不同谷殼源黑炭施用量對(duì)紅壤性稻田肥力及水稻產(chǎn)量的影響

熊 文，羅軍元*，李子婧，張秋梅，王馨悅，黃天寶，張 晨，韓德鵬

（1.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所/江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330046；2.新余市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，江西 新余 336500）

0 引言

綠色優(yōu)質(zhì)水稻種植是江西省重點(diǎn)發(fā)展的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，為維護(hù)國(guó)家的糧食安全與穩(wěn)定發(fā)揮著巨大作用。但是，江西的土壤當(dāng)中有67%為紅壤性水稻土，此種水稻土主要有酸、貧、黏等不良特性［1］，因該種土壤酸化較重，營(yíng)養(yǎng)元素流失較快，作物根系發(fā)育不良，對(duì)養(yǎng)分吸收較少，這已嚴(yán)重制約了該地區(qū)糧食產(chǎn)量的進(jìn)一步提升［2-3］。因此，如何利用生物資源改良土壤已經(jīng)成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。

生物黑炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或微氧條件下低溫?zé)徂D(zhuǎn)化后的固體副產(chǎn)物，由于其有機(jī)碳含量高，具有多孔性、堿性、吸附能力強(qiáng)等性質(zhì)，施用于土壤后，具有增加土壤有效養(yǎng)分含量、提高酸性土壤pH值、改善土壤質(zhì)量、提升作物產(chǎn)量等作用［4-6］。因此，生物黑炭的合理施用對(duì)土壤改良、提升土壤碳庫(kù)和土壤地力、水稻增產(chǎn)增收等都具有十分重要的意義。

江西省是重要的稻米生產(chǎn)基地，稻谷的產(chǎn)量巨大。目前受綜合利用水平的限制，大部分谷殼仍未得到有效利用，很多地區(qū)甚至將其當(dāng)作廢料，不僅浪費(fèi)了資源，還造成了環(huán)境污染［7-8］。因此，谷殼的資源化利用研究十分迫切。有研究表明，谷殼源黑炭具有疏松多孔、高pH值特性，且含有豐富的含氧官能團(tuán)，不僅能改善土壤環(huán)境，提高微生物的活性，還有利于作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用［9-10］。因此，開(kāi)展了谷殼源黑炭用量對(duì)紅壤性稻田肥力及水稻產(chǎn)量影響的研究，以期為促進(jìn)該地區(qū)的谷殼資源化、土壤肥力提升、水稻提質(zhì)增產(chǎn)和農(nóng)民增收提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)位于江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所（116°20′24″E、28°15′30″N）內(nèi)，該地處于中亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均降水量1537 mm，多年平均氣溫18.1 ℃，無(wú)霜期282 d，日照時(shí)數(shù)1900~2000 h。試驗(yàn)土壤為紅壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土，試驗(yàn)前土壤性質(zhì)為：耕層土壤pH值為 5.43，有機(jī)質(zhì)含量20.44 g/kg，全氮含量1.51 g/kg，全磷含量0.48 g/kg，全鉀含量10.39 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為泰優(yōu)871一季晚品種。

生物質(zhì)炭原料為水稻谷殼，采用連續(xù)立式生物質(zhì)炭化爐（奉新瑞天新能源有限公司提供）生產(chǎn)。水稻谷殼在500 ℃的溫度下進(jìn)行炭化處理，使80%以上的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭。將生產(chǎn)的生物質(zhì)炭過(guò)5 mm篩，測(cè)得pH值為10.4，其養(yǎng)分含量為：有機(jī)碳467.0 g/kg、全氮5.90 g/kg和有效磷83.50 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)6個(gè)處理：CK、C1~C5，對(duì)應(yīng)的谷殼源黑炭施用量分別為0、5、10、15、20、25 t/hm2，每個(gè)處理3次重復(fù)。每個(gè)處理均施用氮（N）150 kg/hm2、磷（P2O5）90 kg/hm2、鉀（K2O） 135 kg/hm2。谷殼源黑炭在耕地前施用。40%的氮肥（尿素）和鉀肥（氯化鉀）作基肥施用，60%的在分蘗期作追肥施用。磷肥（鈣鎂磷肥）作基肥一次性施入。試驗(yàn)連續(xù)實(shí)施2 a，即2021、2022年。小區(qū)面積30 m2（5 m×6 m）。水稻種植方式為人工移栽，株行距為20 cm×20 cm，其余管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 主要生育期農(nóng)藝性狀和葉綠素含量測(cè)定 分別在拔節(jié)期、齊穗期和成熟期普查全田莖蘗數(shù)及株高（連續(xù)計(jì)數(shù)20叢分蘗數(shù)和株高）。按平均莖蘗數(shù)每小區(qū)取2叢植株，將根部剪下，清洗干凈，連同莖鞘分別裝入信封，105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重，用電子天平稱(chēng)重。葉綠素含量采用葉綠素測(cè)定儀（LYS-B）在晴天9：00~10：00測(cè)量。

1.4.2 土壤肥力指標(biāo)測(cè)定 收獲后按“S”形采集各小區(qū)耕層（0~20 cm）土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采集10個(gè)樣點(diǎn)，并組成1個(gè)混合土樣。土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［11］，土壤樣品分析在江西省紅壤研究所化驗(yàn)室進(jìn)行，土壤pH值測(cè)定采用電位法；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法。

1.4.3 測(cè)產(chǎn) 成熟期每個(gè)小區(qū)全部收割，脫粒后曬干稱(chēng)重，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行整理分析，用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法比較各個(gè)處理之間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同谷殼源黑炭用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖1可知，連續(xù)施用2 a谷殼源黑炭可以顯著提高水稻產(chǎn)量。與不施谷殼源黑炭（CK）相比，2021年C1~C5處理的水稻產(chǎn)量比CK的分別增加了11.52%、11.41%、13.82%、22.30%和18.96%，2022年C1~C5處理的水稻產(chǎn)量比CK的分別增加了18.05%、24.73%、25.68%、26.71%和19.26%，且2022年C1~C4處理的產(chǎn)量比2021年的有顯著提高，分別增加了4.65%、10.69%、9.18%、2.43%。連續(xù)2 a試驗(yàn)均表現(xiàn)出C4處理的產(chǎn)量最高，這說(shuō)明在紅壤性水稻田谷殼源黑炭施用量在20 t/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量達(dá)到最佳，且第2年谷殼源黑炭的增產(chǎn)作用優(yōu)于第1年。

2.2 不同谷殼源黑炭用量對(duì)水稻葉綠素含量的影響

由圖2可知，連續(xù)2 a施用不同量的谷殼源黑炭對(duì)水稻各個(gè)生育時(shí)期的葉綠素含量有不同程度的影響。2021年，在水稻幼苗期，C1處理的葉綠素含量最高，達(dá)到26.52，分別比CK、C2、C3、C4、C5處理的增加了4.12%、1.96%、4.99%、12.71%、1.11%；在分蘗期，C2處理的葉綠素含量最高，達(dá)到38.51，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的增加了6.15%、10.57%、2.58%、7.48%、3.63%；在長(zhǎng)穗期，C4處理的含量最高，達(dá)到37.52，分別比CK、C1、C2、C3、C5處理的高5.87%、7.29%、8.19%、3.28%、4.54%；在抽穗結(jié)實(shí)期，C2處理的含量最高，達(dá)到35.42，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的高5.92%、9.39%、7.01%、6.11%、10.30%。2022年，在水稻幼苗期，C1處理的葉綠素含量最高，達(dá)到27.51，分別比CK、C2、C3、C4、C5處理的增加了3.53%、3.07%、6.26%、8.65%、3.58%；在分蘗期，C3處理的含量最高，達(dá)到36.71，分別比CK、C1、C2、C4、C5處理的高0.35%、4.64%、5.06%、4.17%、6.65%；在長(zhǎng)穗期，C2處理的含量最高，達(dá)到40.99，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的高3.72%、3.53%、1.66%、4.03%、2.39%；在抽穗結(jié)實(shí)期，C3處理的含量最高，達(dá)到31.30，分別比CK、C1、C2、C4、C5處理的高0.48%、3.02%、2.42%、1.75%、2.92%。在幼苗期和長(zhǎng)穗期，各處理的2022年的葉綠素含量相較于2021年的明顯升高。結(jié)合2 a數(shù)據(jù)來(lái)看，在分蘗期、長(zhǎng)穗期、抽穗結(jié)實(shí)期，C2、C3處理的葉綠素含量較高，而在幼苗期C1、C5處理的葉綠素含量較高，即在紅壤性水稻田谷殼源黑炭投入量在10~15 t/hm2時(shí)，水稻葉綠素含量達(dá)到最佳。

圖2 2021、2022年不同黑炭用量下水稻各生育期葉綠素含量的變化

2.3 不同谷殼源黑炭用量對(duì)水稻根莖重的影響

由表1可知，隨著谷殼源黑炭用量的增加，水稻在分蘗期、長(zhǎng)穗期的根系重量、莖稈重量、根莖比呈現(xiàn)不同程度的變化。在分蘗期，C1、C2、C3、C4和C5處理的根系重量分別比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，莖稈重量分別比CK增加了10.97%、4.76%、1.81%、4.75%、16.23%，且C1、C2、C3處理的根莖比優(yōu)于C4、C5處理的。在長(zhǎng)穗期，C1、C2、C3、C4和C5處理的根系重量分別比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%和60.09%，莖稈重量較CK的變化率分別為-3.72%、2.61%、-4.75%、11.28%、18.24%，且C1、C3處理的根莖比優(yōu)于C2、C4、C5處理的。這說(shuō)明谷殼源黑炭在水稻分蘗期、長(zhǎng)穗期均能促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，施用量在5、15 t/hm2時(shí)，水稻的根系重量達(dá)到最佳。

表1 不同黑炭用量對(duì)水稻根莖重的影響

2.4 不同谷殼源黑炭用量對(duì)土壤pH值和肥力的影響

連續(xù)施用2 a的谷殼源黑炭可以顯著提升紅壤性水稻田的pH值及土壤肥力（表2）。從表2中可以看出，水稻田施用谷殼源黑炭后，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，增幅整體隨谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中2021年C1~C5處理的有機(jī)質(zhì)含量比CK的分別增加了26.29%、51.59%、95.31%、152.45%、102.41%；2022年C1~C5處理的比CK的分別增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，即2022年的增幅較2021年減少，且連續(xù)2 a的處理中均以C4處理的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最佳，這說(shuō)明谷殼源黑炭中含有豐富的有機(jī)質(zhì)。土壤pH值也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的增加，2021年C1~C5處理的土壤pH值較CK分別增加了0.08、0.01、0.08、0.11、0.23，2022年的較CK分別增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18。2022年的pH值比2021年的偏低，且連續(xù)2 a的處理中均以C5處理pH值達(dá)到最高，這說(shuō)明谷殼源黑炭能釋放大量堿性物質(zhì)。

表2 2021、2022年不同黑炭用量下土壤肥力變化情況

從表2中還可以看出，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的增加，2022年C1~C5處理的土壤全氮含量比CK分別增加了5.19%、7.79%、10.39%、12.98%、7.14%，全磷含量比CK分別增加了14.71%、16.18%、20.59%、35.29%、25%，水解性氮含量比CK分別增加了7.27%、12.73%、26.06%、16.97%、10.30%，有效磷含量比CK分別增加了25.42%、41.67%、20.46%、58.94%、43.17%，且該年的土壤全氮、全磷、有效磷含量均比2021年的高，全氮、全磷、有效磷含量連續(xù)2 a均以C4或C5處理的最高，水解性氮含量在2021年以C5處理的最高，在2022年以C3處理的最高。從表2中也可以看出，土壤中的速效鉀含量隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的降低，2022年C1~C5處理的土壤速效鉀含量分別比CK降低了15.84%、28.52%、34.84%、12.67%、14.25%，相較于2021年的含量整體偏低，且以C3處理降低幅度最大。這說(shuō)明施用谷殼源黑炭能顯著提升紅壤性水稻田pH值及土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量，施用量在15和20 t/hm2時(shí)，土壤的pH值及肥力最佳。

3 討論與結(jié)論

3.1 谷殼源黑炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響

本研究結(jié)果表明，在水稻田連續(xù)2 a施用不同量谷殼源黑炭處理中，水稻產(chǎn)量隨著谷殼源黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在施用量為20 t/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最佳，這一研究結(jié)果與江福英等［12］的研究結(jié)果相似。究其原因，生物黑炭的施入改善了土壤理化環(huán)境，其較大的比表面積有利于吸附養(yǎng)分，且為微生物群落的生存提供較大的空間［13］，這不僅有利于增加作物產(chǎn)量，還能減少養(yǎng)分損失和提高肥料利用率。生物黑炭中含有豐富的有機(jī)大分子和孔隙結(jié)構(gòu)，在土壤中容易形成大團(tuán)聚體，能夠增強(qiáng)土壤養(yǎng)分離子的吸持力［14］，可吸附銨、硝酸鹽、磷和其他水溶性鹽離子［15］，特別是對(duì)NH4+有很強(qiáng)的吸附作用［16-17］。另一方面，施用生物黑炭也會(huì)對(duì)土壤三相比造成影響［18］，土壤固、液、氣三相狀況及其配合比例是衡量土壤物理性狀好壞的重要指標(biāo)之一，疏松多孔、氣相大固相小、保水保肥性好的土壤有利于根系對(duì)養(yǎng)分、水分的吸收［19］。過(guò)多生物黑炭的施入會(huì)導(dǎo)致固相和氣相減少，液相增加，從而影響作物產(chǎn)量，因此在本研究中，當(dāng)谷殼源黑炭施用量為25 t/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量明顯降低。

3.2 谷殼源黑炭用量對(duì)水稻根莖重的影響

谷殼源黑炭具有良好的物理性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)控作用，可以顯著促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，提高作物的生產(chǎn)力［20］；張阿鳳等［21］研究表明施用生物黑炭后作物的生物量比對(duì)照提高2倍；Lehmann等［22］的試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物黑炭后，黑麥草的生物量比對(duì)照提高20%以上。本研究表明，施用谷殼源黑炭能夠增加水稻地上部莖稈和地下部根的生物量，提升水稻的根莖比。當(dāng)谷殼源黑炭施用量在5~25 t/hm2時(shí)，根系重量在水稻分蘗期分別比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，在長(zhǎng)穗期分別比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%、60.09%。這與谷殼源黑炭不僅能夠快速提升土壤穩(wěn)定性碳庫(kù)，還可改善土壤環(huán)境密不可分。谷殼源黑炭密度較低，且具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后可以降低土壤容重，減少土體密度和增加孔隙比例，能在一定程度上改變土壤的質(zhì)地［23］。土壤孔隙是影響土壤通風(fēng)、透水的重要因素，孔隙數(shù)量多少和不同孔隙的組成對(duì)土壤肥力有著重要的影響［24］。土壤容重降低、孔隙數(shù)量變多和毛管孔度增加有利于提高土壤持水保水能力，促進(jìn)根系活力。但是，隨著谷殼源黑炭持續(xù)增加，土壤達(dá)到碳飽和，反而會(huì)破壞土壤環(huán)境，影響作物生長(zhǎng)［25］。本試驗(yàn)中，當(dāng)谷殼源黑炭施用量為20、25 t/hm2時(shí)，水稻根系重量顯著低于其他處理，且根莖比也明顯下降，這與之前的研究結(jié)論基本一致。

3.3 谷殼源黑炭用量對(duì)土壤pH值和肥力的影響

施用生物黑炭能顯著提高土壤pH值，降低土壤交換性酸含量，提高土壤的交換性鹽基離子含量和鹽基飽和度，改良酸化土壤［26］。本研究表明，土壤pH值隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的增加，2022年C1~C4處理的土壤pH值比CK分別增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18，說(shuō)明谷殼源黑炭施用后，土壤交換性酸減少，土壤鹽基飽和度提高是土壤pH值升高的主要原因，這一研究結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)論一致［27-28］。在土壤活性酸與潛性酸的動(dòng)態(tài)平衡中，pH值主要取決于交換性酸含量，鹽基飽和度的下降，特別是Ca2+飽和度的下降是導(dǎo)致土壤pH值下降的重要原因。

生物黑炭施入土壤中主要是通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)改善土壤肥力特性，從而增強(qiáng)作物的養(yǎng)分吸收能力［29-30］。本研究中，水稻田施用不同量谷殼源黑炭后，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，增幅隨谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2022年C1~C4處理的有機(jī)質(zhì)含量比CK分別增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，但增幅均比2021年的減少，且均在谷殼源黑炭施用量為20 t/hm2時(shí)達(dá)到最佳。這與周志剛等［31］的研究結(jié)論一致。添加生物黑炭可以顯著提高潮土的有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分含量，且黑炭用量越高，土壤肥力提升越高。但在本試驗(yàn)中，當(dāng)生物黑炭施用量為25 t/hm2時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量下降，且連續(xù)2 a均表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，這可能是由于使用的黑炭量過(guò)大，達(dá)到了土壤的飽和度，從而產(chǎn)生了抑制作用［32］。本研究還表明，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，這主要與生物黑炭來(lái)源于谷殼，其本身含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分有關(guān)［33］。謝國(guó)雄等［34］的研究也指出了生物黑炭施用對(duì)不同肥力水平紅壤氮素供應(yīng)的影響，即添加生物黑炭可促使土壤中NH4＋、NO3－向微生物量氮轉(zhuǎn)化，降低土壤中礦質(zhì)態(tài)氮含量。

3.4 不同谷殼源黑炭用量對(duì)水稻葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反映植株生長(zhǎng)狀況和葉片光合能力的重要指標(biāo)，葉綠素含量下降、葉片黃化是葉片開(kāi)始衰老最明顯的特征［35］。施用生物黑炭能有效促進(jìn)水稻根系活力及水稻劍葉葉綠素含量［36］。水稻幼穗分化期和灌漿期后葉綠素含量與干物重呈顯著正相關(guān)，保持后期較高的葉綠素含量有助于提高產(chǎn)量［37］。本研究結(jié)果表明：在分蘗期、長(zhǎng)穗期、抽穗結(jié)實(shí)期，C2、C3處理的葉綠素含量較高，而在幼苗期C1、C5處理的葉綠素含量較高，即在紅壤性水稻田谷殼源黑炭投入量在10~15 t/hm2時(shí)，水稻葉綠素含量達(dá)到最佳，且隨著谷殼源黑炭施用量的不斷增加，葉綠素含量有所下降。當(dāng)谷殼源黑炭施用量達(dá)到最佳時(shí)，可以改善土壤理化環(huán)境，其較大的比表面積有利于吸附養(yǎng)分和為微生物群落的生存提供較大的空間［38］，有效促進(jìn)水稻根系活力及對(duì)養(yǎng)分的吸收。在本研究中，紅壤性水稻田谷殼源黑炭15 t/hm2為最佳施用量，在此條件下水稻葉綠素含量整體較高。