为探究大幅全量秸秆生物质炭化还田模式对水稻产量及土壤养分的影响，在浙北一处中产单季稻田倒数积极开展4 年（2013-2016）的田间试验。试验包括三个处置：CK：对照（无任何水稻秸秆或生物质炭还田）；RS：水稻秸秆全量还田（8 t.hm-2.a-1）；RSB：全量水稻秸秆炭化还田（2.8 t.hm-2.a-1）。
收获期测量水稻株高、籽粒产量、土壤pH、阳离子交换量（CEC）、总碳（TC）、总氮（TN）、有效地态营养元素P、K、Ca、Mg、Zn、Al、Fe和Mn 含量，并在此基础上探究全量秸秆炭化还田对水稻产量和土壤养分的影响机制。结果表明：RSB 能明显提升水稻株低和籽粒产量（P0.05），且增幅小于RS；RSB 能明显提高土壤TC、TN、有效地态P、K、Ca、Mg 含量，减少过量有效地态Al、Fe、Mn 含量；RSB 对土壤养分的提升更大程度上是由于秸秆生物质炭间接强化了土壤C、N 元素及速效养分的积累；RSB 跃进的关键因素是土壤TC、TN、有效地态K、Mg 含量的提升以及有效地态Al 含量的减少。大幅全量秸秆生物质炭化还田持续跃进增肥效果显著，是稻田生态系统极具潜力的秸秆资源利用模式。
前 言中国是世界上水稻栽种面积最广的国家，每年产生的水稻秸秆量低约2 亿多t。水稻秸秆含有氮、磷、钾等营养元素，被指出是一种非常丰富的可再生资源。农业农村部推展的秸秆必要还田虽能增进养分循环、增加化肥用药、提高农作物产量，然而也不会增进稻田温室气体甲烷的大量废气，长年还田还不会造成稻田病虫害以及僵苗等现象再次发生。生物质炭（Biochar）是生物质在氧气条件下低温浸渍产生的高度芳香化物质，具备低pH、高碳含量与较强的阳离子互相交换能力、较小的比表面积和非常丰富的营养元素含量等优良特性，目前更加多地被应用于土壤改良和作物跃进。
研究找到，水稻秸秆生物质炭化还田具备提升水稻产量、提高土壤碳库储备以及增加稻田温室气体废气等起到，是替代秸秆必要还田的理想措施。然而关于水稻秸秆生物质炭化还田对水稻产量和土壤养分的影响研究基本使用重复使用、低剂量（低于等剂量，等剂量=秸秆产量×炭化得亲率）的还田模式，不曾有单季稻作制下，倒数的等量水稻秸秆炭化还田对水稻产量和土壤养分的影响研究。而且，在重复使用低剂量还田模式下，水稻秸秆生物质炭对水稻产量的提升不会随着还田时间的缩短而弱化。
此外，不受水稻生长季节性、单位面积秸秆产量和秸秆生物质炭化得率等因素的容许，生产实践过程中稻田不有可能广泛实行基于秸秆资源异位移往方式的高剂量炭化还田模式。因此，若在稻田生态系统中使用大幅全量秸秆生物质炭化还田模式，即大幅将产生的水稻秸秆生物质全量炭化后原位还田，既能构建秸秆资源的几乎利用，又能大大向稻田补足生物质炭，保持其营养水平，理论上将比重复使用低剂量还田模式更加有应用于前景。为探究大幅全量秸秆生物质炭化还田模式在实际生产中对稻田跃进和土壤改良的持续效应，本文白鱼自由选择浙江省北部一处多年栽种单季稻的中产稻田展开4 年的定位试验，每年定期测量水稻株低和籽粒产量及土壤pH、CEC、TC、TN、有效地态P、K、Ca、Mg 等营养元素含量，并在此基础上探究秸秆生物质炭对土壤养分和水稻产量的影响机理，目的为我国研发和应用于秸秆炭化还田技术获取理论和实践中依据。
1 材料和方法1.1试验地概况和实验材料自由选择浙江省杭州市余杭区（30°22′N，119°51′E）一处多年栽种单季稻的水田作为试验田，根据中国土壤数据库的分类，试验田土种是泥质田，以黏壤土居多。气候为典型的亚热带季风气候，年平均气温17.2 ℃，年均降雨量1490 mm。本实验所使用的生物质炭是以水稻秸秆为原料，磨碎至粒径5 mm 后经制做的燃烧内热式炭化炉在450~500 ℃下高温降解2 h 做成。
实验使用的土壤、水稻秸秆和秸秆生物质炭的基本化学系性质如表格 1 右图。1.2试验打算和设计试验期为2013 年7 月至2016 年11 月，使用水稻单季的栽种方式，每年水稻7 月初修剪，11 月底进账。共计另设三个处置：CK：对照（无任何水稻秸秆和生物质炭还田）；RS：水稻秸秆全量还田（8 t.hm-2）；RSB：全量秸秆生物质炭化还田[2.8 t.hm-2水稻秸秆生物质炭=8 t.hm-2 水稻秸秆×0.35（炭化炉炭化得亲率）]。
每个处置设置3 个反复区块，总计9 个区块，每个区块的面积是：4 m×5 m=20 m2。在每年耕种前对各区块修筑田埂，后用薄膜包被，避免串水。
磨碎后的秸秆（5 mm）和秸秆生物质炭在每年水稻修剪前分别施入耕作层（15 cm），常规翻土混匀后积水。水稻品种为粳稻秀水134（Oryza sativaL），使用秧苗修剪的方式，掌控每个区块秧苗数量完全一致。稻田使用前期积水，后期涝干的常规管理方式。
各处置按照传统播种方法产生等量化肥，分别是氮肥（以显N 计）270 kg.hm-2，磷肥（以P2O5计）75 kg.hm-2，钾肥（以K2O计）90 kg.hm-2。其中氮肥类型为尿素，以基肥、分蘖肥和穗肥按照4:3:3 的比例输出。磷肥和钾肥为过磷酸钙和氯化钾，以基肥的形式重复使用施入。1.3试验样品的收集、处置及指标测量在2013―2016 年期间，每年收获期测量水稻株低和籽粒产量。
在每个小区内随机所取6 株水稻测量株高，测算每个小区内所有水稻植株的籽粒产量并折算出每公顷产量。同时，收集根际土壤，大自然条件下风干后过2 mm 滤，取出塑封袋用作pH、CEC 及有效地态P、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Al 和Mn（以下全称M3-P、K等）等营养元素的测量。其中，使用pH 电位计（Seven Compact，METTLER TOLEDO，Switzerland）测量土壤pH（土:水质量体积之比1:2.5）；土壤和秸秆生物质炭的CEC 使用氯化钡均衡法测出，有效地态营养元素使用Mehlich3 提取液萃取，电感耦合等离子升空光谱仪（ICP）和钼锑外用比色法测量，明确测量方法参考文献[8]。此外，将风干土磨细过100目筛后使用元素分析仪（Flash EA1112，ThermoFinnigan，Italy）测量TC、TN含量。
1.4数据处理和分析数据经Excel 2013 预处理后用SPSS 20.0 单因素方差分析（One-way ANOVA）中的大于显著性差异法（LSD）分析展开处置间各项指标的显著性差异检验，P0.05 视作统计学上具备显著性差异。运用SPSS 20.0 软件对水稻四年平均值产量、pH、CEC 和土壤养分含量展开Pearson 相关性分析。2 结果与分析2.1对水稻株低和籽粒产量的影响从表格 2 可显现出，与CK 比起，RSB 和RS 皆能增进水稻生长和产量的提升（P0.05），其中RSB 第一年跃进7.6%，第二年跃进10.6%，第三、第四年分别跃进14.5%和9.7%，平均值每年跃进10.7%。RS 第1~4 年分别跃进5.2%、10.5%、15.5%、7.0%，平均值每年跃进9.6%。
除了2015 年，其他年份RSB 对株低和产量的增幅皆小于RS。2.2对稻田土壤pH 和CEC 的影响土壤pH 和CEC 是最重要的土壤化学指标，pH 可以影响土壤养分元素的形态，CEC 可以评价土壤保肥能力。与CK 比起，RSB 和RS 对pH 平均值每年减少0.13 和0.04 个单位，对CEC 平均值减少0.14、0.07 cmol.kg-1（表格 3）。由于加到量小，土壤酸性强劲，缓冲作用大，RSB 对土壤pH 的影响并不明显。
2.3对稻田土壤TC 和TN 的影响2013―2016 年，RSB 和RS 皆能持续提升稻田土壤TC 含量（图 1），其中RSB 第1~4 年的增幅分别为6.91%、15.23%、12.69%、27.89%，RS 第1~4 年的增幅分别为10.68%、10.84%、12.28%、15.18%。4 年内，RSB 和RS 对土壤TC 含量的年均增量分别为3.05 g. kg-1和2.50 g . kg-1，年均增幅分别为15.77%和11.81%。
而在试验持续第4 年，RSB 的土壤TC 含量从第一年的22.51 g.kg-1提高到了27.78 g.kg-1，已明显低于CK 与RS（P0.05），因此从4 年的综合效应来看，RSB 的积累起到比RS 更加显著。某种程度，RSB 和RS 也能持续提升稻田土壤TN 含量（图 1），4 年内RSB 和RS 对土壤TN 含量的年均增量分别为0.13 g.kg-1和0.24 g.kg-1，年均增幅分别为5.12%和9.24%，大于土壤TC 的增幅。此外，从4 年的综合效应来看，RSB 和RS 可以构建土壤TN 的明显积累（P0.05），第4 年RSB 和RS 与CK 比起分别减少了8.56%和12.58%。
2.4对稻田土壤有效地态营养元素含量的影响P、K、Ca、Mg、Zn、Fe 和Mn 是植物生长的必须营养元素，但是土壤Fe 和Mn 元素过量不会对水稻产生毒害起到，而Al 是酸性土壤中诱导植物生长的主要因素之一。因此，土壤速效养分的丰缺程度与水稻产量息息相关。由图 2 由此可知，与CK 比起，RSB 和RS 皆能持续提升土壤M3-P、K、Mg、Ca 含量，RSB 和RS 对M3-P、K、Mg、Ca 平均值增幅分别为40.0%、37.0%、5.6%、3.7%和48.1%、31.2%、4.4%、2.4%。
但是，RSB 和RS 对某些土壤营养元素含量的影响程度不存在差异。比如，在试验第4 年，RSB 的M3-K、Ca 含量明显低于RS（P0.05）。此外，与CK 比起，RSB 需要明显减少土壤M3- Al、Fe、Mn 含量（P0.05）。
RSB 在试验第3 年明显减少了M3-Al 含量（P0.05），在试验第2 年明显减少了M3-Fe、Mn 含量（P0.05）。与RS 比起，RSB 在试验第1 年明显减少了M3-Al 含量（P0.05）。
3 讨伐 论3.1全量秸秆炭化还田对土壤养分的影响及其机理4 年田间试验指出，RSB 能明显提高土壤TC、TN（图 1）、有效地态P、K、Ca、Mg 含量（图 2）。秸秆生物质炭还田对土壤养分的提升起到，有可能有以下两方面的原因：一是秸秆生物质炭必要输出造成其装载的养分转入土壤，二是秸秆生物质炭本身增进了土壤养分的积累。为实地考察秸秆生物质炭对土壤养分的影响机理，假设试验土壤容重为1.0 g.cm-3，耕层土厚度为15 cm。
按照全量秸秆生物质炭还田量2.8 t.hm-2可估计出有RSB 每年向土壤中加到的TC、TN 分别为1.00 g.kg-1和0.02 g.kg-1，加到的M3-P、K、Mg、Ca 分别为2.24、6.16、2.99 mg.kg-1和6.16 mg.kg-1。由图 1 和图 2 由此可知，RSB 对土壤TC、TN 的增量分别为3.05 g.kg-1和0.13 g.kg-1，对M3-P、K、Ca、Mg 的增量分别为4.66、21.61、10.29、36.80 mg.kg-1。
秸秆生物质炭自身装载的TC、TN 和速效P、K、Ca、Mg 对土壤养分的减少贡献率分别为30.3%、15.3%、48.07%、28.50%、29.06%、16.74%，皆严重不足50%。这指出，土壤养分的提升更大程度上是由于秸秆生物质炭间接强化了土壤碳氮元素及速效养分的积累。目前，有数大量文献报导了生物质炭输出对土壤有机碳构成胜唤起效应。
其机理有可能为：（1）生物质炭与黏土矿物融合，提升土壤一家人体稳定性，减慢有机质的分解成；（2）生物质炭转变微生物群落结构，使微生物碳新陈代谢效率减少。此外，4 年的定位试验指出秸秆生物质炭加到需要增进水稻生长（表格 2），因此推断水稻根系向土壤黏液的“新的碳”激增。考虑到本试验中土壤M3-Al、Fe 含量非常丰富（图 2），这些“新的碳”不会受到土壤一家人体的维护构成铁铝氧化物结合态而稳定下来。
值得注意的是，RS 虽然某种程度需要增进土壤TC 的积累，但是积累效果却不如RSB。这有可能是因为，秸秆中大分子有机物在土壤中易腐解成小分子有机物，进而被微生物降解转化成为CH4和CO2，废气到大气中。但是，秸秆生物质炭的碳以平稳的芳环结构不存在，容易矿化。
同时，一些文献指出，生物质炭主要是通过提升土壤对铵氮的导电能力，增加稻田氧化亚氮废气和氨溶解，减少土壤固氮微生物种类和数量来增进土壤氮素的相同。关于生物质炭本身提升土壤速效养分P、K、Ca、Mg 含量的机理有可能是：（1）秸秆生物质炭具备极大的比表面积和非常丰富的孔隙结构以及大量带上负电荷的-COOH、-COH、-OH 等含氧官能团，能导电土壤营养元素、提升土壤所持水性，从而增加养分萎缩；（2）加到生物质炭影响了土壤微生物对养分的循环过程，增进土壤有效地态P、K 的分解；（3）加到生物质炭能提升土壤pH（表格 3），有研究指出随着土壤pH 的增高，有效地态P、K 含量减少。不同于秸秆生物质炭还田，秸秆必要还田对土壤速效养分的提升与秸秆腐解有关。
秸秆腐解一方面获释装载的营养元素，另一方面分解小分子有机物质与土壤矿物反应，增进土壤本身养分的获释。此外，从图 2 由此可知，秸秆生物质炭加到可以减少土壤M3-Al、Fe、Mn 含量，这有可能与土壤pH 及TC 含量增高有关。从表格 2 由此可知，RSB 对土壤pH 提升的平均值幅度为0.13 个单位。
土壤pH 增高使有效地态Al、Fe、Mn 形态发生变化，变为无以溶性的氢氧化物或氧化物溶解。同时，有文献指出生物质炭会增进土壤分解大量胡敏酸。胡敏酸的分子量大，聚合度低，与铝铁锰络制备盐类，使铝铁锰活性减少。3.2水稻产量与土壤养分的内在联系更进一步将水稻籽粒4 年平均产量和pH、CEC 及其他养分含量的4 年平均值做到相关性分析（图 3）。
Pearson 相关系数指出水稻产量和土壤TC、M3-K、Mg 含量呈圆形近于明显于是以涉及关系（P0.01），和TN、M3-Al 含量分别呈圆形明显于是以涉及和负相关关系（P0.05）。有文献认为，土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）分别与土壤TC、TN 呈圆形近于明显于是以涉及关系，RSB 和RS 能明显提高土壤TC、TN 含量（图 1），从而增进土壤MBC、MBN 的提升。MBC、MBN 是土壤有机质的最重要活性组分，参予土壤养分转化成和循环的各个过程，对植物养分吸取和生长发育具备大力影响。当土壤K110 mg.kg-1 时（Mehlich3 标准化浸提法），归属于相当严重补K 的状态。
本试验地测出的土壤有效地K为77.6 mg.kg-1，显著110 mg.kg-1。秸秆生物质炭还田能明显提高土壤有效地K的含量（图 2），减轻土壤K 的亏缺，增进水稻生长。因此，RSB 跃进的关键因素是土壤TC、TN、有效地K、Mg 含量的提升及有效地Al 含量的增加。
此外，RSB比RS跃进效果更加显著的原因有可能是对土壤TC、M3-K、Mg 含量及有效地Al 含量的影响效率更高。3.3与重复使用低剂量生物质炭还田模式的较为与重复使用低剂量还田模式比起，大幅全量秸秆生物质炭化还田模式能保持较高水平的跃进效应。试验积极开展的4年间，RSB 对水稻产量的增幅在7.6%~ 14.5%之间，平均值跃进10.7%（表格 2）。而在同一气候和地形水平下，重复使用用药22.5 t.hm-2水稻秸秆生物质炭在还田第2~5 年只分别跃进6.1%、2.2%、2.9%、3.1%。
这主要是由于在重复使用低剂量还田模式后期，生物质炭在土壤中再次发生横向迁入，且导电位点日趋饱和状态，于是表层土壤速效养分含量仍然提升，水稻跃进弱化。忽略，大幅全量秸秆生物质炭化还田模式能大大为土壤补足养分，并获取新的导电位点，强化土壤自身相同养分的能力，使水稻产量保持在较高水平。事实证明，大幅全量秸秆生物质炭化还田持续跃进增肥效果显著，是稻田生态系统极具潜力的秸秆资源利用模式。4 结 论（1）全量秸秆炭化还田能明显提升水稻株低和籽粒产量，且增幅小于秸秆必要还田。
（2）全量秸秆炭化还田能明显提高稻田土壤TC、TN、有效地态P、K、Mg、Ca 含量，减少土壤过量的有效地Al、Fe、Mn 含量。（3）全量秸秆炭化还田对土壤养分的提升更大程度上是由于秸秆生物质炭本身强化了土壤相同C、N 及速效养分的能力。（4）全量秸秆炭化还田对水稻跃进的关键因素是土壤TC、TN 和有效地K、Mg 含量的提升以及土壤有效地Al 含量的减少。
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