生物質(zhì)炭是有機材料在少氧或無氧條件下裂解產(chǎn)生的一類含碳量高、疏松多孔的物質(zhì)。已有的研究表明，生物質(zhì)炭在農(nóng)田上的施用具有增加土壤碳固持、減少溫室氣體排放、提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的效果。土壤碳氮循環(huán)是重要的元素循環(huán)過程，對作物養(yǎng)分高效利用及農(nóng)業(yè)面源污染和溫室氣體排放均有重要影響。然而，以往的研究往往基于兩年內(nèi)的短期試驗來驗證生物質(zhì)炭農(nóng)田施用后對土壤碳氮循環(huán)過程的影響，對于生物質(zhì)炭農(nóng)田施用后特別是一次性施用后的較長期效果還缺乏研究。
中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所土壤生態(tài)與環(huán)境課題組基于6年的稻田田間定位試驗，系統(tǒng)比較了秸稈還田和秸稈源生物質(zhì)炭一次性施用對土壤總有機碳（TOC）累積和氮肥利用率的影響。試驗中秸稈還田量設(shè)置為每季3tha-1（半量秸稈還田）和6tha-1（全量秸稈還田），秸稈生物質(zhì)炭用量設(shè)置為一次性施用24tha-1（低量生物質(zhì)炭還田）和48tha-1（高量生物質(zhì)炭還田），其中全量秸稈還田處理與低量生物質(zhì)炭處理的秸稈投入量在6年的試驗中相當。研究結(jié)果表明秸稈和生物質(zhì)炭施用都顯著增加了土壤總有機碳累積，其中在6年的周期中，當生物質(zhì)炭與秸稈處理的秸稈投入量相同時，生物質(zhì)炭處理的土壤碳累積量是秸稈處理的2.6倍。除了直接向農(nóng)田輸入碳外，生物質(zhì)炭處理也較對照處理顯著增加了土壤原有有機碳的積累，低量生物質(zhì)炭施用下TOC年增加量是對照處理的2倍。
研究發(fā)現(xiàn)，早稻季水稻籽粒產(chǎn)量在秸稈還田的前三年出現(xiàn)降低，而秸稈還田的后三年晚稻季水稻籽粒產(chǎn)量較對照顯著增加。生物質(zhì)炭由于自身額外養(yǎng)分輸入，僅在施用當季顯著增加水稻產(chǎn)量，其他年份水稻產(chǎn)量增加不顯著。秸稈還田下，秸稈還田處理與對照處理籽粒和秸稈含氮量比值及氮肥利用率的比值均隨土壤有機碳的增加而增加，半量和全量秸稈還田在4-6年后分別提高了晚稻季氮肥利用率達22.3%和39.8%，表現(xiàn)出明顯的碳氮協(xié)同效果；施用生物質(zhì)炭下，未表現(xiàn)出這種碳氮協(xié)同效果。
本研究表明秸稈生物質(zhì)炭施用較秸稈還田有著更高的固碳潛力，有利于增加稻田土壤固碳能力；而秸稈還田有利用更好的發(fā)揮碳氮協(xié)同效果，起到“以碳促氮”的效果，有利于減少化肥用量并提高氮肥利用率。
這項研究受到國家重點研發(fā)(2018YFC0213302)，國家自然科學基金(41771336, 41471267)，中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員項目(2017418)的資助。論文以Contrasting effects of straw and straw-derived biochar applications on soil carbon accumulation and nitrogen use efficiency in double-rice cropping systems為題發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and Environment上。
全量秸稈還田及低量生物質(zhì)炭施用下6年中土壤碳固持、水稻產(chǎn)量及氮肥利用率變化
秸稈還田及秸稈源生物質(zhì)炭施用下6年中土壤總有機碳含量變化
秸稈還田（a）及秸稈源生物質(zhì)炭（b）施用下氮肥利用率比值隨土壤總有機碳含量的變化