水分管理及生物质炭对稻田土壤含水率及pH值的影响

刘杰云，张文正，沈健林，邱虎森

水分管理及生物质炭对稻田土壤含水率及pH值的影响

刘杰云1，张文正2，沈健林3，邱虎森1*

（1.宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234100；2.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；3.中国科学院 亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125）

【】我国亚热带地区为典型的双季稻种植区，水分管理多采用长期淹水和间歇灌溉2种方式，灌溉方式的不同会影响土壤含水率的差异，势必会影响土壤酸碱性的改变。添加生物质炭可改变土壤性质。探明稻田淹水灌溉和间歇灌溉条件下添加生物质炭对双季稻田土壤水分及酸碱性的影响。采用田间小区试验，研究水分管理方式（长期淹水（CF）和间歇灌溉（IF））及生物质炭施用量（0、24 t/hm2（LB+IF）和48 t/hm2（HB+IF））对亚热带双季稻田土壤含水率及pH值的影响。与长期淹水相比，早稻季和晚稻季间歇灌溉的土壤含水率并没有显著降低。生物质炭添加并未显著影响早稻季和晚稻季土壤含水率，但在休闲季生物质炭处理的土壤含水率有所降低。研究期间，CF、IF、LB+IF和HB+IF处理的土壤含水率周年均值分别为47.35%、39.58%、36.81%和39.02%，与长期淹水相比，间歇灌溉降低了全年的土壤含水率，降幅达16.41%，而生物质炭对间歇灌溉稻田土壤含水率影响不大。与长期淹水相比，早稻季和晚稻季间歇灌溉处理的土壤pH值分别显著降低了0.22和0.57个单位，休闲季不同水分管理方式之间的土壤pH值差异不显著。由于生物质炭本身呈碱性，添加到土壤后可增加土壤pH值，且随着生物质炭添加量的增加而增加。与IF处理相比，早稻季和晚稻季生物质炭处理的pH值分别增加了0.23～0.68个单位和0.17～0.60个单位。水分管理可影响双季稻田土壤含水率和pH值。间歇灌溉降低了亚热带地区双季稻酸性土壤的pH值。生物质炭添加，尤其是高量生物质炭添加，可在一定程度上缓解间歇灌溉对酸性土壤pH值的降低作用。

水分管理；生物质炭；双季稻田；土壤含水率；土壤pH值

0 引言

【研究意义】水稻是我国三大粮食作物之一，种植面积约3×108hm2，占我国总耕地面积30%左右[1]。同时，稻田也是农业用水大户，用水量占农业用水量的70%，传统的长期淹水灌溉方式，造成水资源浪费严重，加剧了我国水资源的短缺状况。为合理利用水资源，在我国水稻主要种植区，大面积推广了间歇灌溉技术。【研究进展】间歇灌溉在保证水稻正常生长的条件下，可减少30%～40%的用水量[2-3]。水分状况的变化可影响土壤pH值。研究表明，与长期淹水相比，间歇灌溉可降低酸性土壤pH值[4]，加剧了土壤酸化。因此，如何缓解间歇灌溉对南方酸性土壤的酸化影响，成为人们关注的焦点。

生物质炭是生物质（包括作物秸秆、木屑等）在缺氧条件下热解炭化产生的一类高度芳香化的固态难溶性物质[5]。生物质炭具有发达的空隙结构，可吸附土壤中的水分、营养元素及各种离子等[6]。生物质炭可改变土壤的孔径和分布，改变土壤的水分渗滤模式、流动途径和停留时间，从而提高土壤的持水能力[7-9]。刘小宁等[10]研究表明，生物质炭施入旱作农田可增加土壤饱和含水率、田间持水率及有效水分量。但对于长期处于水分饱和状态的稻田土壤，添加生物质炭是否会增加土壤含水率，提高土壤持水能力，目前还不甚清楚，有待进一步研究。生物质炭本身含有大量的碱性物质，添加到土壤中可增加土壤pH值，中和酸性土壤酸度[11]。如Bass等[12]研究表明，与不添加生物质炭处理相比，添加生物质炭可使土壤pH值显著增加0.21～0.57个单位。如上所述，与长期淹水相比，间歇灌溉稻田土壤pH值降低，是否可通过添加生物质炭来减缓或抵消间歇灌溉对土壤pH值的降低作用，目前此方面的研究还较少。

【切入点】我国亚热带地区为典型的双季稻种植区，多采用长期淹水和间歇灌溉2种方式，土壤多为酸性，添加生物质炭或可缓解土壤酸度，但适宜的添加量并不明确。【拟解决的关键问题】为探明不同水分管理方式及生物质炭对亚热带双季稻田土壤含水率及pH值的影响，本研究在湖南省长沙市典型的双季稻种植区开展了田间小区试验，以期为亚热带双季稻节水灌溉技术及生物质炭施用在酸性土壤改良中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于湖南省长沙县金井镇中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站（113°19′52″E，28°33′04″N，海拔80 m）。本研究区域为典型的亚热带湿润季风气候，年平均温度为17.5 ℃，年均降雨量为1 330 mm，且多集中在3—8月（占全年降水量的60%以上），无霜期为274 d。本试验水稻土为花岗岩发育的麻沙泥水稻土，耕作层（0～15 cm）土壤的基本理化性质见表1。

表1 试验土壤及生物质炭的基本理化性质

注 “-”表示未测。

1.2 供试材料

供试生物质炭选用小麦秸秆生物质炭，产自河南三利新能源有限公司，其热解温度为500 ℃。供试生物质炭的基本理化性质见表1。

1.3 田间试验设计

本试验小区面积为35 m2（7 m×5 m），共设4个处理：长期淹水处理（CF）；间歇灌溉处理（IF）；24 t/hm2生物质炭（相当于0～20 cm土层质量的1%）+间歇灌溉处理（LB+IF）；48 t/hm2生物质炭（相当于0～20 cm土层质量的2%）+间歇灌溉处理（HB+IF）。生物质炭只在2012年早稻季开始前添加，以后不再添加。每个处理3次重复，采用随机区组设计。

试验于2012年4月27日—2013年4月22日的早稻季、晚稻季和休闲季开展。早稻季水稻品种为湘早籼45（属于常规中熟早籼，在湖南省作双季早稻栽培，全生育期为106 d左右），晚稻为T优207（为不育系T98A与先恢207配组育成的中熟杂交晚籼稻品种，全生育期为117 d左右）。氮肥施用量按照当地常规施肥施用，即早稻为120 kg/hm2（以氮计），晚稻为150 kg/hm2（以氮计），分3次施入土壤，即水稻移栽前的基肥，追肥分2次，即分蘖肥和穗肥，其质量比为5∶3∶2。而磷肥（过磷酸钙，40 kg/hm2，以P2O5计）、钾肥（硫酸钾，100 kg/hm2，以K2O计）和锌肥（硫酸锌，5 kg/hm2，以ZnSO4·7H2O计）则以基肥形式一次性施入土壤。稻田淹水时以水层高度为5 cm左右为宜。田间病虫害防治及其他的田间管理均采用常规管理模式。休闲季不进行农事活动。具体的田间管理措施如下：2012年早稻季，3月18日浸种，3月22日播种，4月25—26日翻地，施基肥和生物质炭，4月27日秧苗移栽，移栽的行距为16.7 cm，株距为20 cm。5月4日喷施除草剂，5月9日按照36 kg/hm2（以氮计）的施肥量追施分蘖肥，5月19日喷洒杀虫剂，5月31日间歇灌溉小区烤田，6月22日复水并施穗肥（24 kg/hm2，以氮计），7月7日收获前排水，7月12日收获水稻并测产。2012年晚稻季，6月22日浸种，6月25日播种，7月17—18日翻地，施基肥。7月19日移栽秧苗，移栽的行距和株距均为 20 cm。7月25日喷施除草剂，7月31日按照45 kg/hm2（以氮计）的施肥量追施分蘖肥，8月18日喷洒杀虫药，间歇灌溉小区烤田，8月30日复水，9月9日按照30 kg/hm2（以氮计）的施肥量追施穗肥。10月14日收获前排水，10月24日收获。

1.4 样品采集与测试

在每季水稻移栽后，根据水稻的6个生育期即分蘖期（早稻2012年4月29日；晚稻2012年7月21日）、拔节期（2012年5月9日；8月5日）、孕穗期（2012年6月3日；8月21日）、抽穗期（2012年6月9日；8月30日）、乳熟期（2012年6月21日；9月16日）和完熟期（2012年7月12日；10月24日）和休闲季于2012年12月3日、2013年1月13日、3月17日和4月22日（休闲季没有进行农事活动，故采样频率较小）分别采集每个小区的新鲜土壤样品。在每个小区内按照“S”形取5个点，采集0～15 cm 耕层土壤，混合后作为1个样品。将土壤样品中的根系和石子等挑出来，并将其充分混匀，实验室4 ℃保存。取10 g新鲜土样，利用烘干法测定土壤含水率。土壤pH值测定：蒸馏水（土水比1∶2.5）浸提30 min，用Mettler-toledo320 pH计测定。降水量采用雨量器测定。

1.5 数据统计分析

运用SPSS 20.0分析软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA，置信水平95%）。

2 结果与分析

2.1 降水量变化

研究期间降水量变化见图1。由图1可知，早稻季，由于正值梅雨季节，2012年4月29—6月10日有连续的降水，其中最大降水量达85.97 mm。6月21—28日有连续1周的降水，累积降水量达85.32 mm。晚稻季降水较少，在晚稻烤田期间，仅在2012年8月21—22日有降水。休闲季没有强降水，但在2012年11月和2013年3—4月降水较多。

图1 研究期间降水量变化

表2 研究期间月降水量及年降水量

注 4—12月为2012年，1—4月为2013年。其中2012年4月为29—30日降水量；2013年4月为1—21日降水量。

2.2 双季稻田土壤含水率的动态变化

2012年早稻、晚稻和休闲季土壤含水率的动态变化见图2（图中不同字母表示同一采样时间在<0.05水平下处理间差异显著，下同）。早稻季（图2（a）），分蘖期和拔节期各处理土壤均处于淹水状态下，CF和IF处理土壤含水率没有显著差异，但在分蘖期，添加生物质炭增加了土壤含水率，尤其是HB+IF处理较IF处理显著增加了土壤含水率（<0.05），但之后差异不显著（>0.05）。孕穗期、抽穗期及乳熟期采样均处于间歇灌溉处理的稻田烤田期间，但各处理之间土壤含水率没有显著性差异（>0.05）。水稻收获前排水，在完熟期间歇灌溉各处理之间无显著差异，但显著低于长期淹水处理。

晚稻季（图2（b）），分蘖期各处理之间无显著差异，拔节期土壤仍处于淹水状态，但HB+IF处理的土壤含水率显著高于CF处理（<0.05），其他各处理之间差异不显著（>0.05）。间歇灌溉处理孕穗期和抽穗期处于稻田烤田期间，抽穗期长期淹水处理的土壤含水率显著高于间歇灌溉各处理的（<0.05），但间歇灌溉各处理之间无显著差异（>0.05）。完熟期，由于水稻成熟前排水，CF处理土壤含水率高于其他处理，且CF处理与LB+IF处理之间差异显著（<0.05）。

在整个休闲季中（图2（c）），CF和IF处理土壤含水率没有明显差异（2013年4月22日除外），生物质炭添加降低了土壤含水率，但仅在2013年3月17日与IF处理达到显著差异，其他时期均没有显著差异。

各处理早稻季、晚稻季、休闲季及周年土壤含水率的平均值见表3。从表3可以看出，早稻季中，IF处理土壤含水率均值较CF处理降低了8.06%，但差异不显著（>0.05）。生物质炭添加增加了早稻季土壤含水率，但IF、LB+IF处理和HB+IF处理之间并未表现出显著的差异（>0.05）。同样，在晚稻季，IF处理土壤含水率均值较CF处理降低了7.50%，但各处理的平均土壤含水率之间差异不显著（>0.05）。休闲季，IF处理土壤含水率均值较CF处理降低了21.05%（>0.05）。生物质炭处理的土壤含水率均值较IF处理分别降低了19.46%和8.14%，但差异不显著（>0.05）。从周年土壤含水率均值来看，IF处理较CF处理显著降低16.41%（<0.05），生物质炭添加虽降低了土壤含水率，降幅分别为6.99%和1.42%，但并未达到显著性差异（>0.05）。

表3 早稻季、晚稻季、休闲季及周年平均土壤含水率

注 不同字母表示各指标不同时期分别在<0.05水平下处理间差异显著，下同。

2.3 双季稻田土壤pH值的动态变化

各处理不同时期的土壤pH值动态变化如图3所示。早稻季（图3（a）），CF和IF处理的变化趋势一致，从分蘖期开始土壤pH值逐渐增加，直至孕穗期达到最大，孕穗期和抽穗期均保持在较高水平，之后逐渐降低，直至水稻收获时降至与初期相一致的水平，而生物质炭处理在分蘖期至抽穗期差异不大，之后逐渐降低，至收获时降至最低。分蘖期和拔节期CF和IF处理的土壤pH值均未表现出显著性差异（>0.05），但生物质炭添加显著增加了土壤pH值（<0.05），且土壤pH值随着生物质炭添加量的增加而显著增加（<0.05）。孕穗期和抽穗期间歇灌溉处理处于落干状态，IF处理较CF处理显著降低了土壤pH值（<0.05），生物质炭添加也较IF处理显著增加了土壤pH值（<0.05），且随着生物质炭添加量的增加而显著增加（<0.05）。乳熟期，与CF处理相比，IF处理并未显著降低土壤pH值（>0.05），LB+IF处理较IF显著降低了土壤pH值（<0.05），但HB+IF处理却较IF处理显著增加了土壤pH值（<0.05）。完熟期，IF处理较CF处理显著降低了土壤pH值（<0.05），但间歇灌溉各处理之间均无显著差异（>0.05）。

晚稻季（图3（b）），各处理土壤pH值随时间的变化均不明显。在各水稻生育期中，与CF处理相比，IF处理均显著降低了土壤pH值（<0.05）。同时，各生育期中HB+IF处理较IF处理均显著增加了土壤pH值（<0.05），而LB+IF处理仅在完熟期较IF处理显著增加了土壤pH值（<0.05），其他各时期均未表现出显著性差异（>0.05）。

休闲季（图3（c）），各处理的土壤pH值变化不大。在整个休闲季，CF、IF处理和LB+IF处理之间均未表现出显著性差异（>0.05），而HB+IF处理仅在休闲季结束时显著高于其他处理（<0.05），其他时期均没有明显差异（>0.05）。

图3 早稻季、晚稻季及休闲季土壤pH值的动态变化

各处理早稻季、晚稻季、休闲季及周年土壤pH值均值见表4。由表4可知，早稻季和晚稻季中，IF处理较CF处理分别显著降低了土壤pH值均值0.22个单位和0.57个单位（<0.05），而LB+IF和HB+IF处理较IF处理分别显著增加了土壤pH值均值0.23～0.68个单位和0.17～0.60个单位（<0.05），且土壤pH值均随着生物质炭添加量的增加而显著增加（<0.05）。休闲季，与CF处理相比，IF处理虽降低了土壤pH值均值，生物质炭处理土壤pH值均值较IF处理增加，但各处理之间差异均不显著（>0.05）。从周年土壤pH值均值来看，CF、IF处理和LB+IF处理之间均未表现出显著性差异（>0.05），但HB+IF处理土壤pH均值显著高于其他处理（<0.05）。

表4 早稻季、晚稻季、休闲季及周年平均土壤pH值

3 讨论

3.1 水分管理及生物质炭对双季稻田土壤含水率的影响

稻田间歇灌溉的节水机理在于减少灌溉次数及田间排水量、提高水分的利用率、减少稻田的渗透量和蒸发量[3]，其节水效果可达32%～39%[13-14]。在本研究中，早稻季和晚稻季长期淹水和间歇灌溉处理的单季平均土壤含水率并无显著差异，这主要是由降水造成的。早稻季孕穗期、抽穗期及乳熟期采样均处于间歇灌溉处理的烤田期间，但由于2012年5月31日—6月10日持续降水，土壤仍处于水分饱和状态，因此，长期淹水和间歇灌溉处理之间土壤含水率无显著差异。水稻收获前，间歇灌溉处理进行了排水，使得完熟期间歇灌溉处理土壤含水率显著低于长期淹水处理。晚稻季，孕穗期和抽穗期采样均处于间歇灌溉处理的烤田期间，但孕穗期采样当天有约25.68 mm的降水，因此，各处理之间的土壤含水率差异不大，但在抽穗期，长期淹水处理土壤含水率显著高于间歇灌溉处理。休闲季，由于没有水分管理措施，长期淹水和间歇灌溉处理之间差异不显著。

土壤水分的保持能力是由土壤介质中的孔径分布和连接性决定的，而生物质炭具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，吸附能力较强，添加到土壤中可改变土壤的孔隙性及土壤团粒结构，从而提高土壤持水能力[10,15-17]。在本研究中，生物质炭施用初期，尤其是2012年早稻季水稻分蘖期，生物质炭处理较IF处理增加了土壤含水率，这可能是由于生物质炭添加增加了土壤孔隙度，进而增加对土壤水分的保持能力，但之后及晚稻季，生物质炭处理的土壤含水率与IF处理并无显著差异（图1）。生物质炭虽具有一定的保水能力，但由于其中有机物质多含疏水性基团[18]，故其保水作用有限[19]。本研究稻田土壤在整个水稻季土壤含水率较高，一般处于饱和状态，生物质炭对水分的影响较小。在休闲季，生物质炭对土壤含水率具有一定的降低作用，这与郑利剑等[17]及单瑞峰等[20]的研究结果相反。本研究稻田土壤属于砂性土壤，土壤中大孔隙较多，而生物质炭质地较细，小孔隙量多，施入土壤后，大量的生物质炭进入土壤大孔隙中，占据了部分土壤大孔隙空间，在一定程度上堵塞了土壤大孔隙的联通通道[10]，降低了土壤的孔隙率，这可能是生物质炭降低土壤含水率的主要原因，其具体的机理有待于进一步研究。

3.2 水分管理及生物质炭对双季稻田土壤pH值的影响

水分状况对土壤pH值的变化起着至关重要的作用。土壤水分影响致酸、碱离子在固相、液相之间的分配，从而影响土壤pH值。土壤pH值一般随土壤含水率增加而有提高的趋势，酸性土壤中这种趋势尤为明显。对酸性土壤来说，淹水后土壤pH值迅速上升[21]。本研究中的双季稻田为酸性土壤（pH值为5.4），早稻季和晚稻季长期淹水处理的土壤pH值显著高于间歇灌溉处理，这与王赟峰[4]的结果一致。淹水条件下，土壤在厌氧条件下形成的还原性碳酸铁、锰呈碱性，增加了土壤pH值。同时，淹水条件下，黏粒的浓度降低，吸附性H+与电极表面接触的机会减少，可增加土壤pH值。此外，淹水状态下，土壤电解质被稀释，阳离子更多地解离进入溶液，导致pH值升高[21]。休闲季，长期淹水和间歇灌溉处理的含水率差异不大，故淹水对土壤pH值的增加作用也逐渐消失。

生物质炭中含有大量的碳酸盐和结晶碳酸盐，因此，一般呈碱性[22]。此外，生物质炭还含有-COO-等有机阴离子，这些有机阴离子是生物质炭中碱性物质的另一种存在形态[23]。生物质炭添加到土壤后，可增加土壤pH值，改良酸性土壤[11, 24-25]。本研究的双季稻田为酸性土壤（pH值为5.4），添加生物质炭后，早稻季和晚稻季土壤pH值增加，且随着生物质炭添加量的增加而增加，这与Yuan等[26-27]和张斌等[28]研究结果一致。早稻季中，低量和高量生物质炭添加均显著增加了土壤pH值，但在晚稻季，低量生物质炭添加对土壤pH值的增加作用逐渐减弱，这可能是由于生物质炭中的碱性物质在不断被土壤中的酸性物质中和，使得其对酸性的中和作用逐渐减弱。休闲季中，生物质炭的碱性被进一步中和，虽然生物质炭（尤其是HB+IF处理）仍可增加土壤pH值，但作用已不显著。因此，生物质炭对酸性土壤pH值的缓冲作用具有一定的时效性，这种作用能够持续的时间长度有待于进一步的研究。此外，在本研究中，与长期淹水相比，间歇灌溉降低了土壤pH值，但生物质炭添加，抵消了间歇灌溉对土壤pH值的降低作用，甚至在早稻季，HB+IF处理的土壤pH值显著高于CF处理，因此生物质炭添加可缓解间歇灌溉对酸性土壤pH值的影响。

4 结论

1）早稻季和晚稻季水分管理并没有引起长期淹水和间歇灌溉处理土壤含水率的显著差异；生物质炭添加对土壤含水率没有显著影响，但休闲季有降低的趋势。

2）与长期淹水处理相比，早稻季和晚稻季间歇灌溉处理土壤pH值降低，休闲季差异不显著。而生物质可增加土壤pH值。因此，添加生物质炭可在一定程度上缓解间歇灌溉对酸性稻田土壤pH值的降低作用。

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The Combined Effects of Water Management and Biochar Amendment on Soil Water Content and pH of Paddy Soil

LIU Jieyun1, ZHANG Wenzheng2, SHEN Jianlin3, QIU Husen1*

(1. School of Environment and Surveying Engineering, Suzhou University, Suzhou 234100, China; 2. Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region,Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

【】Traditional rice production in paddy fields in subtropical regions in China is to keep the soil surface flooded. This is not only a waste of water resources but also acidifies the soil and leaks agrochemicals to water bodies. Improving water use efficiency and ameliorating soil acidity is a challenge facing sustainable rice production in these regions. 【】The purpose of this paper is to investigate the efficacy of using intermittent irrigation and biochar amendment to improve the ability of soil to hold water and deacidify paddy soil. 【】The experiment was conducted in a rice-rice rotation field. It consisted of two irrigation treatments: continuous flooding (CF) irrigation and intermittent irrigation. Added to the intermittent irrigation were three biochar amendments by adding 0 (IF), 24 t/hm2(LB) and 48 t/hm(HB) of biochar. In each treatment, we measured soil water content and soil pH during the growth season of both the early and late rice, as well as in the duration when the soil was temporally fallowed.【】Compared with CF, intermittent irrigation alone did not result in significant changes in soil water content due to the combined impact of precipitation and drainage. Amending the soil with biochar did not alter soil water content during the growth season of ether rice, but reduced it significantly when the soil was fallowed due to the fine texture of the biochar and structural change in the soil. The annual average soil water content under CF, IF, LB and HB treatments was 47.35%, 39.58%, 36.81% and39.02%, respectively. Compared to CK, intermittent irrigation alone had no impact on soil pH when soil was fallowed but reduced it by 0.22 and 0.57 unit during the growth season of the early and the late rice, respectively. Biochar amendment deacidified the soil, increasing its pH by 0.23～0.68 unit in the early rice season and 0.17～0.60 unit in the late rice season, with the increase varying with biochar application rate. 【】Intermittent irrigation alone reduces soil pH, and combining it with biochar amendment, especially at a high amendment rate, can increase soil pH. These results have important implications for improving agricultural management and quality of paddy soils with rice-rice rotation as commonly cultivated in subtropical regions in south China.

water management; biochar amendment; double rice cropping; soil water content; soil pH

X172

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020385

1672 - 3317（2021）07 - 0044 - 07

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2020-7-13

国家自然科学基金青年基金项目（42007089）；国家重点研发计划项目（2016YFD0200307）；宿州学院博士科研启动基金项目（2020BS023）

刘杰云（1985-），女。讲师，博士，主要从事农田温室气体减排研究。E-mail: liujieyun66@163.com

邱虎森（1987-），男。助理研究员，博士，主要从事土壤碳循环研究。E-mail: qiuhusen2008@163.com

责任编辑：赵宇龙