施用生物炭對(duì)水稻地上部分生理特性的影響研究

王家驥，王旭東

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院生命工程學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.遼寧旭日東升肥料有限公司，遼寧 阜新 123200）

盲目施用肥料易污染農(nóng)業(yè)環(huán)境和加重土壤板結(jié)，已成為社會(huì)共識(shí)。近年來(lái)，農(nóng)林等諸多領(lǐng)域把科技關(guān)注焦點(diǎn)放在了生物炭上。與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的黑炭或顆粒碳相比，采用現(xiàn)代熱裂解工藝生產(chǎn)的生物炭粉狀顆粒是一種芳香烴和單質(zhì)碳構(gòu)成物質(zhì)，具有羧酸酯化結(jié)構(gòu)、脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)和芳香化結(jié)構(gòu)[1]。在生物質(zhì)炭化過(guò)程中，因保留其自有的空隙結(jié)構(gòu)而增加了吸附力和抗氧化能力。生物炭特有的孔洞結(jié)構(gòu)可使生物炭在施入土壤很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依舊可以保持特有的性質(zhì)不易被分解，具有較強(qiáng)的持久性[2]。生物炭技術(shù)能有效降低大氣中的二氧化碳含量，使大氣環(huán)境屬“碳負(fù)性”[3]，為發(fā)展低碳安全農(nóng)業(yè)提供了新方向，為廢棄生物質(zhì)再利用、作物營(yíng)養(yǎng)吸收等提供了新思路，為改良土壤、調(diào)節(jié)pH 值等提出了新方案。在應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，像海綿一樣的生物炭不僅可以有效防止土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失，為土壤微生物代謝提供氮元素，還能引起作物根系適應(yīng)性反應(yīng)，并對(duì)作物地上部分生理特性有著深刻的影響。以水稻為例，研究不同生物炭施用量對(duì)水稻地上部分生理特性的影響，以期為生物炭的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 水稻品種與栽培模式

選用2016年國(guó)審的優(yōu)質(zhì)雜交水稻品種——隆優(yōu)619[4]，采用直播栽培方式，觀察水稻在孕穗期和灌漿期的特性差異[5]。試驗(yàn)期內(nèi)嚴(yán)格遵循管理前促原則、化控促早原則和收獲宜遲原則，適時(shí)協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，縮短灌漿時(shí)長(zhǎng)，使水稻最大限度地灌漿成熟。

1.2 土壤處理與種植方法

采用兩種土進(jìn)行試驗(yàn)：一是土壤和沙子以1∶2的比例混合土壤；二是沙土。選取的土壤要求有機(jī)質(zhì)含量基本保持一致。生物炭經(jīng)粉碎處理后過(guò)80 目篩，按一定比例要求混入兩份土壤，在人工條件下充分混勻，靜置24 h后使用。

采用4 個(gè)處理，對(duì)應(yīng)不同的生物炭濃度梯度：CK（生物炭含量為0 g/m2），A（生物炭含量為450 g/m2），B（生物炭含量為900g/m2），C（生物炭含量為1300g/m2）。

試驗(yàn)種植方法是在內(nèi)部做好防水的100 個(gè)直徑0.3 m、高0.4 m的圓桶中，施用固定量混合土壤，記為Ⅰ組。在另外100個(gè)同樣的圓桶內(nèi)施用固定量沙土，記為Ⅱ組。每個(gè)桶同一深度挖3個(gè)穴位，進(jìn)行水稻隆優(yōu)619培養(yǎng)。每個(gè)穴位放入5～6粒種子后覆土，覆土厚度0.5～0.8 cm。每個(gè)樣品灌水量相同且適宜，統(tǒng)一排放，保證水分含量一致。注意天氣情況，陰雨天搬入大棚中，以防雨水不定期不定量澆灌。定期查看生長(zhǎng)情況，出秧期保證桶內(nèi)水分在水稻秧苗根莖附近，并根據(jù)水稻長(zhǎng)勢(shì)與物候期對(duì)桶中水分進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，確保水稻不受雨水澆灌和太陽(yáng)光照。常規(guī)管理方式下，不同處理的水肥管理保持一致。

1.3 樣品處理及測(cè)定方法

孕穗期和灌漿期分別收割同株水稻同一部位葉片果實(shí)若干，即對(duì)水稻地上部分的同一部位進(jìn)行采集、洗凈、稱(chēng)質(zhì)量。選出固定重量的地上部分在研缽中研磨成汁，通過(guò)研磨汁液測(cè)量地上部分植株全氮、全磷、全鉀數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最終找出不同生物炭含量對(duì)水稻地上部分生理特性的影響。具體測(cè)定方法：

1.3.1 植株全氮含量 將水稻樣品進(jìn)行凱氏相關(guān)操作。吸取定容好的消煮液5 mL，放入半微量蒸餾的內(nèi)室進(jìn)行堿化，然后將消煮液中的銨鹽轉(zhuǎn)變成NH4，用加入5 mL H3BO3指示劑的150 mL三角瓶進(jìn)行蒸餾。待蒸餾出的液體體積達(dá)到50 mL左右時(shí)停止蒸餾，用少量蒸餾水沖洗冷凝管。用酸標(biāo)準(zhǔn)液滴定到紫紅色，記錄其數(shù)據(jù)。

1.3.2 植株全鉀含量 測(cè)定方法為H2SO4-H2O2消解—火焰光度法。水稻中的鉀元素是以鉀離子狀態(tài)存在于植物組織當(dāng)中的，可采用ETHOS A微波消解儀（意大利Milestone 公司制）進(jìn)行消解處理。樣品消解后經(jīng)過(guò)稀釋?zhuān)ㄟ^(guò)火焰光度法能夠測(cè)定待測(cè)液中的全鉀含量。1.3.3 植株全磷含量 使用H2SO4-H2O2消煮—銻鉬抗比色法。先將消煮好的水稻葉片待測(cè)液20 mL 放入50 mL的容量瓶中，加入指示劑兩滴，利用稀NaOH溶液和稀硫酸液調(diào)節(jié)pH值，加入銻鉬抗試劑5 mL定容搖勻。然后，在室溫條件下放置30 min顯色。以消煮的空白液作為吸光值零點(diǎn)，采用AA-700原子吸收分光光度計(jì)（日本）進(jìn)行測(cè)定，將儀器波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至700 nm處比色，記錄測(cè)定的全磷含量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析和多重比較處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合土壤下不同生物炭處理對(duì)水稻不同生育期地上部分生理特性的影響

混合土壤條件下，不同生物炭濃度梯度處理對(duì)水稻孕穗期和灌漿期地上部分全氮、全磷、全鉀含量的影響見(jiàn)表1。

表1 混合土壤下不同生物炭濃度梯度對(duì)水稻不同生育期地上部分生理特性的影響Table 1 Effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in mixed soils /ppm

由表1 可知，隨著混合土壤中生物炭的含量增加，孕穗期水稻地上部分全氮含量與對(duì)照相比均有所增加但增幅不同，與灌漿期相比均有所提高，且兩者整體趨勢(shì)相同。生物炭施用量為450 g/m2時(shí)，孕穗期水稻地上部分全氮含量最高。生物炭使用量在大于A 組時(shí)，水稻地上部分含氮量遠(yuǎn)低于A 組，同時(shí)A 組與C組之間沒(méi)有顯著差異，CK與B組無(wú)顯著差異，但A組、C組與CK、B組相比差異顯著。

灌漿期水稻地上部分全磷含量均不高，與孕穗期相比大幅降低，整體趨勢(shì)與孕穗期相符。施加生物炭的水稻地上部分含磷量均高于CK，其中A 組與C 組含磷量相近，尤以A組最高。B組與C組差異不顯著，但B組、C組與CK、A組相比差異顯著。

孕穗期水稻地上部分全鉀含量均較高，施加生物炭后水稻地上部分全鉀含量均有不同程度增加，以B組最高，未施加生物炭下的全鉀含量最低。A 組、B組、C組差異顯著。灌漿期水稻地上部分全鉀含量與孕穗期相比有不同程度衰減，但總趨勢(shì)相同，A 組、B組、C組之間差異顯著。

2.2 沙土地不同生物炭處理對(duì)水稻不同生育期地上部分生理特性的影響

在沙土地種植條件下，不同生物炭濃度梯度處理對(duì)水稻孕穗期和灌漿期地上部分全氮、全磷、全鉀含量的影響見(jiàn)表2。

表2 沙土地不同生物炭濃度梯度對(duì)水稻不同生育期地上部分生理特性的影響Table 2 The effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in sandy land /ppm

沙土地孕穗期水稻地上部分全氮含量隨著生物炭含量的增加而增加，與灌漿期相比均有所提高，且兩者整體趨勢(shì)相同。生物炭施用量為450 g/m2時(shí)，孕穗期水稻地上部分的全氮含量最高。當(dāng)生物炭使用量在大于A＇時(shí)，水稻地上部分的含氮量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于A＇，且呈遞減趨勢(shì)。CK＇，B＇組無(wú)顯著差異。灌漿期地上部分的全磷含量均不高，施加生物炭的水稻地上部分全磷含量與CK＇相比略有增加，但差別不大。孕穗期水稻地上部分全鉀含量均很高，施加生物炭后水稻地上部分全鉀含量不同程度地增多，以B＇全鉀含量最高，CK＇全鉀含量最低。灌漿期水稻全鉀含量與孕穗期相比大幅減少且趨勢(shì)相同，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組差異顯著。

沙土地水稻A＇，B＇，C＇三組與CK＇組相比，其氮磷鉀含量均有所增加，但由于沙土本身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量有限，施加生物炭后各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量不斷變動(dòng)，而在施加生物炭的土壤中，各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量數(shù)值較為穩(wěn)定，這表明生物炭能加快植物生長(zhǎng)。沙土等營(yíng)養(yǎng)匱乏土質(zhì)施用生物炭后可在一定程度上為水稻生長(zhǎng)提供重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3 結(jié)論與討論

生物炭具有多孔性及其他表面特性，可為土壤微生物提供較大的附著空間，有助于調(diào)控理化性質(zhì)、改變土壤狀態(tài)。不同生物炭含量對(duì)水稻地上部分生理特性的改善起到正向積極作用，但影響效果存在差異。生物炭作為一種強(qiáng)吸附力物質(zhì)，有助于水稻對(duì)氮肥的吸收。研究表明：與對(duì)照CK相比，450 g/m2的生物炭施用量為全氮和全磷最佳施用量；900 g/m2的生物炭施用量為全鉀最佳施用量。施用生物炭能有效增加水稻地上部分全氮全磷全鉀含量，但隨著生物炭施用量的提高，其增幅有所下降。生物炭有固碳、固氮作用，可作為一種緩釋肥料載體，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。沙土地施用生物炭可明顯提高土壤水分保持能力，能保存沙土中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減少營(yíng)養(yǎng)和水分流失，促進(jìn)水稻地上部分持續(xù)而緩慢的吸收營(yíng)養(yǎng)。但有關(guān)生物炭如何改善土壤、提升作物理化性能、增強(qiáng)作物營(yíng)養(yǎng)吸收能力等基礎(chǔ)研究，還有待通過(guò)DGGE等分子生物學(xué)及生理生化手段進(jìn)行深入探索。