 60%); 供试生物炭为水稻秸秆炭, 炭化温度为450℃, 其基本性质为：pH 8.65, 有机碳667.22 g·kg-1, 全氮5.99 g·kg-1, 全磷1.99 g·kg-1, 全钾27.15 g·kg-1, 由南京勤丰众成生物质新材料有限公司提供; 供试水稻品种为“中浙优8号”, 由浙江勿忘农种业股份有限公司提供.

1.2 试验设计

试验共设置6个处理, ①CK：不施氮肥, 仅施磷、钾肥; ②T0：常规施用氮磷钾肥(100%化肥氮); ③T1：10%生物炭氮+90%化肥氮; ④T2：20%生物炭氮+80%化肥氮; ⑤T3：30%生物炭氮+70%化肥氮; ⑥T4：40%生物炭氮+60%化肥氮, T1~T4处理的生物炭氮替代部分化肥氮均按等氮量原则设计, 各处理的生物炭和化肥施用量见表 1, 各处理设3次重复, 共18个小区, 各小区面积为30 m2, 田间采用完全随机区组排列.于2019年5月2日育秧, 6月5日插秧, 水稻行株距为30 cm×20 cm, 水稻移栽前先将生物炭均匀撒施于稻田土壤表层, 翻匀, 再将化肥氮的50%、磷肥的100%和钾肥的50%混匀后作为基肥一次性施入, 化肥氮的20%作分蘖肥, 化肥氮的20%和钾肥的50%作保花肥, 化肥氮的10%作促花肥, 其他田间管理与当地农民习惯一致.

表 1 不同施肥处理的生物炭和化肥用量 Table 1 Application of biochar and fertilizer relative to the treatment

1.3 测产取样与指标测定

于成熟期进行采样测产, 各小区全部收获计产获取实际鲜重产量, 称取30 g, 采用烘干法测定含水量, 按稻谷标准含水量13.5%折算水稻产量; 稻谷风干后, 根据国家优质稻谷标准[24]测定各处理的稻米糙米率、粒长、精米率、垩白粒率、蛋白质含量、直链淀粉含量和胶稠度等品质指标.

于2019年9月底水稻收获后, 按对角线取样法选取各小区中9个采样点利用土钻采集0~20 cm耕层土壤, 混匀分两份, 一份过2 mm筛后存于4℃左右的冰箱中, 供土壤微生物生物量碳氮测定; 一份常温避光风干后过0.15 mm筛, 供土壤养分指标测定.SMBC和SMBN采用氯仿熏蒸-K2SO4(0.5 mol·L-1)浸提法测定, 换算系数分别为0.45和0.54;生物炭和土壤有机碳(SOC)、速效氮、磷、钾及全氮(TN)等养分指标按文献[25]的方法测定.

1.4 数据分析

数据采用Excel 2016和SPSS 23.0软件进行统计分析, 不同处理之间采用LSD法进行多重比较, 显著水平为0.05.

2 结果与分析 2.1 生物炭与氮肥减量配施对黄壤稻田SOC、TN、SOC/TN、SMBC、SMBN和SMBC/SMBN的影响

与CK处理相比, 生物炭与氮肥减量配施均明显提高了黄壤稻田的SOC和TN含量(表 2).SOC随生物炭与氮肥减量配施比例的增加而增加, 较T0处理均显著增加, 其增幅为18.5%~36.7%;土壤TN随生物炭与氮肥减量配施比例的增加呈先增加后降低趋势, T2处理较T0处理显著增加9.9%, 达1.44 g·kg-1; 生物炭与氮肥减量配施处理的土壤SOC/TN值较CK处理和T0处理分别增加2.9%~30.1%和9.8%~38.8%, T3和T4处理均显著增加.

表 2 生物炭配施氮肥下土壤有机碳、全氮、微生物量碳氮含量及其比值 Table 2 Contents of SOC, TN, SMBC, SMBN, SOC/TN, and SMBC/SMBN with the application of biochar with nitrogen fertilizer

据表 2可知, 常规施肥及生物炭与氮肥减量配施处理的SMBC和SMBN较CK处理分别增加4.5%~45.5%和4.3%~69.6%, 除T4处理外均显著增加.与T0处理相比, T1、T2和T3处理的SMBC和SMBN分别增加了4.0%~28%和6.7%~30.0%, 且随生物炭与氮肥减量配施比例的增加均呈先增加后减少趋势, T2处理均显著增加, T4处理均略有降低.

SMBC/SMBN能揭示土壤微生物群落结构信息, 真菌的SMBC/SMBN约为10:1, 细菌的约为5:1, 放线菌的约为6:1, 是评价土壤养分有效性及其供应能力的重要指标[26].表 2中CK处理的SMBC/SMBN为6.6:1左右, 均高于其他处理但无显著差异.常规施肥和生物炭配施氮肥处理的SMBC/SMBN分别在5.7:1和5.9:1左右, 说明在生物炭与氮肥减量配施的黄壤稻田中, 土壤微生物群落可能以细菌和放线菌为主, 真菌占比较少.

2.2 生物炭与氮肥减量配施对黄壤稻田SMBC/SOC(qMB)和SMBN/TN的影响

如图 1所示, 土壤微生物熵(qMB)介于0.7%~1.4%之间, SMBN/TN介于2.5%~3.8%之间.与CK处理相比, T0处理的qMB和SMBN/TN增加效果不明显, T1和T2处理的qMB和SMBN/TN均显著提高, T3和T4处理的qMB均有所降低, T4处理显著降低; 且随着生物炭与氮肥减量配施比例的增加qMB和SMBN/TN均呈先增加后减少趋势, T2处理的qMB(1.4%)和SMBN/TN(3.8%)均为最高.可能是因为适量生物炭与氮肥减量配施改善土壤理化性质, 增强土壤微生物活性, 加快有机碳和全氮的周转速率, 而高量生物炭与氮肥减量配施对土壤微生物活性有抑制作用, 减缓了土壤有机碳和全氮的周转.

柱上不同字母表示不同处理之间差异达显著水平(P<0.05) 图 1 生物炭配施氮肥下土壤微生物量碳氮在土壤有机碳和全氮中的比例 Fig. 1 SMBC and SMBN in SOC and TN with the application of biochar with nitrogen fertilizer

2.3 SMBC、SMBN与SMBC/SOC、SMBN/TN、SOC和TN的相关性分析

相关性研究显示, SMBC、SMBN、qMB和SMBN/TN两两之间呈极显著正相关关系(表 3); TN与SMBC、SMBN和SOC均呈显著正相关关系; SMBN和SMBN/TN与SMBC/SMBN呈极显著负相关关系.说明qMB值和SMBN/TN值的多少与SMBC、SMBN及TN含量变化密切相关, 微生物量碳氮是微生物的营养源, 通过适量生物炭与氮肥减量配施可显著提高土壤微生物量碳氮含量, 从而影响qMB和SMBN/TN的增减, 因此土壤微生物量碳氮或许可作为表征土壤质量的生物学指标.

表 3 土壤微生物量碳、氮与微生物熵、微生物量碳氮比、有机碳和全氮的相关性 Table 3 Correlation between SMBC, SMBN, qMB, SMBC/SMBN, SOC, and TN

2.4 生物炭与氮肥减量配施对稻谷产量及品质的影响

由表 4可知, 生物炭与氮肥减量配施对稻谷产量和品质有明显影响.常规施肥和生物炭与氮肥减量配施处理稻谷产量均显著高于不施氮肥(CK)处理, 增幅为35.4%~59.2%, 其中T2处理增产效果最好; 与常规施肥(T0)处理相比, T1、T2和T3处理籽粒产量提高2.4%~13.4%, 随着生物炭与氮肥减量配施比例的增加呈先增产后减产趋势, 其中T2处理最高达7.96 t·hm-2, 呈显著增加, T4处理略微减产.由此可见, 适量生物炭与氮肥减量配施可以促进水稻生长, 提高稻谷产量.

表 4 生物炭配施氮肥下稻谷产量及稻米品质 Table 4 Rice yield and rice quality with the application of biochar with nitrogen fertilizer

从稻米品质指标来看(表 4), 生物炭与氮肥减量配施可明显影响稻米的精米率、垩白粒率、粒长等加工品质和胶稠度、直链淀粉、蛋白质含量等营养品质, 但对糙米率和垩白度无明显影响.与CK处理相比, 常规施肥和生物炭与氮肥减量配施处理增加稻米粒长和蛋白质含量, 增幅分别为0.4%~1.5%和0.52~0.99个百分点, 其中粒长以T1和T3处理达到显著水平, 最高为6.80 mm; 蛋白质以T1、T3和T4处理达到显著水平, 最高为6.58%; T0、T1、T2和T4处理均提高稻米精米率, T1和T2处理达显著水平, 仅T3处理有所降低; T0~T3处理均降低了稻米垩白度率, 均未达显著水平, 仅T4处理增加, 这可能是氮肥减量过高所致.与T0处理相比, T1和T2处理的稻米精米率分别显著提高了1.00和1.03个百分点; T4处理的稻米垩白度率显著增加了0.9个百分点, 这可能是氮肥减量过高所致; T2和T4处理的稻米胶稠度分别显著增加4.9%和4.0%; T2处理的稻米直链淀粉含量显著提高0.37个百分点.因此, 适量生物炭与氮肥减量配施可改善稻米品质的同时也减少化肥施用.

3 讨论

土壤微生物量是表征土壤微生物对有机物料分解的重要指标[27~29].生物炭的属性特征可为土壤微生物提供广阔的生存空间, 调节微生物生存环境和微生物的生长繁殖, 从而影响土壤微生物量.本研究中, 氮肥减量配施生物炭处理均增加了SMBC和SMBN含量, 且随生物炭与氮肥减量配施比例的增加呈先增加后减少趋势, 均以T2处理最显著, 分别达303.16 mg·kg-1和54.73 mg·kg-1, 这与张志龙等[15]的研究结果相似.究其原因可能是少量生物炭配施氮肥还田时由于其吸附特性和多孔特性, 生物炭吸附了部分有机质的同时有些土壤微生物附存在其孔隙之中, 一定程度刺激了微生物活性, 加速微生物活动频率和繁殖速度[30], 所以适量生物炭与氮肥减量配施增加了土壤SMBC和SMBN; 但随着生物炭与氮肥减量配施比例的增加而SMBC和SMBN趋于减少, 这可能是源于过量生物炭与氮肥减量配施后土壤总有机碳含量过高, 全氮变化幅度小, 从而致使土壤微生物代谢不平衡, 微生物活动受抑制.本研究中生物炭(5 t·hm-2)与氮肥减量(20%, 即施用120 kg·hm-2)配施效果最好, 而袁晶晶[27]的研究发现, 在河南濮阳地区10 t·hm-2的生物炭配施300 kg·hm-2效果最佳, 这可能是土壤肥力、土地利用方式不同所致.

土壤微生物量碳氮是土壤碳和氮的重要来源, 具有较高的生物活性, 其增减程度反映土壤微生物利用碳氮效率[4].qMB、SMBN/TN和SMBC/SMBN可表征生物炭与氮肥减量配施后土壤有机碳和氮素营养的变化规律和作物所需养分供应情况.土壤微生物熵(qMB)是指土壤中SMBC所占SOC的百分比, 其范围为1%~4%[31], qMB值的高低可表征土壤有机质活性及其被微生物利用效率.SMBN/TN是表征土壤中微生物对氮素的利用程度及SMBN对土壤氮库的贡献率, 可作为土壤氮素有效性和对作物氮素供应能力的重要评价指标, 范围在2%~6%之间[32].本试验的qMB和SMBN/TN值分别在0.7%~1.4%和2.5%~3.8%之间, 且均随生物炭与氮肥减量配施比例的增加呈先增加后降低趋势, 说明适量生物炭与氮肥减量配施提高微生物对土壤碳氮的利用效率, 与孟繁昊[33]的研究结果相似.一般情况下, 真菌、细菌和放线菌的SMBC/SMBN值依次约为10:1、5:1和6:1[26].本研究中常规施肥和生物炭与氮肥减量配施处理的SMBC/SMBN分别在5.7:1和5.9:1左右, 均低于CK处理(6.6:1), 说明生物炭与氮肥减量配施的黄壤稻田中, 土壤微生物群落可能以细菌和放线菌为主, 真菌占比较少.且各施肥处理的SMBC/SMBN值基本处于同一水平, 说明有机碳输入土壤后对土壤SMBC/SMBN影响较小[34].

本研究结果表明, T1、T2和T3处理稻谷产量较T0处理均有不同程度地增加, T2处理显著提高了13.4%, 而T4处理略微减产, 这说明在当前试验条件下, 施用生物炭配施70%~90%化学氮肥具有一定的可行性, 80%氮肥配施比例最佳.生物炭与氮肥减量配施实现增产或稳产的主要原因:一方面是生物炭自身含有丰富的氮素, 尽管其含有的氮素并非均是易分解或可有效利用的, 但由于氮素含量高, 故而可替代部分化学氮肥[35]; 同时, 生物炭除了含有氮、磷和钾等大量元素外, 还富含钙、镁和锌等多种矿质养分, 有利于作物所需养分的平衡供应[36]; 另一方面可能是本试验地土壤呈微酸性(pH为5.86), 施用高量生物炭后提高了土壤pH值, 改良微生物生境, 从而促进土壤养分有效供给, 因此可以保证作物实现增产或稳产.有研究表明生物炭的施用可以改善作物品质[20, 37, 38], 本研究结果与前人研究类似.本研究中, 与T0处理相比, 生物炭与氮肥减量配施使稻米精米率、垩白度、粒长等外观品质及胶稠度、直链淀粉和蛋白质等食用品质均有不同程度的改善, 这与陈梦云等[38]的研究结果相似.其中T1和T2处理的精米率较T0处理显著增加1.00和1.03个百分点, T2和T4处理的胶稠度较T0处理显著增加了4.9%和4.0%, T2处理的直链淀粉含量较T0处理显著提高0.37个百分点.这可能是由于生物炭中含有较高钾素和Ca、Mn和Zn等多种微量元素能够促进相关酶在植株体内合成, 有利于改善稻谷品质[39].本研究结果表明, 在贵州中等肥力黄壤稻田中生物炭(5 t·hm-2)与氮肥减量(20%, 即施用120 kg·hm-2)配施的增产提质效果最佳, 而孟繁昊[33]的研究推荐在种植玉米的沙壤土中生物炭(8 t·hm-2)与氮肥(150 kg·hm-2)配施效果最好, 武沛然[40]推荐在种植甜菜的盐碱地中施用生物炭替代10%的化学氮肥效果最佳, 这可能是由于土壤类型、土壤肥力和耕作模式等不同所致.综上, 本试验条件下生物炭(5.0 t·hm-2)配施氮肥(80%)可有效提高土壤微生物量碳氮、稻谷产量和品质, 是该区域氮肥减施增效的较好选择, 但其长效机制还需进一步试验研究.

4 结论

SMBC、qMB、SMBN及SMBN/TN对生物炭与氮肥减量配施均有不同程度响应, 并随生物炭与氮肥减量配施比例的增加均呈先增加后降低趋势, 且两两之间均呈现极显著正相关关系.本试验条件下, 适量生物炭(5 t·hm-2)配施氮肥(80%)对土壤微生物量碳氮、稻谷产量和品质的提升效果最好, 可作为贵州黄壤稻田水稻氮肥减施增效的较好选择.

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