生物炭和氮素互作對土壤化學(xué)特性、硅形態(tài)及水稻生長的影響

汪勝　潘韜文　陳劍珠　田紀(jì)輝　蔡昆爭

摘要：為揭示生物炭和氮素互作在水稻生長和土壤改良方面的協(xié)同作用，以華航31、美香占2個水稻品種為材料，研究不同氮水平（0、0.1、0.2 g/kg）條件下施用2%生物炭對土壤的化學(xué)特性、硅形態(tài)轉(zhuǎn)化和水稻植株生長的影響。結(jié)果表明，施用生物炭、氮均顯著影響植株的干物質(zhì)積累及葉片的光合作用。在同一氮水平下施加生物炭可顯著提高水稻植株地上部生物量，其中0.2 g/kg氮水平配施生物炭（BN2處理）分別使華航31、美香占的地上部生物量增加54.39%、73.39%，分蘗期游離態(tài)硅含量分別達到151.3、152.7 mg/kg；而不同氮素水平配施生物炭對葉片的Fv/Fm無顯著影響。不同氮水平施加生物炭，均顯著提高土壤有機碳含量和土壤有效硅含量，且不同生育期和不同品種一致。此外，在水稻成熟期，不同氮水平配施生物炭顯著增加土壤的pH值和植株莖葉硅的積累量。值得注意的是，在生物炭和氮素互作條件下，土壤全碳和有效硅含量呈顯著正相關(guān)。綜上所述，生物炭和氮素互作能改善土壤肥力，促進硅形態(tài)轉(zhuǎn)化，促進水稻植株生長和養(yǎng)分吸收，提高有效硅含量，其中以0.2 g/kg 氮水平下施用生物炭效果最為顯著。

關(guān)鍵詞：水稻；氮；生物炭；土壤肥力；養(yǎng)分吸收；硅

中圖分類號：S511.06文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0151-08

隨著世界人口逐漸增多，人們對糧食的需求越來越大，未來水稻產(chǎn)量每年需增加1.2%以上才能滿足需求［1］。氮素在水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成中起非常重要的作用，氮肥不足導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降［2］。研究表明，合理施用氮肥能增加水稻產(chǎn)量和氮素利用率，還能提高土壤肥力［3］。但過量施用氮肥，會引起土壤板結(jié)、酸化、水體富營養(yǎng)化、肥力下降等問題，還會造成農(nóng)業(yè)面源污染［4］。

生物炭（biochar）是以生物質(zhì)為原料，在厭氧或低氧條件下高溫?zé)峤庑纬傻母缓嫉姆€(wěn)定產(chǎn)物［5］。生物炭具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、養(yǎng)分豐富、吸附性強等特點，在改善土壤特性、減少養(yǎng)分淋失、促進作物生長等方面具有良好的作用［6-7］。此外，生物炭能顯著提高土壤碳源，增加有機質(zhì)含量，從而提高土壤肥力，改善土壤環(huán)境［5，8］。生物炭還可通過影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活動來加速土壤氮礦化，以增加土壤的氮含量和有效性氮，而不同氮素水平下施加生物炭可顯著提高水稻自身氮的利用效率和雙季稻產(chǎn)量［6，9］。相關(guān)研究表明，水稻秸稈含有大量的硅，且資源豐富，利用水稻秸稈制成生物炭不僅能妥善解決秸稈處理難題，還能增強土壤肥力，并可作為一種潛在的硅肥［10-11］。因此，在不同氮水平條件下施用生物炭是一種具有應(yīng)用前景的施肥方式。因此，合理施用氮肥和提高土壤中碳硅含量，有助于改善土壤生態(tài)環(huán)境和水稻養(yǎng)分吸收的可持續(xù)性。

本研究以我國南方推廣面積較大的2個水稻品種為試驗材料，研究不同氮素水平下施用生物炭對土壤硅形態(tài)及有效性、土壤化學(xué)特性與水稻植株養(yǎng)分吸收的影響，以期為生物炭應(yīng)用于稻田土壤養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年4月上旬在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗農(nóng)場進行。試驗用水稻品種為華航31（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供）、美香占（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供）。試驗用土取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地水稻田，土壤主要理化性質(zhì)如下：pH值為5.88，EC值為0.16 dS/m，CEC值為5.25 cmol/kg，含有機質(zhì) 36.36 g/kg、全氮 2.65 g/kg，C/N為10.63，含全磷 0.58 g/kg、全鉀 11.07 g/kg、銨態(tài)氮 2.7 mg/kg、硝態(tài)氮 4.96 mg/kg、有效磷 31.0 mg/kg、速效鉀 73.42 mg/kg。

生物炭為水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，制備溫度為 600 ℃，燒制2 h。生物炭的基本性質(zhì)如下：pH值為9.04，C含量為50.55%，H含量為1.786%，N含量為1.89%，S含量為0.171%，C/N為26.79，C/H為28.3。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗，設(shè)3個氮水平（0、0.1、0.2 g/kg，分別用N0、N1、N2表示），2個生物炭水平（0、2%，施加2%生物炭用B表示）。每個品種6個處理，重復(fù)3次，每個處理共12盆，隨機區(qū)組設(shè)計。氮肥以尿素折合純氮量施入。盆栽大小為20 cm×28 cm×17 cm（下口徑×上口徑×盆高），每盆裝入5 kg均勻水稻土，并移栽3穴水稻苗，每穴1株。2020年4月14日移苗，7月12日收獲。

生物炭于幼苗移栽前1周施用，所有處理均施用等量的磷肥（0.43 g/kg P2O5） 、鉀肥（0.57 g/kg? K2O），且一次性施用。氮肥于2020年4月21日、4月27日分2次施用，每次施用50%。在水稻分蘗期、成熟期分別取樣，測定土壤和植株的相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 植株生長指標(biāo)

在水稻分蘗期，選擇各處理主莖最上部完全展開葉片，采用OS-30p儀器測定葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm，即葉片最大光化學(xué)量子效率。用SPAD-502Plus測定葉片的葉綠素含量，以3次測定的平均值表示該葉片葉綠素含量。待水稻成熟期時取樣，并測定地上部干物重。

1.3.2 植株的氮、硅含量

水稻植株樣品在105 ℃殺青30 min，后經(jīng)80 ℃烘干至恒重，用粉碎機磨成粉末用于測定植株地上部分中的氮、硅含量。氮含量采用濃H2SO4-H2O2消解，奈氏比色法［12］測定；硅含量采用高溫堿熔解法［13］測定。

1.3.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)

在分蘗期、成熟期取土壤樣品進行養(yǎng)分特性測定。土壤pH值采用ST 2100 pH 計（奧豪斯儀器常州有限公司）測定，水、土質(zhì)量比為2.5 ∶1；土壤EC值采用用EC儀（ZDS-EC）測定，水、土質(zhì)量比為5 ∶1；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法［12］測定；土壤有機質(zhì)含量用vario TOC cube元素分析儀（ Elementar Analyse system GmbH，德國）測定，在將有機碳含量轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)含量。土壤有效硅及硅形態(tài)采用鉬藍比色法［13-14］測定；土壤CEC值采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法［15］測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)均使用 Microsoft Excel進行計算，使用IBM SPSS Statistics version 26進行統(tǒng)計分析，使用OriginPro 2022b制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和氮素互作對水稻干物質(zhì)積累量及植株生長的影響

由表1可知，與N0處理相比，BN2顯著增加2個水稻品種葉片的最大光化學(xué)量子效率Fv/Fm和美香占葉片的SPAD值。N2處理與施加生物炭處理使美香占SPAD值顯著增加，而華航31的SPAD值只有BN1處理顯著增加。而同一氮水平下施加生物炭，均增加2個水稻品種的地上部生物量，其中N2氮水平下添加生物炭對地上部生物量的增加幅度最大。不同氮素處理顯著影響美香占植株地上部生物量，但對華航31號無顯著影響。與N2處理相比，BN2處理分別使美香占、華航31水稻地上部分生物量增加54.39%、73.39%。

2.2 生物炭和氮素互作對水稻植株地上部莖葉氮、硅積累量的影響

同一氮水平施加生物炭顯著提高不同生育期植株莖葉氮的積累量（圖1）。在分蘗期，與N0處理相比，BN0處理使美香占、華航31莖葉氮積累量顯著增加20.07%、71.88%，且BN2處理均使莖葉氮積累量達到最大值。除水稻分蘗期N2水平外，同一氮水平下施加生物炭顯著提高水稻植株莖葉硅的積累量，不同生育期和不同品種一致。在成熟期，與N0處理相比，BN0處理使美香占、華航31的莖葉硅積累量分別增加118.58%、66.11%。

2.3 生物炭和氮素互作對土壤化學(xué)特性的影響

2.3.1 土壤pH值

在水稻分蘗期，與N0處理相比，BN0處理使美香占、華航31的土壤pH值顯著增加5.14%、 6.84%；與N2處理相比，BN2處理增加的幅度則分別為10.84%、5.86%（圖2-A）。在水稻成熟期，同一氮水平下施加生物炭均使土壤pH值顯著提高（圖2-B）， 隨著氮素水平的提高，土壤的pH值有下降的趨勢。在成熟期，與N0處理相比，N2處理使美香占土壤pH值下降 4.07%，華航31則下降 1.65%。

2.3.2 土壤電導(dǎo)率

由圖2-C、圖2-D可知，同一氮水平下施加生物炭，對華航31水稻的土壤電導(dǎo)率存在顯著影響。而在成熟期，BN2處理的美香占水稻土壤電導(dǎo)率顯著高于N2處理。在分蘗期，與N0處理相比，N2處理使美香占水稻土壤電導(dǎo)率顯著增加37.93%；而BN0、BN1處理使華航31號水稻土壤電導(dǎo)率顯著增加，均增加83.3%。

2.3.3 土壤陽離子交換量

同一氮水平下施加生物炭顯著增加分蘗期土壤陽離子交換量（圖2-E）。與N1處理相比，BN1處理使美香占、華航31號水稻的土壤陽離子交換量顯著增加14.34%、30.38%。

2.3.4 土壤有機碳

同一氮水平施加生物炭顯著提高土壤有機碳含量（圖3-A、圖3-B），不同生育期和不同品種一致。在成熟期，與N0處理相比，BN0處理分別使美香占、華航31的土壤有機碳含量增加58.36%、43.65%；而方差分析結(jié)果表明，生物炭對2個水稻品種土壤有機碳含量的影響存在顯著差異，而氮肥對土壤有機炭含量的影響不顯著。

2.3.5 土壤堿解氮 同一氮水平施加生物炭對土壤堿解氮含量無顯著影響（圖3-C、圖3-D）。在分蘗期，不同施氮水平處理的美香占水稻堿解氮含量為 124.25～133.00 mg/kg，同一氮水平加生物炭處理為115.50～127.75 mg/kg。

2.4 生物炭和氮素互作對土壤有效硅及硅形態(tài)的影響

2.4.1 土壤有效硅

同一氮水平施加生物炭顯著增加土壤有效硅含量，不同生育期和不同品種一致（表2）。在分蘗期，與N0處理相比，施用生物炭使美香占、華航31的土壤有效硅含量顯著增加55.2%、49.6%。此外，在美香占成熟期生物炭配施氮肥條件下，隨著氮肥的施用量的增加，土壤有效硅含量逐漸增加，但處理間沒有顯著差異。

2.4.2 土壤硅形態(tài)

在不同氮水平條件下施加生物炭，水稻不同品種和不同時期的土壤硅形態(tài)含量整體有增加趨勢（表2）。在水稻分蘗期，BN2處理顯著增加美香占、華航31的土壤游離態(tài)硅含量，分別達到151.3、152.7 mg/kg。在水稻成熟期時，各處理對土壤游離態(tài)硅含量、無定形硅含量無顯著影響；BN1處理下，華航31號的土壤游離態(tài)硅含量、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅含量達到最大值。

2.5 土壤C、Si的相互關(guān)系

土壤有效硅含量與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)，不同生育期和品種趨勢一致（圖4）。在分蘗期，2個水稻品種土壤有效Si含量與土壤有機C含量呈極顯著正相關(guān)。在成熟期，美香占的土壤有效Si含量與土壤有機C含量呈顯著正相關(guān)，華航31號的土壤有效Si含量與土壤有機C含量呈極顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 生物炭和氮素互作對土壤化學(xué)特性的影響

生物炭含有植物生長所需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，能吸附、負載、釋放、增強對土壤養(yǎng)分的緩釋作用，還能保留土壤中的養(yǎng)分，延長養(yǎng)分的停留時間［16-17］。本研究表明，0.2 g/kg氮素水平下，2個水稻品種美香占、華航31的土壤pH值隨之降低（圖2），相關(guān)研究也表明氮沉降有使土壤酸化的風(fēng)險［18-19］。0.2 g/kg氮素施加生物炭顯著提高土壤pH值，在成熟期不同氮素水平下生物炭處理均顯著增加2個水稻品種的土壤 pH值，這與吳愉萍等關(guān)于不同生物炭添加量能顯著提升土壤 pH 值的結(jié)果［20］相似。由于生物炭偏堿性，隨著試驗周期的延長，生物炭施用對土壤 pH 值的增加效應(yīng)會更明顯［19］。

本研究表明，在分蘗期，生物炭施用顯著增加水稻品種美香占、華航31的陽離子交換量（圖2），有助于提高土壤保肥力。生物炭本身呈堿性，表面含有許多含氧官能團，可增加土壤中堿性陽離子的含量，有助于提高土壤養(yǎng)分含量［21］。研究表明，施加生物炭能顯著提高土壤陽離子交換能力、堿性氮含量、速效磷含量等，增加土壤養(yǎng)分的利用率［22-23］ 。另有研究發(fā)現(xiàn)，氮肥配施生物炭顯著提高土壤有機碳含量，在同等氮水平下，土壤有機碳的含量隨生物炭添加量的增加而增加［24］。本研究表明，施加生物炭顯著增加土壤有機碳含量，而對氮素的影響則不顯著（圖3）。其主要原因可能是，施加生物炭促進有機-礦物復(fù)合物的形成；同時微生物的生物活性也會減弱，從而增加土壤有機質(zhì)含量，而氮肥對土壤有機質(zhì)含量的提高相對緩慢［25-26］。本研究發(fā)現(xiàn)，在成熟期相同施氮水平下，施加生物炭對土壤堿解氮含量無顯著影響（圖3）。研究表明，施用生物炭可顯著增加紅壤堿解氮含量，且隨生物炭施用量的增加而增加，但對黃棕壤無明顯影響［27］。由此可見，生物炭施用對不同類型土壤氮素含量的影響存在差別。

3.2 生物炭和氮素互作對土壤硅形態(tài)的影響

硅作為作物生長的有益元素，能增強作物適應(yīng)生物和非生物脅迫的能力，并且對提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用［28-29］。常年的耕作導(dǎo)致水稻從土壤中帶走大量的有效硅，造成土壤有效硅含量顯著下降，進而影響后續(xù)水稻的生長發(fā)育［30］。本研究表明，同一施氮水平下施用生物炭，能顯著提高土壤中的有效硅含量（表2），與Li等的研究結(jié)果［31］一致。水稻秸稈及秸稈生物炭含有豐富的硅， 硅的含量可超過10%，因此施加秸稈生物炭可以提高土壤中有效硅的含量［32-33］。富硅作物秸稈經(jīng)過緩慢熱解轉(zhuǎn)化成的生物炭施入土壤后，可以顯著提高土壤有效硅含量，促進作物養(yǎng)分吸收［31，34-36］。此外，施加生物炭可顯著提高土壤的有機碳含量及其活性成分，且隨著生物炭的增加而增加［5，37］。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳和有效硅含量之間呈顯著正相關(guān)作用，說明碳硅之間存在一定協(xié)同作用［38］。

前人研究表明，土壤中硅的無機態(tài)也包含了水溶態(tài)硅、交換態(tài)硅、膠體態(tài)硅、無定形硅等多種類型，同樣無定形硅也可水解成膠體態(tài)硅或溶解于土壤溶液中，為植物生長提供部分有效硅［15，39］，由此可見，硅形態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，提供作物當(dāng)季吸收利用的硅素［40］。本研究表明，0.2 g/kg氮素配施生物炭（BN2處理）顯著增加美香占、華航31分蘗期的土壤游離態(tài)硅，而對水稻成熟期各處理之間的土壤無定形硅無顯著影響，這可能是因為富硅生物炭釋放出來的硅不足以改變土壤中無定型硅的含量［41］。

3.3 生物炭和氮素互作對植株生物量和葉片光合作用的影響

施加生物炭可以顯著促進作物生長和養(yǎng)分吸收［16，31］。光合作用是地球上重要的化學(xué)反應(yīng)過程，是維持大氣中碳氮平衡和決定植物生產(chǎn)力的重要因素［42］。生物炭可改善水稻的光合特性，增加水稻產(chǎn)量［23，43］。本研究表明，與N0處理相比，0.2 g/kg氮水平施加生物炭可以提高葉片的最大光化學(xué)量子效率，增加植株的干物質(zhì)積累（表1），主要原因在于生物炭能提高PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率，增強水稻抗逆和養(yǎng)分吸收能力，促進植物生長發(fā)育［44］。有研究發(fā)現(xiàn)，同一氮水平下10 t/hm2的生物炭施用量對水稻葉片SPAD值影響不大，而20 t/hm2 的生物炭施用量可顯著提高水稻葉片SPAD值［45］ 。

本研究雙因素方差分析表明，施加氮素可以增加美香占、華航31葉片的SPAD值，而氮素和生物炭之間沒有交互作用。

3.4 生物炭和氮素互作對水稻植株Si、N養(yǎng)分吸收的影響

作物秸稈硅含量較高，將其燒制成生物炭施加到土壤，可以為作物的生長提供硅源［8，46］。本研究表明，施加生物炭顯著增加水稻莖葉硅含量，促進水稻根系對硅的吸收（圖1），從而有利于增強水稻植株抗性［8，45］。有研究表明，不同氮水平施加生物炭能促進水稻養(yǎng)分的吸收，顯著增加水稻的有效分蘗數(shù)，而氮肥施加過多或過少均會對植物生長產(chǎn)生不利影響［46］。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同生物炭水平下，隨著氮素添加量的增加，水稻分蘗期植株莖葉氮吸收量顯著增加，表明施加生物炭可以改善土壤環(huán)境，增加氮肥的利用效率，使得植株能夠更有效地吸收氮素［47］。

4 結(jié)論

本試驗探究生物炭和氮素互作條件下對土壤化學(xué)特性、硅形態(tài)及水稻生長的影響。研究結(jié)果顯示：（1）生物炭和氮素互作顯著提高水稻植株生物量和改善葉片光合作用，其中BN2處理使美香占水稻葉片的最大光化學(xué)量子效率達到最大值；（2）生物炭和氮素互作可以有效地改善土壤肥力，顯著增加土壤有機碳含量和有效硅含量，在水稻成熟期顯著提高土壤pH值；（3）生物炭和氮素互作能改善土壤肥力，促進硅形態(tài)轉(zhuǎn)化和水稻植株生長和養(yǎng)分吸收，提高有效硅含量，其中以0.2 g/kg氮水平下施用生物炭（BN2處理）效果最為顯著。

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收稿日期：2023-04-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：31870420）；廣東省科技計劃（編號：2121A0505030057）。

作者簡介：汪 勝（1997—），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail：1476078243@qq.com。

通信作者：蔡昆爭，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：kzcai@scau.edu.cn。