水稻作为我国主要的粮食作物之一，在我国粮食安全保障体系和农业生产中占重要地位^[1]。我国南方双季稻区水、热资源丰富，作物生产潜力巨大，然而，由于大气酸沉降和过量施肥等因素影响，致使我国南方双季稻田目前普遍面临土壤酸化、养分利用率低等土壤质量问题，这严重制约着我国双季稻的持续稳定高产^[2]。长期过量施肥伴随的耕地酸化问题一直是国内外研究关注的重点，而生物炭作为酸性土壤一种较为理想的改良剂成为近些年研究的热点^[3]。

生物炭是指生物质在高温厌氧的条件下裂解产生的稳定且不易分解的富碳物质，其制取原料主要为农业生产过程中产生的作物秸秆、树枝、粪便等有机废弃物^[4]。近些年来，由于其自身高稳定性、吸附性、低容重与呈碱性等基本性质，生物炭被广泛运用于增加土壤碳库、改良土壤、提高肥料利用率与减缓全球温室效应等方面^[5]。大量研究表明，生物炭施入土壤后受风雨侵蚀、冻融变化等多种因素的长期影响，其物理结构会发生改变^[6]，随着老化时间的延长，表面可能发生氧化或酸化等反应^[7]。生物炭老化后理化性质的改变，必然会导致其在对作物生长与改善土壤肥力等方面的差异。目前多数短期研究表明生物炭能够促进作物生长、增加作物产量^[8-9]，然而，关于施用生物炭对作物生长的后效研究较少。吴震等^[10]在稻麦轮作系统中研究发现，生物炭施用3年后依然能够显著提高作物产量，增加土壤pH和有机碳含量，但也有研究发现施用生物炭2年内对水稻产量均无显著性影响^[11-12]。眭峰等^[13]通过2年试验发现施用生物炭第1年对早、晚稻产量无显著性影响，但第2年显著增加早、晚稻产量。由于受气候条件、生物炭种类、土壤类型、水肥管理、生物炭施用量等因子的影响，关于施用生物炭对作物生长与土壤性质的短期效应和其后效仍存在一定争议^[14]。为探究南方双季稻田施用生物炭的后效，本研究通过田间试验，在同一条件下对比研究了当年新施生物炭与前2年施用的生物炭对双季稻产量、养分吸收与土壤理化性质的影响，以期为生物炭运用于双季水稻增产与改善土壤肥力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017至2019年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村试验基地（115°09′E，28°31′N） 进行，该地区年平均气温为17.5℃，近10年内年平均降水量为1650mm，属于典型的亚热带季风气候。供试土壤为第四纪红色黏土发育而成的水稻土，试验前耕层0～20cm土壤基本理化性状：pH值5.6、有机碳31.05g·kg^-1、全氮2.85g·kg^-1、碱解氮205.0mg·kg^-1、有效磷22.3mg·kg^-1、速效钾172.0mg·kg^-1。

1.2 试验设计

本试验采取随机区组设计，设置5个处理，分别为：B₀（常规施肥不施生物炭）、B₂₀（当年新施的20t·hm^-2 生物炭）、B₄₀（当年新施的40t·hm^-2 生物炭）、Y₂B₂₀（前2年施用的20t·hm^-2 生物炭）、Y₂B₄₀（前2年施用的40t·hm^-2 生物炭）。 B₂₀ 与B₄₀ 生物炭于2019年早稻移栽前7d一次性施入，Y₂B₂₀ 与Y₂B₄₀ 生物炭于2017年早稻移栽前7d一次性施入，其余时间不再施用生物炭。各处理设置3次重复，小区面积均为30m²，每个小区具有独立灌水系统。2017至2019年田间施肥与管理保持一致。早、晚稻氮、磷、钾肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。早、晚稻氮施用量分别为165和180kg·hm^-2，磷、钾肥均按N∶P₂O₅∶K₂O=2∶1∶2施用。氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3施用，磷肥做基肥一次性施用，钾肥按基肥∶穗肥=5∶5施用。早、晚稻品种分别为株两优39和泰优871。早、晚稻栽插密度株距 × 行距分别为13.2cm×23.3cm和13.2cm×26.7cm，基本苗分别为3和2苗·穴^-1。早、晚稻田间水分管理模式均采用栽插后浅水灌溉，分蘖末期排水烤田，复水后干湿交替直至收获前10d左右断水。病虫草害管理按照当地高产栽培模式进行。本试验施用生物炭（湖北金日生态能源股份有限公司）的炭化原料为水稻秸秆，裂解温度为350～500℃，生物炭基础性状为： pH值10.3，全碳505.1g·kg^-1，全氮8.56g·kg^-1，全磷2.37g·kg^-1，全钾20.37g·kg^-1。

1.3 指标测定

1.3.1 产量及其构成

水稻成熟期连续选取100蔸水稻植株调查有效穗，按平均数选取长势均匀的水稻植株5蔸，调查每穗粒数、结实率和千粒重。各小区水稻全部收割机械脱粒，折算水分后计算实际产量。

1.3.2 地上部生物量与养分吸收

水稻成熟期按各小区的平均有效穗数取具有代表性的5蔸水稻植株，分茎、叶、穗3部分， 105℃杀青30min，80℃烘至恒重后称重，计算地上部生物量。将水稻各部位依次粉碎后测定氮、磷、钾养分含量。植株全氮采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪（福斯集团公司，丹麦）测定。磷、钾的测定采用浓硫酸-双氧水消解，火焰光度计测钾，钼锑抗分光光度法测磷。

1.3.3 土壤性状

2019年晚稻收获后采用五点法取各小区0～20cm耕作层土壤，捏碎风干后过筛待测。采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮；重铬酸钾氧化-外加热法测土壤有机碳；土壤铵态氮和硝态氮采用1mol·L^-1 氯化钾浸提，靛酚蓝比色法测定铵态氮，紫外分光光度法测定硝态氮；土壤pH值采用pHS-3C pH测试仪测定（土水比为1∶5）；碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷，乙酸铵浸提-火焰光度计测定速效钾^[15]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据处理，Origin 9.0作图，SPSS 20.0统计分析软件进行方差分析，LSD进行差异显著性检验（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤理化性质的影响及其后效

由表1可知，与B₀ 相比，B₂₀、B₄₀ 有机碳含量分别显著提高21.0%、29.3%，pH分别显著提高4.3%、5.2%，铵态氮分别显著下降34.3%、25.6%，速效钾含量分别显著提高45.0%、77.4%，B₄₀ 有效磷含量显著提高16.1%。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 有机碳含量分别显著提高12.8%、19.7%，pH分别显著提高1.4%、2.8%，速效钾含量分别显著提高32.5%、 37.7%，铵态氮与有效磷含量无显著性差异。这表明前2年施用的生物炭依然能够有效提高土壤肥力，但土壤有机碳、pH、速效钾含量增幅均低于当年新施生物炭处理。

注：表中数据为“平均值 ± 标准差”，同一列中不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平（P<0.05）。下同。

2.2 生物炭对早、晚稻地上部生物量的影响及其后效

与前2年施用的生物炭相比，当年新施生物炭更有利于提高早、晚稻地上部生物量（图1）。与B₀ 相比，B₂₀ 与B₄₀ 早稻地上部生物量分别显著提高9.6%、13.9%，晚稻分别显著提高8.2%、 18.0%。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 早稻与晚稻生物量相较于B₀ 均无显著性提升。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 生物炭对早、晚稻产量的影响及其后效

由表2可知，与前2年施用的生物炭（Y₂B₂₀、 Y₂B₄₀）相比，当年新施生物炭（B₂₀、B₄₀）能够显著提高早、晚稻产量。相较于B₀ 处理，B₂₀ 和B₄₀ 早稻产量分别显著提高6.9%、12.6%，晚稻产量分别显著提高9.4%、8.3%；Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 早稻产量相较于B₀ 分别显著下降3.4%、4.6%，而晚稻产量相比B₀ 处理无显著性差异。B₂₀、B₄₀ 处理下早、晚稻有效穗数、每穗粒数均呈递增趋势，早稻结实率分别显著提高7.6%、6.7%，晚稻结实率无显著性差异。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 处理下早、晚稻有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重与B₀ 相比均无显著性差异。

2.4 生物炭对水稻各部位氮、磷、钾含量的影响及其后效

由表3可知，施用生物炭能够显著影响早、晚稻各部位中氮、磷、钾养分含量。与B₀ 相比，B₂₀ 和B₄₀ 处理早、晚稻各部位氮素含量均显著下降，其中早稻穗部氮素含量分别显著下降6.0%、6.8%，晚稻穗部氮素含量分别显著下降4.5%、5.5%，但B₂₀ 与B₄₀ 处理间无显著性差异；水稻中磷素含量变化与氮素类似，与B₀ 相比，B₂₀、B₄₀ 显著降低了早、晚稻茎和叶中磷素含量，而对穗中磷素含量影响较小。当年新施生物炭与前2年施用的生物炭均有利于提高早、晚稻钾素含量。B₂₀、B₄₀ 显著提高早、晚稻茎叶中钾素含量，且随着生物炭施入量的增加茎和叶中钾素含量均呈递增趋势。相较于B₀，B₂₀、B₄₀ 早稻茎中钾素含量分别显著提高7.1%、16.8%，晚稻茎中钾素含量分别显著提高6.3%、8.9%。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 处理对早、晚稻茎叶中钾素含量增幅较小，仅晚稻茎中钾素含量分别显著提高3.1%、3.4%。各生物炭处理对早、晚稻穗中钾素含量均未见显著影响。

2.5 生物炭对早、晚稻养分吸收的影响及其后效

由图2可知，早稻B₂₀、B₄₀ 氮素吸收量与B₀ 相比无显著性变化，晚稻随着生物炭施用量的增加B₂₀、B₄₀ 氮素吸收量呈增加趋势，其中B₄₀ 显著增加9.9%。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 与B₀ 相比晚稻氮素吸收量无显著差异，而早稻Y₂B₂₀ 处理氮素吸收量显著下降6.7%。与B₀ 相比，B₂₀、B₄₀ 早、晚稻磷素吸收量均呈增加趋势，其中早稻B₂₀、B₄₀ 磷素吸收量分别显著增加9.9%、9.1%，晚稻B₄₀ 磷素吸收量显著增加9.1%。Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 磷素吸收量与B₀ 相比早、晚稻均无显著性差异。当年新施生物炭能够显著提高早、晚稻钾素吸收量，且随着生物炭施用量的增加钾素吸收量呈增加趋势。与B₀ 相比，B₂₀、B₄₀ 早稻钾素吸收量分别显著提高22.8%、39.9%，晚稻分别显著提高9.9%、19.5%。早稻Y₂B₂₀、Y₂B₄₀ 钾素吸收量与B₀ 无显著性差异，晚稻Y₂B₄₀ 钾素吸收量显著提高7.4%。

3 讨论

3.1 生物炭对土壤理化性质的影响及其后效

本研究中当年新施生物炭能够显著提高土壤有机碳、pH与速效钾含量（表1），这与多数研究的结论相一致^[5，16]。但在本研究中，前2年施用的生物炭处理土壤有机碳、pH、有效磷与速效钾含量均低于当年新施生物炭处理，这表明前2年施用的生物炭对稻田土壤肥力的提升能力明显降低。生物炭中的碳元素主要为稳定的芳香环结构，可长期稳定封存于土壤中^[17]，其次仍含有部分不稳定碳，输入土壤后能够在短期内逐渐分解^[18]，从而降低土壤有机碳含量；其次，随着施用年限的增加，施入土壤中的生物炭逐渐随水流失或向地下转移，从而使前2年施用的生物炭处理耕作层土壤有机碳含量低于当年新施生物炭处理。许云翔等^[19] 研究发现生物炭施入稻田6年后依然能够显著提高土壤有机质与速效钾含量，但却显著降低了土壤pH。生物炭对酸性土壤pH的提升，主要原因为其本身富含的碱性物质^[20]，其本身含有的钾、钠、钙、镁等矿质元素能够交换土壤氢离子^[21]，降低土壤铝活性^[22]，有助于对土壤pH的提升。施用生物炭所带来的碱性物质与矿质元素逐渐流失或被植株吸收，且生物炭发生氧化反应与酸化反应^[23]，致使前2年施用的生物炭对土壤pH提升效果逐渐减弱。与多数研究结论类似，施用生物炭能够显著提高土壤速效钾含量^[19，24]。生物炭本身富含钾元素，新施生物炭能够向土壤中释放大量钾元素，从而短期内显著提高土壤速效钾含量，而前2年施用的生物炭提高土壤速效钾含量则可能与其强吸附性有关。曹殿云等^[25]、杨彩迪等^[26]均研究发现施用生物炭能够提高稻田土壤有效磷、总磷和无机磷含量，这与本研究中当年新施生物炭增加土壤有效磷含量相一致。前2年施用的生物炭对土壤有效磷含量无显著提升，可能原因为，一方面由生物炭本身向土壤提供的磷素养分逐渐被消耗，另一方面，前2年施用的生物炭改良土壤酸性能力减弱，减少了磷素矿化。多数研究表明施用生物炭能够长期增加土壤全氮含量^[20，27-28]，一方面生物炭本身含有的氮素能够提升土壤全氮含量，另一方面生物炭的强吸附性和较高的碳氮比均能够促进土壤矿质氮素固定^[29]，从而提升土壤全氮。本研究中当年新施生物炭与前2年施用的生物炭处理均有增加土壤全氮的趋势，但未达到显著性差异，这与高悦等^[30] 的研究结论类似。而当年新施生物炭处理显著降低土壤中铵态氮与硝态氮含量，可能原因为当年新施生物炭显著增加早、晚稻地上部生物量（图1），提高了晚稻对土壤中矿质氮素的吸收，从而降低了土壤铵态氮与硝态氮含量。

3.2 生物炭对早、晚稻产量与地上部生物量的影响及其后效

本研究中，当年新施生物炭与前2年施用的生物炭对早、晚稻产量与地上部生物量的影响存在明显差异（图1、表2）。当年新施生物炭能够通过增加有效穗数、每穗粒数和结实率显著提高早、晚稻产量和地上部生物量，与多数研究中施用生物炭有利于作物生长和增产的结论相一致^[14]，而前2年施用的生物炭对早、晚稻地上部生物量均无显著影响，甚至减少了早稻产量。不同试验条件下施用生物炭对作物产量影响不同，吴震等^[10]研究表明生物炭使用3年后依然能够显著提高土壤肥力与作物产量，而Qin等^[31]研究表明施用生物炭4年后对水稻产量无显著性影响，同时Haefele等^[32] 研究发现，在较为肥沃的土壤中施用生物炭可能限制了土壤氮素有效性，从而降低前3季水稻产量，而在贫瘠的土壤中施加生物炭却使水稻增产16%～35%。目前关于施用生物炭降低作物产量多解释为其较高的碳/氮抑制了土壤氮素有效性，减少了作物对氮素的吸收从而降低了作物产量^[5]。本研究中当年新施生物炭能够显著增加土壤磷、钾供应量，同时显著增加了早、晚稻磷、钾吸收量，尽管可能由于生物炭较高的碳/氮抑制了氮素有效性^[32]，导致早稻氮素吸收量没有增加，但由于受磷、钾的正交互作用，早稻地上部生物量依然显著提高。而前2年施用的生物炭对早、晚稻地上部生物量无显著增加可能与其对土壤磷、钾提升能力减弱有关，磷、钾对水稻生长的促进能力减弱，同时生物炭较高的碳/氮抑制了氮素吸收量，从而可能降低了早稻产量。

3.3 生物炭对早、晚稻养分吸收的影响及其后效

生物炭本身能够向土壤中释放磷、钾、钠、钙、镁等矿质元素，且由于其本身的微孔结构和较大的比表面积均有利于土壤对养分的吸附固持^[33]，同时有利于提高水稻对养分的吸收。目前多数研究表明施用生物炭能够增加水稻对氮素的吸收^[34-35]，但也有研究表明施用生物炭会降低水稻氮素吸收量^[36]。本研究中，尽管当年新施生物炭显著增加了早稻地上部生物量，但未增加早稻氮素吸收，前2年施用的生物炭甚至降低了早稻氮素吸收量，这表明当年新施生物炭与前2年施用的生物炭均有可能抑制了早稻氮素吸收。生物炭本身较高的碳/氮可能促使土壤氮素被微生物固持，降低土壤氮素有效性从而影响水稻对氮素的吸收利用^[35]。而晚稻当年新施生物炭处理氮素吸收量呈增加趋势，这可能与晚稻季较大的氮肥施用量和新施生物炭处理显著提高的生物量有关。早、晚稻氮施用量分别为165和180kg·hm^-2，晚稻季更多的氮素供给，可能减弱了由于生物炭导致的土壤氮素被微生物固持所造成的影响；其次，当年新施生物炭处理较大的生物量可能增强了水稻对土壤氮素的吸收。当年新施生物炭能够增加早、晚稻磷素吸收量，而前2年施用的生物炭对水稻磷素吸收量无显著提升，可能原因为，当年新施生物炭本身向土壤提供的磷素养分提高了土壤有效磷含量，从而增加水稻磷素吸收量，而前2年施用的生物炭向土壤供应的磷素则逐渐被消耗。与王耀峰等^[24]、斯林林^[37]研究结果类似，本研究中当年新施生物炭能够显著增加早、晚稻钾素吸收量。前2年施用的生物炭虽有增加早、晚稻茎叶中钾素含量的趋势，且40t·hm^-2 生物炭处理对晚稻地上部钾素吸收量增幅显著，但增幅均低于当年新施生物炭处理，这可能与前2年施用的生物炭对土壤速效钾的提升低于当年新施生物炭有关。

4 结论

本研究结果表明，前2年施用的生物炭依然能够显著提高土壤pH、有机碳与速效钾含量，但增幅均低于当年新施生物炭处理。当年新施生物炭能够显著提高早、晚稻地上部生物量与产量，而前2年施用的生物炭对早、晚稻地上部生物量无显著提升，甚至降低了早稻产量。当年新施生物炭能够显著促进水稻对磷、钾的吸收，而前2年施用的生物炭则影响较小。综上所述，前2年施入的生物炭对土壤肥力的提升和促进水稻生长的能力均低于当年新施生物炭，这表明南方双季稻田施用生物炭对土壤性状改良和水稻增产的后效并不长久，后期应考虑适当增施。

参考文献