秸秆炭化还田对水稻土壤肥力及水稻生长发育的影响

郑阿萍

（缙云县农业农村局，浙江丽水 321400）

水稻是世界上最重要的粮食作物之一[1]。水稻的分布范围非常广泛，从北温带延伸到南温带。此外，水稻有着较高的产量，全世界超过三分之一的人口以水稻为主食，更是我国重要的主食来源，对保障粮食安全具有极其重要的作用[2]。近年来，一味追求高产，偏施氮肥、单一施肥、过量施肥等不合理施肥现象，使得土壤养分随水土流失，土壤富营养化，地下水源污染，导致土壤自然功能失调，破坏了土壤的自然动态平衡，造成严重的生态环境问题[3]。不合理的施肥措施对作物的正常生长产生影响，破坏了作物对养分的平衡吸收，造成植株体内的物质紊乱，农作物品质下降[4]。所以，探索合理的施肥一直以来都是农业生产的重点。

秸秆是农田生产中重要的产物，以往大多通过焚烧处理农田秸秆，不仅浪费资源，还造成严重的生态环境污染，利用其经过不完全燃烧或无氧低温热解所产生的高碳颗粒状热解残余物生成生物炭可提高资源的利用率，提高土壤肥力，利于作物生长[5]。研究表明，生物炭具有较发达的孔隙结构，由于这种表面结构导致生物碳具有良好的吸附特性，还具有高度热稳定性和较强吸附特性，对养分具有很强的持留功能，能促进土壤中碳素的固定、显著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能减少肥料施用量和土壤养分的损失[6]。伍佳等[7]研究表明，秸秆炭化还田显著提高水稻田土壤养分含量和水稻产量。张璐等[8]研究表明，秸秆炭化还田能明显提高土壤TC、TN、有效态P、K、Ca、Mg含量，降低过量有效态Al、Fe、Mn含量。因此，本试验设置3个秸秆炭化处理，研究水稻田土壤养分含量、水稻生长及产量的变化特征，为秸秆充分利用和提高水稻产量提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

试验于2019年在浙江省丽水市缙云县新建镇进行，土壤基础肥力：有机质21.21g/kg，全氮1.8g/kg，碱解氮105.84mg/kg，速效磷 45.27mg/kg，速效钾149.73mg/kg，pH值6.82。生物炭的制备原材料为水稻秸秆，炭化温度为 400-450℃，生物炭制备为颗粒状，粒径为 2-4mm，其基本理化性质为 pH值9.35，全碳含量为54.5%、全氮含量为11.25g/kg、全磷含量1.81g/kg、全钾含量为9.48g/kg，炭基肥由水稻秸秆生物炭复合化学养分制成。氮肥为尿素，含N46.4%，磷肥为重过磷酸钙，含P2O56%，钾肥为硫酸钾，含K2O 50%。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个试验处理分别为，（1）常规化肥处理，不施炭（CK）；（2）低用量生物炭处理，用量为6t/hm2（T1）；（3）高用量生物炭处理，用量为15t/hm2（T2）；（4）炭基肥处理，用量为 750kg/hm2（T3）。所有磷肥、钾肥、生物炭和炭基肥作为基肥在播种前一次施入，磷肥用量70kg/hm2，钾肥用量为90kg/hm2，氮肥用量150kg/hm2，按基肥∶保花肥=7∶3的比例施入。每处理3次重复，小区面积为84m2，行距30cm，穴距13.3cm，每穴4苗，各试验小区水分管理采用单排单灌方式。于4月17日播种，5月18日移栽，9月27日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤养分含量的测定

分别在分蘖期、孕穗期、齐穗期和成熟期进行取样，取耕层20cm处土壤，供试土壤样本在每小区采用五点取样法采集两份土壤样本，将样品装于聚乙烯塑料袋中，贴好标签，带回实验室，置于陶瓷盘中风干过60目筛备用。土壤养分含量的测定：碱解氮用扩散法，速效磷采用钼锑抗比色法，速效钾测定采用火焰光度计法[9]。

1.3.2 水稻干物质的测定

分别在水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期和成熟期进行取样，各处理选取整齐一致植株3穴，3次重复。将根系、茎鞘、叶片和穗部分别取下，于105℃下杀青30min，然后在80℃恒温条件下烘干至恒重，等待测定。

1.3.3 水稻产量及产量构成因素的测定

成熟期在各小区选取2m2进行测产，3次重复。自然风干至14%含水量后，脱粒称重，并折合成每hm2产量。同时，每小区取植株9穴，3次重复，取下穗部，进行室内考种。

1.4 数据分析

采用Excel2010统计和计算数据，采用SPSS24.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆炭化还田对水稻田土壤养分的影响

由图1可知，秸秆炭化还田显著提高土壤碱解氮含量，在全生育期表现为T3＞T2＞T1＞CK。分蘖期，秸秆炭化还田处理的碱解氮含量均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出10.58%、13.46%和21.15%；孕穗期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出14.29%、17.35%和29.59%；齐穗期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出29.63%、32.10%和40.74%；成熟期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出25.33%、30.67%和42.67%。

图1 秸秆炭化还田对水稻田土壤碱解氮含量的影响

由图2可知，秸秆炭化还田显著提高土壤速效磷含量，在全生育期表现为T3＞T2＞T1＞CK。分蘖期，T1和CK没有显著差异，T2和T3处理分别比CK高出19.54%和20.69%；孕穗期，秸秆炭化还田处理的速效磷含量均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出19.23%、38.46%和48.72%；齐穗期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出33.85%、43.08%和60.01%；成熟期，T3处理显著高于CK，其他处理间没有显著差异。

图2 秸秆炭化还田对水稻田土壤速效磷含量的影响

由图3可知，秸秆炭化还田显著提高土壤速效钾含量，在全生育期表现为T3＞T2＞T1＞CK。分蘖期，秸秆炭化还田处理的速效钾含量均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出14.47%、17.08%和33.33%；孕穗期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出6.05%、10.77%和51.21%；齐穗期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出9.55%、11.78%和39.53%；成熟期，各处理均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出12.71%、16.44%和34.67%。

图3 秸秆炭化还田对水稻田土壤速效钾含量的影响

2.2 秸秆炭化还田对水稻干物质的影响

从表1中可以看出，水稻地上部干重随着生育进程的推进呈逐渐增加的变化趋势。在各生育时期，表现为T3＞T2＞T1＞CK。分蘖期，秸秆炭化还田处理的干物质量均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出3.67%、5.34%和6.48%；孕穗期，T1处理和CK没有显著差异，T2和T3处理分别比CK高出8.89%和9.68%；齐穗期，T1处理和CK没有显著差异，T2和T3处理分别比CK高出5.87%和7.44%；成熟期，秸秆炭化还田处理的干物质量均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出15.44%、34.44%和55.23%，各生育时期均是T3处理干物质量最大。

表1 秸秆炭化还田对水稻干物质的影响

2.3 秸秆炭化还田对水稻产量及产量构成因素的影响

由表2可知，秸秆炭化还田显著影响水稻产量及产量构成因素，有效穗数表现为T3＞T2＞T1＞CK，T1处理和CK没有显著差异，T2和T3显著高于CK，分别高出4.95%和8.05%；各处理穗粒数均显著高于CK，T1、T2和T3处理分别比CK高出5.03%、6.79%和23.39%；各处理千粒重差异不显著；结实率T3处理显著高于CK，其他处理和CK没有显著差异；产量表现为T3＞T2＞T1＞CK，处理间差异均显著，T1、T2和T3处理分别比CK高出14.63%、20.35%和31.74%，T3处理产量最高。

表2 秸秆炭化还田对水稻产量及产量构成因素的影响

3 讨论

土壤中添加生物炭，可以改善土壤理化性质、防治土壤中的污染物质沉积，有利于土壤改良与修复[10]。由于生物炭富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以有效地截留住水分和养分，提高土壤肥力[11]。有研究表明，生物炭施入土壤后，土壤容重降低了9%，总孔隙率由45.7%提高到50.6%[12]。生物炭的多微孔结构也影响土壤的持水能力。生物炭不仅对土壤物理性质产生影响，对土壤化学性质也产生间接影响[13]。赵易艺等[14]研究表明，与施纯化肥处理相比，配施生物炭能够增加土壤全氮、碱解氮、全钾、速效钾、速效磷、有机质的含量，提高氮磷钾的利用效率。本研究结果表明，秸秆炭化还田显著提高土壤的碱解氮、速效磷和速效钾含量，主要由于秸秆炭化还田更大程度上是秸秆生物质炭间接增强了土壤C、N元素及速效养分的累积。还有可能是由于生物炭本身含有的养分离子，进入土壤后会有所释放，从而提高土壤养分。因此，生物炭可作为肥料的缓释载体，延缓肥料养分的释放，降低肥料养分的损失，提高肥料养分利用率。

干物质积累反映玉米植株生长状况，干物质的积累还直接影响作物产量[15]。有研究认为，在水稻育苗基质中添加适量生物炭，秧苗根表皮细胞、皮层组织发达，导管数量增加，根长、根表面积和根体积明显提高，根系生理结构及形态发育良好[16]。本研究结果表明，秸秆炭化还田能显著提高水稻的干物质积累量和产量。其主要原因是土壤孔隙度提高，为根系生长提供了更多延展空间[17]。此外，生物炭具有明显的吸热属性，施入土壤后可提高土壤温度，减轻低温冷害，为根系生长发育提供有利条件。同时，生物炭含有丰富的N、P、K、S、Ca、Mg、Fe等营养元素，对养分具有一定吸附和缓释能力，可提高土壤养分供给水平，为植株发育和形态建成提供重要物质基础[18]。炭基肥干物质积累量及产量显著高于其他处理可能是由于炭基肥含有的养分缓慢释放，为水稻后期生长提供充足的养分。

总体来看，添加炭基肥750kg/hm2处理效果最好。因此，可通过土壤添加秸秆炭基肥提高土壤肥力，能够增加水稻产量。