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摘要：为减少生物质炭在农田应用的农事操作工序，探讨生物质炭与畜禽粪便混合堆肥产品——炭基有机肥对水稻产量与土壤养分的影响，试验设置了炭基有机肥、商品有机肥、不施有机肥3个处理，研究了炭基有机肥对水稻产量及其构成、干物质积累与氮素养分吸收利用、土壤氮磷养分含量的影响。结果表明：炭基有机肥对水稻具有增产作用，较商品有机肥处理增产4.39%，但差异未达显著水平；与商品有机肥处理相比，炭基有机肥可以提高水稻抽穗期至成熟期的干物质积累量、氮素積累量及氮素的籽粒生产效率；同时，炭基有机肥处理的土壤全氮、水溶性氮含量分别比商品有机肥处理增加了10.06%、11.92%，土壤全磷与水溶性磷含量增加了10%、9.67%。这说明炭基有机肥可以提高水稻产量，提升土壤有机质含量，增强土壤氮、磷等养分的有效性，并且生物质炭与畜禽粪便混合堆制后并不影响其在农田土壤中的功能特性。
关键词：炭基有机肥；水稻；产量；土壤养分
中图分类号： S511.06 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0104-03
炭基有机肥是以生物质炭作为辅料生产出的有机肥。生物质炭是由农作物废弃秸秆在完全或部分缺氧情况下，经热解炭化产生的一类高度芳香化的难熔性固态物质[1]。相关研究结果表明，生物质炭具有高度热稳定性和较强吸附特性，对养分具有很强的持留功能，能促进土壤中碳素的固定、显著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能减少肥料施用量和土壤养分的损失，减缓气候变化对作物生产力的影响[2-6]。目前农林秸秆废弃物的生物质炭转化和应用已作为一种农业增汇减排技术途径，担负起应对气候变化的温室气体减排任务[7-8]。另外，生物质炭的施用技术方面已开展了生物质炭条施、穴施、表土层掺混等多种具体的还田方式探索[9-13]，但由于生物质炭密度低、质量轻，在运输和使用过程中极易产生尘埃，直接还田方式易导致产品损耗，且存在一定的健康风险，并且生物质炭与肥料单独施用，增加了1次农事操作工序。
本研究通过将生物质炭与养殖业废弃物进行混合堆肥，制备成炭基有机肥，实现了与常规农艺措施的有效对接，在不增加劳动力、能源等经济投入的基础上，完成生物质炭农田应用的农事操作工序。然而，生物质炭与有机废弃物料混合堆制并形成的炭基有机肥，其理化特性及功能特点尚不明确，并且有关炭基有机肥的研究在国内外尚无报道。为此，本研究以炭基有机肥为处理，以商品有机肥、不施有机肥为对照，研究炭基有机肥对水稻产量及土壤养分的影响，以期为炭基有机肥的农业生产应用提供理论依据与技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验基本情况
试验于2013年6—11月，在江苏省太仓市城厢镇东林村东林农场生产大田内进行。前茬为小麦，品种为扬麦9号。土壤为沙壤土，肥力中等偏下。水稻品种为南粳46号，5月28日工厂化基质育秧，6月13日机械化栽插，株行距13.33 cm×30.00 cm，化学氮肥施用量375 kg/hm2，P2O5为101.25 kg/hm2、K2O为101.25 kg/hm2。
1.2 试验设计
采用大区试验法，每个大区面积约890 m2。试验设3个处理，分别为炭基有机肥处理、商品有机肥处理、不施有机肥处理，3个处理的化学肥料施用量均相同。商品有机肥购买自江苏太仓绿丰有机肥料有限公司，采用畜禽粪便与食用菌渣按体积比4 ∶ 1混合堆制而成（水分含量46%，干基含有机质48.3%、全N 1.81%、P2O5 1.93%、K2O1.79%）；炭基有机肥是笔者所在项目组自主研发产品，将商品有机肥的初始混合堆肥体与生物质炭按一定的干基质量比例，再次混合堆制而成（水分含量45%，干基含有机质58.8%、全N 1.76%、P2O5 2.13%、K2O 2.28%）。生物质炭购于河南商丘三利新能源有限公司，其制备方法为：以花生壳粉为原料，厌氧条件、热裂解炭化温度为500 ℃，保持10 h，自然冷却，过40目筛。有机肥料的施用量均为 37.5 t/hm2。在田间进行测定与取样时，将大区分为3等份，进行3次重复的测定与取样。有机肥料均基施，在稻田土壤耕翻前采用机械施肥机进行均匀抛洒，再进行犁耕、水旋与整地作业，其余防病、治虫、除草、水浆管理等农业措施均与常规生产方法一致。
1.3 测定项目与方法
（1）水稻的高峰苗、抽穗期干物质质量测定：先调查每穴的平均穗数，按每穴穗数的平均数，每处理取样测定稻株的秸秆与穗部的干物质量。
（2）产量与产量构成：分别于水稻成熟期，按平均穗数取稻株5穴，将籽粒与秸秆分离，秸秆烘干后测定干物质量，籽粒采用水漂法测定饱瘪粒数。产量采用实际收割测定。
（3）稻株氮素养分含量测定：将抽穗期、成熟期的植株样品，采用双氧水-浓硫酸消解，凯氏定氮法测定植株中的氮素含量。
（4）稻后土壤养分：采集0～20 cm土壤1 kg，经风干研磨过筛后，测定土壤的有机质、全氮、全磷、水溶性氮与磷含量。
1.4 数据处理方法
数据采用Excel 2010整理，SPSS 19.0进行单因素方差分析[One-way ANOVA，Dunnett’s t-test（2-sided）]与多重比较（Post-hoc comparison LSD法），对处理组间的均值进行差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 炭基有机肥对水稻产量及其构成的影响
2.1.1 对水稻产量的影响 由图1可知，炭基有机肥处理的水稻产量为9 776.55 kg/hm2，商品有机肥处理的水稻产量为9 364.68 kg/hm2，不施有机肥处理的常规对照处理的水稻产量为9 287.14 kg/hm2。与不施有机肥处理相比，施用有机肥对水稻产量具有增产作用，其中炭基有机肥处理的水稻产量增产5.27%，商品有机肥处理的水稻产量增产0.83%；但统计分析结果表明，不同肥料处理之间，水稻产量的差异性均未 达显著水平。
2.1.2 对水稻产量构成的影响 由表1可知，施用有机肥可以增加水稻的高峰苗数，其中炭基有机肥料处理的水稻高峰苗最多，但不同处理之间差异不显著；炭基有机肥处理的水稻成穗率高于商品有机肥料及不施有机肥处理，且炭基有机肥料处理的穗数为437.99 万个/hm2，分别较商品有机肥、不施有机肥处理增长28.69%、13.22%；不同处理之间的每穗粒数以不施有机肥处理最大，但处理间无显著差异；施用有机肥料显著提高了水稻的結实率与千粒质量。可见，有机肥料处理的产量高于不施有机肥处理，与其结实率与千粒质量的增加有关，而炭基有机肥处理显著提高了水稻的穗数、结实率与千粒质量，从而对水稻表现出增产的作用趋势。
2.2 炭基有机肥对水稻干物质积累及氮素吸收利用的影响
2.2.1 对水稻干物质积累的影响 水稻干物质的积累是建造营养器官和形成籽粒产量的基础，干物质积累多、生物量高，经济产量才有保证。由图2可知，施用有机肥料可以提高水稻的干物质积累量，与对照处理相比，不同有机肥料处理的干物质积累量分别提高了23.88%、4.76%；但统计分析结果表明不同有机肥料处理之间干物质积累量无显著性差异。由图2还可知，炭基有机肥处理的水稻在抽穗至成熟期积累的干物质量最大，商品有机肥处理其次，较对照处理相比，分别增加了27.98%、9.75%，且统计分析结果表明，炭基有机肥处理的水稻抽穗期至成熟期积累的干物质量显著大于不施有机肥处理。可见，炭基有机肥处理的水稻产量较高，与该处理抽穗期至成熟期积累的干物质量较多有关。
2.2.2 对水稻氮素吸收与利用的影响 氮素是水稻生长必需的营养元素，施用氮肥是农业增产的主要手段。由图3可知，水稻抽穗期至成熟期阶段，炭基有机肥处理的稻株吸氮量最大，为 94.58 kg/hm2，商品有机肥处理的吸氮量为 86.36 kg/hm2，与对照处理相比，吸氮量分别提高了12.68%、2.86%。氮素的籽粒生产效率是指抽穗期至成熟期的水稻籽粒干物质增加量与氮素积累增加量的比值，即单位氮素所能生产的籽粒产量。由图3可知，炭基有机肥处理的水稻氮素
籽粒生产效率为97.04 kg/kg、商品有机肥处理的氮素籽粒生产效率为 94.95 kg/kg，而不施有机肥处理的氮素籽粒生产效率为 85.84 kg/kg，炭基有机肥处理的水稻增产与其抽穗期至成熟期的氮素籽粒生产效率较高有关。
2.3 炭基有机肥对稻田土壤养分的影响
由表2可知，施用有机肥对提高土壤的有机质含量具有促进作用。统计分析结果表明，有机肥料处理的稻后土壤有机质含量显著大于不施有机肥处理，而炭基有机肥处理的土壤有机质含量大于商品有机肥处理，但差异未达显著水平。施用有机肥可以提高稻后土壤的氮素含量，且炭基有机肥与商品有机肥对土壤总氮含量的增加幅度分别为19.23%、833%，其中炭基有机肥处理的土壤全氮含量显著大于不施有机肥料处理，而炭基有机肥处理虽然大于商品有机肥处理，但差异不显著；另外，以0.01 mol/L的氯化钙溶液浸提的土壤水溶性氮含量测定结果表明，炭基有机肥料处理最大、商品有机肥料处理其次，不施有机肥料处理最小，但差异未达显著水平。施用有机肥料可以提高稻后土壤的磷素含量，且炭基有机肥料与商品有机肥料对土壤总磷含量的增加幅度分别为22.22%、11.11%，水溶性磷也以炭基有机肥处理表现为最大，但差异均未达显著水平。
3 结论与讨论
炭基有机肥对水稻具有增产作用，与商品有机肥相比增产率为4.39%，与不施有机肥处理相比增产率为527%，但差异未达显著水平。乔志刚等在施用生物质炭的基础上设置了不同氮肥用量水平，发现施氮总量减少30%的处理与常规生产措施相比，对水稻产量无显著影响[9]。可见，生物质炭无论是单施或制成炭基有机肥后施用，对水稻均具有稳产与增产作用；在化学肥料、有机肥料用量均相同的条件下，生物质炭处理的肥效大于商品有机肥处理，是炭基有机肥对水稻的增产作用大于商品有机肥的主要原因。另外，炭基有机肥处理的水稻高峰苗、成穗率、千粒质量均大于商品有机肥处理，是炭基有机肥处理水稻增产的重要农艺性状表现。
一般而言，籽粒干物质的积累，一部分来自茎叶于抽穗前贮存而于抽穗后转运到穗部的非结构性碳水化合物，一部分来自抽穗后的光合作用，有研究表明抽穗后的光合产物占穗后干物质积累的90%以上，因此，抽穗后的叶片光合作用对产量的形成起着决定性作用[14-16]。本试验结果表明，炭基有机肥处理的水稻抽穗后干物质积累量与商品有机肥处理相比提高了16.61%，说明有机肥料中添加生物质炭更有利于水稻后期光合生产能力的提高，从而进一步提高水稻产量。另外，曲晶晶等研究认为施用生物质炭能够提高水稻的氮素利用率[17]。本试验结果表明，与商品有机肥处理相比，稻株的抽穗后吸氮量与氮素籽粒生产效率分别提高了9.54%、220%，与曲晶晶等研究结论相一致，说明生物质炭与畜禽粪便混合堆制后，并不影响其对水稻生长发育的作用功能。
施用生物质炭可促进土壤中氮的固定，同时生物质炭能通过阳离子交换而达到对土壤中NH 4、NO-3的吸附，抑制铵态氮向硝态氮的转化，减少氮素损失[18-19]。本试验结果表明，与商品有机肥处理相比，炭基有机肥处理的稻田土壤全氮与水溶性氮含量分别提高了10.06%、11.92%，全磷与水溶性磷含量分别提高了10.00%、9.67%，说明炭基有机肥对氮磷养分具有吸附与缓慢释放的特性，减少了氮磷养分通过径流等途径的损失，这可能是炭基有机肥提高氮素吸收利用率、实现水稻增产的直接原因。但是，炭基有机肥处理的水稻生长发育及土壤养分利用率，受生物质炭的特性、土壤性状、作物种类、栽培密度和田间管理措施等多因素影响，其功能特性尚有待作深入研究。
参考文献：
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关键词：炭基有机肥；水稻；产量；土壤养分
中图分类号： S511.06 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0104-03
炭基有机肥是以生物质炭作为辅料生产出的有机肥。生物质炭是由农作物废弃秸秆在完全或部分缺氧情况下，经热解炭化产生的一类高度芳香化的难熔性固态物质[1]。相关研究结果表明，生物质炭具有高度热稳定性和较强吸附特性，对养分具有很强的持留功能，能促进土壤中碳素的固定、显著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能减少肥料施用量和土壤养分的损失，减缓气候变化对作物生产力的影响[2-6]。目前农林秸秆废弃物的生物质炭转化和应用已作为一种农业增汇减排技术途径，担负起应对气候变化的温室气体减排任务[7-8]。另外，生物质炭的施用技术方面已开展了生物质炭条施、穴施、表土层掺混等多种具体的还田方式探索[9-13]，但由于生物质炭密度低、质量轻，在运输和使用过程中极易产生尘埃，直接还田方式易导致产品损耗，且存在一定的健康风险，并且生物质炭与肥料单独施用，增加了1次农事操作工序。
本研究通过将生物质炭与养殖业废弃物进行混合堆肥，制备成炭基有机肥，实现了与常规农艺措施的有效对接，在不增加劳动力、能源等经济投入的基础上，完成生物质炭农田应用的农事操作工序。然而，生物质炭与有机废弃物料混合堆制并形成的炭基有机肥，其理化特性及功能特点尚不明确，并且有关炭基有机肥的研究在国内外尚无报道。为此，本研究以炭基有机肥为处理，以商品有机肥、不施有机肥为对照，研究炭基有机肥对水稻产量及土壤养分的影响，以期为炭基有机肥的农业生产应用提供理论依据与技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验基本情况
试验于2013年6—11月，在江苏省太仓市城厢镇东林村东林农场生产大田内进行。前茬为小麦，品种为扬麦9号。土壤为沙壤土，肥力中等偏下。水稻品种为南粳46号，5月28日工厂化基质育秧，6月13日机械化栽插，株行距13.33 cm×30.00 cm，化学氮肥施用量375 kg/hm2，P2O5为101.25 kg/hm2、K2O为101.25 kg/hm2。
1.2 试验设计
采用大区试验法，每个大区面积约890 m2。试验设3个处理，分别为炭基有机肥处理、商品有机肥处理、不施有机肥处理，3个处理的化学肥料施用量均相同。商品有机肥购买自江苏太仓绿丰有机肥料有限公司，采用畜禽粪便与食用菌渣按体积比4 ∶ 1混合堆制而成（水分含量46%，干基含有机质48.3%、全N 1.81%、P2O5 1.93%、K2O1.79%）；炭基有机肥是笔者所在项目组自主研发产品，将商品有机肥的初始混合堆肥体与生物质炭按一定的干基质量比例，再次混合堆制而成（水分含量45%，干基含有机质58.8%、全N 1.76%、P2O5 2.13%、K2O 2.28%）。生物质炭购于河南商丘三利新能源有限公司，其制备方法为：以花生壳粉为原料，厌氧条件、热裂解炭化温度为500 ℃，保持10 h，自然冷却，过40目筛。有机肥料的施用量均为 37.5 t/hm2。在田间进行测定与取样时，将大区分为3等份，进行3次重复的测定与取样。有机肥料均基施，在稻田土壤耕翻前采用机械施肥机进行均匀抛洒，再进行犁耕、水旋与整地作业，其余防病、治虫、除草、水浆管理等农业措施均与常规生产方法一致。
1.3 测定项目与方法
（1）水稻的高峰苗、抽穗期干物质质量测定：先调查每穴的平均穗数，按每穴穗数的平均数，每处理取样测定稻株的秸秆与穗部的干物质量。
（2）产量与产量构成：分别于水稻成熟期，按平均穗数取稻株5穴，将籽粒与秸秆分离，秸秆烘干后测定干物质量，籽粒采用水漂法测定饱瘪粒数。产量采用实际收割测定。
（3）稻株氮素养分含量测定：将抽穗期、成熟期的植株样品，采用双氧水-浓硫酸消解，凯氏定氮法测定植株中的氮素含量。
（4）稻后土壤养分：采集0～20 cm土壤1 kg，经风干研磨过筛后，测定土壤的有机质、全氮、全磷、水溶性氮与磷含量。
1.4 数据处理方法
数据采用Excel 2010整理，SPSS 19.0进行单因素方差分析[One-way ANOVA，Dunnett’s t-test（2-sided）]与多重比较（Post-hoc comparison LSD法），对处理组间的均值进行差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 炭基有机肥对水稻产量及其构成的影响
2.1.1 对水稻产量的影响 由图1可知，炭基有机肥处理的水稻产量为9 776.55 kg/hm2，商品有机肥处理的水稻产量为9 364.68 kg/hm2，不施有机肥处理的常规对照处理的水稻产量为9 287.14 kg/hm2。与不施有机肥处理相比，施用有机肥对水稻产量具有增产作用，其中炭基有机肥处理的水稻产量增产5.27%，商品有机肥处理的水稻产量增产0.83%；但统计分析结果表明，不同肥料处理之间，水稻产量的差异性均未 达显著水平。
2.1.2 对水稻产量构成的影响 由表1可知，施用有机肥可以增加水稻的高峰苗数，其中炭基有机肥料处理的水稻高峰苗最多，但不同处理之间差异不显著；炭基有机肥处理的水稻成穗率高于商品有机肥料及不施有机肥处理，且炭基有机肥料处理的穗数为437.99 万个/hm2，分别较商品有机肥、不施有机肥处理增长28.69%、13.22%；不同处理之间的每穗粒数以不施有机肥处理最大，但处理间无显著差异；施用有机肥料显著提高了水稻的結实率与千粒质量。可见，有机肥料处理的产量高于不施有机肥处理，与其结实率与千粒质量的增加有关，而炭基有机肥处理显著提高了水稻的穗数、结实率与千粒质量，从而对水稻表现出增产的作用趋势。
2.2 炭基有机肥对水稻干物质积累及氮素吸收利用的影响
2.2.1 对水稻干物质积累的影响 水稻干物质的积累是建造营养器官和形成籽粒产量的基础，干物质积累多、生物量高，经济产量才有保证。由图2可知，施用有机肥料可以提高水稻的干物质积累量，与对照处理相比，不同有机肥料处理的干物质积累量分别提高了23.88%、4.76%；但统计分析结果表明不同有机肥料处理之间干物质积累量无显著性差异。由图2还可知，炭基有机肥处理的水稻在抽穗至成熟期积累的干物质量最大，商品有机肥处理其次，较对照处理相比，分别增加了27.98%、9.75%，且统计分析结果表明，炭基有机肥处理的水稻抽穗期至成熟期积累的干物质量显著大于不施有机肥处理。可见，炭基有机肥处理的水稻产量较高，与该处理抽穗期至成熟期积累的干物质量较多有关。
2.2.2 对水稻氮素吸收与利用的影响 氮素是水稻生长必需的营养元素，施用氮肥是农业增产的主要手段。由图3可知，水稻抽穗期至成熟期阶段，炭基有机肥处理的稻株吸氮量最大，为 94.58 kg/hm2，商品有机肥处理的吸氮量为 86.36 kg/hm2，与对照处理相比，吸氮量分别提高了12.68%、2.86%。氮素的籽粒生产效率是指抽穗期至成熟期的水稻籽粒干物质增加量与氮素积累增加量的比值，即单位氮素所能生产的籽粒产量。由图3可知，炭基有机肥处理的水稻氮素
籽粒生产效率为97.04 kg/kg、商品有机肥处理的氮素籽粒生产效率为 94.95 kg/kg，而不施有机肥处理的氮素籽粒生产效率为 85.84 kg/kg，炭基有机肥处理的水稻增产与其抽穗期至成熟期的氮素籽粒生产效率较高有关。
2.3 炭基有机肥对稻田土壤养分的影响
由表2可知，施用有机肥对提高土壤的有机质含量具有促进作用。统计分析结果表明，有机肥料处理的稻后土壤有机质含量显著大于不施有机肥处理，而炭基有机肥处理的土壤有机质含量大于商品有机肥处理，但差异未达显著水平。施用有机肥可以提高稻后土壤的氮素含量，且炭基有机肥与商品有机肥对土壤总氮含量的增加幅度分别为19.23%、833%，其中炭基有机肥处理的土壤全氮含量显著大于不施有机肥料处理，而炭基有机肥处理虽然大于商品有机肥处理，但差异不显著；另外，以0.01 mol/L的氯化钙溶液浸提的土壤水溶性氮含量测定结果表明，炭基有机肥料处理最大、商品有机肥料处理其次，不施有机肥料处理最小，但差异未达显著水平。施用有机肥料可以提高稻后土壤的磷素含量，且炭基有机肥料与商品有机肥料对土壤总磷含量的增加幅度分别为22.22%、11.11%，水溶性磷也以炭基有机肥处理表现为最大，但差异均未达显著水平。
3 结论与讨论
炭基有机肥对水稻具有增产作用，与商品有机肥相比增产率为4.39%，与不施有机肥处理相比增产率为527%，但差异未达显著水平。乔志刚等在施用生物质炭的基础上设置了不同氮肥用量水平，发现施氮总量减少30%的处理与常规生产措施相比，对水稻产量无显著影响[9]。可见，生物质炭无论是单施或制成炭基有机肥后施用，对水稻均具有稳产与增产作用；在化学肥料、有机肥料用量均相同的条件下，生物质炭处理的肥效大于商品有机肥处理，是炭基有机肥对水稻的增产作用大于商品有机肥的主要原因。另外，炭基有机肥处理的水稻高峰苗、成穗率、千粒质量均大于商品有机肥处理，是炭基有机肥处理水稻增产的重要农艺性状表现。
一般而言，籽粒干物质的积累，一部分来自茎叶于抽穗前贮存而于抽穗后转运到穗部的非结构性碳水化合物，一部分来自抽穗后的光合作用，有研究表明抽穗后的光合产物占穗后干物质积累的90%以上，因此，抽穗后的叶片光合作用对产量的形成起着决定性作用[14-16]。本试验结果表明，炭基有机肥处理的水稻抽穗后干物质积累量与商品有机肥处理相比提高了16.61%，说明有机肥料中添加生物质炭更有利于水稻后期光合生产能力的提高，从而进一步提高水稻产量。另外，曲晶晶等研究认为施用生物质炭能够提高水稻的氮素利用率[17]。本试验结果表明，与商品有机肥处理相比，稻株的抽穗后吸氮量与氮素籽粒生产效率分别提高了9.54%、220%，与曲晶晶等研究结论相一致，说明生物质炭与畜禽粪便混合堆制后，并不影响其对水稻生长发育的作用功能。
施用生物质炭可促进土壤中氮的固定，同时生物质炭能通过阳离子交换而达到对土壤中NH 4、NO-3的吸附，抑制铵态氮向硝态氮的转化，减少氮素损失[18-19]。本试验结果表明，与商品有机肥处理相比，炭基有机肥处理的稻田土壤全氮与水溶性氮含量分别提高了10.06%、11.92%，全磷与水溶性磷含量分别提高了10.00%、9.67%，说明炭基有机肥对氮磷养分具有吸附与缓慢释放的特性，减少了氮磷养分通过径流等途径的损失，这可能是炭基有机肥提高氮素吸收利用率、实现水稻增产的直接原因。但是，炭基有机肥处理的水稻生长发育及土壤养分利用率，受生物质炭的特性、土壤性状、作物种类、栽培密度和田间管理措施等多因素影响，其功能特性尚有待作深入研究。
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