生物炭復(fù)配天然礦物對(duì)稻田土壤還原性物質(zhì)的影響

傅璽豪，朱建強(qiáng)，范先鵬，張志毅，何紹華，倪承凡，吳茂前

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植保土肥研究所/國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖北 武漢 430064；2.長(zhǎng)江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434000；3.武漢市漢南區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，湖北 武漢 430090）

秸稈富含作物生長(zhǎng)所需的氮磷鉀等養(yǎng)分，秸稈還田是提升農(nóng)田土壤肥力、改善土壤養(yǎng)分含量及有效性的重要措施[1]。秸稈還田已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)形勢(shì)下最優(yōu)、最現(xiàn)實(shí)的農(nóng)用模式[2]。然而，稻田淹水厭氧狀態(tài)下，秸稈腐解過程會(huì)形成各種還原性物質(zhì)，阻礙水稻根系呼吸和養(yǎng)分吸收，進(jìn)而使水稻幼苗發(fā)育遲緩，影響水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量[3]。因此，研究秸稈還田過程中土壤氧化還原條件的變化及其調(diào)理措施，對(duì)秸稈科學(xué)還田和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。

稻田土壤淹水后，其有機(jī)質(zhì)和還田的秸稈發(fā)生厭氧分解，土壤由氧化態(tài)向還原態(tài)轉(zhuǎn)化，并形成各類還原性物質(zhì)。研究表明，水稻秸稈添加使濱海鹽漬型水稻土的殘?jiān)鼞B(tài)鐵向水溶態(tài)鐵和弱酸態(tài)鐵轉(zhuǎn)化，并且直接還田處理比腐熟還田和炭化還田處理的增加幅度更大[4]。金鑫等[3]的研究表明，秸稈還田降低了土壤Eh（氧化還原電位）、pH 值和水稻根系活力，水稻移栽后21～28 d，土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)和水溶性亞鐵離子（Fe2+）含量顯著增加。王紅妮等[5-6]的研究表明，油菜秸稈還田后，水稻苗期的土壤Eh 隨秸稈還田量的增加而顯著降低，土壤pH 值、還原性物質(zhì)總量及Fe2+含量顯著增加，水稻根系活力顯著下降。此外，稻田翻壓紫云英和小麥秸稈后，同樣出現(xiàn)土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+和亞錳離子（Mn2+）含量顯著增加，土壤Eh顯著降低的現(xiàn)象[7-8]。

生物炭、硅酸鹽、磷酸鹽、氧化鈣等材料有助于改善土壤pH 值，進(jìn)而影響氧化還原狀況，提高生產(chǎn)力[9-11]。但是由于生物炭成本較高[12]，而無機(jī)材料大量施用易造成二次污染[10]等問題，限制了其在大田應(yīng)用推廣。將生物炭與無機(jī)材料復(fù)配，不僅能夠提高土壤改良效果，同時(shí)能夠降低改良劑的成本。例如，生物炭與粉煤灰、白云石粉等無機(jī)材料復(fù)配后，能夠顯著提升其改善土壤理化性質(zhì)的功能[13]。

本研究通過將玉米秸稈生物炭、煙草秸稈生物炭與一種天然礦物材料按不同比值組成復(fù)配調(diào)理劑，研究其對(duì)秸稈還田后稻田土壤還原性物質(zhì)的消減效果和潛力及對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，提出具有高效調(diào)理土壤氧化還原狀況的調(diào)理劑配方，以期為秸稈還田技術(shù)推廣和糧食豐產(chǎn)增效提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

盆栽試驗(yàn)土壤源自湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳州村（E 112°42′43.93″、N 30°22′10.45″），土壤類型為潛育型稻田土，發(fā)育于青灰泥田、灰青泥田。將土壤運(yùn)回盆栽場(chǎng)自然風(fēng)干，剔出根系和碎石等，過2 cm篩混勻。供試土壤pH值7.97，有機(jī)質(zhì)20.95 g/kg，全氮1.3 g/kg，全磷0.7 g/kg，速效磷21.13 mg/kg，速效鉀246.11 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2020 年6—10 月在國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)）進(jìn)行。土壤調(diào)理劑包括生物炭Ⅰ（BⅠ）、生物炭Ⅱ（BⅡ）和天然礦物（S）。BⅠ是由玉米秸稈經(jīng)室溫升至450 ℃，炭化8 h獲得；BⅡ是由煙草秸稈經(jīng)380 ℃炭化2 h獲得；天然礦物主要成分包括方解石（50%）、黑云母（25%）、磷灰石（12%）和稀有元素（13%）。生物炭和天然礦物粉碎后過0.85 mm篩備用。

共設(shè)置10 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，具體如表1 所示。按比例單獨(dú)稱取相應(yīng)土壤調(diào)理劑、小麥秸稈和風(fēng)干土，混勻后裝盆，采用直徑20 cm、高30 cm陶瓷盆承裝土壤，每盆裝風(fēng)干土5 kg，N、P2O5、K2O 施用量分別為0.25、0.1、0.15 g/kg。氮肥分底肥40%、分蘗肥30%、穗肥30%施用，磷肥和鉀肥全部作底肥施用。2020 年6 月23 日，選擇長(zhǎng)勢(shì)良好且一致的秧苗進(jìn)行移栽，每盆1穴水稻，供試水稻品種為晶兩優(yōu)1377。

表1 調(diào)理劑復(fù)配比值Tab.1 Proportion of conditioning agents

1.3 取樣與測(cè)定方法

水稻移栽0、7、14、28、53 d 后（苗期—分蘗期）分別采集0～20 cm 土壤和根系附近水溶液樣品。根系附近水溶液采用荷蘭Rhizon 土壤水分取樣器（19.21.25F）進(jìn)行收集：水稻移栽時(shí)將水分取樣器置于水稻秧苗根系附近，用針筒注射器進(jìn)一步提取水分取樣器中的水樣。土壤樣品用于分析還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+含量，根系附近水溶液用于分析Fe2+、Mn2+含量和pH值。

土壤還原性物質(zhì)利用Al2（SO4）3浸提，還原性物質(zhì)總量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，活性還原性物質(zhì)含量采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；Fe2+含量采用鄰菲羅啉比色法測(cè)定；Mn2+含量采用高碘酸鉀比色法測(cè)定[14]。根系附近水溶液用于分析Fe2+、Mn2+含量，均采用新加坡PerkinElmer 公司的PinAAcle 900T 石墨爐-火焰原子吸收光譜儀測(cè)定。

水稻成熟后，利用不銹鋼剪刀對(duì)水稻進(jìn)行齊地收割，分析有效穗、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率、實(shí)粒質(zhì)量、秸稈質(zhì)量等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 17.0 進(jìn)行單因素方差分析和LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤還原性物質(zhì)的影響

由圖1 可看出，在水稻移栽后0～53 d，CK 處理還原性物質(zhì)總量在1.23～4.28 cmol/kg，并呈緩慢升高趨勢(shì)；RS處理還原性物質(zhì)總量在0.93～5.96 cmol/kg，平均含量比CK 提高1.18 cmol/kg。S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10處理移栽后0～53 d 土壤還原性物質(zhì)總量平均值分別比RS 降低0.17、0.20、0.13 cmol/kg，其中S0BⅠ10移栽后14 d 左右土壤還原性物質(zhì)總量顯著低于RS（P＜0.05）。說明玉米秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配在水稻生長(zhǎng)前期能顯著抑制土壤還原性物質(zhì)產(chǎn)生。煙草秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配對(duì)土壤還原性物質(zhì)總量的削減效果較差，在水稻苗期—分蘗期土壤還原性物質(zhì)總量與RS 相比無顯著差異。

圖1 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤還原性物質(zhì)總量的影響Fig.1 Effect of different soil conditioning agents on the content of paddy soil total reducing substances

土壤活性還原性物質(zhì)變化趨勢(shì)如圖2 所示，水稻移栽0～53 d 內(nèi)CK 處理活性還原性物質(zhì)呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢(shì)，介于0.56～2.44 cmol/kg；RS處理活性還原性物質(zhì)平均含量比CK 提高1.83 cmol/kg，其中RS 處理在移栽7—28 d 顯著高于CK。玉米秸稈生物炭、煙草秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配均能夠降低土壤活性還原性物質(zhì)。水稻移栽后7～28 d 不同調(diào)理劑對(duì)活性還原性物質(zhì)的抑制作用較顯著。其中，S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10處理活性還原性物質(zhì)平均含量比RS處理降低0.23～0.60 cmol/kg，S5BⅠ5、S3BⅠ7對(duì)活性還原性物質(zhì)的抑制效果優(yōu)于其他處理。

圖2 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤活性還原性物質(zhì)的影響Fig.2 Effect of different soil conditioning agents on the content of paddy soil active reducing substances

由圖3 可知，土壤Fe2+含量在水稻移栽7 d 后快速升高，秸稈還田可提高土壤Fe2+增加幅度。RS 處理Fe2+平均含量比CK 提高194.22 mg/kg。但是S7B Ⅰ3、S3B Ⅰ7處理Fe2+平均含量分別為280.14、266.57 mg/kg，分 別 比RS 處 理 降 低98.84、110.41 mg/kg。其中，S3BⅠ7處理在水稻移栽后28、53 d 均顯著低于RS處理。

圖3 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤Fe2+含量的影響Fig.3 Effect of different soil conditioning agents on the content of Fe2+in paddy soil

土壤Mn2+含量變化如圖4所示，水稻移栽7 d后迅速提高，之后逐漸穩(wěn)定在100 mg/kg 左右。整體上看，各處理之間土壤Mn2+含量差異不顯著。

圖4 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤Mn2+含量的影響Fig.4 Effect of different soil conditioning agents on the content of Mn2+in paddy soil

對(duì)水稻移栽后0～53 d 后土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+含量進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)含量符合拋物線方程，F(xiàn)e2+含量適合線性方程，擬合方程見表2。由表2 可知，除CK 外，不同處理還原性物質(zhì)總量在水稻移栽后30 d 左右達(dá)到峰值，其最大值介于5.30～6.89 cmol/kg。CK、RS 處理還原性物質(zhì)總量峰值分別為4.58、6.32 cmol/kg，說明秸稈還田提高土壤還原性物質(zhì)總量峰值；S3BⅠ7、S0BⅠ10處理有助于降低秸稈還田后土壤還原性物質(zhì)總量，其還原性物質(zhì)總量峰值低于6.00 cmol/kg；其余處理還原性物質(zhì)峰值均高于6.10 cmol/kg。活性還原性物質(zhì)除CK 外，各處理整體變化趨勢(shì)與還原性物質(zhì)總量變化類似，各處理活性還原性物質(zhì)含量均在水稻移栽后30 d 左右達(dá)到峰值，其最大含量介于4.19～6.22 cmol/kg。其中，S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10、S3BⅡ7處理活性還原性物質(zhì)峰值約在5.00 cmol/kg，比RS處理降低約1 cmol/kg。

表2 不同處理稻田土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+含量擬合方程Tab.2 Fitting equation for the content of paddy soil total reducing substances，active reducing substances and Fe2+in different treatments

水稻苗期—分蘗期土壤Fe2+含量符合線性方程，其斜率可以表征Fe2+變化的速率。CK、RS 處理線性方程斜率為8.19、18.96，說明秸稈還田提高了Fe2+產(chǎn)生速率。S3BⅠ7處理Fe2+斜率為12.87，比RS降低了6.09，說明該處理有助于抑制土壤Fe2+的產(chǎn)生。

2.2 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤水溶液中鐵錳含量的影響

由圖5 可知，水稻移栽后0～53 d 土壤根系附近溶液Fe2+濃度整體較穩(wěn)定，在100 μg/kg 左右波動(dòng)。與RS 處理相比，玉米秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配在水稻移栽后14～53 d 能夠顯著降低土壤溶液Fe2+含量，F(xiàn)e2+降低量在29.78～54.60 μg/kg。除S3BⅡ7外，與RS 處理相比，煙草秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配在水稻移栽后14～53 d 對(duì)土壤溶液Fe2+濃度降低幅度介于8.58～33.57 μg/kg，且在水稻移栽后53 d 時(shí)差異達(dá)到顯著水平。以上表明，玉米秸稈生物炭與天然礦物復(fù)配對(duì)土壤還原性物質(zhì)削減效果優(yōu)于煙草秸稈生物炭與天然礦物復(fù)配。

圖5 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤水溶液Fe2+含量的影響Fig.5 Effect of different soil conditioning agents on the content of Fe2+in paddy soil solution

對(duì)于土壤溶液中Mn2+濃度（圖6）而言，2種生物炭及其與天然礦物復(fù)配處理的Mn2+濃度總體上與RS 處理間無顯著性差異。不同時(shí)期各處理Mn2+濃度差異較大，但無明顯規(guī)律。

圖6 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤水溶液Mn2+含量的影響Fig.6 Effect of different soil conditioning agents on the content of Mn2+in paddy soil solution

土壤水溶液pH 值見表3，整體上隨著水稻生長(zhǎng)呈先增加再逐漸降低的趨勢(shì)。不同時(shí)期，RS處理pH值均低于CK處理，其平均值比CK處理降低了0.24。不同復(fù)配調(diào)理劑處理土壤水溶液平均pH 值均高于RS處理，比RS提高了0.06～0.29，其中S3BⅠ7提高了0.10。說明供試調(diào)理劑有助于提高土壤緩沖能力。

表3 不同調(diào)理劑對(duì)稻田土壤溶液pH值的影響Tab.3 Effect of different soil conditioning agents on the pH in paddy soil solution

2.3 不同調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響見表4。CK、RS處理有效穗數(shù)分別為26.5、19.7個(gè)/穴，RS 比CK 有效穗數(shù)降低了6.8 個(gè)/穴。S3BⅠ7處理比CK 有效穗數(shù)降低了2.8 個(gè)/穴，但是比RS 有效穗數(shù)顯著提高了4.0個(gè)/穴。說明玉米秸稈生物炭與天然礦物復(fù)配后能夠提高水稻有效穗數(shù)。煙草秸稈生物炭及其與天然礦物復(fù)配后水稻有效穗數(shù)與RS 相近。各處理千粒質(zhì)量均在20 g 左右，處理間無顯著差異。RS、S0BⅡ10處理水稻結(jié)實(shí)率分別為91.7%、87.6%，高于其他處理；CK 結(jié)實(shí)率最低，僅為78.5%；其他處理水稻結(jié)實(shí)率均在80%左右。實(shí)粒質(zhì)量和秸稈質(zhì)量可以反映地上部干物質(zhì)量，S5BⅠ5、S3BⅠ7實(shí)粒質(zhì)量分別為64.2、64.4 g/穴，分別比RS 提高了12.2、12.4 g/穴，分別比CK 提高了6.6、6.8 g/穴。CK處理秸稈質(zhì)量最高，達(dá)到51.5 g/穴，RS 處理秸稈質(zhì)量最低，為34.4 g/穴。相比RS，2種生物炭及其與天然礦物復(fù)配后均提高秸稈質(zhì)量。其中，S3BⅠ7秸稈質(zhì)量顯著高于RS，比RS處理提高了14.1 g/穴。

表4 不同調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effect of different soil conditioning agents on rice yield and composition

2.4 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素和土壤還原性物質(zhì)主成分分析

對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素和土壤還原性物質(zhì)的主成分分析（PCA）見圖7，RS、S5BⅡ5處理在水稻移栽后7～28 d 還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+含量較高，雖然水稻結(jié)實(shí)率較高，但是有效穗數(shù)偏低，最終限制水稻產(chǎn)量。S7BⅠ3、S5BⅠ5到作物產(chǎn)量構(gòu)成因素和7～28 d 還原性物質(zhì)的垂直距離接近，說明其對(duì)土壤還原性物質(zhì)降低和作物增產(chǎn)均有一定效果。S7BⅡ3、S0BⅡ10、S3BⅡ7、S0BⅠ10處理在水稻苗期和盛蘗期還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)較高，限制水稻有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量，最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降。S3BⅠ7、CK 各時(shí)期還原性物質(zhì)含量較低，有助于有效穗數(shù)增加和產(chǎn)量提升。

圖7 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與不同時(shí)期土壤還原性物質(zhì)的PCA分析Fig.7 The PCA analysis of rice yield components and soil reducing substances in different periods

3 結(jié)論與討論

在淹水條件下，秸稈腐解需消耗大量化學(xué)氧來維持腐解過程，水體耗氧量增加。因此，相比秸稈不還田，秸稈還田后稻田水體化學(xué)耗氧量會(huì)提高1～3 倍[15]。此外，淹水條件下土壤通透性變差，秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸降低了土壤pH 值，進(jìn)而影響土壤中Fe2+、Mn2+和氫氧化物等的溶解度和微生物分解有機(jī)質(zhì)的效率[16]。伴隨著土壤中的氧化性有機(jī)酸大量轉(zhuǎn)化為還原性有機(jī)酸[17]，土壤還原性物質(zhì)顯著提高[18]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田條件下，水稻移栽后0～53 d 土壤還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)呈向下開口拋物線變化；土壤Fe2+含量呈線性逐漸增加趨勢(shì)。這可能是由于水稻移栽后0～10、10～30 d 秸稈處于快速、中速腐解期，對(duì)土壤化學(xué)氧消耗較多；水稻移栽30 d 后，秸稈處于緩慢腐解期，腐解速率下降，對(duì)土壤化學(xué)氧消耗量降低[19]。因此，秸稈腐解過程是影響稻田土壤氧化還原狀況的重要因素。

生物炭呈堿性且具有較強(qiáng)吸附性能，一方面降低交換性氫離子（H+）和交換性鋁離子（Al3+）含量，提高土壤pH 值[20]；另一方面直接與Fe2+形成結(jié)合物，降低Fe2+濃度[21]，并通過間接增強(qiáng)土壤微生物活性和產(chǎn)氧量，促進(jìn)Fe2+的氧化[22]。已有研究表明，供試天然礦物呈較強(qiáng)堿性，具有提高土壤pH 值、改善土壤微生物活性等作用[11，23]。本研究中，與RS 處理相比，玉米秸稈生物炭及其復(fù)配天然礦物在水稻移栽后14～53 d 均能夠顯著降低土壤溶液Fe2+含量，F(xiàn)e2+降低量在29.78～54.60 μg/kg。水稻移栽后0～53 d中，S3BⅠ7處理還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)平均值分別比RS降低0.20、0.60 cmol/kg，F(xiàn)e2+的變化速率比RS 降低6.09。同時(shí)，S3BⅠ7處理土壤孔隙水平均pH 值比RS 處理提高了0.10。總體來看，生物炭復(fù)配天然礦物能夠有效降低土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量及Fe2+的增加速率，其中玉米秸稈生物炭及其復(fù)配天然礦物效果更顯著。

施用生物炭復(fù)配天然礦物通過降低土壤還原性物質(zhì)的含量，能促進(jìn)水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用，最終通過提高水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素成穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量，使水稻明顯增產(chǎn)[24]。本研究中，與RS 處理相比，玉米秸稈生物炭復(fù)配天然礦物略微增加了水稻有效穗數(shù)、實(shí)粒質(zhì)量、秸稈質(zhì)量。其中，S3BⅠ7處理提升效果明顯。S7BⅡ3、S0BⅡ10、S3BⅡ7處理在水稻苗期和盛蘗期還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)較高，這可能是因?yàn)榈陀?00 ℃時(shí)生產(chǎn)的生物炭具有較低的pH 值、CEC（土壤陽離子交換總量）[25]。由于水稻生長(zhǎng)極易受到Fe2+濃度的影響，本研究中，施用生物炭復(fù)配天然礦物顯著降低了土壤活性還原性物質(zhì)和土壤Fe2+含量，利于水稻生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量。

綜合來看，秸稈還田會(huì)提高水稻生長(zhǎng)發(fā)育前期土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量，加快Fe2+的增加。施用由玉米秸稈、煙草秸稈碳化后的生物質(zhì)炭與天然礦物按不同水平復(fù)配的土壤調(diào)理劑可以有效抑制土壤還原性物質(zhì)和Fe2+增加速率，改善土壤溶液酸堿度，通過增加有效穗數(shù)從而提高作物產(chǎn)量，其中玉米秸稈生物炭效果優(yōu)于煙草秸稈生物炭。綜合考慮認(rèn)為，S3BⅠ7處理為本研究篩選出的降低土壤還原性物質(zhì)、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的最佳配方。