生物炭对双季水稻产量、养分吸收和土壤性状的残留效应

刘磊廖萍王海媛张俊曾勇军黄山*

（1江西农业大学/教育部江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌330045；2中国农业科学院作物科学研究所，北京100081；第一作者：947671114＠qq.com；*通讯作者：ecohs＠126.com）

我国是世界上主要的稻米生产国，稻米产量约占全球总量的28.5%。我国南方双季稻区光温水资源丰富，对保障国家粮食安全具有重大作用[1]。但是，由于该区域本身的土壤pH值较低，且在长期集约化生产模式下，氮肥的过量投入导致土壤酸化和肥力下降，已威胁到双季稻区的持续丰产[2-3]。因此，研究如何协同提升南方双季稻田的土壤肥力和水稻产量具有重要意义。

生物炭是近年来广泛应用的土壤改良剂[4]。它是由木屑、农作物秸秆、禽畜粪便等生物有机质在完全无氧或缺氧的条件下，经过高温（一般在700°C以下）热解反应产生的一种富含碳元素的固态物质[5]。大量研究表明，生物炭具有多孔性、碱性和强吸附性，稻田施用生物炭短期内一方面能增加土壤的比表面积，提高土壤的持水保肥性[6-7]；另一方面生物炭能够改善土壤酸碱性[8]、促进作物养分吸收，从而提高作物产量[9-11]。然而，HUANG等[12]研究发现，施用生物炭3年后其提高作物产量的能力下降，需要再次施用。但也有研究表明，施用生物炭3年后仍能够显著改善土壤性状、提高作物产量[8]。目前，关于生物炭的研究主要侧重于对土壤改良和作物生产的短期效应，稻田施用生物炭后的持续效应研究较少，且结论不一致。为此，笔者于2015年在偏酸性的红壤性双季稻田上设置一次性施用生物炭的定位试验，持续监测施用生物炭对双季水稻产量、养分吸收和土壤性状的残留效应，以期为南方双季稻田的持续增产和土壤培肥提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2015年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村（东经115°09',北纬28°31'）开展田间定位试验。该试验区周年种植制度为“早稻季-晚稻季-冬季休闲”。本区域属于典型的亚热带季风性气候，土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，耕层土壤偏酸性，且基础肥力较低。试验开始前的土壤基础性状为：容重1.06 g/cm3，pH值 5.20，有机质 18.10g/kg，碱解氮 115 mg/kg，有效磷15.90 mg/kg，速效钾 64.00 mg/kg，全氮 1.10 g/kg，全磷0.37 g/kg，全钾 3.88 g/kg。

1.2 试验材料

本定位试验4年期间早、晚稻品种保持一致。早稻品种为常规籼稻中嘉早17，晚稻品种为杂交籼稻五优308。

试验用生物炭由河南三利新能源公司提供，炭化原料为小麦秸秆，炭化温度为350°C～500°C，其基础pH值为 10.4，C/N 为 79.2[11]。

1.3 试验设计

本试验采用单因素随机区组设计，各小区面积均为25 m2。试验设2个处理：C0，常规化学氮磷钾肥处理，不施生物炭；C20，在2015年早稻稻田翻耕前1周施用1次生物炭，施用量为20 t/hm2，稻田翻耕时，生物炭与耕层土壤混匀。2个处理均设3次重复。2018年早、晚稻化肥施用种类、施用量及施用方式均与前3年保持一致，氮肥为常规尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。早稻氮肥、磷肥和钾肥施用量分别为纯N 120 kg/hm2、P2O533 kg/hm2和 K2O 62 kg/hm2；晚稻氮肥施用量比早稻增施30 kg/hm2，P、K肥与早稻等量。早、晚稻氮肥施用方式为50%作基肥、20%作分蘖肥、30%作穗肥；磷肥作基肥一次性施用；钾肥作基肥和穗肥各占50%。早、晚稻移栽日期分别为4月16日和7月20日；移栽基本苗分别为4株/丛和2株/丛；移栽密度分别为 13.2 cm×23.1 cm 和 13.2 cm×26.4 cm。采用人工插秧和收获。早、晚稻各处理的田间水分管理均采用移栽后浅水、分蘖中期排水搁田、复水后干湿交替直至水稻收获前10 d左右断水。稻田病虫草害防治参照当地高产栽培模式管理。

表1 施用生物炭对双季水稻产量及其构成、生物量的残留效应（2018年）

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量及其构成、生物量

在早、晚稻成熟期，各小区内随机调查120丛有效穗数，按照平均数法随机选取5丛水稻，采用水漂法[13]考察穗粒结构。按照平均数法再随机取5丛水稻，自来水洗净泥土，剪根后将茎鞘、叶和穗用报纸分开包扎，放置于烘箱中于105°C条件下杀青30 min，然后调至70°C烘干至恒质量，测定水稻生物量。过0.25 mm筛粉样，用塑料自封袋保存，待测植株养分。另外，各小区手工割取10 m2水稻，机械脱粒，随机取1 kg稻谷于70°C烘箱内烘干，折合14%的标准含水量后计算实际产量。

1.4.2 养分吸收

采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪（福斯集团公司·丹麦）测定植株各器官氮素含量；经过H2SO4-H2O2消煮后，采用钒钼黄比色法测定植株各器官磷素含量；另取部分消煮液样品稀释，用火焰光度法测定植株各器官钾素含量[14]。最后根据水稻各器官生物量和氮、磷、钾素含量计算地上部养分吸收总量。

1.4.3 土壤性状

2018年晚稻收获后，采用“五点法”取耕层（0～20 cm）土壤样品，自然风干后过2 mm筛保存，待测相关土壤属性。用PHS-3C pH测试仪（上海仪电科学仪器股份有限公司·中国）测定土壤pH值；重铬酸钾容量法测定土壤有机质；碱解扩散法测定土壤碱解氮；钼锑抗比色法测定土壤有效磷；火焰光度法测定土壤有效钾；采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮；土壤样品经H2SO4-HClO4消煮后，采用钼锑抗比色法测定土壤全磷，火焰光度法测定土壤全钾[14]。

1.5 数据处理

采用SPSS 18.0对数据进行统计分析，于P≤0.05水平进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 对产量及其构成的影响

从表1可见，一次性施用生物炭后的第4年，生物炭处理依然显著提高早稻产量，但对早稻产量构成因子和生物量均无显著影响；生物炭对晚稻生物量、产量及其构成因子均无显著影响。

2.2 对养分吸收的影响

从图1可见，施用生物炭有增加早稻氮素吸收、减少晚稻氮素吸收的趋势，但差异均不显著；施用生物炭有增加早稻和晚稻磷素吸收的趋势，但均未达到显著水平；施用生物炭显著提高了早、晚稻的钾素吸收，增幅分别为20.7%和11.2%，差异均达显著水平。

2.3 对土壤性状的影响

从表2可见，施用生物炭能显著提高土壤pH值和有机质含量；对土壤碱解氮、有效磷、有效钾和土壤全磷有增加的趋势，但差异不显著；对土壤全氮和全钾影响小。

3 讨论与结论

本试验的前期研究[10，15-16]表明，在第1年（2015年），施用生物炭降低了早、晚稻产量，主要是由于生物炭本身碳氮比较高，一次性大量施用导致对稻田土壤速效氮素的固定，抑制了水稻前期分蘖，降低了有效穗数和每穗粒数；而在第2年生物炭显著提高了早、晚稻产量，主要是因为生物炭吸附位点趋于饱和后对速效氮的固定能力下降，而且土壤微生物的分解作用降低了生物炭的碳氮比导致前一年被固定的氮素部分释放，促进了水稻对氮素的吸收。目前，关于施用生物炭对水稻生长发育和产量的持续效应结论不一，主要受土壤类型、生物炭种类，施用年限和施用量等因素的综合影响[17-18]。吴震等[8]研究发现，在稻田中经过3年陈化的生物炭仍具有提高稻田土壤pH值、改善土壤肥力状况和增加作物产量的能力。还有研究表明，生物炭需要间隔大概3年施用才能达到增产效果[19]。本研究表明，一次性施用生物炭后至第4年对水稻产量仍具有促进效应。主要原因可能是，一方面，生物炭处理显著提高了土壤有机质含量。在南方双季稻区，冬闲期长达5个月，有机质经土壤微生物分解逐渐矿化，释放养分，供应早稻生长发育[13，20]。另一方面，生物炭处理显著提高土壤pH值，改良了土壤酸化。有研究表明，提高酸性土壤的pH值可能会加速土壤有机物和外源有机物的矿化，提高土壤矿质养分释放速率[20]。本研究也发现，生物炭处理有增加早稻有效穗数和每穗粒数的趋势。最后，生物炭显著提高了双季稻的钾素吸收，有利于水稻茎、叶同化物向籽粒转运，最终提高产量[21-22]。但是，为什么生物炭对晚稻产量无显著增产效应？主要原因可能是，在南方双季稻区，早稻收获到晚稻移栽仅间隔10 d左右，限制了有机质的矿化和供肥能力[20]。

图1 施用生物炭对双季水稻氮、磷、钾素吸收的残留效应

表2 施用生物炭对双季稻田土壤性状的残留效应

本研究表明，生物炭处理有增加早稻氮素和磷素吸收的趋势，并且显著提高了早、晚稻钾素吸收。首先，施用生物炭可以改善土壤结构、改良土壤酸化、降低土壤容重、提高根系活力、增加根系吸收面积和深度，从而提高水稻对养分的吸收[23-24]。其次，生物炭为土壤微生物提供了大量的碳源，提高了土壤微生物的数量和活性，促进了水稻对土壤养分的吸收[25-26]。再次，生物炭可能通过增加土壤对铵态氮的吸附和保持，减少了氮素的损失，从而促进水稻对氮素的吸收[10，27]。最后，有研究表明[28-29]，施用生物炭能够为解磷细菌和解钾细菌提供有利的生长环境，提高土壤磷素与钾素的有效性,从而促进作物对磷素和钾素的吸收。本研究中水稻钾素吸收的显著提升主要是因为所施用的生物炭是由富含钾素的原料（秸秆）制备而成[11]。

本研究表明，一次性施用20 t/hm2生物炭后的第4年依然显著提高了早稻产量，而对晚稻产量无显著影响。另外，4年后，施用生物炭的处理土壤pH值和有机质含量显著提高。因此，在此酸性的红壤性双季稻田上施用生物炭4年后仍然具有提高水稻产量和培肥土壤的效果。