稻田系统中秸秆生物炭在减少氮和磷流失以及稳定产量方面的田间应用效果

《Environmental Technology & Innovation》：Field-Scale Performance of Straw Biochar for Mitigation of Nitrogen and Phosphorus Runoff Losses and Yield Stabilization in Paddy Systems

本研究在浙江两处监测站进行实地测试，比较了稻秆和玉米秸秆生物炭（RB和MB）对水稻田氮磷流失及产量的影响。结果显示，MB在减少总氮（13.0–31.2%）和总磷（19.9–30.4%）流失方面更有效，同时MB在营养缺乏土壤中使产量提高9.9%，而RB保持稳定产量。结论表明，当地丰富的秸秆生物炭（尤其是MB）可有效减少农业非点源污染并维持水稻产量。

　　农业非点源污染的控制与作物产量的维持，一直是全球农业可持续发展面临的重要挑战。本研究通过在水稻种植系统中进行大田尺度的验证，探讨了适度施用两种区域丰富的秸秆生物炭——稻草生物炭（RB）和玉米秸秆生物炭（MB）对氮（N）和磷（P）流失以及水稻产量的影响。研究结果表明，MB在降低总氮（TN）和总磷（TP）浓度和负荷方面表现优于RB，同时在营养不足条件下，MB还能提升水稻产量，显示出其在农业污染控制和作物产量提升中的双重潜力。

### 研究背景与意义

农业非点源污染主要源于农田中过量施用化肥、有机质流失以及地表径流等过程，这些因素共同导致水体富营养化，进而影响生态环境。传统农业管理方式往往以提高产量为主要目标，忽视了对环境的影响。近年来，随着对环境保护意识的增强，研究者们开始探索能够同时实现农业增产与环境治理的技术路径。生物炭作为一种由生物质在缺氧条件下热解制成的碳质材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、丰富的官能团以及较强的吸附能力，被广泛认为是可持续农业的重要工具。

生物炭不仅可以改善土壤结构、增强土壤肥力，还能有效减少氮和磷的流失。然而，目前关于生物炭在农业系统中应用的研究，大多基于实验室尺度或短期试验，缺乏在真实农田环境中的验证。此外，生物炭对作物产量的影响也存在争议，部分研究认为其可能降低产量，而另一些则指出其在某些条件下具有增产潜力。因此，如何在不影响作物产量的前提下，利用生物炭减少农业污染，成为当前研究的重点。

本研究聚焦于稻草和玉米秸秆这两种在中国杭嘉湖平原广泛存在的农业废弃物，探讨其在大田条件下的应用效果。通过比较不同生物炭对氮和磷流失的控制能力以及对水稻产量的影响，研究者希望为农业可持续发展提供科学依据，并为政策制定者提供可行的建议。

### 研究方法与实验设计

本研究在浙江省的两个农业非点源污染监测站进行，分别位于平湖市广城镇（S1）和长兴县吕巷镇（S2）。这两个地点具有相似的气候条件，但土壤性质不同：S1为黏壤土，TP含量较高，土壤pH接近中性；S2为黏土，TP含量较低，土壤偏酸性。这种土壤差异为研究生物炭在不同土壤背景下的应用效果提供了理想的实验条件。

实验设计采用了随机区组设计，设置四种处理：无施肥对照（CK）、常规施肥（CF）、常规施肥加稻草生物炭（CF+RB）、常规施肥加玉米秸秆生物炭（CF+MB）。每种处理设置三个重复，每个处理面积为37.5平方米。生物炭的施用量为1.5吨/公顷，这一剂量基于以往研究，被认为是既能体现环境与农业效益，又具备实际推广价值的合理范围。

为了有效收集地表径流，每个试验田都配备了独立的径流收集池，其尺寸为2.5 × 1.6 × 0.8米。收集池通过独立的入水渠道与试验田相连，并设有沉淀区和出水阀门，以便进行精确的采样和控制。为了防止外部污染，收集池还配备了防护罩。每次采样前，收集池内的沉积物会被清除，残留水分会被排出，并用去离子水冲洗，以确保数据的准确性。

### 生物炭的制备与特性分析

本研究使用的生物炭来源于本地收集的稻草和玉米秸秆。这些生物质在空气中干燥后被切割成小块，并在缺氧条件下于450℃下热解1小时。热解后的生物炭被研磨并筛分至小于2毫米，以便于在田间均匀施用。生物炭的物理化学特性通过多种方法进行分析，包括元素分析仪测定总碳（TC）、总氮（TN）和总磷（TP）含量，扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）研究表面形态和元素分布，氮气吸附法测定比表面积（SSA）和孔隙结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）用于分析表面化学组成和功能团。此外，阳离子交换容量（CEC）也通过氮分析仪进行测定。

结果显示，稻草生物炭（RB）和玉米秸秆生物炭（MB）在物理化学特性上存在显著差异。MB具有更发达的孔隙结构，尤其是中孔，这可能有助于其对磷的吸附能力。相比之下，RB表面较为平滑，孔隙较少，但其高比表面积和丰富的羧基官能团使其在氮吸附方面表现出色。EDS分析进一步揭示了MB中含有较高的钙（Ca）和铝（Al）含量，而RB中则磷（P）含量较高，同时氧气含量略低。这些元素和官能团的差异，可能解释了MB和RB在氮磷吸附上的不同表现。

### 实验结果与分析

在水稻生长季节期间，研究团队对不同处理下的径流进行了详细监测。结果显示，与无施肥对照（CK）相比，常规施肥（CF）显著增加了径流中的氮和磷浓度。然而，施用生物炭的处理（CF+RB和CF+MB）有效降低了氮和磷的流失量。特别是在高风险降雨事件中，生物炭的应用显著抑制了养分的快速流失，从而减少了对水体的污染。

在具体数据上，MB在降低TN和TP浓度方面表现更为显著。在S1和S2两个试验点，MB分别减少了TN流失量的13.0–31.2%和TP流失量的19.9–30.4%。相比之下，RB的TN和TP减少幅度分别为8.5–24.8%和18.4–20.0%。这表明，MB在控制磷流失方面具有更大的潜力。此外，生物炭的应用还改变了径流中氮磷的比例，使其从12:1上升至30:1，这可能意味着水体中磷的供应不足，从而抑制藻类生长，降低富营养化风险。

在水稻产量方面，MB的应用在S2试验点表现出更显著的增产效果。与常规施肥（CF）相比，CF+MB处理下的水稻产量提高了9.9%，而CF+RB处理则增加了8.5%。相比之下，S1试验点的产量差异不显著，这可能与该地区较高的土壤肥力和接近中性的pH值有关。此外，MB的高碳含量可能有助于改善土壤结构，提高土壤对氮磷的固定能力，从而在一定程度上促进作物生长。

### 生物炭对氮磷流失的控制机制

本研究进一步探讨了生物炭对氮磷流失的控制机制。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究者发现MB的铝（Al）含量较高，能够通过Al-O位点与磷酸盐（H?PO??）发生强效的化学吸附，从而显著减少磷的流失。而RB则主要依赖其丰富的羧基官能团对铵（NH??）进行物理吸附，这种吸附方式在一定程度上也能够减少氮的流失。

此外，生物炭的施用还改善了土壤结构，增强了土壤胶体的团聚和稳定性，从而减少了细颗粒物中氮磷的流失。同时，生物炭释放的碱性物质能够调节土壤pH，影响氮磷的吸附-解吸动态，进一步降低其在径流中的浓度。这些机制共同作用，使得生物炭在减少氮磷流失方面表现出色。

### 农业与环境的协同效益

除了对氮磷流失的控制，生物炭的应用还带来了其他农业和环境上的协同效益。例如，生物炭的使用有助于提高土壤肥力，改善作物营养吸收能力，从而在一定程度上提升水稻产量。同时，生物炭的施用还能减少化肥的使用量，降低农业生产中的氮磷排放，从而减轻对水体的污染。

此外，生物炭的应用还具有经济上的可行性。本研究中，生物炭的施用成本约为20–30美元/公顷，这一成本在大多数地区都是可以接受的。通过合理调整生物炭与化肥的比例，农民可以在不牺牲产量的前提下，实现农业生产的可持续发展。从政策层面来看，政府可以通过制定区域性的生物炭应用指南、提供经济激励以及推动农业废弃物的循环利用，促进生物炭的大规模应用。

### 研究局限与未来展望

尽管本研究在大田尺度上验证了生物炭对氮磷流失的控制效果，但仍存在一些局限性。首先，生物炭的物理化学性质会受到原料种类和热解条件的影响，这可能导致不同地区的应用效果存在差异。因此，未来需要根据不同地区的土壤条件和气候特点，对生物炭的制备和施用方式进行优化。

其次，本研究的实验周期相对较短，主要关注了水稻生长季节的氮磷流失情况。然而，生物炭对土壤长期肥力、微生物生态以及有机质矿化等影响仍需进一步研究。长期监测和深入分析这些因素，有助于全面评估生物炭的环境和农业效益。

最后，从实际应用角度来看，生物炭的生产、运输和田间施用成本可能成为推广的主要障碍。因此，未来需要探索更经济高效的生物炭生产方式，并将其与当地的农业废弃物管理相结合，以降低应用成本，提高农民的接受度。

### 结论与政策建议

本研究的结论表明，适度施用区域来源的秸秆生物炭，特别是在水稻种植系统中，可以有效减少氮磷的流失，同时稳定或提高水稻产量。MB在减少磷流失方面表现尤为突出，而RB则在氮的吸附和稳定产量方面具有优势。这些结果为农业可持续发展提供了重要的科学依据，同时也为政策制定者提供了可行的策略建议。

为了推动生物炭的广泛应用，政策制定者应考虑以下几个方面：一是制定区域性的生物炭应用指南，根据当地的土壤条件和气候特点，推荐合适的生物炭种类和施用方法；二是通过经济激励措施，如补贴或税收优惠，降低农民的使用成本；三是推动农业废弃物的循环利用，建立生物炭生产与应用的产业链，提高其经济和环境效益。通过这些措施，生物炭有望成为农业污染控制和可持续发展的有效工具。