生物炭對雙季水稻產(chǎn)量和土壤性狀的持續(xù)效應(yīng)

楊星蓮，劉 磊，廖 萍，王 靜，劉勁松，王海媛，曾勇軍，黃 山

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】水稻是我國重要糧食作物之一，對保障我國口糧安全有重要意義[1]。南方雙季稻區(qū)光溫水資源豐富，對穩(wěn)定我國水稻播種面積和產(chǎn)量具有重要地位[2]。但是長期偏施化肥、忽視有機(jī)肥，造成土壤板結(jié)、酸化和保水保肥能力差等土壤肥力問題[3]，制約了水稻產(chǎn)量的持續(xù)提高[4]。因此，提升雙季稻田土壤肥力對提高水稻產(chǎn)量具有重要作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭是由木炭、作物秸稈及禽畜糞便等在有氧或無氧條件下經(jīng)溫度大于250 ℃且小于700 ℃熱解除去廢棄物后得到的一種固態(tài)產(chǎn)物[5-6]。生物炭不僅具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，且富含穩(wěn)定的有機(jī)碳及作物生長發(fā)育所需的大量元素和中、微量元素[7]。此外，由于生物炭的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組分特性，使其具有提高酸性土壤pH 值[8]、改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力[9]、提高作物對養(yǎng)分的利用率、促進(jìn)土壤有益微生物活性[10]、抑制土傳病害[11]等作用。因此，生物炭可被作為作物生長發(fā)育有益的土壤改良劑[12]。對酸性稻田的研究[13]表明，施用生物炭可增加水稻產(chǎn)量，提高土壤pH 值，有效改良酸性土壤的理化性質(zhì)，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分[14]。【本研究切入點】前人研究多關(guān)注于生物炭的短期效應(yīng)，而有關(guān)一次性施用生物炭對水稻產(chǎn)量和土壤性狀的持續(xù)效應(yīng)研究很少。由于生物炭價格較貴，在大田作物生產(chǎn)中施用生物炭成本較高。因此，明確一次性施用生物炭對水稻產(chǎn)量和土壤性狀的持續(xù)效應(yīng)對降低生物炭施用成本具有重要意義?！緮M解決關(guān)鍵問題】研究通過6年的田間定位試驗，闡明在酸性雙季稻田上一次性施用生物炭對水稻產(chǎn)量及土壤性狀的持續(xù)效應(yīng)，為提高南方酸性稻田水稻產(chǎn)量和改良土壤酸化提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015—2020 年在江西省宜春市上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村開展，地理位置為28°31'N，115°09'E。該地屬于典型的亞熱帶氣候，溫暖濕潤，春夏兩季降雨量充沛，年均降雨量為1 650 mm，日照充足，年均日照時長為1 700 h，年均氣溫為17.5 ℃，無霜期長。土壤類型為砂質(zhì)性黏土（黏粒為17%），耕作層厚度為20 cm，中等肥力，試驗前耕層土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值為5.2，有機(jī)質(zhì)為18.1 g/kg，容重為1.1 g/cm3，全氮為1.1 g/kg，全磷為0.4 g/kg，全鉀為3.9 g/kg，速效氮為115.0 mg/kg，速效磷（P2O5）為15.9 mg/kg，速效鉀（K2O）為64.0 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計展開，設(shè)置2 個處理分別為：1）常規(guī)施用氮磷鉀肥，不施生物炭（CK）；2）常規(guī)施用氮磷鉀肥，施用生物炭20 t/hm2（B），生物炭僅在2015 年早稻稻田深翻前一次性施入，保證生物炭與土壤耕層充分混勻。本試驗生物炭是由河南三利新能源公司提供，炭化原料是小麥秸稈，在350～550 ℃條件下通過熱裂解制備而來，其基礎(chǔ)pH 值為10.4，碳氮比為79.2。6 年試驗早、晚稻化肥施用種類、化肥用量和施用方式均保持一致。氮肥為常規(guī)尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。氮肥、磷肥和鉀肥施用量分別為早稻純氮為120 kg/hm2、P2O5為75 kg/hm2、K2O 為75 kg/hm2，晚稻氮肥施用量為150 kg/hm2，磷、鉀肥均與早稻施用量保持一致。早、晚稻氮肥施用比例按m（基肥）∶m（分蘗肥）∶m（穗肥）=5∶2∶3施用；磷肥作基肥一次性施用；鉀肥按m（基肥）∶m（穗肥）=5∶5施用。2個處理均設(shè)3次重復(fù)，各小區(qū)大小為5 m×5 m。早、晚稻移栽時間分別為4月中旬和7月中旬，移栽基本苗為4株/蔸和2 株/蔸，移栽規(guī)格為13.2 cm×23.1 cm 和13.2 cm×26.4 cm。早、晚稻育秧方式均采用水育秧，移栽秧苗和收獲稻谷均采用人工方式。稻田水分管理均采用移栽后淺水、分蘗封行期排水曬田、復(fù)水后干濕交替、水稻收獲前1個星期左右斷水。稻田病蟲草害防治均參照當(dāng)?shù)氐咎锓乐文Ｊ竭M(jìn)行。2015—2018年早稻品種為常規(guī)秈稻中嘉早17，晚稻為雜交秈稻五優(yōu)308。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對稻米品質(zhì)的要求越來越高。目前，生產(chǎn)中優(yōu)質(zhì)稻的種植面積快速擴(kuò)大。為順應(yīng)此趨勢，2019—2020年水稻品種改為優(yōu)質(zhì)稻品種。早稻為柒兩優(yōu)2012，晚稻為美香占2 號。2017 年由于樣品損毀，數(shù)據(jù)缺失。由于土壤變異較大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，第1年沒有進(jìn)行土壤取樣。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量 在早、晚稻黃熟期，各小區(qū)隨機(jī)調(diào)查120 蔸水稻的有效穗，按平均數(shù)法選取5 蔸水稻植株，將水稻根部剪除，用自來水洗凈，水分稍干，再用報紙將莖、葉、穗等地上部位分開包扎，置于烘箱105 ℃殺青半小時，80 ℃烘干至恒重，最后稱量。將已稱量的地上部各器官采用微型植物粉碎機(jī)-FZ102粉碎，過0.25 mm 篩，用6 號塑料自封袋密封保存。此外，各小區(qū)人工收割10 m2水稻植株，機(jī)械脫粒，混勻，曬干，稱量。各小區(qū)曬干的稻谷再隨機(jī)取500 g于65 ℃烘箱內(nèi)烘干，稱量，計算含水量，最后以14%的標(biāo)準(zhǔn)含水量折算水稻實際產(chǎn)量。

1.3.2 氮素吸收 粉碎過篩的植株地上部各器官經(jīng)濃硫酸消煮后，采用Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀（福斯集團(tuán)公司·丹麥）測定其氮素含量。根據(jù)各器官干質(zhì)量和氮素含量計算地上部氮素累積總量。

1.3.3 土壤性狀 晚稻黃熟期收獲后，各小區(qū)采用土鉆對土壤耕層（0～15 cm）進(jìn)行“五點取樣法”取土樣，置于陰涼避光處自然風(fēng)干，每隔一段時間用手分撒開，完全風(fēng)干后將土樣充分混勻，用四分法分成2份，分別過1 mm 篩和0.25 mm 篩保存在自封袋中備用。土壤性狀僅在每年晚稻收獲后取樣測定一次，測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[15]進(jìn)行：pH 值的測定采用玻璃電極法；有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；堿解氮含量的測定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量的測定采用氟化銨－稀鹽酸提?。f銻抗比色法；速效鉀含量的測定采用乙酸銨浸提－火焰光度計法。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量和地上部氮素積累總量

在施生物炭的第1 年（2015 年），B 處理早、晚稻產(chǎn)量均低于CK，之后均高于CK。其中，B 處理在2016年早、晚稻，2018年早稻和2019年晚稻產(chǎn)量與CK 具有顯著性差異，增幅分別為14.1%、13.4%、5.9%和17.1%（圖1a，b）。早稻季中B處理在2015年水稻地上部氮素積累總量顯著低于CK，降幅為12.8%，之后均高于CK，但無顯著性差異（圖1c）。晚稻季中B處理在2015年水稻地上部氮素積累總量低于CK，但僅在2019年顯著提高水稻地上部氮素積累總量，增幅為6.0%，其他年份均無明顯規(guī)律（圖1d）。

圖1 生物炭對雙季水稻產(chǎn)量（a和b）和地上部氮素積累總量（c和d）的影響Fig.1 Effects of biochar amendment on yield and aboveground total nitrogen accumulation in the double rice cropping system

2.2 土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和速效養(yǎng)分

B處理的土壤pH值在2016—2020年均高于CK，其中2016年和2018年達(dá)到顯著水平，分別提高0.3和0.1個單位（圖2a）。B處理在整個試驗期內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK（圖2b），增幅為26.0%～41.7%。

圖2 生物炭對晚稻收獲后土壤pH值（a）和有機(jī)質(zhì)含量（b）的影響Fig.2 Effects of biochar on soil pH and organic matter content after the harvest of late rice

B 處理的土壤堿解氮含量與CK 均未達(dá)到顯著性差異水平（圖3a）。B 處理的土壤速效磷含量在6年試驗期間均高于CK，但均無顯著性差異（圖3b）。B 處理顯著提高2016 年和2020 年的土壤速效鉀含量，增幅分別為90.9%和41.4%（圖3c）。

圖3 生物炭對土壤的堿解氮含量（a）、速效磷含量（b）和速效鉀含量（c）的影響Fig.3 Effects of biochar on soil alkaline-hydrolysis nitrogen，available phosphorus and potassium

3 討論

3.1 生物炭對雙季水稻產(chǎn)量的持續(xù)效應(yīng)

目前，關(guān)于生物炭對水稻產(chǎn)量的影響研究結(jié)論并不一致。生物炭的效應(yīng)受土壤類型、生物炭種類、生物炭施用年限及施用量等多個因素的影響[16]。有研究[17-18]表明，施用生物炭可以提高水稻產(chǎn)量，增幅為8%～32.4%。但也有研究[19]發(fā)現(xiàn)，施用生物炭對南方雙季水稻產(chǎn)量表現(xiàn)出先減后增的現(xiàn)象。本研究結(jié)果表明，施用生物炭在第1 年（2015 年）降低了水稻產(chǎn)量。這主要是因為施用的生物炭本身碳氮比很高（79.2），短期內(nèi)會導(dǎo)致土壤速效氮素的固定，限制了土壤氮素的有效性，從而降低水稻產(chǎn)量[20-21]。氮素吸收數(shù)據(jù)也證實，施用生物炭降低了2015 年水稻的地上部氮素積累量，且在早稻季達(dá)到顯著水平。但是，施用生物炭在第2 年（2016 年）之后顯著提高了早、晚稻產(chǎn)量。這可能是因為隨施用年限的延長，生物炭在土壤中逐漸熟化，吸附位點被填充，降低了生物炭的固持能力[21]。而且，土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的分解作用降低了生物炭的碳氮比，導(dǎo)致被固定的氮素重新被釋放，促進(jìn)水稻對氮素的吸收，從而提高雙季水稻產(chǎn)量[22]。另外，生物炭本身含有大量的礦質(zhì)養(yǎng)分，而且能夠改良土壤酸化，增強(qiáng)土壤的通透性，提高土壤的持水能力等[23]。這些有益因素促進(jìn)了水稻生長。因此，施用生物炭顯著提高了2016 年早、晚稻，2018 年早稻及2019 年晚稻的產(chǎn)量。但2020 年后施用生物炭對水稻產(chǎn)量無影響。原因可能是生物炭在土壤中逐漸被分解，對土壤改良的效果不斷降低[24]?？梢姡谙唐趦?nèi)對土壤速效氮素固定這一不利效應(yīng)后，施用生物炭在此酸化稻田上對水稻生長的促進(jìn)作用能持續(xù)5 年左右。

3.2 生物炭對雙季稻田土壤性狀的持續(xù)效應(yīng)

施用生物炭對酸性土壤pH 的提升強(qiáng)度以及持續(xù)的時間可能隨生物炭類型和施用量的變化而變化[25]。與前人研究結(jié)果[26-27]一致，本研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著提高土壤的pH 值。本研究施入的生物炭原料為秸稈，生物炭本身呈堿性（pH 值10.4）。而且，生物炭施入稻田后，其含有的大量鹽基離子，如鈉、鉀、鈣、鎂等，很快被釋放出來，與土壤中H+和Al3+交換，中和部分土壤酸度，從而提高pH 值[28]。施入4年后，土壤pH值雖有提高趨勢，但未達(dá)到顯著差異。這可能是由于生物炭的堿度逐漸被中和所致。

本研究表明，生物炭處理能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但提升效果隨施用年限的延長而降低。雖然生物炭富含穩(wěn)定且不易被微生物分解的有機(jī)質(zhì)，可長期保存在土壤中[29]。但是，與木材為原料的生物炭相比，秸稈生物炭中惰性有機(jī)碳含量較低，活性有機(jī)碳含量較高。施入后，生物炭中的易分解有機(jī)質(zhì)會很快被土壤微生物利用[30]。

本研究表明，施用生物炭對土壤堿解氮含量無顯著影響。一方面，生物炭的吸附作用和高碳氮比可能導(dǎo)致土壤速效氮的固定[31]。另一方面，生物炭中含有的易分解有機(jī)碳能提高土壤微生物的生物量和活性，從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解和氮素的礦化[32]。本研究表明，生物炭對土壤速效磷含量有增加趨勢，但沒有顯著影響。這可能與本試驗所用生物炭的原料是小麥秸稈有關(guān)，其磷含量很低。有研究表明施用生物炭后土壤速效鉀含量顯著增加[7]。秸稈生物炭富含鉀素，因此，本研究中，生物炭處理在2016年和2020 年均顯著提高了土壤速效鉀含量。另外，除直接提供鉀素外，生物炭具有較強(qiáng)的吸附能力也可能減少了土壤中鉀的淋溶，從而間接提高土壤中速效鉀的含量[33]。

4 結(jié)論

綜上，一次性施用20 t/hm2生物炭在第1 年有降低早、晚稻產(chǎn)量的趨勢。但是，第2 年和第4 年生物炭顯著提高了早稻產(chǎn)量，第2 年和第5 年顯著提高了晚稻產(chǎn)量。在此酸性雙季稻田上，一次性施用生物炭對水稻產(chǎn)量在5 年內(nèi)有顯著影響，對土壤酸化的改良效果可以持續(xù)4 年。施用生物炭顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但增幅逐年降低。因此，在酸性的雙季稻田上，建議4～5 年施用一次生物炭以提高水稻產(chǎn)量和改善土壤肥力。