生物炭对双季水稻产量和土壤性状的持续效应

杨星莲，刘 磊，廖 萍，王 静，刘劲松，王海媛，曾勇军，黄 山

（江西农业大学 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】水稻是我国重要粮食作物之一，对保障我国口粮安全有重要意义[1]。南方双季稻区光温水资源丰富，对稳定我国水稻播种面积和产量具有重要地位[2]。但是长期偏施化肥、忽视有机肥，造成土壤板结、酸化和保水保肥能力差等土壤肥力问题[3]，制约了水稻产量的持续提高[4]。因此，提升双季稻田土壤肥力对提高水稻产量具有重要作用。【前人研究进展】生物炭是由木炭、作物秸秆及禽畜粪便等在有氧或无氧条件下经温度大于250 ℃且小于700 ℃热解除去废弃物后得到的一种固态产物[5-6]。生物炭不仅具有丰富的微孔结构和表面官能团，且富含稳定的有机碳及作物生长发育所需的大量元素和中、微量元素[7]。此外，由于生物炭的结构与物质组分特性，使其具有提高酸性土壤pH 值[8]、改善土壤结构和肥力[9]、提高作物对养分的利用率、促进土壤有益微生物活性[10]、抑制土传病害[11]等作用。因此，生物炭可被作为作物生长发育有益的土壤改良剂[12]。对酸性稻田的研究[13]表明，施用生物炭可增加水稻产量，提高土壤pH 值，有效改良酸性土壤的理化性质，补充土壤养分[14]。【本研究切入点】前人研究多关注于生物炭的短期效应，而有关一次性施用生物炭对水稻产量和土壤性状的持续效应研究很少。由于生物炭价格较贵，在大田作物生产中施用生物炭成本较高。因此，明确一次性施用生物炭对水稻产量和土壤性状的持续效应对降低生物炭施用成本具有重要意义。【拟解决关键问题】研究通过6年的田间定位试验，阐明在酸性双季稻田上一次性施用生物炭对水稻产量及土壤性状的持续效应，为提高南方酸性稻田水稻产量和改良土壤酸化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2020 年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村开展，地理位置为28°31'N，115°09'E。该地属于典型的亚热带气候，温暖湿润，春夏两季降雨量充沛，年均降雨量为1 650 mm，日照充足，年均日照时长为1 700 h，年均气温为17.5 ℃，无霜期长。土壤类型为砂质性黏土（黏粒为17%），耕作层厚度为20 cm，中等肥力，试验前耕层土壤的基本理化性质为：pH值为5.2，有机质为18.1 g/kg，容重为1.1 g/cm3，全氮为1.1 g/kg，全磷为0.4 g/kg，全钾为3.9 g/kg，速效氮为115.0 mg/kg，速效磷（P2O5）为15.9 mg/kg，速效钾（K2O）为64.0 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计展开，设置2 个处理分别为：1）常规施用氮磷钾肥，不施生物炭（CK）；2）常规施用氮磷钾肥，施用生物炭20 t/hm2（B），生物炭仅在2015 年早稻稻田深翻前一次性施入，保证生物炭与土壤耕层充分混匀。本试验生物炭是由河南三利新能源公司提供，炭化原料是小麦秸秆，在350～550 ℃条件下通过热裂解制备而来，其基础pH 值为10.4，碳氮比为79.2。6 年试验早、晚稻化肥施用种类、化肥用量和施用方式均保持一致。氮肥为常规尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。氮肥、磷肥和钾肥施用量分别为早稻纯氮为120 kg/hm2、P2O5为75 kg/hm2、K2O 为75 kg/hm2，晚稻氮肥施用量为150 kg/hm2，磷、钾肥均与早稻施用量保持一致。早、晚稻氮肥施用比例按m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=5∶2∶3施用；磷肥作基肥一次性施用；钾肥按m（基肥）∶m（穗肥）=5∶5施用。2个处理均设3次重复，各小区大小为5 m×5 m。早、晚稻移栽时间分别为4月中旬和7月中旬，移栽基本苗为4株/蔸和2 株/蔸，移栽规格为13.2 cm×23.1 cm 和13.2 cm×26.4 cm。早、晚稻育秧方式均采用水育秧，移栽秧苗和收获稻谷均采用人工方式。稻田水分管理均采用移栽后浅水、分蘖封行期排水晒田、复水后干湿交替、水稻收获前1个星期左右断水。稻田病虫草害防治均参照当地稻田防治模式进行。2015—2018年早稻品种为常规籼稻中嘉早17，晚稻为杂交籼稻五优308。随着社会经济的发展，人们对稻米品质的要求越来越高。目前，生产中优质稻的种植面积快速扩大。为顺应此趋势，2019—2020年水稻品种改为优质稻品种。早稻为柒两优2012，晚稻为美香占2 号。2017 年由于样品损毁，数据缺失。由于土壤变异较大，系统不稳定，第1年没有进行土壤取样。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量 在早、晚稻黄熟期，各小区随机调查120 蔸水稻的有效穗，按平均数法选取5 蔸水稻植株，将水稻根部剪除，用自来水洗净，水分稍干，再用报纸将茎、叶、穗等地上部位分开包扎，置于烘箱105 ℃杀青半小时，80 ℃烘干至恒重，最后称量。将已称量的地上部各器官采用微型植物粉碎机-FZ102粉碎，过0.25 mm 筛，用6 号塑料自封袋密封保存。此外，各小区人工收割10 m2水稻植株，机械脱粒，混匀，晒干，称量。各小区晒干的稻谷再随机取500 g于65 ℃烘箱内烘干，称量，计算含水量，最后以14%的标准含水量折算水稻实际产量。

1.3.2 氮素吸收 粉碎过筛的植株地上部各器官经浓硫酸消煮后，采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪（福斯集团公司·丹麦）测定其氮素含量。根据各器官干质量和氮素含量计算地上部氮素累积总量。

1.3.3 土壤性状 晚稻黄熟期收获后，各小区采用土钻对土壤耕层（0～15 cm）进行“五点取样法”取土样，置于阴凉避光处自然风干，每隔一段时间用手分撒开，完全风干后将土样充分混匀，用四分法分成2份，分别过1 mm 筛和0.25 mm 筛保存在自封袋中备用。土壤性状仅在每年晚稻收获后取样测定一次，测定方法参照《土壤农化分析》[15]进行：pH 值的测定采用玻璃电极法；有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法；碱解氮含量的测定采用碱解扩散法；有效磷含量的测定采用氟化铵－稀盐酸提取－钼锑抗比色法；速效钾含量的测定采用乙酸铵浸提－火焰光度计法。

1.3.4 数据分析 采用SPSS 18.0对数据进行统计分析，并进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 产量和地上部氮素积累总量

在施生物炭的第1 年（2015 年），B 处理早、晚稻产量均低于CK，之后均高于CK。其中，B 处理在2016年早、晚稻，2018年早稻和2019年晚稻产量与CK 具有显著性差异，增幅分别为14.1%、13.4%、5.9%和17.1%（图1a，b）。早稻季中B处理在2015年水稻地上部氮素积累总量显著低于CK，降幅为12.8%，之后均高于CK，但无显著性差异（图1c）。晚稻季中B处理在2015年水稻地上部氮素积累总量低于CK，但仅在2019年显著提高水稻地上部氮素积累总量，增幅为6.0%，其他年份均无明显规律（图1d）。

图1 生物炭对双季水稻产量（a和b）和地上部氮素积累总量（c和d）的影响Fig.1 Effects of biochar amendment on yield and aboveground total nitrogen accumulation in the double rice cropping system

2.2 土壤pH、有机质含量和速效养分

B处理的土壤pH值在2016—2020年均高于CK，其中2016年和2018年达到显著水平，分别提高0.3和0.1个单位（图2a）。B处理在整个试验期内土壤有机质含量均显著高于CK（图2b），增幅为26.0%～41.7%。

图2 生物炭对晚稻收获后土壤pH值（a）和有机质含量（b）的影响Fig.2 Effects of biochar on soil pH and organic matter content after the harvest of late rice

B 处理的土壤碱解氮含量与CK 均未达到显著性差异水平（图3a）。B 处理的土壤速效磷含量在6年试验期间均高于CK，但均无显著性差异（图3b）。B 处理显著提高2016 年和2020 年的土壤速效钾含量，增幅分别为90.9%和41.4%（图3c）。

图3 生物炭对土壤的碱解氮含量（a）、速效磷含量（b）和速效钾含量（c）的影响Fig.3 Effects of biochar on soil alkaline-hydrolysis nitrogen，available phosphorus and potassium

3 讨论

3.1 生物炭对双季水稻产量的持续效应

目前，关于生物炭对水稻产量的影响研究结论并不一致。生物炭的效应受土壤类型、生物炭种类、生物炭施用年限及施用量等多个因素的影响[16]。有研究[17-18]表明，施用生物炭可以提高水稻产量，增幅为8%～32.4%。但也有研究[19]发现，施用生物炭对南方双季水稻产量表现出先减后增的现象。本研究结果表明，施用生物炭在第1 年（2015 年）降低了水稻产量。这主要是因为施用的生物炭本身碳氮比很高（79.2），短期内会导致土壤速效氮素的固定，限制了土壤氮素的有效性，从而降低水稻产量[20-21]。氮素吸收数据也证实，施用生物炭降低了2015 年水稻的地上部氮素积累量，且在早稻季达到显著水平。但是，施用生物炭在第2 年（2016 年）之后显著提高了早、晚稻产量。这可能是因为随施用年限的延长，生物炭在土壤中逐渐熟化，吸附位点被填充，降低了生物炭的固持能力[21]。而且，土壤微生物对有机质的分解作用降低了生物炭的碳氮比，导致被固定的氮素重新被释放，促进水稻对氮素的吸收，从而提高双季水稻产量[22]。另外，生物炭本身含有大量的矿质养分，而且能够改良土壤酸化，增强土壤的通透性，提高土壤的持水能力等[23]。这些有益因素促进了水稻生长。因此，施用生物炭显著提高了2016 年早、晚稻，2018 年早稻及2019 年晚稻的产量。但2020 年后施用生物炭对水稻产量无影响。原因可能是生物炭在土壤中逐渐被分解，对土壤改良的效果不断降低[24]。可见，在消除短期内对土壤速效氮素固定这一不利效应后，施用生物炭在此酸化稻田上对水稻生长的促进作用能持续5 年左右。

3.2 生物炭对双季稻田土壤性状的持续效应

施用生物炭对酸性土壤pH 的提升强度以及持续的时间可能随生物炭类型和施用量的变化而变化[25]。与前人研究结果[26-27]一致，本研究发现施用生物炭显著提高土壤的pH 值。本研究施入的生物炭原料为秸秆，生物炭本身呈碱性（pH 值10.4）。而且，生物炭施入稻田后，其含有的大量盐基离子，如钠、钾、钙、镁等，很快被释放出来，与土壤中H+和Al3+交换，中和部分土壤酸度，从而提高pH 值[28]。施入4年后，土壤pH值虽有提高趋势，但未达到显著差异。这可能是由于生物炭的碱度逐渐被中和所致。

本研究表明，生物炭处理能显著提高土壤有机质含量，但提升效果随施用年限的延长而降低。虽然生物炭富含稳定且不易被微生物分解的有机质，可长期保存在土壤中[29]。但是，与木材为原料的生物炭相比，秸秆生物炭中惰性有机碳含量较低，活性有机碳含量较高。施入后，生物炭中的易分解有机质会很快被土壤微生物利用[30]。

本研究表明，施用生物炭对土壤碱解氮含量无显著影响。一方面，生物炭的吸附作用和高碳氮比可能导致土壤速效氮的固定[31]。另一方面，生物炭中含有的易分解有机碳能提高土壤微生物的生物量和活性，从而促进有机质的分解和氮素的矿化[32]。本研究表明，生物炭对土壤速效磷含量有增加趋势，但没有显著影响。这可能与本试验所用生物炭的原料是小麦秸秆有关，其磷含量很低。有研究表明施用生物炭后土壤速效钾含量显著增加[7]。秸秆生物炭富含钾素，因此，本研究中，生物炭处理在2016年和2020 年均显著提高了土壤速效钾含量。另外，除直接提供钾素外，生物炭具有较强的吸附能力也可能减少了土壤中钾的淋溶，从而间接提高土壤中速效钾的含量[33]。

4 结论

综上，一次性施用20 t/hm2生物炭在第1 年有降低早、晚稻产量的趋势。但是，第2 年和第4 年生物炭显著提高了早稻产量，第2 年和第5 年显著提高了晚稻产量。在此酸性双季稻田上，一次性施用生物炭对水稻产量在5 年内有显著影响，对土壤酸化的改良效果可以持续4 年。施用生物炭显著提高土壤有机质含量，但增幅逐年降低。因此，在酸性的双季稻田上，建议4～5 年施用一次生物炭以提高水稻产量和改善土壤肥力。