富硅生物炭有效提高红壤性稻田土壤不同形态硅含量及水稻产量

胡祖武，吴多基，吴建富，魏宗强，夏李佳

（江西农业大学国土资源与环境学院, 江西南昌 330045）

近年来，生物炭作为一类新型环境功能材料，因其高度的物理稳定性、生物化学抗分解性、较大的比表面积及多孔结构等优良特性，在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面得到广泛的应用[1]。而硅作为生物炭中必不可少的无机元素，也逐渐得到大家的关注[2]。已有研究指出，硅含量高于1% (干物质)的植物被认为是富硅植物[3]，以富硅植物为材料制备的生物炭称为富硅生物炭[4]。目前，对硅的研究领域也是在不断的拓展，如对水稻产量、品质方面的影响。Tamai等[5]研究发现，因稻田土壤中有效硅含量及气候条件等差异，水稻增产效果不一样，一般增产10%～25%，但在极其缺硅地区，施硅可以增产近一倍。Ahmad等[6]在盆栽试验中发现水稻孕穗期喷洒硅肥后水稻籽粒的蛋白质、淀粉含量较不施硅肥显著提高。在植物逆境胁迫耐受能力方面的研究中，Garbuzov等[7]研究发现，水稻施硅，使水稻叶鞘细胞硅质化，形成硅化层，能够充当机械屏障，从而降低昆虫对水稻的侵害；Lee等[8]在研究不同土壤中砷的释放和对植物的毒性影响时发现，施硅后可以降低土壤中砷的含量，减小污染。通过硅对土壤养分及植物群落结构的影响研究发现，土壤硅含量对土壤氮、磷含量与矿化速率、植物个体生长的影响等领域都有深入的分析[9-14]，这些包含了从宏观到微观的各个领域。以往的研究更多的侧重于硅对水稻产量、品质、逆境耐受能力等方面的影响，而对于土壤硅形态的报道较少。在硅肥的施用方面，较多的是选择各种外源硅肥，而对于生物炭中本身无机硅的研究较少。与此同时，我国约有1330万hm2水稻田存在缺硅现象[15]，对如何提高土壤硅含量，改善土壤硅形态及提高水稻产量是目前水稻高产栽培中面临的重大科学问题。而富硅生物炭较单纯的硅肥除了具有硅肥的功效外，在改良土壤理化性质、修复重金属污染土壤以及固氮减排等方面的作用远好于硅肥。鉴于此，本研究以南方红壤性水稻土为研究对象，利用盆栽试验，通过添加不同类型的富硅生物炭，探究其对土壤硅形态及水稻不同组织生物量的变化、硅的吸收与分布的影响，旨在为富硅生物炭在水稻高产栽培中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤理化性质 供试土壤采集于江西农业大学试验田内，选用红壤性稻田耕层土壤(0—20 cm)，风干研磨后过2 mm筛备用，其基本理化性质为：pH 6.4、有机质7.97 g/kg、有效硅(Si) 83.58 mg/kg (pH 4.0的醋酸-醋酸钠缓冲液浸提)、粘粒140 g/kg、粉粒371 g/kg、砂粒489 g/kg、全氮0.59 g/kg、全磷 0.34 g/kg、Olsen-P 10.46 mg/kg。

1.1.2 供试生物炭的制备 以木屑(BW)为低硅含量生物炭制备原料，以稻壳(BH)和竹叶(BB)为中浓度硅含量生物炭的制备原料，按以下方法制备生物炭[2]：首先将原料在空气中干燥7 天，然后放在60℃下烘箱中干燥过夜，再将这些材料研磨过0.15 mm筛，并装入100 mL陶瓷坩埚中，随后将其置于马弗炉中，以6℃/min的加热速率编制升温程序，在稳定的温度(即300℃、700℃)下保持5 h后自然冷却至室温即得到低、中硅含量的生物炭，分别用BW3、BH7、BB7表示。

以稻壳(BH)和竹叶(BB)为原材料，在前期的预备试验基础上，改进相关文献[16]中的研究方法，选用KOH对其进行改性，制备高硅含量的生物炭。具体步骤如下：采集的原料样品清洗除尘，置于60℃烘箱干燥48 h，随后用高速旋转粉样机进行研磨并过1 mm筛。将处理后的稻壳和竹叶原料样品分别与KOH原料以5∶100 (w/w)混合，然后装入坩埚中，同时加入100 mL超纯水(基于100 g原料)，并静置90 min以待KOH充分溶解。随后将坩埚置于马弗炉中，温度设定为150℃，保持30 min，随后升温至550℃并保持90 min，待冷却至室温后取出生物炭即为高硅含量的生物炭，分别用AH和AB表示，研磨并通过1 mm筛，密封干燥保存，以便后续试验使用。

以上所制备的5种生物炭基本性质见表1。

表1 不同硅含量生物炭的化学性质Table 1 Chemical properties of tested biochar

1.2 试验设计

采用盆栽试验，所用盆钵为红色塑料桶，盆高21 cm，底部和顶部直径分别为18 cm和23 cm。每个盆中放入2 kg土壤，然后放入事先搭建好的透光的塑料薄膜棚中，棚四周与外界相通，棚中气候条件与外界基本相同。用BW3、BH7、BB7、AH、AB 5种生物炭与土壤分别以0.4%和0.8%比例混合，以不施生物炭为对照(CK)，共计11个处理，每个处理重复3次。供试水稻品种为‘美香粘2号’，各处理氮磷钾养分用量相等，即每盆施用纯N 0.3 g、P2O50.2 g、K2O 0.3 g，供试化肥为尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)，所有肥料均一次性做基肥施入且与土壤充分拌匀。采用塑料盆湿润育秧，待秧苗生长至3叶期后，将其移植到预先准备好的试验盆中，每盆1株，用自来水灌溉，在幼苗生长和水稻分蘖期保持淹水在土壤上方3 cm处，在成熟期保持淹水在土壤上方2 cm处，其他按常规栽培要求进行。

1.3 样品采集及分析方法

水稻成熟期，将每株水稻分成籽粒、秸秆(包括叶)和根系，并用去离子水彻底洗净根，于烘箱105℃杀青30 min，然后保持 70℃烘至恒重，供植株干物质和Si养分含量测定。生物炭中C元素采用元素分析仪测定(Elementar Vario MACRO，德国)，pH依据文献[17]测定(生物碳∶水=1∶20)，灰分依据文献[2]测定，生物炭和植株硅含量采用碱熔法[18]，其消解液采用硅钼蓝比色法[19]测定.

水稻收获后，每处理分别采集土壤样点10个，然后均匀混合，自然风干后过2 mm筛，供土壤硅形态含量测定。土壤中硅的形态采用改进的逐级化学连续浸提法[20]测定：即，1)醋酸-醋酸钠缓冲液提取有效态硅；2)双氧水提取有机结合态硅；3)盐酸羟胺提取铁锰(氢)氧化物结合态硅；4)氢氧化钠提取无定形硅。

1.4 数据处理

采用Excel 2016、SPSS 26.0和Origin 2018软件进行数据处理和统计分析，并利用Duncan法进行显著性检验，相关分析采用Pearson系数法。

2 结果与分析

2.1 富硅生物炭对土壤硅形态的影响

双因素方差分析结果(表2)表明，富硅生物炭类型和添加量对土壤有效硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅均有极显著影响(P＜0.01)，且二者间交互作用极显著(P＜0.01)。土壤有效硅含量随富硅生物炭添加量的增加而增加，除低添加量(0.4%)的BW3处理外，其他处理土壤有效硅含量均显著高于CK处理(P＜0.05)，增幅为23.64%～184.23%，其中以添加AB富硅生物炭的处理最为明显，其土壤有效硅含量在低添加量(0.4%)和高添加量(0.8%)分别比CK提高了126.6%和184.23%。而富硅生物炭高添加量处理的土壤有效硅含量均显著高于低添加量对应的处理(P＜0.05)，在低添加量(0.4%)时，土壤有效硅含量大小依次表现为处理AB≈AH＞BB7＞BH7＞WB3，且差异显著(P＜0.05)；而在高添加量(0.8%)时，则表现为 AB＞AH＞BB7＞BH7＞WB3，且差异显著(P＜0.05)。可见，生物炭类型及其添加量对土壤有效硅含量的变化有一定的影响。富硅生物炭在高添加量(0.8%)时，有机结合态硅在高硅生物炭(AH、AB)处理与低硅生物炭(BW3)处理间差异显著(P＜0.05)，且高硅生物炭(AB)处理较CK增加了59.53%。随着富硅生物炭的添加，土壤中铁锰结合态硅含量也相应增加，在高添加量(0.8%)时，处理之间差异显著(P＜0.05)，尤其添加BH7、BB7、AB的处理差异明显，其中，AB高硅生物炭的添加，土壤铁锰结合态硅含量比CK提高了117.54%。土壤无定形硅含量随着富硅生物炭用量增加而增加，其在两种不同的添加量水平时，高硅生物碳AB与低硅生物炭BW3之间差异都显著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)时，除添加低硅的BW3处理显著低于CK处理外，其他处理间差异不显著，其原因可能与土壤本身无定形硅的含量较高有关。

表2 不同生物炭及其添加量对土壤不同形态硅含量的影响 (mg/kg)Table 2 Content of various forms of silicon in soil as affected by biochar types and addition rates

2.2 富硅生物炭对水稻产量及其生物量的影响

双因素方差分析结果(表3)表明，富硅生物炭类型和添加量对水稻产量、秸秆生物量、根部生物量均有极显著影响 (P＜0.01)，且二者间交互作用极显著(P＜0.01)。添加富硅生物炭明显增加了水稻籽粒产量，且随着其用量的增加而增加。水稻籽粒产量添加生物炭的处理间差异显著(P＜0.05)；除低量添加BW3处理外，其他添加富硅生物炭的处理水稻籽粒产量均显著高于CK处理(P＜0.05)，尤其是在其高添加量(0.8%)时，水稻籽粒产量增加明显，与CK相比，增幅为4.18%～44.28%。同样，添加富硅生物炭还增加了水稻秸秆生物量，且整体随生物炭用量的增加而增加，其中，在高添加量(0.8%)的情况下，添加低、中、高硅生物炭的处理间差异显著(P＜0.05)，其中添加BH7、BB7、AH和AB富硅生物炭的处理水稻秸秆生物量较CK分别增加了15.68%、24.95%、43.41%和51.16%。就根部生物量而言，在高添加量(0.8%)时，高硅生物炭处理与低硅生物炭处理间差异显著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)时，水稻根系生物量增加趋势不明显。说明适当添加中、高硅含量的生物炭有利于促进水稻根部生长。

表3 富硅生物炭对水稻籽粒产量和生物量的影响Table 3 Effects of silicon-rich biochar on rice grain yield and biomass

2.3 生物炭对水稻植株吸硅量的影响

双因素方差分析结果(表4)表明，富硅生物炭类型和添加量对籽粒、秸秆和根部硅含量均有极显著影响(P＜0.01)，且二者间交互作用极显著(P＜0.01)。水稻各部位硅的积累量大致呈秸秆＞籽粒＞根部的趋势，其中高硅生物炭的添加，明显增加了各个部位硅的吸收量，且随着添加量的增加而增加。对籽粒的吸硅量，整体随着生物炭用量的增加而增加，在低添加量(0.4%)时，各生物炭处理间差异显著(P＜0.05)。秸秆吸硅量在两种不同量添加水平下，同种水平下的处理间差异显著(P＜0.05)。在高添加量(0.8%)的情况下，除低硅生物炭BW3外，其他生物炭处理与对照CK相比，其增幅为19.29%～73.68%。就根系硅积累量而言，在低添加量(0.4%)时，根系吸硅量添加中、高硅生物炭的处理与CK处理差异不显著，却均显著高于添加低硅生物炭的处理；而在高添加量(0.8%)时，高硅生物炭(AB、AH)处理、中硅生物炭(BH7、BB7)处理和低硅生物炭(BW3)处理间差异显著(P＜0.05)。这说明生物炭添加量及类型对水稻各个部位的硅吸收量有一定影响。

表4 富硅生物炭及添加量对水稻植株各部位硅积累的影响 (g/pot)Table 4 Silicon accumulation in different parts of rice plants as affected by biochar and their addition rate

从水稻总的吸硅量来看，在高添加量(0.8%)时，水稻总吸硅量大小依次为AB＞AH＞BB7＞BH7＞BW3≈CK，且差异显著(P＜0.05)，其中添加AB、AH的处理比CK分别增加了87.15%和70.64%；而在低添加量(0.4%)时，添加高硅生物炭的处理显著高于添加中、低硅生物炭和CK处理。这表明高硅生物炭可以促进水稻对土壤硅养分的吸收。

2.4 籽粒产量与土壤各形态硅含量、水稻总吸硅量的相关性分析

相关分析结果(表5)表明，籽粒产量与土壤有效硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅及水稻总吸硅量呈极显著正相关(P＜0.01)。同样，水稻总吸硅量与土壤有效硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅均呈极显著正相关(P＜0.01)。这说明水稻产量及对硅的吸收量与土壤中硅形态含量有密切关系。

表5 土壤中各形态硅含量、水稻植株总吸硅量和籽粒产量间的Pearson相关系数(n=33, 双尾)Table 5 Pearson coefficients between silicon content of each form in soil, total silicon uptake of rice plants and grain yield

3 讨论

3.1 富硅生物炭对土壤硅形态的影响

土壤有效硅是土壤中可供作物当季吸收利用的硅素，包括土壤溶液中的单硅酸及各种易于转化为单硅酸的成分，如交换态及胶体态硅的一部分，不仅如此，前人研究[21-25]表明，土壤中硅的无机态也包含了水溶态硅、交换态硅、胶体态硅和无定形硅等多种类型，同样无定形硅也可水解成胶体态硅或溶解于土壤溶液中，为植物生长提供部分有效态硅[26]，由此可见，这些硅的形态间可能存在相互转化。本研究发现，添加富硅生物炭，土壤有效硅和铁锰氧化物结合态硅在高添加量(0.8%)含量增加明显，尤其是有效硅的含量增加显著(P＜0.05)。其增加原因，一方面是由于富硅生物炭具有较高的硅溶出量，溶出的部分硅转化为有效硅，同时弥补了水稻吸收的那部分硅的损失；另一方面，可能是无定形硅向有效硅的转化[27-28]。一般而言，有效态硅库主要源于生物蛋白石的分解和吸附于无定形铁氧化物表面的单硅酸解吸。因此，土壤中无定形硅的分解和无定形硅的迁移或保存可能强烈影响有效态硅的分布[29]。宁东峰等[26]研究也发现，在水稻土中施用钢渣硅钙肥能促进土壤中无定形硅向有效硅的转化；赵送来等[29]通过对雷竹林有机物的覆盖发现，覆盖有机物后土壤中无定形硅可以转化为有效态硅、有机结合态硅和铁锰(氢) 氧化物结合态硅；Wickramasinghe等[30]研究结果也支持了这一观点。而本试验研究的无定形硅的含量变化并不显著(P＞0.05)，其原因可能是供试土壤本身无定形硅含量较高(4190 mg/kg)，富硅生物炭释放出来的硅不足以改变土壤中无定型硅的含量，其影响机理有待做进一步研究。

3.2 富硅生物炭对水稻产量及吸硅量的影响

以往研究发现，硅对水稻生长发育及产量有一定的影响。杨丹等[31]在酸性水田土壤上施用硅肥，增产率高达16.99%，且成熟期水稻植株含硅量与稻谷产量间存在显著的线性正相关关系；陈进红等[32]通过对杂交粳稻施加硅肥的研究结果也表明，施用硅肥具有增加水稻干物质积累与籽粒产量的作用。不仅如此，生物炭与各种化肥配施同样可以提高水稻的产量[28]。本试验研究发现，添加富硅生物炭能显著增加水稻籽粒产量(P＜0.05)，这与前人研究报道[33]一致，其原因一方面是生物炭提高了土壤有效硅含量，增加了土壤养分的供应量[34]；另外一方面是植物吸收硅素养分可以更有效利用太阳辐射和摄取更高的养分(N和K)[35-37]。总之，植物产量的差异与生物炭类型及其施用量和土壤类型有密切关系[38]。

本研究发现，低硅生物炭(BW3)添加到土壤中对水稻籽粒、秸秆和根部吸硅量都较对照有降低的现象，其原因可能是低硅生物炭在土壤中变成了一种硅“库”，使得土壤中释放的硅被生物炭表面的铁、铝氧化物所吸附，从而减少根系周边硅的浓度而造成水稻体内硅浓度的降低[39]。而添加中、高硅生物炭的处理，无论是低添加还是高添加量，水稻籽粒、秸秆和根部中硅含量较对照处理均有增加的趋势，有的甚至达显著水平。相关分析表明，籽粒产量与土壤有效硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅、水稻总摄硅量呈极显著正相关(P＜0.01)。

添加富硅生物炭对水稻总的吸硅量增加明显，特别是添加了高硅生物炭AB的处理，比CK总的吸硅量增加了73.68%，究其原因，一是生物炭改善土壤养分的可利用性，如N、P、K的吸收转化[40-42]；二是生物炭的添加伴随pH的增加进一步促进硅的高效释放[39]。相关分析表明，水稻总吸硅量与土壤有效硅、有机结合态硅、铁锰氧化物结合态硅呈极显著正相关(P＜0.01)。综合分析，在农业生产中可以把富硅生物炭作为土壤中的一种补充硅源的肥料。

4 结论

添加富硅生物炭能够显著增加土壤有效硅以及铁锰结合态硅的含量，且随着添加量的增加而增加。添加中、高硅含量生物炭可以促进水稻对硅素营养的吸收，显著提高水稻籽粒硅含量和产量。综上，富硅生物炭可作为水稻生产中的高效硅肥。