稻殼炭對水稻產量和礦質元素吸收的影響*

武德里，邢嘉韻，范星露，韓尚辰，周曉品，王惠群*

（湖南農業大學 a.生物科學技術學院；b.東方科技學院，湖南長沙410128）

稻殼炭對水稻產量和礦質元素吸收的影響*

武德里a，邢嘉韻a，范星露a，韓尚辰b，周曉品b，王惠群a*

（湖南農業大學 a.生物科學技術學院；b.東方科技學院，湖南長沙410128）

以雜交晚稻岳優518和常規晚稻湘晚秈12號為試驗材料，設置土壤表層10 cm稻殼炭體積含量為A（0）、B（0.25%）、C（0.5%）、D（1%）、E（2%）和F（4%）處理，研究稻殼炭對水稻產量、莖稈和稻米礦質元素含量的影響。結果表明:隨著土壤稻殼炭施入量的增加植株莖稈中的硅、鉀元素含量增加。F處理的岳優518莖稈中的硅元素含量和鉀元素含量分別比對照增加41.18%和51.44%，F處理的湘晚秈12號莖稈中的硅元素含量和鉀元素含量分別比對照增加69.47%和60.69%。隨著土壤稻殼炭含量的增加，不同生育期葉片凈光合速率、稻谷每667 m2平均產量也增加。F處理的岳優518增產12.34%，F處理的湘晚秈12號增產13.12%；稻殼炭提高岳優518的每穗粒數、每穗實粒數和結實率。稻殼炭增加稻米礦質元素磷、鈣、鎂、鉀、鋅、硫、銅、錳和鐵含量。

稻殼炭；水稻；光合作用；礦質元素

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.015

生物質炭是生物質在完全或部分缺氧條件下經高溫熱解而產生的一種性質穩定、含碳豐富的物質［1-3］。稻殼炭（Rice husk charcoal）具有發達的孔隙結構，較大的比表面積，其pH值在7以上，能夠促進植物對營養元素的吸收，是雙季稻區酸性土壤的良好改良劑［4］，對水稻產量和品質也有一定的影響［5］。稻殼炭有很強的吸附能力，可吸附多種水溶性鹽離子，增加酸性土壤的鈣、鉀、錳和磷含量，降低土壤淋出液中鈣、磷、錳、鋅、鉀和鈉的淋洗水平［6-9］。稻殼炭中含有較高的活性硅［10］。自然界中硅元素的生物地球化學循環要比磷、鉀等元素在陸地生態系統中的循環更為強烈［11-12］。土地連作、化肥耕種破壞了土壤營養平衡，以至于每年土壤中的硅元素也和其它主要營養元素一樣隨著作物的收獲而流失［13-14］。許多研究表明，水稻是喜硅作物，施用硅肥對水稻的增產具有促進作用［15-19］。水稻莖稈中硅和鉀元素含量的積累可增強莖稈的抗倒伏性［20］。許多礦質元素不僅是水稻生長發育所必需，同時也是人體的必需元素。稻米中的礦質元素直接影響人體對礦質元素的攝入。所以，稻米中礦質元素的含量是稻米品質的重要參考依據。大量元素中，鉀、磷、硫、鈣等元素具有參與生物體構造的功能，鎂是牙齒與骨骼的組分之一。鐵、鋅、銅、錳等元素都在人機體代謝中起到重要作用［21］。生物質炭提高水稻、玉米、菜豆、豇豆、蘿卜等作物的光合速率、生物量和產量［22］。本試驗著重研究稻殼炭對水稻產量及稻米中礦質元素含量吸收的影響。

1　材料與方法

1.1試驗材料

試驗水稻品種為雜交稻岳優518和常規稻湘晚秈12號，均由長沙新萬農種業有限公司提供。試驗的稻殼炭由湖南谷力新能源科技股份有限公司生產和提供，稻殼炭是稻米加工后的稻殼通過生物質能源氣化多聯產技術的應用，在600-800℃下限氧燃燒2-3 h發電后的炭化副產品，即稻殼炭化后的黑色材料。用這種方法1.5 kg稻殼可發電1度和制備0.5 kg稻殼炭。稻殼炭主要理化性質如下:pH 10.2，硅元素含量517.33 mg·kg-1，磷元素含量683.17 mg· kg-1，硫元素含量58.90 mg·kg-1，鈣元素含量303.13 mg·kg-1，鎂元素含量121.93 mg·kg-1，鉀元素含量1598.80 mg·kg-1，鋅元素含量2.60 mg·kg-1，錳元素含量24.90 mg·kg-1。

1.2田間試驗設計與試驗處理

試驗于2013年分別在湖南省長沙市寧鄉縣歷經鋪鄉歷經鋪村（寧鄉）和益陽市赫山區蘭溪鎮羊角鄉向榮村5組（益陽）進行。寧鄉供試青夾泥土壤的主要理化性質如下:pH5.11，有機質含量39.60 g· kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，全磷含量0.53 g·kg-1，全鉀含量11.90 g·kg-1，堿解氮含量166.20 mg·kg-1，速效磷含量25.40 mg·kg-1，速效鉀含量113.10 mg· kg-1。益陽供試青夾泥土壤的主要理化性質為pH5. 03，有機質含量47.80 g·kg-1，全氮含量2.00 g·kg-1，全磷含量0.60 g·kg-1，全鉀含量19.40 g·kg-1，堿解氮含量203.70 mg·kg-1，速效磷含量22.50 mg·kg-1，速效鉀含量242.90 mg·kg-1。寧鄉試驗秈稻品種為岳優518，益陽試驗秈稻品種為湘晚秈12號。田間試驗采用隨機區組設計，設置土壤表層10 cm稻殼炭體積含量為A（0）、B（0.25%）、C（0.5%）、D（1%）、E（2%）和F（4%）6個處理，重復3次。早稻收割后，根據測土配方施肥方法每667 m2施入復合肥40 kg和秸稈腐熟劑2 kg作基肥、犁田后做隔離田埂。每個試驗點的總面積為934 m2，其中每個試驗小區實際面積為4 m×5 m=20 m2，小區實際總面積360 m2，小區間設隔離田埂和排灌溝，隔離田埂壟高15 cm，壟寬20 cm，四周設保護行。為保證肥料不流失，起壟后固定成形，然后覆雙層地膜，拉緊地膜使兩側插入耕作層下，然后用土壓緊封嚴。排灌溝內灌溉水只進不出小區。隔離田埂做好后試驗小區施入不同處理量的稻殼炭。寧鄉試驗點于7月18日插秧，益陽赫山區試驗點于7月13日插秧，行株距為35 cm×20 cm，每穴5株苗，每小區插秧280穴。插秧為人工牽線插秧，以保證每個小區的水稻苗數量一致及行株距一致。插秧后第4天每畝施尿素4 kg作追肥，田間管理按常規管理，寧鄉秈稻10月29日收獲，益陽秈稻10月30日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1葉片凈光合速率的測定 光合作用參數凈光合速率的測定方法依王惠群等的方法稍作修改［23］。用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合作用系統測定，環境條件為開放式氣路，紅藍光源，光通量密度1 000 μmol·m-2·s-1，相對濕度（RH）1 800 Pa。選擇在晴朗無風天氣每小區選取長勢一致的植株3穴，分蘗期測定第2完全展開葉進行測定，抽穗期和灌漿期測定劍葉，測定時間為上午11∶00～12∶00。

1.3.2產量與產量構成因素測定 水稻收獲期每小區取9穴有代表性的植株測量每穴有效穗數，從中選取穗數相同的3穴對每株的產量構成因素進行測定，包括穗長、每穗總粒數、每穗實粒數、結實率和千粒重。

1.3.3礦質元素含量的測定 礦質元素含量的測定參照王惠群方法，適當加以改進［24］。每處理取成熟期的植株3穴，將其根、莖、葉和稻谷分別分開，稻谷和莖稈先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3遍，置烘箱75℃烘干48 h至恒重。糙米研碎后取0.1 g干樣，在140-150℃聚四氟乙烯坩堝中用10-14 mL HNOC3+HClO4（VHNO3/VHCIO4=4∶1）消化，后用20 mL 2%HNO3溶液溶解和定容。用等離子發射光譜儀ICP（Thermo Electron Corp.U.S.A.）測定磷、鈣、鎂、鉀、鋅、硫、銅、錳和鐵元素含量。莖稈硅元素含量測定采用ICP-AES法。標準品均來自Sigma-Aldrich Co.（U.S.A.）。

1.4數據處理方法

數據計算、作圖與統計分析采用Excel 2003和SPSS17.0數據分析系統。

2　結果與分析

2.1稻殼炭對水稻莖稈硅和鉀元素含量的影響

由圖1可看出，雜交晚稻岳優518莖稈硅元素含量隨土壤稻殼炭處理量的增加而增加，但稻殼炭處理量達到0.5%后莖稈硅元素含量增加變慢。稻殼炭的施入量與莖稈硅元素含量的相關性表明，稻殼炭的施入量與岳優518莖稈硅元素含量成多項式正相關，相關方程y=-1.2992x2+6.72x+17.868（R2=0.6853）。處理B的莖稈硅元素含量與對照沒有顯著性差異，比對照增加1.76%。處理C、D、E和F的莖稈硅元素含量分別與對照有顯著性差異，但處理C、D、E和F的莖稈硅元素含量之間沒有顯著性差異，F處理的岳優518莖稈硅元素含量最高，比對照增加了41.18%。常規晚稻湘晚秈12號莖稈中硅元素含量隨土壤稻殼炭處理量的增加而增加，但稻殼炭處理量達到1%后莖稈硅元素含量增加變慢。稻殼炭的施入量與莖稈硅元素含量的相關性表明，稻殼炭的施入量與湘晚秈12號莖稈硅元素含量成多項式正相關，相關方程y=-2.5632x2+14.416x+12. 759（R2=0.9174）。處理B、C、D、E和F的莖稈硅元素含量分別與對照有顯著性差異，但處理D、E和F的莖稈硅元素含量之間沒有顯著性差異。F處理的湘晚秈12號莖稈中的硅元素含量最高，比對照增加了69.47%。

由圖2可看出，雜交晚稻岳優518莖稈鉀元素含量隨土壤稻殼炭量的增加而增加，稻殼炭處理量達到4%后莖稈鉀元素含量最高。稻殼炭的施入量與莖稈鉀元素含量的相關性表明，稻殼炭的施入量與岳優518莖稈鉀元素含量成多項式正相關，相關方程y=-298.22x2+2 037.2x+5 524.2（R2= 0.9633）。處理B和C的莖稈鉀元素含量與對照沒有顯著性差異，處理B比對照只增加0.33%。處理D分別與其他處理的莖稈鉀元素含量有顯著性差異，但處理B與C、E與F的莖稈鉀元素含量之間沒有顯著性差異，F處理的岳優518莖稈鉀元素含量最高，比對照增加了51.44%。常規晚稻湘晚秈12號莖稈鉀元素含量隨土壤稻殼炭處理量的增加而增加，稻殼炭處理量達到4%后莖稈鉀元素含量最高。稻殼炭的施入量與莖稈鉀元素含量的相關性表明，稻殼炭的施入量與湘晚秈12號莖稈硅元素含量成多項式相關，相關方程y=-388.95x2+2 234.6x+5 420.9（R2=0.942）。處理C、D、E、F的莖稈鉀元素含量分別與對照有顯著性差異，但處理B與A、C與D、E與F的莖稈鉀元素含量之間沒有顯著性差異。F處理的湘晚秈12號莖稈鉀元素含量含量最高，比對照增加了60.69%。

2.2稻殼炭對岳優518不同生育期葉片凈光合速率的影響

由表1可知，分蘗期葉片的凈光合速率隨土壤稻殼炭量的增加呈增大趨勢，處理E達到最高值19.43 μmol CO2·m-2·s-1，比對照提高了21.67%。分蘗期和孕穗期稻殼炭量與葉片凈光合速率成正相關；孕穗期凈光合速率比分蘗期有所提高，而灌漿期稻殼炭施入量對水稻植株葉片的凈光合速率影響不大。

圖1　稻殼炭對岳優518和湘晚秈12號莖稈硅元素含量的影響Fig.1　The effect of rice husk charcoal on silicon content of Yueyou518 and Xiangwanxian 12 in stem

圖2　稻殼炭對岳優518和湘晚秈12號莖稈鉀元素含量的影響Fig.2　The effect of rice husk charcoal on potassium content of Yueyou518 and Xiangwanxian 12 in stem

表1　稻殼炭對岳優518凈光合速率的影響Tab.1　Effect of rice husk charcoal on net photosynthetic rate of Yueyou 518

2.3 稻殼炭對水稻產量及其增產率的影響

岳優518和湘晚秈12號的產量都隨土壤稻殼炭處理量的增加而增加（表2）。稻殼炭的施入量與稻谷增產率的相關性表明，稻殼炭的施入量與岳優518稻谷增產率成多項式正相關，相關方程y=-1.0665x2+7.1413x+0.6759（R2=0.9757）；稻殼炭的施入量與湘晚秈12號稻谷增產率成多項式正相關，相關方程y=-1.7482x2+9.9226x+0.9715（R2=0.8273）。岳優518和湘晚秈12號均在處理F出現最高產量，分別比對照增產12.34%和13.12%。

2.4稻殼炭對岳優518產量結構的影響

由表3可知，稻殼炭處理對雜交晚稻岳優518的每穴有效穗和穗長沒有顯著性的差異；但不同稻殼炭處理的每穗粒數、每穗實粒數、結實率和千粒重與對照相比具有顯著性的差異。處理D的每穗粒數、每穗實粒數和結實率與其他處理相比都最大；千粒重在處理E達到最大值，為26.61 g/千粒，比對照提高了8.57%。稻殼炭可以有效地提高雜交晚稻岳優518的每穗粒數、每穗實粒數、結實率和千粒重，從而提高其產量。

2.5凈光合速率與產量的相關性

對水稻品種岳優518主要生育期（分蘗期、孕穗期和灌漿期）葉片凈光合速率與其產量的相關性分析表明，水稻主要生育期葉片的凈光合速率與其對應產量均呈多項式正相關（表4）。

表2　稻殼炭對水稻產量和增產率的影響Tab.2　The effect of rice husk charcoal on rice yield and increasing yield percentage

表3　稻殼炭對岳優518產量結構的影響Tab.3　The effect of rice husk charcoal on yield components of Yueyou 518

表4　凈光合速率與產量的相關性Tab.4　Correlation between net photosynthetic rate and yield

2.6稻殼炭對稻米礦質元素含量的影響

由表5和表6可知，隨著稻殼炭施入量的增加稻米中礦質元素磷、鈣、鎂、鉀、鋅、硫、銅、錳和鐵均增加。處理D、E、F中礦質元素磷、鈣、鎂、鉀、鋅、硫、銅、錳和鐵元素含量高于其余各處理，都出現礦質元素都是先增高后稍降低的情況。

表5　稻殼炭對岳優518稻米礦質元素含量的影響Tab.5　Effect of rice husk charcoal on content of rice mineral elements in Yueyou 518

表6　稻殼炭對湘晚秈12號稻米礦質元素含量的影響Tab.6　Effect of rice husk charcoal on content of rice mineral elements in Xiangwanxian 12

3　結論與討論

研究表明稻殼炭呈堿性，其pH值為10.2。寧鄉試驗田土壤的初始pH值為5.03，測定處理E的pH值為5.97；益陽試驗田土壤的初始pH值為5.11，測定處理E的pH值為6.52。稻殼炭具有上調土壤pH值的作用，是我國南方水稻酸性土壤的良好土壤改良劑。通過對稻殼炭的理化性質測定，稻殼炭含有一定量的大量元素和微量元素，特別是能夠補充土壤中的大量礦質元素和微量礦質元素，維持土壤中的植物必需礦質元素的平衡。稻殼炭具有發達的孔隙結構，較大的比表面積，對植物必需元素具有吸附和緩釋作用，從而改良土壤肥力，促進植物對主要營養元素的吸收［25］。

水稻倒伏現象不僅關系到糧食的產量，而且對稻米品質和收割機收割難度也產生非常大的影響［26-27］。在水稻生產過程中，特別是南方晚稻遇到寒露風天氣，水稻倒伏現象非常嚴重且經常發生，這一直是農業生產工作者研究的熱點和難題。2013年我們在寧鄉和益陽的2個試驗點都遇到了寒露風天氣，大田試驗表明，稻殼炭試驗處理區沒有倒伏，其試驗區的保護行出現倒伏，試驗田周圍農戶的晚稻出現倒伏。本試驗結果表明，稻殼炭中含有較多的硅元素和鉀元素，稻殼炭處理能夠提高水稻植株莖稈硅元素和鉀元素的含量，F處理的岳優518及湘晚秈12號收獲期植株莖稈平均硅元素含量比對照分別提高41.18%和69.47%，說明稻殼炭含較多的可溶性硅，稻殼炭中的硅元素是水稻能夠利用的活性硅，與水稻具有同源性，施加稻殼炭能夠促進水稻對硅元素的吸收和利用。F處理的岳優518及湘晚秈12號收獲期植株莖稈平均鉀元素含量分別比對照提高51.44%和60.69%，說明施加稻殼炭也能夠促進晚稻對鉀元素的吸收和利用。研究表明，糧食作物莖稈中所含物質的多少及組成成分決定其抗倒伏性能，尤其是生育后期莖稈中貯藏物質的含量對維持莖稈強度有相當重要作用。而植株中硅元素、鉀元素含量的多少，也與水稻抗倒伏能力密切相關［19］。硅元素和鉀元素有利于細胞的木質化和硅質化，從而增強水稻抗倒伏能力［28］。水稻莖稈的剛性增加，提高水稻的抗折強度，增強其抗倒伏特性，從而提高水稻產量［29］。

由于生物質炭可增加土壤陽離子交換量及有機碳含量，生物質炭與堆肥相結合施用能顯著提高強淋溶鐵鋁土的總氮量，竹炭提高土壤有效氮、磷、鉀等元素含量，降低土壤養分的淋失損失［9，30］。生物質炭與肥料混施能夠延長肥料的養分釋放期，降低養分流失。本試驗測定岳優518和湘晚秈12號稻米中主要礦質元素磷、鈣、鎂、鉀、鋅、硫、錳和鐵等元素含量均增加，說明在土壤中施加稻殼炭能夠促進水稻稻米對必需礦質元素的吸收和積累，從而提高其稻米品質。

本試驗表明稻殼炭能夠提高水稻植株葉片凈光合速率，稻殼炭的施入量與岳優518和湘晚秈12號稻谷增產率都呈多項式正相關，水稻不同時期葉片的凈光合速率與其產量也都呈多項式正相關。稻米產量構成因素，是影響水稻產量的基礎，也是重要的指標［31-33］。稻殼炭處理能改善產量構成因素指標每穗粒數、每穗實粒數、結實率和千粒重。稻殼炭通過改善產量結構來提高其產量。

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Effects of Rice Husk Charcoal on the Yield and Mineral Element Absorption of Oryza sativa L.

WU Delia，XING Jiayuna，FAN Xinglua，HAN Shangchenb，ZHOU Xiaopingb，WANG Huiquna*
（1.Hunan Agricultural University，a.College of Bioscience and Biotechnology；b.Orient Science and Technology College，Changsha 410128，Hunan，China）

In order to study the effect of rice husk charcoal on the yield and mineral element content of stem and rice，hybrid rice Yueyou 518 and conventional rice Xiangwanxian 12 were used experimental materials，we set up the rice husk charcoal and 10 cm deep surface soil volume percentage treatments of A（0），B（0.25%），C（0.5%），D（1%），E（2%）and F（4%）.The results showed that silicon and potassium content of plant stem increased as the soil volume percentage of rice husk charcoal increased.The content of silicon and potassium increased 41.18%and 69. 47%in treatment F than those in control of Yueyou 518 stem and Xiangwanxian 12 stem，respectively.Silicon and potassium content were increased 51.44%and 60.69%in treatment F than those in control of Yueyou 518 stem and Xiangwanxian 12 stem，respectively.The leaf net photosynthetic rate at different development stage and average yield per 667 m2increased as the soil volume percentage of rice husk charcoal increased.The average yield per 667 m2increased 12.34%in treatment F than that in control of Yueyou 518.The average yield per 667 m2was increased 13.12%in treatment F than that in control of Xiangwanxian 12.The rice husk charcoal increased grain number per panicle，filled grain number per panicle and setting percentage in Yueyou 518.The rice husk charcoal increased the rice essential element contents of phosphorus，calcium，magnesium，potassium，zinc，sulfur，copper，manganese and ferrum.

rice husk charcoal；Oryza sativa L.；photosynthesis；mineral element

S511

A

1007-7146（2015）04-0382-08

2015-01-12；

2015-01-31

湖南省科學技術廳科技計劃一般項目（2013NK3039）；湖南省教育廳高校創新平臺開放基金項目（13K065）和（14K044）；湖南谷力新能源科技股份有限公司研究項目（43010100）

武德里（1988-），男，湖南吉首人，碩士研究生，主要從事植物生理學方面的研究。（手機）18684879430；（電子郵箱）deliroddick@126.com

王惠群（1964-），女，湖南益陽人，湖南農業大學教授，博士，主要從事植物生理學方面的研究。（電話）0731-84635260；（電子郵箱）wanghuiqun751@163.com