不同谷壳源黑炭施用量对红壤性稻田肥力及水稻产量的影响

熊 文，罗军元*，李子婧，张秋梅，王馨悦，黄天宝，张 晨，韩德鹏

（1.江西省红壤及种质资源研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室，江西 南昌 330046；2.新余市农业科学研究中心，江西 新余 336500）

0 引言

绿色优质水稻种植是江西省重点发展的农业产业，为维护国家的粮食安全与稳定发挥着巨大作用。但是，江西的土壤当中有67%为红壤性水稻土，此种水稻土主要有酸、贫、黏等不良特性［1］，因该种土壤酸化较重，营养元素流失较快，作物根系发育不良，对养分吸收较少，这已严重制约了该地区粮食产量的进一步提升［2-3］。因此，如何利用生物资源改良土壤已经成为学者们关注的热点。

生物黑炭是生物质在无氧或微氧条件下低温热转化后的固体副产物，由于其有机碳含量高，具有多孔性、碱性、吸附能力强等性质，施用于土壤后，具有增加土壤有效养分含量、提高酸性土壤pH值、改善土壤质量、提升作物产量等作用［4-6］。因此，生物黑炭的合理施用对土壤改良、提升土壤碳库和土壤地力、水稻增产增收等都具有十分重要的意义。

江西省是重要的稻米生产基地，稻谷的产量巨大。目前受综合利用水平的限制，大部分谷壳仍未得到有效利用，很多地区甚至将其当作废料，不仅浪费了资源，还造成了环境污染［7-8］。因此，谷壳的资源化利用研究十分迫切。有研究表明，谷壳源黑炭具有疏松多孔、高pH值特性，且含有丰富的含氧官能团，不仅能改善土壤环境，提高微生物的活性，还有利于作物根系对养分的吸收和利用［9-10］。因此，开展了谷壳源黑炭用量对红壤性稻田肥力及水稻产量影响的研究，以期为促进该地区的谷壳资源化、土壤肥力提升、水稻提质增产和农民增收提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于江西省红壤及种质资源研究所（116°20′24″E、28°15′30″N）内，该地处于中亚热带季风性气候区，年均降水量1537 mm，多年平均气温18.1 ℃，无霜期282 d，日照时数1900~2000 h。试验土壤为红壤，成土母质为第四纪红黏土，试验前土壤性质为：耕层土壤pH值为 5.43，有机质含量20.44 g/kg，全氮含量1.51 g/kg，全磷含量0.48 g/kg，全钾含量10.39 g/kg。

1.2 试验材料

供试水稻品种为泰优871一季晚品种。

生物质炭原料为水稻谷壳，采用连续立式生物质炭化炉（奉新瑞天新能源有限公司提供）生产。水稻谷壳在500 ℃的温度下进行炭化处理，使80%以上的生物质材料转化为生物质炭。将生产的生物质炭过5 mm筛，测得pH值为10.4，其养分含量为：有机碳467.0 g/kg、全氮5.90 g/kg和有效磷83.50 g/kg。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设6个处理：CK、C1~C5，对应的谷壳源黑炭施用量分别为0、5、10、15、20、25 t/hm2，每个处理3次重复。每个处理均施用氮（N）150 kg/hm2、磷（P2O5）90 kg/hm2、钾（K2O） 135 kg/hm2。谷壳源黑炭在耕地前施用。40%的氮肥（尿素）和钾肥（氯化钾）作基肥施用，60%的在分蘖期作追肥施用。磷肥（钙镁磷肥）作基肥一次性施入。试验连续实施2 a，即2021、2022年。小区面积30 m2（5 m×6 m）。水稻种植方式为人工移栽，株行距为20 cm×20 cm，其余管理措施同常规大田生产。

1.4 样品采集与指标测定

1.4.1 主要生育期农艺性状和叶绿素含量测定 分别在拔节期、齐穗期和成熟期普查全田茎蘖数及株高（连续计数20丛分蘖数和株高）。按平均茎蘖数每小区取2丛植株，将根部剪下，清洗干净，连同茎鞘分别装入信封，105 ℃杀青30 min后80 ℃烘干至恒重，用电子天平称重。叶绿素含量采用叶绿素测定仪（LYS-B）在晴天9：00~10：00测量。

1.4.2 土壤肥力指标测定 收获后按“S”形采集各小区耕层（0~20 cm）土壤样品，每个小区采集10个样点，并组成1个混合土样。土壤养分指标的测定参考《土壤农业化学分析方法》［11］，土壤样品分析在江西省红壤研究所化验室进行，土壤pH值测定采用电位法；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法。

1.4.3 测产 成熟期每个小区全部收割，脱粒后晒干称重，计算标准产量。

1.5 数据分析

所有试验数据采用Excel软件进行整理分析，用SPSS 18.0进行统计分析，用LSD法比较各个处理之间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同谷壳源黑炭用量对水稻产量的影响

由图1可知，连续施用2 a谷壳源黑炭可以显著提高水稻产量。与不施谷壳源黑炭（CK）相比，2021年C1~C5处理的水稻产量比CK的分别增加了11.52%、11.41%、13.82%、22.30%和18.96%，2022年C1~C5处理的水稻产量比CK的分别增加了18.05%、24.73%、25.68%、26.71%和19.26%，且2022年C1~C4处理的产量比2021年的有显著提高，分别增加了4.65%、10.69%、9.18%、2.43%。连续2 a试验均表现出C4处理的产量最高，这说明在红壤性水稻田谷壳源黑炭施用量在20 t/hm2时，水稻产量达到最佳，且第2年谷壳源黑炭的增产作用优于第1年。

2.2 不同谷壳源黑炭用量对水稻叶绿素含量的影响

由图2可知，连续2 a施用不同量的谷壳源黑炭对水稻各个生育时期的叶绿素含量有不同程度的影响。2021年，在水稻幼苗期，C1处理的叶绿素含量最高，达到26.52，分别比CK、C2、C3、C4、C5处理的增加了4.12%、1.96%、4.99%、12.71%、1.11%；在分蘖期，C2处理的叶绿素含量最高，达到38.51，分别比CK、C1、C3、C4、C5处理的增加了6.15%、10.57%、2.58%、7.48%、3.63%；在长穗期，C4处理的含量最高，达到37.52，分别比CK、C1、C2、C3、C5处理的高5.87%、7.29%、8.19%、3.28%、4.54%；在抽穗结实期，C2处理的含量最高，达到35.42，分别比CK、C1、C3、C4、C5处理的高5.92%、9.39%、7.01%、6.11%、10.30%。2022年，在水稻幼苗期，C1处理的叶绿素含量最高，达到27.51，分别比CK、C2、C3、C4、C5处理的增加了3.53%、3.07%、6.26%、8.65%、3.58%；在分蘖期，C3处理的含量最高，达到36.71，分别比CK、C1、C2、C4、C5处理的高0.35%、4.64%、5.06%、4.17%、6.65%；在长穗期，C2处理的含量最高，达到40.99，分别比CK、C1、C3、C4、C5处理的高3.72%、3.53%、1.66%、4.03%、2.39%；在抽穗结实期，C3处理的含量最高，达到31.30，分别比CK、C1、C2、C4、C5处理的高0.48%、3.02%、2.42%、1.75%、2.92%。在幼苗期和长穗期，各处理的2022年的叶绿素含量相较于2021年的明显升高。结合2 a数据来看，在分蘖期、长穗期、抽穗结实期，C2、C3处理的叶绿素含量较高，而在幼苗期C1、C5处理的叶绿素含量较高，即在红壤性水稻田谷壳源黑炭投入量在10~15 t/hm2时，水稻叶绿素含量达到最佳。

图2 2021、2022年不同黑炭用量下水稻各生育期叶绿素含量的变化

2.3 不同谷壳源黑炭用量对水稻根茎重的影响

由表1可知，随着谷壳源黑炭用量的增加，水稻在分蘖期、长穗期的根系重量、茎秆重量、根茎比呈现不同程度的变化。在分蘖期，C1、C2、C3、C4和C5处理的根系重量分别比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，茎秆重量分别比CK增加了10.97%、4.76%、1.81%、4.75%、16.23%，且C1、C2、C3处理的根茎比优于C4、C5处理的。在长穗期，C1、C2、C3、C4和C5处理的根系重量分别比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%和60.09%，茎秆重量较CK的变化率分别为-3.72%、2.61%、-4.75%、11.28%、18.24%，且C1、C3处理的根茎比优于C2、C4、C5处理的。这说明谷壳源黑炭在水稻分蘖期、长穗期均能促进根系的生长，施用量在5、15 t/hm2时，水稻的根系重量达到最佳。

表1 不同黑炭用量对水稻根茎重的影响

2.4 不同谷壳源黑炭用量对土壤pH值和肥力的影响

连续施用2 a的谷壳源黑炭可以显著提升红壤性水稻田的pH值及土壤肥力（表2）。从表2中可以看出，水稻田施用谷壳源黑炭后，土壤有机质含量显著提高，增幅整体随谷壳源黑炭施用量的增加而呈现增加趋势，其中2021年C1~C5处理的有机质含量比CK的分别增加了26.29%、51.59%、95.31%、152.45%、102.41%；2022年C1~C5处理的比CK的分别增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，即2022年的增幅较2021年减少，且连续2 a的处理中均以C4处理的有机质含量达到最佳，这说明谷壳源黑炭中含有丰富的有机质。土壤pH值也随着谷壳源黑炭施用量的增加而呈现不同程度的增加，2021年C1~C5处理的土壤pH值较CK分别增加了0.08、0.01、0.08、0.11、0.23，2022年的较CK分别增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18。2022年的pH值比2021年的偏低，且连续2 a的处理中均以C5处理pH值达到最高，这说明谷壳源黑炭能释放大量碱性物质。

表2 2021、2022年不同黑炭用量下土壤肥力变化情况

从表2中还可以看出，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也随着谷壳源黑炭施用量的增加而呈现不同程度的增加，2022年C1~C5处理的土壤全氮含量比CK分别增加了5.19%、7.79%、10.39%、12.98%、7.14%，全磷含量比CK分别增加了14.71%、16.18%、20.59%、35.29%、25%，水解性氮含量比CK分别增加了7.27%、12.73%、26.06%、16.97%、10.30%，有效磷含量比CK分别增加了25.42%、41.67%、20.46%、58.94%、43.17%，且该年的土壤全氮、全磷、有效磷含量均比2021年的高，全氮、全磷、有效磷含量连续2 a均以C4或C5处理的最高，水解性氮含量在2021年以C5处理的最高，在2022年以C3处理的最高。从表2中也可以看出，土壤中的速效钾含量随着谷壳源黑炭施用量的增加而呈现不同程度的降低，2022年C1~C5处理的土壤速效钾含量分别比CK降低了15.84%、28.52%、34.84%、12.67%、14.25%，相较于2021年的含量整体偏低，且以C3处理降低幅度最大。这说明施用谷壳源黑炭能显著提升红壤性水稻田pH值及土壤有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量，施用量在15和20 t/hm2时，土壤的pH值及肥力最佳。

3 讨论与结论

3.1 谷壳源黑炭对作物产量的影响

本研究结果表明，在水稻田连续2 a施用不同量谷壳源黑炭处理中，水稻产量随着谷壳源黑炭施用量的提高而呈现先升高后降低的趋势，在施用量为20 t/hm2时，产量达到最佳，这一研究结果与江福英等［12］的研究结果相似。究其原因，生物黑炭的施入改善了土壤理化环境，其较大的比表面积有利于吸附养分，且为微生物群落的生存提供较大的空间［13］，这不仅有利于增加作物产量，还能减少养分损失和提高肥料利用率。生物黑炭中含有丰富的有机大分子和孔隙结构，在土壤中容易形成大团聚体，能够增强土壤养分离子的吸持力［14］，可吸附铵、硝酸盐、磷和其他水溶性盐离子［15］，特别是对NH4+有很强的吸附作用［16-17］。另一方面，施用生物黑炭也会对土壤三相比造成影响［18］，土壤固、液、气三相状况及其配合比例是衡量土壤物理性状好坏的重要指标之一，疏松多孔、气相大固相小、保水保肥性好的土壤有利于根系对养分、水分的吸收［19］。过多生物黑炭的施入会导致固相和气相减少，液相增加，从而影响作物产量，因此在本研究中，当谷壳源黑炭施用量为25 t/hm2时，水稻产量明显降低。

3.2 谷壳源黑炭用量对水稻根茎重的影响

谷壳源黑炭具有良好的物理性质和养分调控作用，可以显著促进植株的生长，提高作物的生产力［20］；张阿凤等［21］研究表明施用生物黑炭后作物的生物量比对照提高2倍；Lehmann等［22］的试验结果表明，施用生物黑炭后，黑麦草的生物量比对照提高20%以上。本研究表明，施用谷壳源黑炭能够增加水稻地上部茎秆和地下部根的生物量，提升水稻的根茎比。当谷壳源黑炭施用量在5~25 t/hm2时，根系重量在水稻分蘖期分别比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，在长穗期分别比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%、60.09%。这与谷壳源黑炭不仅能够快速提升土壤稳定性碳库，还可改善土壤环境密不可分。谷壳源黑炭密度较低，且具有发达的孔隙结构，施入土壤后可以降低土壤容重，减少土体密度和增加孔隙比例，能在一定程度上改变土壤的质地［23］。土壤孔隙是影响土壤通风、透水的重要因素，孔隙数量多少和不同孔隙的组成对土壤肥力有着重要的影响［24］。土壤容重降低、孔隙数量变多和毛管孔度增加有利于提高土壤持水保水能力，促进根系活力。但是，随着谷壳源黑炭持续增加，土壤达到碳饱和，反而会破坏土壤环境，影响作物生长［25］。本试验中，当谷壳源黑炭施用量为20、25 t/hm2时，水稻根系重量显著低于其他处理，且根茎比也明显下降，这与之前的研究结论基本一致。

3.3 谷壳源黑炭用量对土壤pH值和肥力的影响

施用生物黑炭能显著提高土壤pH值，降低土壤交换性酸含量，提高土壤的交换性盐基离子含量和盐基饱和度，改良酸化土壤［26］。本研究表明，土壤pH值随着谷壳源黑炭施用量的增加而呈现不同程度的增加，2022年C1~C4处理的土壤pH值比CK分别增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18，说明谷壳源黑炭施用后，土壤交换性酸减少，土壤盐基饱和度提高是土壤pH值升高的主要原因，这一研究结果与其他相关研究结论一致［27-28］。在土壤活性酸与潜性酸的动态平衡中，pH值主要取决于交换性酸含量，盐基饱和度的下降，特别是Ca2+饱和度的下降是导致土壤pH值下降的重要原因。

生物黑炭施入土壤中主要是通过增加土壤有机质来改善土壤肥力特性，从而增强作物的养分吸收能力［29-30］。本研究中，水稻田施用不同量谷壳源黑炭后，土壤有机质含量显著提高，增幅随谷壳源黑炭施用量的增加而呈现增加趋势，2022年C1~C4处理的有机质含量比CK分别增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，但增幅均比2021年的减少，且均在谷壳源黑炭施用量为20 t/hm2时达到最佳。这与周志刚等［31］的研究结论一致。添加生物黑炭可以显著提高潮土的有机质和土壤速效养分含量，且黑炭用量越高，土壤肥力提升越高。但在本试验中，当生物黑炭施用量为25 t/hm2时，有机质含量下降，且连续2 a均表现出相同趋势，这可能是由于使用的黑炭量过大，达到了土壤的饱和度，从而产生了抑制作用［32］。本研究还表明，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也随着谷壳源黑炭施用量的增加而呈现不同程度的增加趋势，这主要与生物黑炭来源于谷壳，其本身含有大量的有机质和氮磷钾养分有关［33］。谢国雄等［34］的研究也指出了生物黑炭施用对不同肥力水平红壤氮素供应的影响，即添加生物黑炭可促使土壤中NH4＋、NO3－向微生物量氮转化，降低土壤中矿质态氮含量。

3.4 不同谷壳源黑炭用量对水稻叶绿素含量的影响

叶绿素含量是反映植株生长状况和叶片光合能力的重要指标，叶绿素含量下降、叶片黄化是叶片开始衰老最明显的特征［35］。施用生物黑炭能有效促进水稻根系活力及水稻剑叶叶绿素含量［36］。水稻幼穗分化期和灌浆期后叶绿素含量与干物重呈显著正相关，保持后期较高的叶绿素含量有助于提高产量［37］。本研究结果表明：在分蘖期、长穗期、抽穗结实期，C2、C3处理的叶绿素含量较高，而在幼苗期C1、C5处理的叶绿素含量较高，即在红壤性水稻田谷壳源黑炭投入量在10~15 t/hm2时，水稻叶绿素含量达到最佳，且随着谷壳源黑炭施用量的不断增加，叶绿素含量有所下降。当谷壳源黑炭施用量达到最佳时，可以改善土壤理化环境，其较大的比表面积有利于吸附养分和为微生物群落的生存提供较大的空间［38］，有效促进水稻根系活力及对养分的吸收。在本研究中，红壤性水稻田谷壳源黑炭15 t/hm2为最佳施用量，在此条件下水稻叶绿素含量整体较高。