竹粉和竹炭对水稻土壤理化性质及其产量的影响

查金花 应立忠 宋玉平 马建义

摘要：为探讨竹粉和竹炭作为水稻土壤条件的有效性，设立2组对比试验共10个处理区进行研究，將竹粉和竹炭以质量比为7 ∶ 3的比例混合后，分别以0、10%、20%、30%、40%、50%的质量比加入到原始土壤。将竹粉和竹炭分别按照质量比为10 ∶ 0、7 ∶ 3、5 ∶ 5、3 ∶ 7、0 ∶ 10混合后，以原始土壤质量的30%添加到原始土壤中。结果表明，竹材料的添加对土壤化学性质会产生不同程度的影响，可明显提升土壤的pH值、EC值和可交换K+浓度。同时，竹材料的添加有望减轻苗箱的质量并增加最大含水量。竹材料的添加对水稻的幼苗生长和产量没有显著影响。

关键词：竹材料;土壤pH值;土壤碳储存;水稻产量;土壤化学性质

中图分类号： S511.06  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）17-0292-04

近年来，生物炭引起全球环境学家、土壤学家和农学家越来越多的关注[1]。将生物炭施入到土壤中，也被认为是对陆地生态系统中CO2长期碳汇作用的新方法[2]。但从总体上来看，对于不同生物炭输入土壤后带来的效果研究仍然处于持续探索的阶段。竹炭是竹材热裂解后生成的一种生物炭，由于竹材质有区别于其他生物质原料在形态结构、养分组成和生长特性上的特点，让竹炭成为一类具有独特性能的生物炭[3]。本研究从新的角度出发，以竹粉+竹炭+原土的不同试验方式，研究其对水稻育苗土壤理化性质、生长情况和产量的改良效果，探索竹炭在农林土壤环境中有效应用的新途径[4]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

竹材料由浙江宁波奉化某木炭厂提供，将干燥的竹材料粉碎并过20目筛（0.85 mm）来获得竹粉，并用简单的炭化装置将相同的竹材料炭化并粉碎，过20目筛获得竹炭。竹炭的燃烧温度为 600～700 ℃。竹粉、竹炭的理化性质见表1。试验中用于水稻育苗箱的与竹粉和竹炭混合的原土为木炭厂周边的灰色低地土壤，原土的粒度组成为沙 43.7%、淤泥35.8%、黏土20.5%，土壤为沙土。

1.2 试验设计

为了全面阐明竹粉和竹炭对水稻幼苗生长的影响，本研究设置10个处理区（表2）：（1）为了检验竹粉与竹炭添加比例的影响，将竹粉和竹炭以质量比为7 ∶ 3的固定比例混合后，以0、10%、20%、30%、40%、50%的质量百分比加入到原始土壤中。（2）为了检验竹粉和竹炭比例的影响，竹粉和竹炭分别按照质量比为10 ∶ 0、7 ∶ 3、5 ∶ 5、3 ∶ 7、0 ∶ 10混合后，再将竹粉、竹炭混合物与原始土壤混合以质量比为 3 ∶ 7 混合。试验每个处理区的土壤栽培在各自的条件下进行，通过添加等量的50 mL/kg乙酸乙烯酯作为黏合剂制备混合竹粉、竹炭、原土，并添加适当的水搅拌，造粒直径为3～5 mm，不添加化肥。处理区3与处理区7为相同的处理。

1.3 测定对水稻育苗箱土壤理化性质的影响

为了解土壤的理化性质，测定土壤的pH值，采用105 ℃烘干土壤，过20目筛后与无离子水以质量比为1.0 ∶ 2.5混合搅拌10 min后静置30 min，用pH计电位法测定上清液pH值;通过干燃烧法测量总碳含量和总氮含量，并计算C/N;用1 mol/L 乙酸铵溶液提取，浸出液蒸干后用HNO3挥氨，在盐酸介质中同时测定土壤中交换性钙、镁、钾、钠的浓度;用氯化钡法测定土壤中阳离子交换量（CEC）。

1.4 测定水稻幼苗生长及其产量的影响

水稻幼苗生长指标测量：在培养30 d后统计各试验组水稻培苗株高。干物质量的测定：先测定株高，再采集样品，将植株按茎、叶、根系分开采集，称鲜质量后，在鼓风干燥恒温箱中于105 ℃条件下杀青30 min后，再在80 ℃烘干至恒质量，用1/10 000电子天平称质量，3次重复。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行试验数据的整理和作图，使用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 对水稻育苗箱土壤化学性质的影响

由表3可知，在处理区1至处理区5的pH值、EC值、总碳含量、总氮含量、碳氮比、可交换Mg2+浓度、可交换K+浓度、可交换Na+浓度、CEC，与对照组（CK）相比，均存在显著性上升（P<0.05）。可交换Ca2+浓度基本存在显著性下降（P<0.05）。

在处理区6至处理区10中，pH值、EC值、可交换K+浓度、可交换Na+浓度随着竹炭添加率的上升大体呈上升趋势，特别是在处理区9、处理区10中，pH值分别上升至8.89、9.38，远高于CK的pH值。可交换Mg2+浓度与CK相比显著下降（P<0.05）。在处理区7至处理区9中，总碳含量和可交换Ca2+浓度无显著性差异（P>0.05）。

2.2 对水稻育苗箱土壤物理性质的影响

由表4可知，在处理区1至处理区5中，随着竹材料添加率的上升，苗箱的培土质量和分层培土质量百分比显著下降（P<0.05），即未添加竹材料的处理区CK的培土质量为6.38 kg，而竹材料添加率为30% 的处理区3的培土质量为4.35 kg，添加率为50%的处理区5的培土质量几乎减半至 3.19 kg。结果表明，使用竹材料栽培苗箱对于减轻苗箱的质量十分有效。

在处理区1至处理区5中，育苗箱的最大含水量随竹材料的添加率上升总体呈上升趋势。结果表明，竹材料的添加有助于增加苗箱的最大含水量。但是，处理区4和处理区5在加水的初期表现出拒水性，因此，如果使用大量的竹材料，则应在播种前进行初步渗透以抑制拒水性。

在处理区6至处理区10中，随着竹炭添加比例的上升，苗箱的培土质量和分层培土质量百分比明显上升。即仅用竹粉的处理区6中的培土质量为3.65 kg，而仅用竹炭的处理区10中的培土质量为4.97 kg。仅用竹粉的处理区6中的含水量最大，为1.09 L/kg，仅用竹炭的处理区10中的含水量为0.75 L/kg。因此，仅考虑减轻苗箱的质量和增加苗箱的最大含水量，使用竹粉比竹炭更有效。

2.3 对水稻幼苗生长及其产量的影响

由表5可知，在处理区1至处理区5中，竹材料添加比例为10%、30%的处理区1、处理区3的水稻幼苗的株高与CK相比显著上升。竹材料添加比例为20%、40% 的处理区2和处理区4的干物质量和水稻产量与CK相比显著上升（P<0.05）。即收获期稻田的平均干物质质量为18.8 t/hm2，处理区2为平均值最高21.6 t/hm;水稻平均产量为 9.4 t/hm2，处理区2的平均值最高，为11.1 t/hm2。但从总体趋势来看，处理区2和处理区4被认为适合优化水稻幼苗的生长及产量。总之，在本试验竹材料添加比例（0～50%）条件下，在水稻幼苗或其生长中均未观察到由于添加竹材料而产生的显著的生长抑制作用。

在处理区6至处理区10中，水稻幼苗的株高随着添加的竹炭率上升呈下降趋势。处理区9、处理区10的幼苗高度显著低于其他处理地块。因此，可判断竹材料中的竹炭的比例最高应限制在50%。而竹炭含量超過50%的处理区的生长抑制作用主要是由于化学降解，例如，pH值高达9左右下的微量元素缺乏以及EC值超过1 dS/m导致的渗透压升高所致。此外，竹粉和竹炭比例对水稻地上干物质量和水稻平均产量的影响不明显，不存在显著性差异（P>0.05）。结果表明，苗箱的环境对水稻幼苗株高的增加、干物质量和水稻平均产量无显著影响。

3 讨论

本研究发现，当竹材料加入土壤的比例为 20%～30%（处理区2、处理区3），竹炭率在50%以下（处理区6、处理区7、处理区8）时效果较优。由此可见，混合竹粉、竹炭、原土在农林土壤中的应用会具有许多益处，包括增加土壤pH值、CEC、聚集体稳定性和有机碳储量，同时降低土壤容重和土壤温室气体排放量。对于有机碳含量低的种植土壤[5]，生物炭在农林土壤中的应用可以带来相当大的好处。此外，生物炭的应用也被认为是修复受重金属和有机化合物污染土壤的重要实践[6]。本试验考察的是竹粉和竹炭在水稻育苗箱土壤中的施用效果，其结果可提供参考与借鉴。然而一些问题仍未得到解决，生物炭应用影响土壤过程的机制尚不清楚[7]，须要进一步研究。生物炭在改善土壤物理、化学和生物特性方面具有相当大的优势。然而，仅靠生物炭的施用不足以满足作物生长的营养需求。因此，对新肥料基质的研究可能是减轻土壤有机碳库消耗和大量营养需求的有效方法。大多数关于生物炭施用对土壤性质影响的研究都是通过短期试验进行的，这些试验持续时间大多不到3年[8]。生物炭中的碳主要由芳香碳分子组成，其土壤停留时间可超过10年甚至100年。因此，研究生物炭添加对土壤性质和温室气体排放的长期影响也是至关重要的[9]，这对生物炭在土壤中的有效应用具有重要意义[10]。评估生物炭应用的成本和效益很复杂，目前，生物炭应用的成本超过肥料应用的成本，但不能仅考虑生物炭的营养价值，生物炭还有许多其他好处，包括改善土壤性质和减少温室气体排放等[11]，长期的化学施肥对土壤性质和碳固存具有负面影响。

参考文献：

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[11]张明月. 生物炭对土壤性质及作物生长的影响研究[D]. 泰安：山东农业大学，2012.