棉稈生物炭對(duì)南疆地區(qū)水稻產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

王德勝， 胡蕓莎， 曹 琦， 楚合營(yíng)， 王 芳

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300； 2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300； 3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏銀川 750002)

南疆是指新疆天山以南地區(qū)，屬于典型溫帶干旱性大陸氣候，光熱資源豐富，但晝夜溫差較大，降水量少，屬于干旱地區(qū)。南疆塔里木盆地周邊分布著大大小小的綠洲，經(jīng)過(guò)多年開墾和耕耘，形成了相對(duì)完善的灌溉體系，已成為新疆重要的優(yōu)質(zhì)棉和特色林果生產(chǎn)基地[1]。在充分發(fā)揮南疆水熱資源的前提條件下，南疆種植業(yè)結(jié)構(gòu)也在進(jìn)行調(diào)整，種植水稻是南疆地區(qū)防御風(fēng)沙、積蓄水源和治理土壤鹽漬化主要措施之一。

棉花秸稈作為固體廢棄物儲(chǔ)存了1/2的光合產(chǎn)物，直接還田當(dāng)季難以腐解，棉花秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)法合理利用[2]，近年來(lái)興起的生物質(zhì)炭化技術(shù)為棉花秸稈合理利用開辟了新途徑[3]。生物質(zhì)炭是一種以生物質(zhì)為原料，在厭氧條件下高溫進(jìn)行熱裂解生成的一種含碳豐富的固體物質(zhì)，生物炭一般含碳60%以上，具有發(fā)達(dá)的孔隙和較大的比表面積[4-5]，使生物炭有極強(qiáng)的吸附和抗氧化能力，在土壤理化性狀改良、土壤微生態(tài)環(huán)境調(diào)控、提高作物產(chǎn)量以及肥料利用率等方面受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-9]。生物炭作為一種新型“碳負(fù)”材料，不但為新疆地區(qū)棉稈資源化利用提供了新途徑，而且具有改善土壤理化性狀和保蓄水分、養(yǎng)分的效果，還可以改善自然界碳循環(huán)，減少溫室氣體排放。

塔里木盆地灌區(qū)由于土壤基礎(chǔ)肥力和結(jié)構(gòu)較差以及次生鹽漬化嚴(yán)重，水稻產(chǎn)量徘徊和肥料利用率低是水稻生產(chǎn)中的主要問(wèn)題。研究表明，稻田添加外源生物炭具有提高水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率和增加土壤氮素持留的效果。通常情況下水稻產(chǎn)量隨生物炭實(shí)用量的增加而增加[10-11]，但有時(shí)也存在高量生物炭添加反而不如低量生物炭添加增產(chǎn)效果明顯的現(xiàn)象[12]。劉玉學(xué)研究表明，秸稈生物炭對(duì)水稻增產(chǎn)效果顯著，不施氮肥情況下，1%秸稈生物炭能夠使水稻增產(chǎn)19.9%，施氮情況下增產(chǎn)11.2%[13]。張千豐等通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究表明，在 1 kg 干土中添加20 g生物炭情況下，水稻產(chǎn)量增加最多，相比對(duì)照產(chǎn)量提高33.21%，且顯著增加水稻粒數(shù)和千粒質(zhì)量[14]。

生物炭對(duì)氮肥具有良好的吸附、固持作用，配合施用能起到相互促進(jìn)的效果[15]。Knowles等研究表明，在粉沙壤土中施入生物炭可以減少硝態(tài)氮(NO3--N)淋失[11]；Novak等研究了沙壤土中氮素淋失與生物炭之間的關(guān)系[9]。Glaser等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與肥料配合施用能夠明顯提高肥料利用率，二者間的互補(bǔ)或協(xié)同作用可減少氮素養(yǎng)分的損失，延長(zhǎng)養(yǎng)分的釋放期，同時(shí)化肥可以彌補(bǔ)生物炭養(yǎng)分不足的缺陷[12]。Bruun等研究認(rèn)為，可能是因?yàn)樯锾康氖┤胩岣吡送寥乐杏袡C(jī)碳含量，生物炭與肥料的協(xié)同作用從而引起土壤C/N的升高，進(jìn)一步提高了土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸持容量，促進(jìn)了農(nóng)作物對(duì)氮的吸收[16]。生物炭能夠提高氮肥利用率，可能與其表面豐富的官能團(tuán)和巨大的比表面積使其自身具有吸附大量養(yǎng)分離子的能力有關(guān)[17]，再通過(guò)土壤陽(yáng)離子交換量的提高，進(jìn)一步提升了交換吸附更多養(yǎng)分的能力，起到對(duì)養(yǎng)分的吸附和緩慢釋放的積極作用，從而達(dá)到促進(jìn)水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，提高水稻氮肥利用率的作用[18-19]。

提高產(chǎn)量是南疆水稻種植領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，前期研究工作主要圍繞高產(chǎn)品種選育和水肥管理開展，通過(guò)施用外源生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的研究少有報(bào)道。本試驗(yàn)將外源棉稈生物炭添加到稻田中，旨在研究南疆水稻生產(chǎn)中肥料利用率較低的現(xiàn)象，為南疆水稻高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師2團(tuán)，該區(qū)屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫40.6 ℃，極端最低氣溫-21.6 ℃。該區(qū)太陽(yáng)輻射年均0.56～0.61 MJ/cm2，年均日照2 556～2 992 h，日照率為58.7%，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量40～82 mm，年均蒸發(fā)量 1 877～2 559 mm。供試土壤類型為水稻土，耕層(20 cm)土壤養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)含量8.64 g/kg，全氮含量0.91 g/kg，速效氮含量 52.31 mg/kg，速效磷含量14.87 mg/kg，速效鉀含量 101.6 mg/kg，全鹽含量4.17 mg/kg，土壤肥力狀況偏下。供試生物炭為棉稈用裂解爐在450 ℃條件下炭化2 h制備，理化性狀為：pH值9.03，有機(jī)碳含量590 g/kg，全氮含量 29.36 g/kg，全磷含量10.44 g/kg，全鉀含量18.46 g/kg，堿解氮含量21.38 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，對(duì)照處理不施氮肥和生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭處理設(shè)置5個(gè)水平，各處理化學(xué)肥料和生物質(zhì)炭用量見表1。對(duì)照處理只施用磷鉀肥，常規(guī)施肥處理(不施炭)氮肥用量為根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門推薦的水稻用量 240 kg/hm2，氮肥的60%在整地時(shí)作為基肥施入，20%分蘗期施入，另20%拔節(jié)期施入。全部磷肥和鉀肥均在整地時(shí)作為基肥一次性施入，P2O5用量為105 kg/hm2，K2O用量為 75 kg/hm2，全部生物質(zhì)炭整地時(shí)隨基肥一次施入。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)于2016年4—10月進(jìn)行，水稻品種為新稻36號(hào)，條播，行距為20 cm，試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m×10 m=50 m2，2016年4月15號(hào)播種，播種量為180 kg/hm2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)之間用地膜隔離，地面田埂包高30 cm，地下隔離埋深50 cm，防止水分和養(yǎng)分在小區(qū)間側(cè)滲和串流，各小區(qū)均設(shè)單獨(dú)的灌水口和排水口，單灌單排，其他管理同大田常規(guī)管理。

1.3 樣品采集

水稻收獲時(shí)按1 m2小區(qū)采集樣品，樣品中秸稈和籽粒分開進(jìn)行考種和養(yǎng)分含量測(cè)定，在烘箱內(nèi)將樣品于70 ℃下殺青 20 min，105 ℃烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算生物量，整個(gè)小區(qū)實(shí)打?qū)嵤沼?jì)算產(chǎn)量。水稻收獲后按照20 cm等距離層次采集100 cm深度的土壤，計(jì)算土體中礦質(zhì)氮累積和氮素平衡特征。

1.4 樣品測(cè)定及數(shù)據(jù)處理

環(huán)刀法測(cè)定土壤樣品容重，凱氏定氮法測(cè)定植株樣品全氮含量，擴(kuò)散皿法測(cè)定速效氮含量，鉬藍(lán)比色法測(cè)定速效磷含量，火焰光度法測(cè)定速效鉀含量，硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定水樣總氮含量，F(xiàn)TURA流動(dòng)注射分析儀測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量[20]。采用Excel和SAS 8.0軟件分析處理數(shù)據(jù)，Duncan’s新復(fù)極差法檢驗(yàn)方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈生物炭對(duì)南疆地區(qū)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表2可知，與對(duì)照處理(CK)比較，施用氮肥和添加棉稈生物炭均顯著提高了水稻籽粒產(chǎn)量，施肥處理產(chǎn)量提高 3 416～4 197 kg/hm2，增產(chǎn)率為81.41%～100.02%，可見氮肥施用是保障水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)。與C0處理相比，除添加生物炭4 500 kg/hm2(C1處理)水稻產(chǎn)量增加不顯著外，其余添加生物炭處理均顯著提高了水稻產(chǎn)量，其中以添加生物炭 13 500 kg/hm2(C3處理)水稻產(chǎn)量最高，比C0處理增產(chǎn) 781 kg/hm2，相應(yīng)的增產(chǎn)幅度為 10.26%。當(dāng)生物炭用量超過(guò) 13 500 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量增產(chǎn)效果不明顯。在南疆水稻種植區(qū)，添加生物炭在9 000～13 500 kg/hm2對(duì)水稻有增產(chǎn)效果。

表2 添加生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表4同。

由表3可知，各處理間相比，CK處理因?yàn)闆](méi)有氮肥投入，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)較弱，株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和有效穗數(shù)指標(biāo)均低于其他處理，只有千粒質(zhì)量高于其他處理，這是因?yàn)樗静皇┑识鵂I(yíng)養(yǎng)不足，提前進(jìn)入生殖生長(zhǎng)。各施氮處理間相比，添加生物炭可以提高水稻的穗粒數(shù)和有效穗數(shù)，對(duì)于株高和千粒質(zhì)量影響不大。與C0處理相比，C3處理的穗粒數(shù)和有效穗數(shù)分別提高 8.57%、4.70%，原因可能是添加生物炭以后水稻根系活力增強(qiáng)，加上生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附作用提高了后期的養(yǎng)分供應(yīng)能力，減少了水稻空妣率，提高了水稻穗粒數(shù)和有效穗數(shù)，使水稻籽粒產(chǎn)量提高成為可能。

2.2 棉稈生物炭對(duì)南疆地區(qū)氮肥利用率的影響

由表4可知，與CK處理相比，施用氮肥可明顯促進(jìn)水稻對(duì)氮肥的吸收，添加棉稈生物炭可明顯影響水稻的吸氮量和氮肥利用率，且隨著生物炭用量增加逐漸提高。與C0處理相比，C2、C3、C4處理的氮肥利用率分別提高4.96、5.75、5.91百分點(diǎn)，表明棉稈生物炭的施入可顯著提高水稻的氮肥利用率，但C2、C3、C4處理間氮肥利用率差異未達(dá)到顯著水平。生物炭能夠提高氮肥利用率，可能與其表面豐富的官能團(tuán)和巨大的比表面積使其自身具有吸附大量養(yǎng)分離子的能力有關(guān)，再通過(guò)土壤陽(yáng)離子交換量的提高，進(jìn)一步提升了交換吸附更多養(yǎng)分的能力，起到對(duì)養(yǎng)分的吸附和緩慢釋放的積極作用，從而達(dá)到促進(jìn)水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、提高水稻氮肥利用率的作用。

表3 添加生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表4 施用生物質(zhì)炭對(duì)水稻氮素吸收及氮肥利用率的影響

2.3 棉稈生物炭對(duì)稻田土體中礦質(zhì)氮累積和氮平衡特征的影響

稻田由于頻繁灌水導(dǎo)致土體中的礦質(zhì)氮向下淋洗，向下淋洗的礦質(zhì)氮脫離了水稻根系吸收區(qū)域，不僅造成了養(yǎng)分損失，降低氮肥利用率，而且進(jìn)入淺層地下水的養(yǎng)分還會(huì)對(duì)水環(huán)境造成威脅[21]。從圖1可見，CK處理沒(méi)有施用氮肥，水稻整個(gè)生育期結(jié)束后，0～100 cm土層內(nèi)的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量均明顯低于其他處理。C0處理硝態(tài)氮累積量出現(xiàn)了向下淋洗的趨勢(shì)，在40～60 cm深度土層范圍內(nèi)，硝態(tài)氮累積量高于其他處理。各施用生物炭處理提高了0～40 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮累積量，減少了硝態(tài)氮向40～60 cm深度土層的淋洗。0～40 土層深度硝態(tài)氮容易被水稻吸收利用，通常將20、40 cm 深度硝態(tài)氮累積量之和作為評(píng)價(jià)土壤供氮能力指標(biāo)[21]。C0處理0～40 cm深度土層硝態(tài)氮量為 36.68 kg/hm2，C1、C2、C3、C4處理0～40 cm深度土層硝態(tài)氮量分別為41.78、42.98、44.10、45.58 kg/hm2，說(shuō)明施用生物炭明顯提高了耕層土壤中硝態(tài)氮含量，是因?yàn)樯锾勘旧韼в姓姾?，?duì)負(fù)電荷的硝態(tài)氮吸附能力較強(qiáng)，降低了硝態(tài)氮向深層土體的淋洗[22]。各施肥處理間銨態(tài)氮在土體中累積量差異不大。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，同等施氮處理間比較，棉稈生物炭施用量達(dá)到9 000 kg/hm2以上時(shí)，水稻產(chǎn)量顯著提高，以添加棉稈生物炭13 500 kg/hm2處理產(chǎn)量最高，增產(chǎn)幅度為10.26%。施用棉稈生物炭對(duì)南疆水稻千粒質(zhì)量影響不顯著，添加生物炭C3處理水稻的穗粒數(shù)和有效穗分別提高8.57%、4.70%，原因是添加生物炭以后水稻根系活力增強(qiáng)，加上生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附作用提高了后期的養(yǎng)分供應(yīng)能力，減少了水稻空妣率，提高了水稻穗粒數(shù)和有效穗數(shù)，為水稻籽粒產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。

研究結(jié)果顯示，添加生物炭處理氮肥利用率增幅在 4.96～5.91百分點(diǎn)，除C1處理外，其他添加生物炭量處理間氮肥利用率差異未達(dá)到顯著水平。水稻收獲后通過(guò)對(duì)土體中礦質(zhì)氮進(jìn)行測(cè)定，顯示施用生物炭明顯提高了耕層土壤中硝態(tài)氮含量，但對(duì)銨態(tài)氮的持留效果則不明顯，這是因?yàn)樯锾勘旧韼в姓姾桑瑢?duì)負(fù)電荷的硝態(tài)氮吸附能力較強(qiáng)，降低了硝態(tài)氮向深層土壤進(jìn)一步淋洗的可能。說(shuō)明生物炭能夠增強(qiáng)氮的固定，減少硝態(tài)氮淋失。生物炭施入稻田以后，土壤的理化性質(zhì)以及微生物活動(dòng)產(chǎn)生變化，與稻田小氣候共同作用影響作物產(chǎn)量，但相互作用機(jī)制尚不清楚，此外，養(yǎng)分吸收及轉(zhuǎn)化對(duì)生物炭施用的響應(yīng)不同，還與生物炭的種類、添加量、土壤性質(zhì)等多種因素相關(guān)[23]。