生物炭和氮素互作对土壤化学特性、硅形态及水稻生长的影响

汪胜　潘韬文　陈剑珠　田纪辉　蔡昆争

摘要：为揭示生物炭和氮素互作在水稻生长和土壤改良方面的协同作用，以华航31、美香占2个水稻品种为材料，研究不同氮水平（0、0.1、0.2 g/kg）条件下施用2%生物炭对土壤的化学特性、硅形态转化和水稻植株生长的影响。结果表明，施用生物炭、氮均显著影响植株的干物质积累及叶片的光合作用。在同一氮水平下施加生物炭可显著提高水稻植株地上部生物量，其中0.2 g/kg氮水平配施生物炭（BN2处理）分别使华航31、美香占的地上部生物量增加54.39%、73.39%，分蘖期游离态硅含量分别达到151.3、152.7 mg/kg；而不同氮素水平配施生物炭对叶片的Fv/Fm无显著影响。不同氮水平施加生物炭，均显著提高土壤有机碳含量和土壤有效硅含量，且不同生育期和不同品种一致。此外，在水稻成熟期，不同氮水平配施生物炭显著增加土壤的pH值和植株茎叶硅的积累量。值得注意的是，在生物炭和氮素互作条件下，土壤全碳和有效硅含量呈显著正相关。综上所述，生物炭和氮素互作能改善土壤肥力，促进硅形态转化，促进水稻植株生长和养分吸收，提高有效硅含量，其中以0.2 g/kg 氮水平下施用生物炭效果最为显著。

关键词：水稻；氮；生物炭；土壤肥力；养分吸收；硅

中图分类号：S511.06文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0151-08

随着世界人口逐渐增多，人们对粮食的需求越来越大，未来水稻产量每年需增加1.2%以上才能满足需求［1］。氮素在水稻生长发育和产量形成中起非常重要的作用，氮肥不足导致水稻产量下降［2］。研究表明，合理施用氮肥能增加水稻产量和氮素利用率，还能提高土壤肥力［3］。但过量施用氮肥，会引起土壤板结、酸化、水体富营养化、肥力下降等问题，还会造成农业面源污染［4］。

生物炭（biochar）是以生物质为原料，在厌氧或低氧条件下高温热解形成的富含碳的稳定产物［5］。生物炭具有孔隙结构发达、养分丰富、吸附性强等特点，在改善土壤特性、减少养分淋失、促进作物生长等方面具有良好的作用［6-7］。此外，生物炭能显著提高土壤碳源，增加有机质含量，从而提高土壤肥力，改善土壤环境［5，8］。生物炭还可通过影响土壤的理化性质和微生物活动来加速土壤氮矿化，以增加土壤的氮含量和有效性氮，而不同氮素水平下施加生物炭可显著提高水稻自身氮的利用效率和双季稻产量［6，9］。相关研究表明，水稻秸秆含有大量的硅，且资源丰富，利用水稻秸秆制成生物炭不仅能妥善解决秸秆处理难题，还能增强土壤肥力，并可作为一种潜在的硅肥［10-11］。因此，在不同氮水平条件下施用生物炭是一种具有应用前景的施肥方式。因此，合理施用氮肥和提高土壤中碳硅含量，有助于改善土壤生态环境和水稻养分吸收的可持续性。

本研究以我国南方推广面积较大的2个水稻品种为试验材料，研究不同氮素水平下施用生物炭对土壤硅形态及有效性、土壤化学特性与水稻植株养分吸收的影响，以期为生物炭应用于稻田土壤养分管理提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年4月上旬在华南农业大学校内试验农场进行。试验用水稻品种为华航31（华南农业大学农学院提供）、美香占（广东省农业科学院水稻研究所提供）。试验用土取自华南农业大学试验基地水稻田，土壤主要理化性质如下：pH值为5.88，EC值为0.16 dS/m，CEC值为5.25 cmol/kg，含有机质 36.36 g/kg、全氮 2.65 g/kg，C/N为10.63，含全磷 0.58 g/kg、全钾 11.07 g/kg、铵态氮 2.7 mg/kg、硝态氮 4.96 mg/kg、有效磷 31.0 mg/kg、速效钾 73.42 mg/kg。

生物炭为水稻秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产，制备温度为 600 ℃，烧制2 h。生物炭的基本性质如下：pH值为9.04，C含量为50.55%，H含量为1.786%，N含量为1.89%，S含量为0.171%，C/N为26.79，C/H为28.3。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，设3个氮水平（0、0.1、0.2 g/kg，分别用N0、N1、N2表示），2个生物炭水平（0、2%，施加2%生物炭用B表示）。每个品种6个处理，重复3次，每个处理共12盆，随机区组设计。氮肥以尿素折合纯氮量施入。盆栽大小为20 cm×28 cm×17 cm（下口径×上口径×盆高），每盆装入5 kg均匀水稻土，并移栽3穴水稻苗，每穴1株。2020年4月14日移苗，7月12日收获。

生物炭于幼苗移栽前1周施用，所有处理均施用等量的磷肥（0.43 g/kg P2O5） 、钾肥（0.57 g/kg  K2O），且一次性施用。氮肥于2020年4月21日、4月27日分2次施用，每次施用50%。在水稻分蘖期、成熟期分别取样，测定土壤和植株的相关指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植株生长指标

在水稻分蘖期，选择各处理主茎最上部完全展开叶片，采用OS-30p仪器测定叶片的叶绿素荧光参数Fv/Fm，即叶片最大光化学量子效率。用SPAD-502Plus测定叶片的叶绿素含量，以3次测定的平均值表示该叶片叶绿素含量。待水稻成熟期时取样，并测定地上部干物重。

1.3.2 植株的氮、硅含量

水稻植株样品在105 ℃杀青30 min，后经80 ℃烘干至恒重，用粉碎机磨成粉末用于测定植株地上部分中的氮、硅含量。氮含量采用浓H2SO4-H2O2消解，奈氏比色法［12］测定；硅含量采用高温碱熔解法［13］测定。

1.3.3 土壤养分指标

在分蘖期、成熟期取土壤样品进行养分特性测定。土壤pH值采用ST 2100 pH 计（奥豪斯仪器常州有限公司）测定，水、土质量比为2.5 ∶1；土壤EC值采用用EC仪（ZDS-EC）测定，水、土质量比为5 ∶1；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法［12］测定；土壤有机质含量用vario TOC cube元素分析仪（ Elementar Analyse system GmbH，德国）测定，在将有机碳含量转化为有机质含量。土壤有效硅及硅形态采用钼蓝比色法［13-14］测定；土壤CEC值采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法［15］测定。

1.4 数据处理与统计分析

所有数据均使用 Microsoft Excel进行计算，使用IBM SPSS Statistics version 26进行统计分析，使用OriginPro 2022b制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭和氮素互作对水稻干物质积累量及植株生长的影响

由表1可知，与N0处理相比，BN2显著增加2个水稻品种叶片的最大光化学量子效率Fv/Fm和美香占叶片的SPAD值。N2处理与施加生物炭处理使美香占SPAD值显著增加，而华航31的SPAD值只有BN1处理显著增加。而同一氮水平下施加生物炭，均增加2个水稻品种的地上部生物量，其中N2氮水平下添加生物炭对地上部生物量的增加幅度最大。不同氮素处理显著影响美香占植株地上部生物量，但对华航31号无显著影响。与N2处理相比，BN2处理分别使美香占、华航31水稻地上部分生物量增加54.39%、73.39%。

2.2 生物炭和氮素互作对水稻植株地上部茎叶氮、硅积累量的影响

同一氮水平施加生物炭显著提高不同生育期植株茎叶氮的积累量（图1）。在分蘖期，与N0处理相比，BN0处理使美香占、华航31茎叶氮积累量显著增加20.07%、71.88%，且BN2处理均使茎叶氮积累量达到最大值。除水稻分蘖期N2水平外，同一氮水平下施加生物炭显著提高水稻植株茎叶硅的积累量，不同生育期和不同品种一致。在成熟期，与N0处理相比，BN0处理使美香占、华航31的茎叶硅积累量分别增加118.58%、66.11%。

2.3 生物炭和氮素互作对土壤化学特性的影响

2.3.1 土壤pH值

在水稻分蘖期，与N0处理相比，BN0处理使美香占、华航31的土壤pH值显著增加5.14%、 6.84%；与N2处理相比，BN2处理增加的幅度则分别为10.84%、5.86%（图2-A）。在水稻成熟期，同一氮水平下施加生物炭均使土壤pH值显著提高（图2-B）， 随着氮素水平的提高，土壤的pH值有下降的趋势。在成熟期，与N0处理相比，N2处理使美香占土壤pH值下降 4.07%，华航31则下降 1.65%。

2.3.2 土壤电导率

由图2-C、图2-D可知，同一氮水平下施加生物炭，对华航31水稻的土壤电导率存在显著影响。而在成熟期，BN2处理的美香占水稻土壤电导率显著高于N2处理。在分蘖期，与N0处理相比，N2处理使美香占水稻土壤电导率显著增加37.93%；而BN0、BN1处理使华航31号水稻土壤电导率显著增加，均增加83.3%。

2.3.3 土壤阳离子交换量

同一氮水平下施加生物炭显著增加分蘖期土壤阳离子交换量（图2-E）。与N1处理相比，BN1处理使美香占、华航31号水稻的土壤阳离子交换量显著增加14.34%、30.38%。

2.3.4 土壤有机碳

同一氮水平施加生物炭显著提高土壤有机碳含量（图3-A、图3-B），不同生育期和不同品种一致。在成熟期，与N0处理相比，BN0处理分别使美香占、华航31的土壤有机碳含量增加58.36%、43.65%；而方差分析结果表明，生物炭对2个水稻品种土壤有机碳含量的影响存在显著差异，而氮肥对土壤有机炭含量的影响不显著。

2.3.5 土壤碱解氮 同一氮水平施加生物炭对土壤碱解氮含量无显著影响（图3-C、图3-D）。在分蘖期，不同施氮水平处理的美香占水稻碱解氮含量为 124.25～133.00 mg/kg，同一氮水平加生物炭处理为115.50～127.75 mg/kg。

2.4 生物炭和氮素互作对土壤有效硅及硅形态的影响

2.4.1 土壤有效硅

同一氮水平施加生物炭显著增加土壤有效硅含量，不同生育期和不同品种一致（表2）。在分蘖期，与N0处理相比，施用生物炭使美香占、华航31的土壤有效硅含量显著增加55.2%、49.6%。此外，在美香占成熟期生物炭配施氮肥条件下，随着氮肥的施用量的增加，土壤有效硅含量逐渐增加，但处理间没有显著差异。

2.4.2 土壤硅形态

在不同氮水平条件下施加生物炭，水稻不同品种和不同时期的土壤硅形态含量整体有增加趋势（表2）。在水稻分蘖期，BN2处理显著增加美香占、华航31的土壤游离态硅含量，分别达到151.3、152.7 mg/kg。在水稻成熟期时，各处理对土壤游离态硅含量、无定形硅含量无显著影响；BN1处理下，华航31号的土壤游离态硅含量、铁锰氧化物结合态硅含量达到最大值。

2.5 土壤C、Si的相互关系

土壤有效硅含量与土壤有机碳含量呈显著正相关，不同生育期和品种趋势一致（图4）。在分蘖期，2个水稻品种土壤有效Si含量与土壤有机C含量呈极显著正相关。在成熟期，美香占的土壤有效Si含量与土壤有机C含量呈显著正相关，华航31号的土壤有效Si含量与土壤有机C含量呈极显著正相关。

3 讨论

3.1 生物炭和氮素互作对土壤化学特性的影响

生物炭含有植物生长所需的氮、磷、钾等营养元素，能吸附、负载、释放、增强对土壤养分的缓释作用，还能保留土壤中的养分，延长养分的停留时间［16-17］。本研究表明，0.2 g/kg氮素水平下，2个水稻品种美香占、华航31的土壤pH值随之降低（图2），相关研究也表明氮沉降有使土壤酸化的风险［18-19］。0.2 g/kg氮素施加生物炭显著提高土壤pH值，在成熟期不同氮素水平下生物炭处理均显著增加2个水稻品种的土壤 pH值，这与吴愉萍等关于不同生物炭添加量能显著提升土壤 pH 值的结果［20］相似。由于生物炭偏碱性，随着试验周期的延长，生物炭施用对土壤 pH 值的增加效应会更明显［19］。

本研究表明，在分蘖期，生物炭施用显著增加水稻品种美香占、华航31的阳离子交换量（图2），有助于提高土壤保肥力。生物炭本身呈碱性，表面含有许多含氧官能团，可增加土壤中碱性阳离子的含量，有助于提高土壤养分含量［21］。研究表明，施加生物炭能显著提高土壤阳离子交换能力、碱性氮含量、速效磷含量等，增加土壤养分的利用率［22-23］ 。另有研究发现，氮肥配施生物炭显著提高土壤有机碳含量，在同等氮水平下，土壤有机碳的含量随生物炭添加量的增加而增加［24］。本研究表明，施加生物炭显著增加土壤有机碳含量，而对氮素的影响则不显著（图3）。其主要原因可能是，施加生物炭促进有机-矿物复合物的形成；同时微生物的生物活性也会减弱，从而增加土壤有机质含量，而氮肥对土壤有机质含量的提高相对缓慢［25-26］。本研究发现，在成熟期相同施氮水平下，施加生物炭对土壤碱解氮含量无显著影响（图3）。研究表明，施用生物炭可显著增加红壤碱解氮含量，且随生物炭施用量的增加而增加，但对黄棕壤无明显影响［27］。由此可见，生物炭施用对不同类型土壤氮素含量的影响存在差别。

3.2 生物炭和氮素互作对土壤硅形态的影响

硅作为作物生长的有益元素，能增强作物适应生物和非生物胁迫的能力，并且对提高作物的产量和品质具有重要作用［28-29］。常年的耕作导致水稻从土壤中带走大量的有效硅，造成土壤有效硅含量显著下降，进而影响后续水稻的生长发育［30］。本研究表明，同一施氮水平下施用生物炭，能显著提高土壤中的有效硅含量（表2），与Li等的研究结果［31］一致。水稻秸秆及秸秆生物炭含有丰富的硅， 硅的含量可超过10%，因此施加秸秆生物炭可以提高土壤中有效硅的含量［32-33］。富硅作物秸秆经过缓慢热解转化成的生物炭施入土壤后，可以显著提高土壤有效硅含量，促进作物养分吸收［31，34-36］。此外，施加生物炭可显著提高土壤的有机碳含量及其活性成分，且随着生物炭的增加而增加［5，37］。本研究还发现，土壤有机碳和有效硅含量之间呈显著正相关作用，说明碳硅之间存在一定协同作用［38］。

前人研究表明，土壤中硅的无机态也包含了水溶态硅、交换态硅、胶体态硅、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硅［15，39］，由此可见，硅形态之间可以相互转换，提供作物当季吸收利用的硅素［40］。本研究表明，0.2 g/kg氮素配施生物炭（BN2处理）显著增加美香占、华航31分蘖期的土壤游离态硅，而对水稻成熟期各处理之间的土壤无定形硅无显著影响，这可能是因为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［41］。

3.3 生物炭和氮素互作对植株生物量和叶片光合作用的影响

施加生物炭可以显著促进作物生长和养分吸收［16，31］。光合作用是地球上重要的化学反应过程，是维持大气中碳氮平衡和决定植物生产力的重要因素［42］。生物炭可改善水稻的光合特性，增加水稻产量［23，43］。本研究表明，与N0处理相比，0.2 g/kg氮水平施加生物炭可以提高叶片的最大光化学量子效率，增加植株的干物质积累（表1），主要原因在于生物炭能提高PSⅡ反应中心的光能转换效率，增强水稻抗逆和养分吸收能力，促进植物生长发育［44］。有研究发现，同一氮水平下10 t/hm2的生物炭施用量对水稻叶片SPAD值影响不大，而20 t/hm2 的生物炭施用量可显著提高水稻叶片SPAD值［45］ 。

本研究双因素方差分析表明，施加氮素可以增加美香占、华航31叶片的SPAD值，而氮素和生物炭之间没有交互作用。

3.4 生物炭和氮素互作对水稻植株Si、N养分吸收的影响

作物秸秆硅含量较高，将其烧制成生物炭施加到土壤，可以为作物的生长提供硅源［8，46］。本研究表明，施加生物炭显著增加水稻茎叶硅含量，促进水稻根系对硅的吸收（图1），从而有利于增强水稻植株抗性［8，45］。有研究表明，不同氮水平施加生物炭能促进水稻养分的吸收，显著增加水稻的有效分蘖数，而氮肥施加过多或过少均会对植物生长产生不利影响［46］。本研究发现，在相同生物炭水平下，随着氮素添加量的增加，水稻分蘖期植株茎叶氮吸收量显著增加，表明施加生物炭可以改善土壤环境，增加氮肥的利用效率，使得植株能够更有效地吸收氮素［47］。

4 结论

本试验探究生物炭和氮素互作条件下对土壤化学特性、硅形态及水稻生长的影响。研究结果显示：（1）生物炭和氮素互作显著提高水稻植株生物量和改善叶片光合作用，其中BN2处理使美香占水稻叶片的最大光化学量子效率达到最大值；（2）生物炭和氮素互作可以有效地改善土壤肥力，显著增加土壤有机碳含量和有效硅含量，在水稻成熟期显著提高土壤pH值；（3）生物炭和氮素互作能改善土壤肥力，促进硅形态转化和水稻植株生长和养分吸收，提高有效硅含量，其中以0.2 g/kg氮水平下施用生物炭（BN2处理）效果最为显著。

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收稿日期：2023-04-26

基金项目：国家自然科学基金（编号：31870420）；广东省科技计划（编号：2121A0505030057）。

作者简介：汪 胜（1997—），男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向为农业生态。E-mail：1476078243@qq.com。

通信作者：蔡昆争，博士，教授，主要从事农业生态研究。E-mail：kzcai@scau.edu.cn。