生物质炭是有机材料在少氧或无氧条件下裂解产生的一类含碳量高、疏松多孔的物质。已有研究表明，生物质炭在农田上施用具有增加土壤碳固持、减少温室气体排放、提高土壤肥力和增加作物产量的效果。土壤碳氮循环是重要的元素循环过程，对作物养分高效利用及农业面源污染和温室气体排放具有重要影响。然而，已有研究多基于两年内的短期试验来验证生物质炭农田施用后对土壤碳氮循环过程的影响；对生物质炭农田施用后，特别是一次性施用后的较长期效果尚缺乏研究。
中国科学院亚热带农业生态研究所土壤生态与环境课题组基于6年的稻田田间定位试验，系统比较了秸秆还田和秸秆源生物质炭一次性施用对土壤总有机碳（toc）累积及氮肥利用率的影响。试验中，秸秆还田量设置为每季3tha-1（半量秸秆还田）和6tha-1（全量秸秆还田），秸秆生物质炭用量设置为一次性施用24tha-1（低量生物质炭还田）和48tha-1（高量生物质炭还田），其中，全量秸秆还田处理与低量生物质炭处理的秸秆投入量在6年的试验中相当。研究结果表明，秸秆和生物质炭施用均显著增加了toc累积，其中在6年的周期中，当生物质炭与秸秆处理的秸秆投入量相同时，生物质炭处理的土壤碳累积量是秸秆处理的2.6倍。除直接向农田输入碳之外，生物质炭处理较对照处理还显著增加了土壤原有有机碳的积累，低量生物质炭施用下，toc年增加量是对照处理的2倍。
研究发现，早稻季水稻籽粒产量在秸秆还田的前三年有所降低；秸秆还田的后三年，晚稻季水稻籽粒产量较对照显著增加。生物质炭由于自身额外养分输入，仅在施用当季显著增加水稻产量，其他年份水稻产量增加不显著。秸秆还田下，秸秆还田处理与对照处理籽粒和秸秆含氮量比值及氮肥利用率的比值均随土壤有机碳的增加而增加，半量和全量秸秆还田在4至6年后分别提高了晚稻季氮肥利用率，达22.3%和39.8%，表现出明显的碳氮协同效果；施用生物质炭下，则未表现出这种碳氮协同效果。
该研究表明，秸秆生物质炭施用较秸秆还田有更高的固碳潜力，有利于增加稻田土壤固碳能力；秸秆还田有利用更好发挥碳氮协同效果，起到“以碳促氮”的效果，有利于减少化肥用量并提高氮肥利用率。
相关研究成果以contrasting effects of straw and straw-derived biochar applications on soil carbon accumulation and nitrogen use efficiency in double-rice cropping systems为题，发表在agriculture, ecosystems and environment上。研究工作得到国家重点研发、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会的支持。
图1.全量秸秆还田及低量生物质炭施用下6年中土壤碳固持、水稻产量及氮肥利用率变化
图2.秸秆还田及秸秆源生物质炭施用下6年中土壤总有机碳含量变化
图3.秸秆还田（a）及秸秆源生物质炭（b）施用下氮肥利用率比值随土壤总有机碳含量的变化
研究团队单位：亚热带农业生态研究所
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