2018, Vol. 37
生物质炭（Biochar，也可简称为生物炭）一般是指各种生物质如木材、植物组织、动物骨骼或畜禽排泄物及农林废弃物等在完全或部分缺氧和相对较低温度（< 700 ℃）的条件下经热裂解或炭化而产生的一类富碳物质[1]。因其具有高度的稳定性、巨大的比表面积、丰富的孔隙结构和较强的吸附能力[2]，在土壤理化性质改良、吸附固定土壤养分和土壤微生物活性、群落结构等方面受到科研工作者的极大关注[3-5]。前人研究表明生物炭的孔隙结构及其对水肥的吸附作用可为微生物提供良好的栖息环境[6]，其可利用组分可直接被微生物生长利用[7]，为微生物的生长提供更多的碳源，从而增加土壤微生物量。例如韩玮等[8]试验表明生物炭处理下土壤微生物量碳、氮、磷的含量明显高于对照，Liang等[9]研究也得出生物炭的长期效应使土壤微生物量显著提高。但也有研究报道农田施用生物炭对微生物量碳、氮影响并不显著[10]，这可能与土壤类型、生物炭来源等因素有关。不过，生物炭在农业上的应用还存在一定的问题，因生物炭自身所含的矿质养分很少，故单施生物炭不能使土壤变得更为肥沃。农业应用上有将生物炭与牲畜粪便混合发酵等程序制成生物炭基有机肥，但该方法费时费力。
我国南方稻区是我国双季稻主产区，冬闲田约有2000多万公顷[11]，当前冬闲田的利用方式主要是种植绿肥或油菜等冬季作物[12]。但是这种利用模式经济效益不高，影响农民应用的积极性。通过冬闲稻田养鸡，养鸡产生的鸡粪在田间原位腐解，利用冬闲田作为有机肥发酵和堆放的地点，即可培肥稻田地力，又能减少后期水稻（Oryza sativa）种植期间的化肥用量，该模式在南方双季稻种植区得到了一定的应用推广[13]。在该区域的前期研究发现，冬闲田种植绿肥和田间原位养鸡结合，可显著提高稻田微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮含量[14]。原因可能是因为鸡粪有机肥和绿肥翻压能为微生物提供大量的碳源和氮源，增加了根系生物量及根系分泌物，促进土壤微生物生长[15]，从而使得土壤微生物量碳、氮含量增加。不过需要指出的是田间原位养鸡排泄的鸡粪肥直接排放于土壤表面，易被雨水冲刷淋失，且会增加温室气体的排放[16]。
生物炭有较大的孔隙度和较强吸附性能，可吸附肥料养分、延缓肥料养分的释放[17]。因此生物炭可以减少随水淋失氮、磷养分的含量，从而使其保持较长时间的供肥作用[18]，且较多研究得出生物炭施用还能减少温室气体的排放[19]，具有较好的固碳减排效果[20]。所以本研究尝试冬闲田养鸡配施生物炭的互补效应，鸡粪可补充生物炭含量较少的矿质养分，生物炭的吸附作用减少鸡粪肥原位还田养分的流失，并通过鸡粪田间原位腐解培肥，减少双季稻生长期间化肥用量，研究其对双季稻生长期间土壤有机碳和活性碳、氮的动态变化，为南方双季稻区稻田土壤肥力的生态培育及农民增收提供科学依据和理论基础。
1 材料与方法 1.1 试验材料及地点试验于2015—2016年在湖南农业大学耘园试验基地进行，供试土壤为河流冲积物发育的潮土。供试生物炭为湖南省长沙市生物质能源利用研究中心提供的水稻谷壳生物炭，该生物炭在300~450 ℃下限氧炭化而成，总碳含量为575.30 g·kg-1，全氮、全磷和全钾含量分别为1.90、10.40 g·kg-1和12.90 g·kg-1。供试土壤有机质含量为23.42 g·kg-1，全氮、全磷和全钾含量分别为0.68、0.88 g·kg-1和9.78 g·kg-1，铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量分别为29.81、15.13、32.43 mg·kg-1和126.49 mg·kg-1，pH为6.09。
1.2 试验设计与栽培管理试验于2015年对冬闲稻田设4个处理，每个处理3个重复，共12个小区，每个小区面积为27 m2（3 m×9 m），采用随机区组设计，各小区间起垄覆膜隔开，2016年均种植双季稻。其中冬闲稻田4个处理如下：
（1）冬季休闲，简称冬闲（F）：冬闲对照在上一年度晚稻机械收获后将稻草移走，冬季休闲。2016年早稻施纯氮、P2O5和K2O分别为150、75 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2，晚稻分别为180、105 kg·hm-2和150 kg·hm-2；
（2）冬闲稻田添加生物炭（B）：于上一年度晚稻收获后将生物炭均匀撒在田块表面并通过翻耕与0~15 cm的土壤混合均匀，生物炭施用量为30 t·hm-2。2016年双季稻种植期间化肥N、P、K用量与处理F相同；
（3）冬闲稻田养鸡（C）：于2015年12月3日将饲养120 d的本地土鸡放入稻田，用大小为3 m×3 m的笼子进行圈养，笼内饲喂30只鸡，每8 d挪动一次鸡笼，共挪动5次（首次放入笼子时不算入移动鸡笼，8 d后首次移动，5次移动后各小区每3 m×3 m的笼子区域均有2次16 d的停留时间）。鸡饲料为50%玉米+ 10%米糠+35%苜蓿草粉+5%预混料喂养，至2016年1月28日结束养鸡。在相同的饲料投喂情况下于室内饲养与田间笼养同一批次土鸡1只，用于估算鸡粪排放量，得出约7.3 kg·m-2新鲜鸡粪还田，肉鸡和蛋鸡的粪便含水量为52.31%，风干鸡粪总含N、P2O5和K2O分别为10.3、9.4 kg·t-1和8.7 kg·t-1 [21]，因此本研究中还田的鸡粪肥约含N、P2O5和K2O分别为358.62、327.28 kg·hm-2和302.91 kg·hm-2。2016年双季稻每季化肥N和K减少20%，P不变；即早稻纯氮120 kg·hm-2，P2O5 75 kg·hm-2，K2O 108 kg·hm-2；晚稻纯氮144 kg·hm-2，P2O5 105 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2。本研究磷肥未减量是因为有研究表明一定施肥量的基础上，适当减少氮肥，增加磷肥，对产量有提高作用[22-23]。
（4）冬闲稻田养鸡配施生物炭结合（BC）：生物炭施用同处理F，养鸡同处理B。鸡苗放入田中8 d后移动鸡笼到另一区域，将前一区域的鸡粪与生物炭翻耕混匀，同时将其他处理小区的相应面积也进行翻耕。2016年双季稻种植期间化肥N、P、K用量与处理C相同。
2016年4月开始种植双季稻，早稻供试品种中嘉早17，于2016年3月26日播种，4月27日移栽，移栽密度为16.7 cm×20 cm，每穴栽4根基本苗，7月15日收获；晚稻供试品种为湘晚籼12号，播种期为2016年6月23日，7月19日移栽，移栽密度为20 cm×20 cm，每穴栽2根基本苗，10月27日收获。各小区单灌单排，田间管理措施均一致。肥料施用方法为磷肥做基肥一次性施用，氮肥按基肥：分蘖肥：穗肥=4：2：4施用；钾肥按照基肥：穗肥=7：3施用。
1.3 取样及分析取土样测定微生物量碳、氮及可溶性有机碳、氮。取样时间分别为：早稻种植前（2016年4月21日）、早稻苗期（2016年5月6日）、分蘖盛期（5月20日）、孕穗期（6月10日）、灌浆期（6月30日）、成熟期（7月15日）；晚稻苗期（7月31日）、晚稻分蘖盛期（8月17日）、晚稻孕穗期（9月7日）、晚稻齐穗期（9月18日）、晚稻灌浆期（10月9日）、晚稻成熟期（10月27日）。其中土壤有机碳采样时间为早稻种植前（2016年4月21日），早、晚稻收获后本研究指早、晚稻成熟期。
试验地耕层厚度为25 cm，每个取样时期于各小区按S形采集5个样点，用20 cm深的土钻采集耕作层0~20 cm土壤样品，混合均匀后用四分法分成两个部分，一部分过2 mm筛后4 ℃保存，用于测定土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮；另一部分风干过筛，用于测定土壤有机质。土壤微生物量碳、氮含量根据Brookes等[24]和Vance等[25]的方法，采用氯仿熏蒸浸提法测定，KEC转换系数为0.38，Ks为0.45[25]。熏蒸开始的同时，另称取等量土样，加入0.5 mol·L-1 K2SO4溶液浸提，未熏蒸滤液中的碳和氮含量作为可溶性有机碳、氮。土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[26]。
早、晚稻收获时每小区连续调查120穴的有效穗数，求出平均数，按平均数法各小区取8蔸水稻植株，风干后进行室内考种。考种项目包括有效穗数、每穗实粒数、空瘪粒数与千粒重等。每个小区实割200穴植株脱粒后测算出实际产量。
1.4 统计分析经Excel 2007整理数据后，采用SPSS 12.5软件进行不同处理之间方差分析（ANOVA）、多重比较（采用Duncan新复极差法）、季节变异程度（变异系数Coeffi⁃ cient of variation，CV）进行描述，所有数据均进行正态分布和齐性检验。
2 结果与分析 2.1 不同冬闲稻田处理对水稻产量构成因素的影响由表 1可知，早、晚稻的理论产量和实际产量均表现为BC > C > B > F，早稻BC显著高于其他处理，晚稻BC显著高于B和F，各处理均显著高于F（P < 0.05）。与F相比，B、C和BC早稻实际产量增幅分别为12.09%、12.44%和19.25%；晚稻增幅分别为7.14%、8.39%和12.87%；BC与B和C相比，早稻实际产量增幅范围分别为6.39%和6.06%，晚稻增幅分别为5.34%和4.13%。
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表 1 不同处理对水稻产量构成因素的影响 Table 1 Effects of different treatments on yield components of rice |
处理间产量差异主要是有效穗数和每穗粒数不同所致。早、晚稻B、C和BC三个处理的有效穗数均显著高于F，增幅分别为1.54%~7.67%和7.51%~ 12.52%；早稻每穗粒数C和BC显著高于B和F（P < 0.05）。
2.2 不同冬闲稻田处理对土壤有机碳的影响由表 2可见，与F处理相比，B、C和BC三个处理均显著提高了土壤有机碳含量（P < 0.05）。其中BC处理土壤有机碳含量显著高于其他处理，在早稻种植前、早稻收获后和晚稻收获后分别比F处理增加了26.81%、31.09%和26.47%。B处理有机碳含量次之，均显著高于C和F处理。从不同取样时期来看，早稻种植前有机碳含量最高，早稻收获后有所降低，晚稻收获后，BC和B差异不显著，但显著高于C和F。说明冬闲稻田养鸡配施生物炭保持和提升土壤有机碳的效果较二者单施更为突出，生物炭施用又优于冬闲稻田养鸡。
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表 2 不同冬闲稻田处理对土壤有机碳的影响（g·kg-1） Table 2 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil organic carbon(g·kg-1) |
由图 1可见，不同冬闲稻田处理条件下土壤微生物量碳（SMBC）变幅很大，为316.34~685.80 mg·kg-1。早稻和晚稻BC处理SMBC含量均显著高于F，最大分别较F提高了48.20%和44.42%；除晚稻成熟期外，C处理均显著高于冬季休闲（P < 0.05）；除晚稻分蘖期、齐穗期和成熟期，BC处理显著高于B，最大提高了28.75%。除早稻苗期和晚稻分蘖期外，BC处理显著高于C处理，最大提高了27.12%，说明养鸡配施生物炭的效果优于二者单独施用。C处理SMBC在早稻种植前显著高于B处理，但在早稻分蘖期和成熟期B显著高于C，其他时期二者无显著差异。
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图 1 不同冬闲稻田处理对土壤微生物量碳的影响 Figure 1 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil microbial biomass carbon |
从早、晚稻各取样时期SMBC的平均值来看，BC显著高于其他处理，C和B差异不显著，但显著高于F（P < 0.05）。与F相比，BC、C和B处理早稻各生育时期平均值分别增加了38.46%、19.58%和18.82%，晚稻各生育时期平均值分别增加了31.24%、16.83%和17.80%。各处理SMBC含量在早稻种植前显著高于早稻各生育时期，早稻BC和B在成熟期达最高值，孕穗期次之，C和F则在孕穗期达最高值。晚稻除B在齐穗期外，BC、C和F均在孕穗期达最高值。
2.3.2 可溶性有机碳由图 2可见，不同冬闲稻田处理条件下可溶性有机碳（DOC）变幅为43.63~165.99 mg·kg-1。BC处理的DOC含量均显著高于F，较F提高了19.88%~87.03%。除早稻孕穗期和晚稻齐穗期，C处理均显著高于F，其中最大提高了45.46%。除早稻苗期和孕穗期，B处理均显著高于F，其中最大提高了59.80%。
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图 2 不同冬闲稻田处理对土壤可溶性有机碳的影响 Figure 2 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil dissolved organic carbon |
除早稻成熟期外，BC处理显著高于C处理，不同时期提高幅度为8.22%~29.51%；除早稻孕穗期和成熟期以及晚稻苗期、分蘖期和成熟期外，BC处理显著高于B，不同时期提高幅度为6.18%~48.05%。
早、晚稻各取样时期DOC的平均值同SMBC一致，均表现为BC显著高于其他处理，C和B差异不显著，但显著高于F（P < 0.05），表明养鸡配施生物炭能显著提高土壤DOC含量。与F相比，BC、C和B早稻各生育时期平均值分别增加了35.44%、19.30%和15.77%，晚稻各生育时期平均值分别增加了42.08 %、19.05%和28.78%。不同冬闲稻田处理早、晚稻DOC分别在苗期和孕穗期达最大值。
2.4 不同冬闲稻田处理对土壤活性氮的影响 2.4.1 土壤微生物量氮由图 3可见，不同处理下土壤微生物量氮（SMBN）变幅为16.31~106.29 mg·kg-1。除晚稻齐穗期外，BC处理SMBN含量均显著高于F，较F提高了15.52%~ 175.78%。早稻种植前和早稻生育期间，C和B处理均显著高于F，其中在早稻成熟期较F分别提高了127.11%和135.38%，晚稻苗期至孕穗期B和C处理也显著高于F。除晚稻孕穗期至灌浆期外，BC处理显著高于B，其中最大提高了29.82%；除早稻分蘖期和晚稻齐穗期外，BC处理显著高于C处理，其中最大提高了46.44%。
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图 3 不同冬闲稻田处理对土壤微生物量氮的影响 Figure 3 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil microbial biomass nitrogen |
早稻不同取样时期SMBN的平均值来看，BC与C和B差异不显著，BC和C显著高于F，与F相比分别增加64.63%和37.83%，B与F差异不显著；晚稻不同取样时期SMBN的平均值来看BC显著高于C和F，较C和F分别增加了42.29%和27.43%（P < 0.05）。说明冬闲田养鸡配施生物炭对双季稻田SMBN的提高作用更大。各处理SMBN在早稻种植前最高，早稻苗期和孕穗期较高，齐穗期和成熟期急剧下降；晚稻苗期和分蘖期较高，后期SMBN持续降低。
2.4.2 土壤可溶性有机氮由图 4可见，不同处理条件下可溶性有机氮（DON）含量变幅为52.42~191.84 mg·kg-1。除早稻分蘖期和晚稻成熟期外，BC均显著高于F，较F提高了3.57%~105.40%。除早稻苗期和分蘖期以及晚稻灌浆期外，B处理显著高于F，其中最大提高了51.25%。早稻除分蘖期外C处理显著高于F，其中最大提高了40.75%，晚稻仅孕穗期和齐穗期显著高于F。
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图 4 不同冬闲稻田处理对土壤可溶性有机氮的影响 Figure 4 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil dissolved organic nitrogen |
除早稻分蘖期和晚稻灌浆期外，BC处理显著高于B，其中最大提高了45.50%。早稻种植前BC与C差异不显著，早稻生育期间BC显著高于C，晚稻除灌浆期和成熟期外BC也显著高于C，其中最大提高了45.93%（P < 0.05）。
从不同取样时期DON的平均值来看，早稻不同时期的平均值BC显著高于C、B和F，分别高出27.84%、26.77%和50.23%；晚稻不同时期的平均值BC显著高于C和F，较二者分别高出19.43%和29.95%。说明养鸡配施生物炭能显著提高DON含量。早稻C和F处理的DON含量在苗期达最高值，BC和B则在孕穗期达最高；晚稻苗期DON含量最高，分蘖期次之。
2.5 土壤有机碳及活性碳、氮的季节变异程度变异系数可用来反映样本的变异程度，本试验对不同处理下的有机碳和活性碳、氮的季节变异进行分析，用变异系数来表示其季节变异程度，即其季节波动的剧烈程度。由表 3可以看出SMBN的变异程度大于SMBC；施用生物炭及养鸡配施生物炭降低了土壤有机碳季节变异系数，F处理变异系数最高，但差异均不显著；SMBC中C处理变异系数显著高于B和F处理，BC和B、F处理差异不显著；DOC和SMBN均表现为B和BC处理变异系数较小，显著低于C和F处理；DON变异系数BC显著高于B和C处理。
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表 3 不同冬闲稻田处理下土壤有机碳和活性碳、氮的季节变异系数（%） Table 3 Coefficients of seasonal variation of the soil organic carbon and soil active carbon and nitrogen under different treatments(%) |
相关分析表明，各处理早、晚稻产量与土壤有机碳、SMBC、DOC、SMBN、DON含量均呈极显著正相关关系，其中SMBC与早稻和晚稻的相关系数最大，分别为0.930和0.889（表 4）。
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表 4 产量与土壤有机碳和活性碳、氮间的相关性 Table 4 Correlation between yield and soil organic carbon and soil active carbon and nitrogen |
本研究结果中双季稻生育时期土壤有机碳和活性碳、氮含量基本表现为冬闲田养鸡配施生物炭提高效果较二者单施更优，冬闲田对照最低。稻田冬闲期养鸡处理中因为鸡粪自身含有丰富的碳和氮且结构较简单，施入土壤中被微生物迅速分解，产生大量活性碳、氮[27]。本研究中施用生物炭处理有机碳含量高于养鸡和冬闲，活性碳含量也基本显著高于冬季休闲处理。可能是因为鸡粪施用后会逐渐降解，致使有机碳含量降低；而生物炭包含较多的惰性碳，在土壤的中难降解，直接提高了土壤有机碳含量。另一方面生物炭能吸附土壤中的有机分子，通过表面催化活性促进有机分子的聚合形成土壤有机质[9]；且生物炭对水肥的吸附作用为微生物提供良好的栖息环境和碳源[28]。把余玲[29]研究结果也得出小麦/玉米残体与其生物炭单施或配施均显著提高土壤微生物量和可溶性碳含量，原因可能是生物炭具有多孔结构及对可溶性有机质及无机养分（NH4+）等吸附性强，使其能保蓄更多的可溶性碳，提高微生物碳源和养分的有效性[30]。
本研究中冬闲田养鸡配施生物炭提高效果较二者单施更优。这可能与生物炭和鸡粪肥的互补或协同作用有关，因为养鸡配施生物炭较单独养鸡能提供更多的有机碳源，增加微生物对养分的固定；且生物炭能延长肥料的释放期[31]，减少养分的淋失[32-33]，增加氮素的固持，促进了有机氮的矿化[34]，从而提高土壤活性碳、氮含量[35-36]。
本研究中相对于养鸡和对照处理，施用生物炭以及养鸡配施生物炭处理可以减少有机碳、活性碳及SMBN的季节波动。这表明生物炭施用的重要影响可能是减少土壤有机碳、活性碳和SMBN的季节变化程度，从而增加土壤养分的稳定性。黄剑[37]也得出施用生物炭可以显著减少土壤微生物量碳、氮的季节波动，原因可能是施用生物炭通过改变土壤孔隙大小，增加土壤溶液滞留时间，从而来减少土壤溶液的淋洗[38]。本研究中鸡粪施用后会随着降解和淋溶有机碳含量降低，养鸡配施生物炭处理对养分具有一定的束缚和持留作用[39]，从而有效降低碳的损失。
有研究表明施用生物炭或有机肥能有效提高水稻产量[40]，例如刘晓霞等[41]研究发现外源添加生物炭显著提高了水稻穗长和产量。戴企平等[42]研究得出“稻-鸡”种养农作模式与单纯种水稻模式相比，“稻-鸡”种养能明显提高水稻产量。本研究结果与上述结果相似，养鸡配施生物炭以及二者单施均显著提高了双季稻产量，以配施提高最显著。可能是因为养鸡和施用生物炭增加土壤的有机碳含量，提高了土壤C/N比，增加土壤有效氮的可利用性，促进了作物吸收利用，提高作物产量[43]。养鸡与生物炭结合处理较单独养鸡处理能提供较多的有机碳源，且生物炭能延长肥料的释放期[31]，配施有机碳和活性碳等养分的季节变异较小，减少养分的淋失[32]，从而促进水稻产量的提高。李文军等[44]研究得出土壤有机碳、氮活性组分与土壤生产力的关系密切，这与本试验结果相似。本研究中水稻产量与土壤有机碳及活性碳、氮呈极显著相关，说明土壤有机碳及活性碳、氮的大小可作为衡量水稻产量高低的依据之一。
4 结论（1）冬闲稻田养鸡、生物炭单施及二者结合施用均能提高双季稻田有机碳和活性碳、氮含量，冬闲田养鸡与生物炭结合施用提高效果更显著，且养鸡配施生物炭能显著提高双季稻产量；
（2）从时间尺度变化来看，添加生物炭下土壤有机碳、活性碳和SMBN的季节变异程度较养鸡和对照处理更为平缓。
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