生物炭和石灰对酸性稻田水稻产量、土壤性状和经济效益的影响

廖萍汤军曾勇军吴自明石庆华黄山*

（1江西农业大学双季稻现代化生产协同创新中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌330045；2吉安职业技术学院，江西吉安343000；第一作者：763979314@qq.com；

*通讯作者：ecohs@126.com）

我国南方双季稻区双季稻种植面积约占全国水稻种植面积的40%[1]，具有丰富的光温水资源，且配制合理，对作物生产有较大的影响[2]。然而，大量研究表明，在亚洲稻区，水稻单产已增加乏力[2-4]。长期集约化种植模式下，过度施用化肥，导致稻田土壤养分耗竭和酸化，化肥的利用效率降低，不利于水稻单产的持续增加[5-6]。有研究表明，我国酸性土壤的分布遍及14个省区，总面积达 2.03×108hm2，约占全国耕地面积的21%[7]。江西省土壤调查数据表明，2005—2012年江西省耕地土壤pH值平均为5.2，其中，水田强酸性土壤所占的面积达85.7%[8]。

生物炭和石灰是近年来广泛应用的土壤酸化改良剂[9]。生物炭是农业废弃物资源优化利用的重要方式[10]，在高温和较少氧的条件下，经高温裂解过程制备而来，其性状稳定[11]。有研究表明，生物炭施入到土壤后会释放一定的K+、Ca2+和Mg2+等盐基离子，可以交换土壤中的H+和Al3+离子，从而降低土壤可溶性酸性盐基离子，提高盐基饱和度，改善土壤酸化[12]。另外，随着生物炭的施用量增加，土壤pH值也随之提高[13-14]。还有研究表明，生物炭对营养元素具有一定的固持能力，能提高养分利用率[15-16]，但是，生物炭施入土壤会改变氮素的转运途径，使得生物炭对酸化土壤中氮素转运存在差异[17]。稻田增施石灰被广泛运用于改良土壤酸化[18]。有研究表明，石灰可以补充土壤中的钙盐，增加土壤黏结性，改善土壤团粒结构[19]。适量施用石灰缓解了土壤酸化胁迫，促进了水稻生长，增强了其对养分的吸收能力[20]。另外，酸化土壤中施用石灰有利于提高土壤微生物活性和有机质的分解，从而促进土壤养分的释放[21]。虽然以往的研究已分别证实生物炭和石灰均能提高水稻产量和改良土壤酸化，但是两者改良稻田土壤酸化的对比研究较少。为此，本试验比较了生物炭和石灰对双季水稻产量、土壤性状和经济效益的影响，以期为南方双季稻区水稻产量持续增加、稻田土壤酸化改良和农民增收提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015-2016年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村（115°09'E,28°31'N）进行。该地区具有典型的亚热带气候，年平均降雨量1 650 mm，年平均气温17.5℃，年平均日照时数1 700 h。供试土壤为第四纪红色粘土发育的水稻土（黏粒为17.0%），试验前土壤0～20 cm 耕作层的基本理化性质为：容重 1．06 g/cm3，有机质 18.1 g/kg，pH 值 5.2，碱解氮 115 mg/kg，有效磷15.9 mg/kg，速效钾 64 mg/kg，全氮 1.1 g/kg，全磷 0.4 g/kg，全钾 3.9 g/kg。

1.2 试验设计

试验设3个处理，完全随机区组设计，3次重复，小区面积25 m2。各处理分别为：CK，施用常规化学氮、磷、钾肥，不施生物炭、石灰；处理B，加施生物炭20 t/hm2；处理 L，加施熟石灰 2.1 t/hm2[22]。本试验所用的生物碳和石灰均为市售，生物炭是以小麦秸秆为炭化原料，在350℃～550℃条件下限氧热裂解制备而得，其基本理化性质为 pH 值 10.4，C∶N 为 79.2[23]。两种酸化土壤改良剂在2015年早稻稻田翻耕前1个星期人工均匀撒入，翻耕时酸化土壤改良剂与0～20 cm耕层土壤充分混匀。3个处理的化学氮、磷、钾肥用量和施肥方式相同。早稻施肥量为：纯N 120 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2；晚稻施肥量为：纯 N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。氮、磷、钾肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。早晚稻氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3 施用，磷肥作基肥一次性施用，钾肥按基肥∶穗肥=5∶5施用。参试水稻品种早稻为常规稻中嘉早17，栽插规格 23.1 cm ×13.2 cm，每丛 4 株；晚稻为杂交稻五优 308，栽插规格 26.4 cm ×13.2 cm，每丛 2 株。各处理均人工移栽及收获，秸秆不还田，其他栽培措施保持一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及产量构成

在水稻成熟期每个小区各调查120丛的有效穗数，按平均数法取5丛，利用水漂法[24]考察穗粒结构。另外，各小区实割10 m2水稻脱粒后测定实际产量。

1.3.2 土壤性状

2016年晚稻收获后，采用“五点法”取各小区0～20 cm耕层土壤样品，自然风干，分别过0.25 mm和1 mm筛孔后，用塑料自封袋保存待测。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮，pH测试仪测定土壤pH值，重铬酸钾容量法测定土壤有机质，Foss－2300全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮[23]。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 18．0软件进行数据处理和统计分析，并进行显著性检验。

本试验投入成本包括原料（生物炭和石灰）、种子、肥料、农药、灌溉、机械、人工和田块租金。生物炭价格为2 200元/t，石灰价格为1 000元/t，其他成本根据当地市场价格定制。根据国家粮食局公布的2015年和2016年早晚籼稻最低收购价数据[25]计算粮食产值。净收益率＝产值－投入成本；新增纯收益率（%）＝[（施原料区收益－不施原料区收益）/不施原料区收益]×100%；边际成本报酬率＝（施原料区产值－不施原料区产值）/（施原料区成本－不施原料区成本）[26]。由于2016年生物炭和石灰均未施用，各处理成本一致，故未计算2016年的边际成本报酬率。

2 结果与分析

2.1 对产量及其构成的影响

从表1可见，2015年B处理降低了早、晚稻产量，且晚稻产量显著低于CK；L处理增加了早、晚稻产量，其中晚稻显著高于CK；2016年B处理和L处理均显著增加了早、晚稻产量。2015年B处理显著降低了早、晚稻的有效穗数和早稻的每穗粒数，但显著提高了2015年早稻的结实率，对千粒重无显著影响；L处理显著增加了早、晚稻的有效穗数和每穗粒数，对结实率和千粒重无显著影响。2016年B处理显著增加了早稻的每穗粒数和晚稻的千粒重；L处理显著增加了早稻的每穗粒数以及晚稻的有效穗数和每穗粒数。

2.2 对土壤性状的影响

2016年晚稻收获后，对土壤性状进行测定，结果（表2）表明，B处理显著增加了土壤pH值和有机质含量，对土壤碱解氮和全氮无显著影响；L处理显著增加了土壤pH值和碱解氮含量，对有机质和全氮无显著影响。

2.3 对经济效益的影响

从表3可见，2015年B处理显著降低了水稻生产效益，新增纯收益率和边际成本报酬率均表现为负值；L处理显著增加了水稻产值和净收益，新增纯收益率和边际成本报酬率均显著高于B处理。本试验在2016年均未增施生物炭和石灰，但由于两者后期持续效应，B处理和L处理均显著提高了水稻产值和净收益。与B处理相比，L处理的粮食产值和净收益分别提高2.9%和 6.7%。

3 讨论与结论

本研究表明，加施生物炭的处理降低了2015年早、晚稻的产量，但显著增加了2016年早、晚稻的产量。目前，生物炭对水稻生长发育和产量形成没有一致的观点[10，27]，主要是受稻田土壤类型[28]、生物炭施用量和施用年限等的影响[29]。大量研究[14-16，30]表明，生物炭具有丰富的多微孔结构，比表面积较大，施入稻田后一方面可以改善土壤理化性状，提高盐基饱和度并调节土壤pH值；另一方面，生物炭对营养元素具有一定的吸附能力，能提高养分利用率，促进作物的生长和发育，从而提高作物产量。然而，短期试验研究结果表明，生物炭含有大量易被微生物利用的不稳定碳源，短期内会导致微生物对速效氮素的固定[31-32]。另外，刘遵奇等[33]研究发现，生物炭施入土壤后加速了尿素的分解和氨气的排放速率。这两个因素均导致土壤前期养分供应不足，影响水稻分蘖。本研究结论与之相似，本试验中生物炭用量为20 t/hm2，其C∶N含量较高，导致2015年早、晚稻有效穗数显著降低。随着种植年限的推进，土壤碳源被消耗，微生物所固定的氮素被逐渐释放[34]，促进了水稻生长后期养分的供应。本试验施用生物炭增加了2016年早、晚稻每穗粒数，在早稻时达显著水平。有研究[14，35]表明，施用生物炭能提高土壤有机质，改良土壤酸化，本研究亦发现，施用生物炭2年后，显著提高了稻田土壤pH值和有机质含量。值得注意的是，生物炭本身是一种有机物质，稻田添加外源有机物质亦显著提高土壤有机质含量。从经济效益方面分析表明，生物炭处理显著降低了2015年早、晚稻产量和产值；另外，市售的生物炭价格成本较高（2 200元/t），本试验生物炭施用量过大（20 t/hm2），导致净收益出现亏损现象。但是，由于其后续正效应显著提高了2016年早、晚稻产量，从而显著提高了水稻产值和净收益。

表1 生物炭和石灰处理对双季水稻产量及产量构成的影响

表2 生物炭和石灰处理对土壤性状的影响

表3 生物炭和石灰处理对水稻经济效益的影响

稻田施用石灰对双季水稻产量提升具有促进作用[36-38]，本研究结果与之相似。本研究表明，水稻产量的增加主要是由于有效穗数和每穗粒数的增加。Crusciol等[38]研究发现，稻田土壤表施石灰有效增加了水稻的有效穗数和每穗粒数，促进了水稻的生长发育。大量研究[21，23，39-41]表明，施用石灰能提高土壤 pH 值，改良土壤酸化，从而提高土壤微生物活性，促进土壤有机质的分解，提高土壤有机氮的矿化速率。本研究结果与之相似，在施用石灰2年后，显著增加了土壤pH值和碱解氮含量。从经济效益方面分析，施用石灰显著提高了水稻的产值和净收益。本试验所用石灰的价格为1 000元/t，施用量为2.1 t/hm2，一方面，价格比生物炭低廉、施用量少；另一方面，石灰处理2015年总产量比生物炭处理高22.3%，因而显著提高了水稻产值、净收益、新增纯收益率和边际成本报酬率。2016年，2个处理间均未再次施用原料，但石灰处理的水稻产值和净收益仍略高于生物炭处理（2.9%和6.7%），因此新增纯收益率显著增加。

通过2年田间试验，生物炭一方面受到土壤类型、施用量和施用年限等众多因素影响，不能广泛推广；另一方面，生物炭制备成本较高，价格较昂贵。然而，生物炭本身具有一定的孔隙结构，比表面积大，对改善土壤结构，增加土壤总孔隙率效果明显[10，14]。但是，本试验单从改良土壤酸化的角度考虑，以石灰作为土壤酸化改良剂，对南方双季稻区水稻产量持续增加、稻田土壤肥力提升和增加农民经济效益意义更大。另外，本研究不足的是，试验仅为2年田间试验，有研究[42]表明，稻田施用石灰增加土壤盐基离子含量的同时，盐基离子也具有一定的缓冲能力，可能会引起经过改良后的酸化土壤出现“反酸”现象。由于单次施用石灰和生物炭对酸性稻田土壤改良的理化效应持续时间较长，应该从长期试验结果来分析土壤酸化改良剂对水稻经济效益的影响。为此，后续研究应继续关注施用石灰和生物炭对酸性稻田土壤改良的效果。