竹粉和竹炭對(duì)水稻土壤理化性質(zhì)及其產(chǎn)量的影響

查金花 應(yīng)立忠 宋玉平 馬建義

摘要：為探討竹粉和竹炭作為水稻土壤條件的有效性，設(shè)立2組對(duì)比試驗(yàn)共10個(gè)處理區(qū)進(jìn)行研究，將竹粉和竹炭以質(zhì)量比為7 ∶ 3的比例混合后，分別以0、10%、20%、30%、40%、50%的質(zhì)量比加入到原始土壤。將竹粉和竹炭分別按照質(zhì)量比為10 ∶ 0、7 ∶ 3、5 ∶ 5、3 ∶ 7、0 ∶ 10混合后，以原始土壤質(zhì)量的30%添加到原始土壤中。結(jié)果表明，竹材料的添加對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，可明顯提升土壤的pH值、EC值和可交換K+濃度。同時(shí)，竹材料的添加有望減輕苗箱的質(zhì)量并增加最大含水量。竹材料的添加對(duì)水稻的幼苗生長(zhǎng)和產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。

關(guān)鍵詞：竹材料;土壤pH值;土壤碳儲(chǔ)存;水稻產(chǎn)量;土壤化學(xué)性質(zhì)

中圖分類號(hào)： S511.06 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）17-0292-04

近年來(lái)，生物炭引起全球環(huán)境學(xué)家、土壤學(xué)家和農(nóng)學(xué)家越來(lái)越多的關(guān)注[1]。將生物炭施入到土壤中，也被認(rèn)為是對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中CO2長(zhǎng)期碳匯作用的新方法[2]。但從總體上來(lái)看，對(duì)于不同生物炭輸入土壤后帶來(lái)的效果研究仍然處于持續(xù)探索的階段。竹炭是竹材熱裂解后生成的一種生物炭，由于竹材質(zhì)有區(qū)別于其他生物質(zhì)原料在形態(tài)結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分組成和生長(zhǎng)特性上的特點(diǎn)，讓竹炭成為一類具有獨(dú)特性能的生物炭[3]。本研究從新的角度出發(fā)，以竹粉+竹炭+原土的不同試驗(yàn)方式，研究其對(duì)水稻育苗土壤理化性質(zhì)、生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量的改良效果，探索竹炭在農(nóng)林土壤環(huán)境中有效應(yīng)用的新途徑[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹材料由浙江寧波奉化某木炭廠提供，將干燥的竹材料粉碎并過(guò)20目篩（0.85 mm）來(lái)獲得竹粉，并用簡(jiǎn)單的炭化裝置將相同的竹材料炭化并粉碎，過(guò)20目篩獲得竹炭。竹炭的燃燒溫度為 600～700 ℃。竹粉、竹炭的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)中用于水稻育苗箱的與竹粉和竹炭混合的原土為木炭廠周邊的灰色低地土壤，原土的粒度組成為沙 43.7%、淤泥35.8%、黏土20.5%，土壤為沙土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了全面闡明竹粉和竹炭對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響，本研究設(shè)置10個(gè)處理區(qū)（表2）：（1）為了檢驗(yàn)竹粉與竹炭添加比例的影響，將竹粉和竹炭以質(zhì)量比為7 ∶ 3的固定比例混合后，以0、10%、20%、30%、40%、50%的質(zhì)量百分比加入到原始土壤中。（2）為了檢驗(yàn)竹粉和竹炭比例的影響，竹粉和竹炭分別按照質(zhì)量比為10 ∶ 0、7 ∶ 3、5 ∶ 5、3 ∶ 7、0 ∶ 10混合后，再將竹粉、竹炭混合物與原始土壤混合以質(zhì)量比為 3 ∶ 7 混合。試驗(yàn)每個(gè)處理區(qū)的土壤栽培在各自的條件下進(jìn)行，通過(guò)添加等量的50 mL/kg乙酸乙烯酯作為黏合劑制備混合竹粉、竹炭、原土，并添加適當(dāng)?shù)乃當(dāng)嚢?，造粒直徑?～5 mm，不添加化肥。處理區(qū)3與處理區(qū)7為相同的處理。

1.3 測(cè)定對(duì)水稻育苗箱土壤理化性質(zhì)的影響

為了解土壤的理化性質(zhì)，測(cè)定土壤的pH值，采用105 ℃烘干土壤，過(guò)20目篩后與無(wú)離子水以質(zhì)量比為1.0 ∶ 2.5混合攪拌10 min后靜置30 min，用pH計(jì)電位法測(cè)定上清液pH值;通過(guò)干燃燒法測(cè)量總碳含量和總氮含量，并計(jì)算C/N;用1 mol/L 乙酸銨溶液提取，浸出液蒸干后用HNO3揮氨，在鹽酸介質(zhì)中同時(shí)測(cè)定土壤中交換性鈣、鎂、鉀、鈉的濃度;用氯化鋇法測(cè)定土壤中陽(yáng)離子交換量（CEC）。

1.4 測(cè)定水稻幼苗生長(zhǎng)及其產(chǎn)量的影響

水稻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)量：在培養(yǎng)30 d后統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)組水稻培苗株高。干物質(zhì)量的測(cè)定：先測(cè)定株高，再采集樣品，將植株按莖、葉、根系分開(kāi)采集，稱鮮質(zhì)量后，在鼓風(fēng)干燥恒溫箱中于105 ℃條件下殺青30 min后，再在80 ℃烘干至恒質(zhì)量，用1/10 000電子天平稱質(zhì)量，3次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和作圖，使用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水稻育苗箱土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表3可知，在處理區(qū)1至處理區(qū)5的pH值、EC值、總碳含量、總氮含量、碳氮比、可交換Mg2+濃度、可交換K+濃度、可交換Na+濃度、CEC，與對(duì)照組（CK）相比，均存在顯著性上升（P<0.05）?？山粨QCa2+濃度基本存在顯著性下降（P<0.05）。

在處理區(qū)6至處理區(qū)10中，pH值、EC值、可交換K+濃度、可交換Na+濃度隨著竹炭添加率的上升大體呈上升趨勢(shì)，特別是在處理區(qū)9、處理區(qū)10中，pH值分別上升至8.89、9.38，遠(yuǎn)高于CK的pH值?？山粨QMg2+濃度與CK相比顯著下降（P<0.05）。在處理區(qū)7至處理區(qū)9中，總碳含量和可交換Ca2+濃度無(wú)顯著性差異（P>0.05）。

2.2 對(duì)水稻育苗箱土壤物理性質(zhì)的影響

由表4可知，在處理區(qū)1至處理區(qū)5中，隨著竹材料添加率的上升，苗箱的培土質(zhì)量和分層培土質(zhì)量百分比顯著下降（P<0.05），即未添加竹材料的處理區(qū)CK的培土質(zhì)量為6.38 kg，而竹材料添加率為30% 的處理區(qū)3的培土質(zhì)量為4.35 kg，添加率為50%的處理區(qū)5的培土質(zhì)量幾乎減半至 3.19 kg。結(jié)果表明，使用竹材料栽培苗箱對(duì)于減輕苗箱的質(zhì)量十分有效。

在處理區(qū)1至處理區(qū)5中，育苗箱的最大含水量隨竹材料的添加率上升總體呈上升趨勢(shì)。結(jié)果表明，竹材料的添加有助于增加苗箱的最大含水量。但是，處理區(qū)4和處理區(qū)5在加水的初期表現(xiàn)出拒水性，因此，如果使用大量的竹材料，則應(yīng)在播種前進(jìn)行初步滲透以抑制拒水性。

在處理區(qū)6至處理區(qū)10中，隨著竹炭添加比例的上升，苗箱的培土質(zhì)量和分層培土質(zhì)量百分比明顯上升。即僅用竹粉的處理區(qū)6中的培土質(zhì)量為3.65 kg，而僅用竹炭的處理區(qū)10中的培土質(zhì)量為4.97 kg。僅用竹粉的處理區(qū)6中的含水量最大，為1.09 L/kg，僅用竹炭的處理區(qū)10中的含水量為0.75 L/kg。因此，僅考慮減輕苗箱的質(zhì)量和增加苗箱的最大含水量，使用竹粉比竹炭更有效。

2.3 對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及其產(chǎn)量的影響

由表5可知，在處理區(qū)1至處理區(qū)5中，竹材料添加比例為10%、30%的處理區(qū)1、處理區(qū)3的水稻幼苗的株高與CK相比顯著上升。竹材料添加比例為20%、40% 的處理區(qū)2和處理區(qū)4的干物質(zhì)量和水稻產(chǎn)量與CK相比顯著上升（P<0.05）。即收獲期稻田的平均干物質(zhì)質(zhì)量為18.8 t/hm2，處理區(qū)2為平均值最高21.6 t/hm;水稻平均產(chǎn)量為 9.4 t/hm2，處理區(qū)2的平均值最高，為11.1 t/hm2。但從總體趨勢(shì)來(lái)看，處理區(qū)2和處理區(qū)4被認(rèn)為適合優(yōu)化水稻幼苗的生長(zhǎng)及產(chǎn)量。總之，在本試驗(yàn)竹材料添加比例（0～50%）條件下，在水稻幼苗或其生長(zhǎng)中均未觀察到由于添加竹材料而產(chǎn)生的顯著的生長(zhǎng)抑制作用。

在處理區(qū)6至處理區(qū)10中，水稻幼苗的株高隨著添加的竹炭率上升呈下降趨勢(shì)。處理區(qū)9、處理區(qū)10的幼苗高度顯著低于其他處理地塊。因此，可判斷竹材料中的竹炭的比例最高應(yīng)限制在50%。而竹炭含量超過(guò)50%的處理區(qū)的生長(zhǎng)抑制作用主要是由于化學(xué)降解，例如，pH值高達(dá)9左右下的微量元素缺乏以及EC值超過(guò)1 dS/m導(dǎo)致的滲透壓升高所致。此外，竹粉和竹炭比例對(duì)水稻地上干物質(zhì)量和水稻平均產(chǎn)量的影響不明顯，不存在顯著性差異（P>0.05）。結(jié)果表明，苗箱的環(huán)境對(duì)水稻幼苗株高的增加、干物質(zhì)量和水稻平均產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)竹材料加入土壤的比例為 20%～30%（處理區(qū)2、處理區(qū)3），竹炭率在50%以下（處理區(qū)6、處理區(qū)7、處理區(qū)8）時(shí)效果較優(yōu)。由此可見(jiàn)，混合竹粉、竹炭、原土在農(nóng)林土壤中的應(yīng)用會(huì)具有許多益處，包括增加土壤pH值、CEC、聚集體穩(wěn)定性和有機(jī)碳儲(chǔ)量，同時(shí)降低土壤容重和土壤溫室氣體排放量。對(duì)于有機(jī)碳含量低的種植土壤[5]，生物炭在農(nóng)林土壤中的應(yīng)用可以帶來(lái)相當(dāng)大的好處。此外，生物炭的應(yīng)用也被認(rèn)為是修復(fù)受重金屬和有機(jī)化合物污染土壤的重要實(shí)踐[6]。本試驗(yàn)考察的是竹粉和竹炭在水稻育苗箱土壤中的施用效果，其結(jié)果可提供參考與借鑒。然而一些問(wèn)題仍未得到解決，生物炭應(yīng)用影響土壤過(guò)程的機(jī)制尚不清楚[7]，須要進(jìn)一步研究。生物炭在改善土壤物理、化學(xué)和生物特性方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。然而，僅靠生物炭的施用不足以滿足作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求。因此，對(duì)新肥料基質(zhì)的研究可能是減輕土壤有機(jī)碳庫(kù)消耗和大量營(yíng)養(yǎng)需求的有效方法。大多數(shù)關(guān)于生物炭施用對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究都是通過(guò)短期試驗(yàn)進(jìn)行的，這些試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間大多不到3年[8]。生物炭中的碳主要由芳香碳分子組成，其土壤停留時(shí)間可超過(guò)10年甚至100年。因此，研究生物炭添加對(duì)土壤性質(zhì)和溫室氣體排放的長(zhǎng)期影響也是至關(guān)重要的[9]，這對(duì)生物炭在土壤中的有效應(yīng)用具有重要意義[10]。評(píng)估生物炭應(yīng)用的成本和效益很復(fù)雜，目前，生物炭應(yīng)用的成本超過(guò)肥料應(yīng)用的成本，但不能僅考慮生物炭的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，生物炭還有許多其他好處，包括改善土壤性質(zhì)和減少溫室氣體排放等[11]，長(zhǎng)期的化學(xué)施肥對(duì)土壤性質(zhì)和碳固存具有負(fù)面影響。

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