生物質(zhì)炭是有機(jī)材料在少氧或無(wú)氧條件下裂解產(chǎn)生的一類(lèi)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(guò)程，對(duì)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(yàn)來(lái)驗(yàn)證生物質(zhì)炭農(nóng)田施用后對(duì)土壤碳氮循環(huán)過(guò)程的影響，對(duì)于生物質(zhì)炭農(nóng)田施用后特別是一次性施用后的較長(zhǎng)期效果還缺乏研究。
中國(guó)科學(xué)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(yàn)，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(duì)土壤總有機(jī)碳（TOC）累積和氮肥利用率的影響。試驗(yàn)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(yàn)中相當(dāng)。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(jī)碳累積，其中在6年的周期中，當(dāng)生物質(zhì)炭與秸稈處理的秸稈投入量相同時(shí)，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(duì)照處理顯著增加了土壤原有有機(jī)碳的積累，低量生物質(zhì)炭施用下TOC年增加量是對(duì)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(duì)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(dāng)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(duì)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(jī)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(dá)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(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)(2018YFC0213302)，國(guó)家自然科學(xué)基金(41771336, 41471267)，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)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(jī)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(jī)碳含量的變化