向偉，王雷，劉天奇，李詩豪，翟中兵，李成芳,2

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點開放實驗室，武漢 430070；2長江大學(xué)/湖北省主要糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北荊州 434023；3鄂東南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展示中心，湖北武穴 435415）

0 引言

【研究意義】隨著世界人口的不斷增加，人類活動加劇，全球氣候發(fā)生了巨大改變。大氣 CO2、CH4和N2O的含量顯著增加[1]，其中全球農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)每年排放的溫室氣體占人為活動所排放的溫室氣體的1/10—1/8[2]。隨著人口的增多，為解決人多地少的矛盾，增施化肥已經(jīng)成為糧食增產(chǎn)的重要手段。但氮肥大量施用，作物產(chǎn)量未明顯增加，反而造成一系列的環(huán)境問題[3]?！厩叭搜芯窟M展】生物炭是一種比表面積大、孔隙度高[4]，富含有多種營養(yǎng)元素的高含碳物質(zhì)[5-6]，其能明顯改善土壤的理化性質(zhì)，降低土壤容重以及改變土壤pH[7]。同時，生物炭具有強吸附性，可以吸附土壤離子[8-9]，且作為肥力元素的載體，避免肥料的流失，延長肥效期[10]，因此其被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。然而，由于生物炭氮肥配施比例、生物炭類型與熱裂解條件、土壤本身理化性質(zhì)的差異，生物炭與化肥配施對作物產(chǎn)量和氮肥利用率產(chǎn)生的影響也不盡相同[11]。因此，適宜的生物炭與化肥比例配施需要根據(jù)具體土壤類型來確定[7]。曲晶晶等[12]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，單施生物炭（20 t·hm-2或 40 t·hm-2）對水稻產(chǎn)量無顯著影響，而生物炭配施氮肥（300 kg·hm-2）能提高水稻產(chǎn)量、氮肥利用率，并減少氮素流失。張愛平等[13]通過大田試驗指出，9 t·hm-2生物炭配施無機氮肥（300 kg·hm-2）較單施無機氮肥可使水稻增產(chǎn)44.89%，并且水稻產(chǎn)量因子和氮肥利用率均有顯著增加。然而，ASAI等[14]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，無機氮肥（50 kg·hm-2）配施生物炭（4 t·hm-2），水稻產(chǎn)量不增反減。此外，生物炭與無機氮配施對稻田溫室氣體排放影響的研究結(jié)果也存在爭議。FENG等[15]通過在稻田中添加24 t·hm-2在不同溫度（300℃、400℃、500℃）裂解生成的生物炭，發(fā)現(xiàn)其與無機氮肥（250 kg·hm-2）配施能有效地降低稻田CH4排放。XIE等[16]通過微區(qū)試驗則發(fā)現(xiàn)，2%生物炭和無機氮肥（40 kg·hm-2）配施對始成土和老成土稻田CH4排放均未產(chǎn)生明顯影響。李露等[17]發(fā)現(xiàn)無論是 20 t·hm-2還是 40 t·hm-2的生物炭配施氮肥都能顯著地減少稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放，其中40 t·hm-2生物炭配施氮肥的減排效果最好。而廖萍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，20 t·hm-2生物炭與無機氮（120 kg·hm-2）配施對早晚稻田N2O排放無顯著影響?！颈狙芯壳腥朦c】目前國內(nèi)外已有大量有關(guān)生物炭配施無機氮肥對稻田溫室氣體排放或氮肥利用率影響的研究，然而其研究結(jié)果不一致[15-19]，且較少綜合分析生物炭與無機氮肥配施對稻田溫室氣體排放和氮肥利用率的影響。因此，探明生物炭配施無機氮肥對稻田溫室氣體排放和氮肥利用率的綜合影響，對于水稻可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過兩年的大田試驗，探究生物炭與無機氮配施對稻田溫室氣體排放、水稻產(chǎn)量與氮肥利用率的影響，旨在為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護提供理論指導(dǎo)，進而為緩減全球氣候變化提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2018年5月至2019年10月進行。試驗點位于武穴市花橋鎮(zhèn)蘭杰村（115°30′E，29°55′N），所用水稻品種為黃華占（Oryza sativaL.）。該區(qū)地屬長江中游稻區(qū)，海拔20 m，亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫16.8℃，年降雨量1 278.7—1 442.6 mm，泥沙田，潴育型水稻土，為第四紀(jì)紅土沉積物發(fā)育。試驗點土壤（0—20 cm土層）基本理化性質(zhì)為pH 6.27、容重1.12 g·cm-3、有機碳 22.7 g·kg-1、全氮 1.63 g·kg-1、銨態(tài)氮50.75 mg·kg-1和硝態(tài)氮 2.31 mg·kg-1。本試驗所用生物炭為江蘇艾格尼斯環(huán)境科技有限公司提供，以果殼、椰殼為原料，采用高溫水蒸汽活化工藝在 450℃下生產(chǎn)，經(jīng)過破碎或篩選以后處理精加工制成的顆粒活性炭。其基本性質(zhì)見表1。

表1 生物炭基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of biochar used

1.2 試驗設(shè)計

本試驗完全隨機區(qū)組設(shè)計，共4個處理，分別為不施氮肥（CK）、常規(guī)施氮（IF）、常規(guī)施氮+10 t·hm-2生物炭（IF+C）、減氮 30%+10 t·hm-2生物炭（RIF+C）。3次重復(fù)，小區(qū)面積為5 m×6 m=30 m2，小區(qū)田埂用黑色薄膜包裹防止串水串肥，每個小區(qū)設(shè)獨立的灌水口。此外，處理間種植1 m保護行，進一步防止處理間水肥互串。

6月初育秧，7月初進行人工移栽，10月初進行收獲，每穴3株，插秧尺寸為25 cm×25 cm。水稻移栽前進行土壤翻耕，深度15—20 cm。對于IF和IF+C處理，水稻生育期施肥水平為180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2和 180 kg K2O·hm-2；其中對于氮肥，50%做基肥，20%做分蘗肥，30%做穗肥，而磷肥、鉀肥為底肥一次性施入；對于IF+C處理，10 t·hm-2生物炭與氮肥用量的50%作為基肥在移栽前一起通過翻耕混入土壤；對于RIF+C處理，氮肥總量較IF+C處理減少30%，施肥方式與其他肥料施用量、生物炭施用量均與IF+C處理一致；對于CK處理，不施用氮肥和生物炭，90 kg P2O5·hm-2磷肥和 180 kg K2O·hm-2鉀肥為底肥一次性施入。水稻生長期間，田間水位保持在3—5 cm。在分蘗盛期排水曬田一周用以控?zé)o效分蘗，之后復(fù)水，水稻收獲前10 d排水曬干。

1.3 植株采集與氮肥利用率計算

在成熟期每小區(qū)隨機劃定一個1 m2區(qū)域，用以統(tǒng)計水稻分蘗數(shù)，計算得到平均分蘗數(shù)后，于成熟期根據(jù)平均分蘗數(shù)隨機選取8兜具有代表性的水稻植株，殺青、烘干、稱重。同時，收割每個小區(qū)中央5 m2水稻，脫粒，風(fēng)干，按13.5%水分含量折算產(chǎn)量。

植株全氮采用濃硫酸-高氯酸消煮法[20]測定。

采用如下的方法計算氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力[21]：

吸氮量（kg·hm-2）=∑各部位干物質(zhì)重（莖、葉、穗）×各部位含氮量；

根據(jù)環(huán)評要求，有組織鍋爐廢氣排放執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2003）第3時段標(biāo)準(zhǔn)限值，即二氧化硫排放濃度（mg/m3）≤400、煙塵排放濃度（mg/m3）≤50、氮氧化物排放濃度（mg/m3）≤450（Vdaf＞20%）、煙氣黑度小于林格曼1級，脫硫效率執(zhí)行環(huán)評批復(fù)報告限值，即脫硫效率≥93.5%。

氮肥利用率（%）=（施肥處理地上部吸氮量-不施肥處理地上部吸氮量）/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.4 溫室氣體采集與測定

稻田CH4、N2O排放采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定[22]。采樣箱箱體由聚乙烯材料制成（直徑0.38 m，箱高50 cm或110 cm，依據(jù)株高選擇）。箱外包裹一層鋁膜珍珠棉保溫膜，箱體頂部連接一個三通閥用于采氣。同時，箱內(nèi)頂部安置4個小風(fēng)扇以充分混合箱內(nèi)氣體，并安裝一個溫度計用以測定箱內(nèi)溫度。水稻移栽后每7—10 d采樣一次。采樣的具體日期和頻率視肥料的施用和降水適當(dāng)調(diào)整。選擇 8：00—11：00采氣用以測定當(dāng)日氣體通量。采集時，將采樣箱放入已事先插入土壤5 cm深處的不銹鋼底座（外緣四周凹槽，內(nèi)徑2.5 cm，高8 cm），采集氣體前加水注入底槽用以密封。靜態(tài)箱放置完畢后，分別在第 0、10、20、30 min使用20 mL注射器進行一次氣體收集，每次采集20 mL，將采集的氣體注入事先抽真空的玻璃小瓶中，同時記載采樣箱內(nèi)的溫度和高度，帶回室內(nèi)用氣相色譜儀進行濃度測定。氣體通量按如下公式進行計算：

F = ρ×h×dc/dt×273/(273+T)

式中，F(xiàn) 為 CH4或 N2O 排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4或N2O密度（mg·m-3）；h為密閉箱到水面的距離（m）；dc/dt為CH4或N2O濃度的變化率；T為采樣過程中箱內(nèi)平均溫度（℃）。N2O或CH4累積排放量采用內(nèi)插法測定[21]，具體計算公式為：

CE = ∑ [(Fi+Fi+1)/2×10-3×d×24×10]

在 100 年時間尺度上，CH4和 N2O 的增溫潛勢分別為 28 和 265[1]，因此全球增溫潛勢 GWP（kg·hm-2）按以下公式計算：

GWP =(CECH4×28)+(CEN2O×265)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用 Microsoft Excel 2016對原始數(shù)據(jù)進行整理。采用 SPSS 17.0軟件的One-way ANOVA對處理間測量指標(biāo)的進行差異分析，采用 General Linear Model程序的 Repeated Measures對溫室氣體排放通量進行重復(fù)測量方差分析，并采用 Duncan法進行顯著性水平檢驗（P<0.05）。所有測定結(jié)果數(shù)據(jù)均以3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表達。

2 結(jié)果

2.1 生物炭與無機氮配施對稻田CH4排放的影響

從圖1可知，在水稻全生育期，CH4排放主要集中在分蘗期和齊穗期。在水稻分蘗盛期，CH4排放達到最大峰值，隨后曬田控?zé)o效分蘗，CH4排放明顯減少。在稻田復(fù)水后，CH4排放逐漸增加。水稻收獲前的落干期，CH4排放明顯降低。然而2019年由于后期雨水較多，CH4排放不減反增。2018和2019年稻季各處理 CH4排放通量變化分別為 0.01—48.97 mg·m-2·h-1和 0.36—18.08 mg·m-2·h-1。重復(fù)測定方差分析結(jié)果顯示，2018年CH4排放受時間、時間與處理交互作用顯著影響，2019年受時間顯著影響（表2，P＜0.01）。2018年CK、IF、IF+C、RIF+C處理CH4平均排放通量分別為（6.21±2.09）、（6.17±1.89）、（7.16±1.79）、（6.52± 2.08）mg·m-2·h-1，2019 年分別為（5.24±1.64）、（5.16± 1.70）、（5.83±1.64）、（5.71±1.73）mg·m-2·h-1。

圖1 2018和2019年稻季不同處理CH4排放通量的變化Fig. 1 Changes in N2O emission fluxes from paddy fields under different treatments in 2018 and 2019

2.2 生物炭與無機氮配施對稻田N2O排放的影響

在氮肥施用和排水后即出現(xiàn) N2O排放峰值，之后隨時間迅速回落，并保持平穩(wěn)波動（圖2）。在基肥施用后，稻田 N2O排放增加；在分蘗期追肥后，N2O排放出現(xiàn)了一個小高峰；隨后在齊穗期追肥和中期烤田的雙重作用下，出現(xiàn)了第三個N2O排放峰值；復(fù)水之后 N2O排放逐漸減少了，而在水稻收獲前，由于排水落干，又出現(xiàn)了一個 N2O排放小高峰。在整個生育期，N2O排放通量呈現(xiàn)出常規(guī)施氮處理＞生物炭處理＞CK的趨勢。2018年和 2019年稻季各處理 N2O排放通量變化分別為-0.002—0.17 和 0.01—0.28 mg·m-2·h-1。重復(fù)測定方差分析結(jié)果顯示，2018年N2O排放隨時間、處理、時間與處理交互之間影響差異顯著（表2，P＜0.01）。2018年CK、IF、IF+C、RIF+C處理N2O平均排放通量分別為（0.02±0.01）、（0.04±0.01）、（0.02±0.01）、（0.02±0.01）mg·m-2·h-1，與 CK 相比，IF、IF+C、RIF+C處理 N2O平均排放通量分別增加 113.7%、18.7%、1.5%；與IF處理相比，IF+C、RIF+C處理N2O平均排放通量分別降低44.5%、52.5%。重復(fù)測定方差分析結(jié)果顯示，2019年N2O排放受時間、時間與處理交互作用的顯著影響（表 2，P＜0.05）。CK、IF、IF+C、RIF+C處理N2O平均排放通量分別為（0.06±0.02）、（0.08±0.03）、（0.05±0.02）、（0.05±0.02）mg·m-2·h-1，與 CK 相比，IF+C、RIF+C 處理N2O平均排放通量分別降低 14.1%、15.6%；與 IF處理相比，IF+C、RIF+C處理N2O平均排放通量分別降低37.0%、38.1%。

2.3 稻田溫室氣體累積排放量、綜合溫室效應(yīng)與產(chǎn)量

無機氮施用、生物炭與無機氮配施均對CH4排放沒有顯著影響（表2和3）。與CK相比，無機氮肥的施用顯著提高了N2O排放，增幅為32.6%—113.0%。與IF處理相比，生物炭與無機氮配施（IF+C、RIF+C）顯著降低了 N2O 排放，在 2018年降幅為33.4%—43.1%，在2019為37.0%—39.5%。同時，生物炭與無機氮配施處理IF+C與RIF+C間N2O排放差異不顯著，且與 CK相當(dāng)。由表 3還可知，2019年N2O排放明顯高于2018年。

表2 2018年和2019年不同處理下CH4、N2O排放通量的重復(fù)測定方差分析Table 2 Repeated measurements analysis of variance of CH4 and N2O emission fluxes under different treatments in 2018 and 2019

表3 不同處理稻田溫室氣體累積排放量、綜合溫室效應(yīng)及水稻產(chǎn)量的變化Table 3 Changes in cumulative greenhouse gas emissions, GWP and yield from rice fields under different treatments

稻田 CH4排放是綜合增溫潛勢（GWP）的主要貢獻者，對GWP的貢獻達84.4%—95.2%（表3）。由于各處理 CH4累積排放量無明顯差異，因此各處理GWP差異不顯著。氮肥施用顯著提高水稻產(chǎn)量，增幅達4.0%— 6.0%。與IF處理相比，IF+C處理水稻產(chǎn)量顯著提高了9.9%—11.9%。總體上，與IF處理相比，減氮配施生物炭處理 RIF+C水稻產(chǎn)量顯著提高。而生物炭與無機氮配施處理IF+C與RIF+C間水稻產(chǎn)量差異不顯著。

2.4 生物炭與無機氮配施對稻田氮肥利用率的影響

與IF處理相比，IF+C處理水稻吸氮量顯著增、加，兩年分別增加10.2%、10.4%（表4）。生物炭與無機氮配施后，氮肥利用率顯著提升，IF+C、RIF+C處理較IF處理2018年分別增加7.7%、8.6%，2019年分別增加7.7%、8.1%。與IF相比，RIF+C處理顯著增加氮肥偏生產(chǎn)力，兩年分別增加了57.1%、52.3%。

表4 不同處理水稻吸氮量、氮肥利用率及氮肥偏生產(chǎn)力的變化Table 4 Changes in rice nitrogen uptake, nitrogen utilization and fertilizer partial productivity of different treatments under different treatments

3 討論

3.1 稻田CH4排放

本研究表明，CH4排放具有明顯的季節(jié)變化，排放高峰主要集中在分蘗期與齊穗期（圖1）。淹水環(huán)境下，產(chǎn)甲烷菌活性增加[23]，而甲烷排放到大氣中主要是通過植株的通氣組織進行排放[24]。在水稻分蘗期，水稻生長旺盛，通氣組織發(fā)達，因此大量CH4通過排放莖稈通氣組織排放到大氣（圖1）。在中期烤田期，田間水分被排干，這可能導(dǎo)致田間厭氧環(huán)境被破壞，產(chǎn)甲烷菌活性降低[23]，CH4排放逐漸減少。在齊穗期，旺盛的根系生長產(chǎn)生大量根系分泌物，為產(chǎn)氧化菌提供了豐富的底物[25]；同時，該時期超過30℃氣溫有利于產(chǎn)甲烷菌活性提高[26]，因此在齊穗期出現(xiàn)了一個CH4排放峰值。在收獲前稻田水分完全排干，田間基本觀測不到CH4的產(chǎn)生。2018年稻季由于雨水較多，長期淹水促使土壤長期處于厭氧環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌活性高[23]，因此2018年稻季CH4排放量多于2019年。2019年水稻生長后期連續(xù)的降雨，田間淹水且排水不暢，甲烷氧化菌活性受抑制，而產(chǎn)甲烷菌活性得到促進[23]，因此在收獲前田間 CH4排放不減反增。

在整個稻季，CK與常規(guī)施氮處理間CH4排放量差異不顯著（表2和表3）。氮肥添加會導(dǎo)致大量NH4+進入土壤，促進甲烷氧化菌的活性[27]，降低CH4排放。同時，氮肥施用促進作物生長，導(dǎo)致根系分泌物大量產(chǎn)生，為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的底物[28]，因此兩方面的共同作用導(dǎo)致不施氮肥與施氮肥處理間CH4排放差異不明顯。與常規(guī)施肥處理相比，生物炭處理（IF+C和RIF+C）CH4排放量略有增加，但未達顯著水平（表3）。WANG等[29]通過在大田和盆栽試驗均發(fā)現(xiàn)，稻殼生物炭（10、25、50 t·hm-2）配施氮肥（200 kg·hm-2）對稻田CH4排放量沒有顯著影響。這可能一方面是生物炭本身具有抑制甲烷氧化菌活性的化學(xué)物質(zhì)，有利CH4排放[30-31]。同時，生物炭可能會增加土壤微生物生物量及活性，從而加速原土壤有機質(zhì)的分解，為產(chǎn)甲烷菌提供底物[32]。另一方面，生物炭呈堿性，在生物炭施入土壤后，土壤pH得到了提高，而大多數(shù)的甲烷氧化菌最適pH為偏中性，因此甲烷氧化菌的活性得到了促進，甲烷排放減少[33]。生物炭的多孔隙結(jié)構(gòu)會改善土壤通氣性，降低土壤容重[34]，降低產(chǎn)甲烷菌活性而提高甲烷氧化菌活性[33]，進一步減少CH4產(chǎn)生。程功等[35]通過在玉米地中添加玉米秸稈生物炭（15、30、45 kg·hm-2）發(fā)現(xiàn)，玉米生物炭的添加能促進土壤對CH4的吸收，其中15 kg·hm-2生物炭處理下土壤對CH4吸收效果最好。因此，在多種因素共同作用下，生物炭處理下CH4累積排放量雖有增加，但增加不顯著。這與 ZHANG等[36]生物炭施用會明顯促進稻田CH4排放的結(jié)果不一致，可能與不同的生物炭類型、熱解條件、土壤特性等有關(guān)[37]。本研究施用的生物炭是果殼、椰殼在450℃下裂解生成的，而ZHANG等[36]所使用的生物炭是小麥秸稈在 350—550℃下裂解產(chǎn)生的；另一方面，ZHANG 等[36]施氮量（300 kg N·hm-2）偏大于本研究（180 kg N·hm-2）。

3.2 稻田N2O排放

本研究結(jié)果表明，在氮肥施用后或者中期曬田時出現(xiàn)N2O排放高峰，而在其他時期N2O排放一直維持在較低水準(zhǔn)（圖 2）。宋開付等[38]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，N2O排放高峰均出現(xiàn)在氮肥施用后，且N2O排放量與土壤含水量密切相關(guān)。我們的研究也表明，土壤N2O排放對氮肥和土壤水分敏感。在基肥施用后，氮肥施用為硝化與反硝化微生物提供了大量底物[38]，同時水稻剛移栽時土壤通氣情況較好，因此大量N2O排放；在中期烤田，土壤通氣情況得到明顯改善，以及齊穗期追肥的雙重作用下，N2O出現(xiàn)排放高峰，隨后肥效消失，N2O排放下降。在水稻收獲前的落干期，土壤通氣情況的改善使得土壤處于好氧狀態(tài)，硝化作用速率促進[39]，N2O排放再次出現(xiàn)一個排放小高峰（圖2）。2019年相比2018年由于雨水較少，田間水分灌溉不充分，因此2019年N2O排放量整體高于2018年（表3）。

與IF相比，生物炭處理（IF+C和RIF+C）稻田N2O排放明顯降低（表3），這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致[19]。有研究表明，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)會改善土壤通氣情況，從而抑制反硝化作用產(chǎn)生的N2O排放[34]；同時，生物炭通過增強氧化亞氮還原酶的活性，促進N2O向N2轉(zhuǎn)換，從而減少N2O排放[40]。有研究表明，生物炭吸附性比較強，將土壤中的無機氮吸附，減少硝化與反硝化作用的底物，從而降低N2O的排放[41]。因此生物炭處理下N2O排放降低。在相同的施炭量條件下IF+C、RIF+C處理之間N2O排放量差異不大（表3）。劉玉學(xué)等[42]在浙江海寧的研究發(fā)現(xiàn)，與水稻秸稈生物炭（3.75 t·hm-2）與化學(xué)氮肥（180 kg·hm-2）配施處理相比，水稻秸稈生物炭（3.75 t·hm-2）與減氮30%（126 kg·hm-2）配施處理的土壤容重明顯降低，但稻田N2O排放量無顯著變化，這與本研究的結(jié)果一致。生物炭本身為一種多孔材料，具有較大的比表面積，養(yǎng)分吸收能力強，施入稻田后能增強對氮肥產(chǎn)生的NH4+-N等的吸附[42]。有研究表明，當(dāng)施氮量≥60 kg·hm-2時，生物炭減少土壤N2O排放的效果隨施氮量的增加而降低[43]。本試驗常規(guī)施氮量和劉玉學(xué)等[43]的均為180 kg·hm-2，因此，在減氮30%的情況下，IF+C、RIF+C處理間N2O排放量差異不大。

3.3 水稻產(chǎn)量和GWP

總體上，與IF相比，生物炭與無機氮肥配施處理（IF+C、RIF+C）產(chǎn)量顯著增加（表 3）。這可能是由于生物炭含有多種植株所需要的營養(yǎng)元素，在土壤的作用下會逐漸釋放出來而被植株利用[44]；而且生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，從而間接提高土壤肥力，提高土壤生產(chǎn)力，增加水稻產(chǎn)量[41]。陳琳等[45]將 450 kg·hm-2以4種原料（小麥、玉米、花生殼、生活廢棄物）制成的生物質(zhì)炭與尿素（51 kg·hm-2）混合制作炭基復(fù)混肥進行田間試驗研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)復(fù)混化肥相比，炭基肥處理施氮量減少19.94%，但水稻的經(jīng)濟產(chǎn)量提高了 6.70%以上，其中小麥秸稈炭基肥處理增產(chǎn)幅度最高，達39.34%。宋大利[46]等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭（7.5、22.5 t·hm-2）與氮肥（150、225、300 kg·hm-2）配施可以增加土壤有機質(zhì)、全氮含量，提高作物產(chǎn)量，300 kg·hm-2氮處理產(chǎn)量低于 225 kg·hm-2氮處理，且隨施氮量的增加其產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。這與本研究在第一年得到的結(jié)果一致，即RIF+C處理產(chǎn)量最高（表 3）。這可能是生物炭激發(fā)了土壤微生物活性和促進土壤養(yǎng)分循環(huán)[46]，提高了作物產(chǎn)量。但由于化肥、生物炭配施比例以及土壤本身理化性質(zhì)的差異，生物炭與化肥配施對作物產(chǎn)生的影響也不盡相同。張斌等[19]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，與單施氮肥處理（240 kg·hm-2）相比，生物炭（20、40 t·hm-2）配施氮肥（240 kg·hm-2）處理在兩年內(nèi)水稻產(chǎn)量無明顯變化；但單施生物炭時，施炭量過高反而會抑制作物生長，降低作物產(chǎn)量。這可能是生物炭含有有毒物質(zhì)可以抑制作物生長，而生物炭配施氮肥可以減緩生物炭對作物生長的抑制[47]。張晗芝等[48]通過田間盆栽試驗也發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈制成的生物炭（2.4、12、48 t·hm-2）與 112.5 kg·hm-2氮肥配施，對苗期玉米的生長均有不同程度的抑制，隨著玉米的生長，抑制作用也逐漸減少。本研究表明，IF+C與RIF+C處理產(chǎn)量差異不顯著（表3）。這可能與試驗地土壤肥力較高（土壤略酸性，有機碳含量較高，全氮含量高達0.16%）有關(guān)。高悅等[49]通過大田試驗研究指出，在生物炭與無機氮配施下，氮肥減量25%后土壤中總氮和堿解氮含量沒有減小。因此，土壤高肥力一定程度上抵消了減氮30%的作用。

稻田GWP主要由CH4的排放量決定[50]，在本研究中，CH4對GWP的貢獻占到了84.4%—95.2%，因此，生物炭處理下N2O的排放量雖然顯著減少，各處理的 GWP差異也不顯著。CH4的排放量主要與水分管理有關(guān)[51]，生物炭雖然可以影響稻田CH4的排放，但影響不顯著。因此，對于稻田溫室氣體減排的研究中應(yīng)該重點關(guān)注CH4的排放[52]。

3.4 水稻氮肥利用率

本研究結(jié)果顯示，在相同施氮量下，生物施用可以顯著提高氮肥利用率（表4）。同時，RIF+C處理在減30%無機氮的情況下，與CK相比，其水稻吸氮量顯著增加，與IF處理相比吸氮量差異不大（表4）?？梢?，在生物炭處理下，土壤可利用的氮素明顯增加。這可能是生物炭施入土壤后改變了土壤的透氣性[34]，提高土壤含氧量，從而抑制厭氧微生物的活動，減少氮的氣態(tài)損失[21]；同時，生物炭具有較強的保水性，減少氮素通過流失和淋溶等途徑的損失[53]；并且生物炭對 NH4+-N的吸附力較強，從而使土壤肥力得以保持[9]。此外，生物炭本身也含有多種植物所需要的營養(yǎng)元素，如N、P、K等，在土壤中各種生化反應(yīng)下可緩慢釋放一部分養(yǎng)分被植物吸收[54]。王悅滿等[55]通過土柱試驗發(fā)現(xiàn)，0.5%裂解生物炭施用可以提高水稻產(chǎn)量、籽粒吸氮量、收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力以及氮肥利用率。眭鋒等[56]研究發(fā)現(xiàn)，20 t·hm-2的生物炭施用量下，第一年的水稻地上部氮素吸收和產(chǎn)量未受影響，但第二年的水稻地上部氮素吸收和產(chǎn)量呈明顯增加趨勢。曲晶晶等[12]報道，生物炭（小麥秸稈裂解產(chǎn)生）與無機氮配施可顯著提高水稻氮肥利用率，在40 t·hm-2生物炭施用水平下，不同試驗點水稻氮肥吸收利用率提高了 17.6%—20.3%。IF+C與 RIF+C處理氮肥利用率沒有顯著差異（表4），這可能與本試驗地土壤較高，土壤肥力一定程度彌補減氮30%的影響。

對于氮肥偏生產(chǎn)力，只有 RIF+C處理相對于 IF處理顯著增加，這可能與生物炭與化肥的配施比例不同，對土壤中可吸收氮素含量的影響也不同。王智慧等[57]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，80%常規(guī)施肥配施20%生物炭（108 kg·hm-2）相比常規(guī)施肥（360 kg·hm-2），作物產(chǎn)量明顯增加，肥料的減少并未降低作物產(chǎn)量，可能是由于生物炭比表面積巨大以及吸附力強，對土壤中的肥力元素有一定吸附固持作用，從而減少了土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的流失，增加了植株可利用的養(yǎng)分離子。因此，過量施肥反而不利于作物對氮肥的吸收，適量的氮肥和生物炭配比對作物的生長效果更好，合適的氮肥生物炭比例是提升氮肥利用率的關(guān)鍵點。由此可見，生物炭配施無機氮對土壤氮素具有固持和緩釋的作用，可有效地提高水稻對氮肥的吸收利用率；同時，降低反硝化作用底物，減少溫室氣體N2O排放，達到水稻生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、資源高效利用和緩解環(huán)境污染的多種作用。然而，生物炭作用因其特性、土壤狀況和肥料管理因素存在諸多不確定性，其與無機氮配施對稻田溫室氣體排放和氮肥利用率的影響研究還有待進一步深入。

4 結(jié)論

生物炭配施無機氮顯著降低了稻田N2O排放，但對稻田 CH4的排放影響不顯著。減氮+生物炭處理與常規(guī)施氮+生物炭處理間溫室氣體排放無顯著差異。生物炭配施無機氮肥提高了水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。本研究指出，減無機氮30%配施生物炭處理，提高了氮肥的利用率，降低N2O排放量，增加水稻產(chǎn)量。因此一個可持續(xù)的農(nóng)藝措施，值得推廣。但是，生物炭和化肥的配施對稻田CH4排放沒有影響，因此有關(guān)生物炭的溫室氣體的減排效應(yīng)還需要進一步探索。