生物炭和石灰對(duì)酸性稻田水稻產(chǎn)量、土壤性狀和經(jīng)濟(jì)效益的影響

廖萍湯軍曾勇軍吳自明石慶華黃山*

（1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330045；2吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西吉安343000；第一作者：763979314@qq.com；

*通訊作者：ecohs@126.com）

我國(guó)南方雙季稻區(qū)雙季稻種植面積約占全國(guó)水稻種植面積的40%[1]，具有豐富的光溫水資源，且配制合理，對(duì)作物生產(chǎn)有較大的影響[2]。然而，大量研究表明，在亞洲稻區(qū)，水稻單產(chǎn)已增加乏力[2-4]。長(zhǎng)期集約化種植模式下，過(guò)度施用化肥，導(dǎo)致稻田土壤養(yǎng)分耗竭和酸化，化肥的利用效率降低，不利于水稻單產(chǎn)的持續(xù)增加[5-6]。有研究表明，我國(guó)酸性土壤的分布遍及14個(gè)省區(qū)，總面積達(dá) 2.03×108hm2，約占全國(guó)耕地面積的21%[7]。江西省土壤調(diào)查數(shù)據(jù)表明，2005—2012年江西省耕地土壤pH值平均為5.2，其中，水田強(qiáng)酸性土壤所占的面積達(dá)85.7%[8]。

生物炭和石灰是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的土壤酸化改良劑[9]。生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物資源優(yōu)化利用的重要方式[10]，在高溫和較少氧的條件下，經(jīng)高溫裂解過(guò)程制備而來(lái)，其性狀穩(wěn)定[11]。有研究表明，生物炭施入到土壤后會(huì)釋放一定的K+、Ca2+和Mg2+等鹽基離子，可以交換土壤中的H+和Al3+離子，從而降低土壤可溶性酸性鹽基離子，提高鹽基飽和度，改善土壤酸化[12]。另外，隨著生物炭的施用量增加，土壤pH值也隨之提高[13-14]。還有研究表明，生物炭對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素具有一定的固持能力，能提高養(yǎng)分利用率[15-16]，但是，生物炭施入土壤會(huì)改變氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，使得生物炭對(duì)酸化土壤中氮素轉(zhuǎn)運(yùn)存在差異[17]。稻田增施石灰被廣泛運(yùn)用于改良土壤酸化[18]。有研究表明，石灰可以補(bǔ)充土壤中的鈣鹽，增加土壤黏結(jié)性，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[19]。適量施用石灰緩解了土壤酸化脅迫，促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)，增強(qiáng)了其對(duì)養(yǎng)分的吸收能力[20]。另外，酸化土壤中施用石灰有利于提高土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)的分解，從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放[21]。雖然以往的研究已分別證實(shí)生物炭和石灰均能提高水稻產(chǎn)量和改良土壤酸化，但是兩者改良稻田土壤酸化的對(duì)比研究較少。為此，本試驗(yàn)比較了生物炭和石灰對(duì)雙季水稻產(chǎn)量、土壤性狀和經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為南方雙季稻區(qū)水稻產(chǎn)量持續(xù)增加、稻田土壤酸化改良和農(nóng)民增收提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015-2016年在江西省宜春市上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村（115°09'E,28°31'N）進(jìn)行。該地區(qū)具有典型的亞熱帶氣候，年平均降雨量1 650 mm，年平均氣溫17.5℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 700 h。供試土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的水稻土（黏粒為17.0%），試驗(yàn)前土壤0～20 cm 耕作層的基本理化性質(zhì)為：容重 1．06 g/cm3，有機(jī)質(zhì) 18.1 g/kg，pH 值 5.2，堿解氮 115 mg/kg，有效磷15.9 mg/kg，速效鉀 64 mg/kg，全氮 1.1 g/kg，全磷 0.4 g/kg，全鉀 3.9 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積25 m2。各處理分別為：CK，施用常規(guī)化學(xué)氮、磷、鉀肥，不施生物炭、石灰；處理B，加施生物炭20 t/hm2；處理 L，加施熟石灰 2.1 t/hm2[22]。本試驗(yàn)所用的生物碳和石灰均為市售，生物炭是以小麥秸稈為炭化原料，在350℃～550℃條件下限氧熱裂解制備而得，其基本理化性質(zhì)為 pH 值 10.4，C∶N 為 79.2[23]。兩種酸化土壤改良劑在2015年早稻稻田翻耕前1個(gè)星期人工均勻撒入，翻耕時(shí)酸化土壤改良劑與0～20 cm耕層土壤充分混勻。3個(gè)處理的化學(xué)氮、磷、鉀肥用量和施肥方式相同。早稻施肥量為：純N 120 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2；晚稻施肥量為：純 N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。氮、磷、鉀肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。早晚稻氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3 施用，磷肥作基肥一次性施用，鉀肥按基肥∶穗肥=5∶5施用。參試水稻品種早稻為常規(guī)稻中嘉早17，栽插規(guī)格 23.1 cm ×13.2 cm，每叢 4 株；晚稻為雜交稻五優(yōu) 308，栽插規(guī)格 26.4 cm ×13.2 cm，每叢 2 株。各處理均人工移栽及收獲，秸稈不還田，其他栽培措施保持一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

在水稻成熟期每個(gè)小區(qū)各調(diào)查120叢的有效穗數(shù)，按平均數(shù)法取5叢，利用水漂法[24]考察穗粒結(jié)構(gòu)。另外，各小區(qū)實(shí)割10 m2水稻脫粒后測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 土壤性狀

2016年晚稻收獲后，采用“五點(diǎn)法”取各小區(qū)0～20 cm耕層土壤樣品，自然風(fēng)干，分別過(guò)0.25 mm和1 mm篩孔后，用塑料自封袋保存待測(cè)。采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮，pH測(cè)試儀測(cè)定土壤pH值，重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，F(xiàn)oss－2300全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定土壤全氮[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 18．0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

本試驗(yàn)投入成本包括原料（生物炭和石灰）、種子、肥料、農(nóng)藥、灌溉、機(jī)械、人工和田塊租金。生物炭?jī)r(jià)格為2 200元/t，石灰價(jià)格為1 000元/t，其他成本根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格定制。根據(jù)國(guó)家糧食局公布的2015年和2016年早晚秈稻最低收購(gòu)價(jià)數(shù)據(jù)[25]計(jì)算糧食產(chǎn)值。凈收益率＝產(chǎn)值－投入成本；新增純收益率（%）＝[（施原料區(qū)收益－不施原料區(qū)收益）/不施原料區(qū)收益]×100%；邊際成本報(bào)酬率＝（施原料區(qū)產(chǎn)值－不施原料區(qū)產(chǎn)值）/（施原料區(qū)成本－不施原料區(qū)成本）[26]。由于2016年生物炭和石灰均未施用，各處理成本一致，故未計(jì)算2016年的邊際成本報(bào)酬率。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

從表1可見(jiàn)，2015年B處理降低了早、晚稻產(chǎn)量，且晚稻產(chǎn)量顯著低于CK；L處理增加了早、晚稻產(chǎn)量，其中晚稻顯著高于CK；2016年B處理和L處理均顯著增加了早、晚稻產(chǎn)量。2015年B處理顯著降低了早、晚稻的有效穗數(shù)和早稻的每穗粒數(shù)，但顯著提高了2015年早稻的結(jié)實(shí)率，對(duì)千粒重?zé)o顯著影響；L處理顯著增加了早、晚稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，對(duì)結(jié)實(shí)率和千粒重?zé)o顯著影響。2016年B處理顯著增加了早稻的每穗粒數(shù)和晚稻的千粒重；L處理顯著增加了早稻的每穗粒數(shù)以及晚稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)。

2.2 對(duì)土壤性狀的影響

2016年晚稻收獲后，對(duì)土壤性狀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果（表2）表明，B處理顯著增加了土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)土壤堿解氮和全氮無(wú)顯著影響；L處理顯著增加了土壤pH值和堿解氮含量，對(duì)有機(jī)質(zhì)和全氮無(wú)顯著影響。

2.3 對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

從表3可見(jiàn)，2015年B處理顯著降低了水稻生產(chǎn)效益，新增純收益率和邊際成本報(bào)酬率均表現(xiàn)為負(fù)值；L處理顯著增加了水稻產(chǎn)值和凈收益，新增純收益率和邊際成本報(bào)酬率均顯著高于B處理。本試驗(yàn)在2016年均未增施生物炭和石灰，但由于兩者后期持續(xù)效應(yīng)，B處理和L處理均顯著提高了水稻產(chǎn)值和凈收益。與B處理相比，L處理的糧食產(chǎn)值和凈收益分別提高2.9%和 6.7%。

3 討論與結(jié)論

本研究表明，加施生物炭的處理降低了2015年早、晚稻的產(chǎn)量，但顯著增加了2016年早、晚稻的產(chǎn)量。目前，生物炭對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成沒(méi)有一致的觀點(diǎn)[10，27]，主要是受稻田土壤類型[28]、生物炭施用量和施用年限等的影響[29]。大量研究[14-16，30]表明，生物炭具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，施入稻田后一方面可以改善土壤理化性狀，提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH值；另一方面，生物炭對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素具有一定的吸附能力，能提高養(yǎng)分利用率，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而提高作物產(chǎn)量。然而，短期試驗(yàn)研究結(jié)果表明，生物炭含有大量易被微生物利用的不穩(wěn)定碳源，短期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致微生物對(duì)速效氮素的固定[31-32]。另外，劉遵奇等[33]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后加速了尿素的分解和氨氣的排放速率。這兩個(gè)因素均導(dǎo)致土壤前期養(yǎng)分供應(yīng)不足，影響水稻分蘗。本研究結(jié)論與之相似，本試驗(yàn)中生物炭用量為20 t/hm2，其C∶N含量較高，導(dǎo)致2015年早、晚稻有效穗數(shù)顯著降低。隨著種植年限的推進(jìn)，土壤碳源被消耗，微生物所固定的氮素被逐漸釋放[34]，促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)后期養(yǎng)分的供應(yīng)。本試驗(yàn)施用生物炭增加了2016年早、晚稻每穗粒數(shù)，在早稻時(shí)達(dá)顯著水平。有研究[14，35]表明，施用生物炭能提高土壤有機(jī)質(zhì)，改良土壤酸化，本研究亦發(fā)現(xiàn)，施用生物炭2年后，顯著提高了稻田土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量。值得注意的是，生物炭本身是一種有機(jī)物質(zhì)，稻田添加外源有機(jī)物質(zhì)亦顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析表明，生物炭處理顯著降低了2015年早、晚稻產(chǎn)量和產(chǎn)值；另外，市售的生物炭?jī)r(jià)格成本較高（2 200元/t），本試驗(yàn)生物炭施用量過(guò)大（20 t/hm2），導(dǎo)致凈收益出現(xiàn)虧損現(xiàn)象。但是，由于其后續(xù)正效應(yīng)顯著提高了2016年早、晚稻產(chǎn)量，從而顯著提高了水稻產(chǎn)值和凈收益。

表1 生物炭和石灰處理對(duì)雙季水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表2 生物炭和石灰處理對(duì)土壤性狀的影響

表3 生物炭和石灰處理對(duì)水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響

稻田施用石灰對(duì)雙季水稻產(chǎn)量提升具有促進(jìn)作用[36-38]，本研究結(jié)果與之相似。本研究表明，水稻產(chǎn)量的增加主要是由于有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的增加。Crusciol等[38]研究發(fā)現(xiàn)，稻田土壤表施石灰有效增加了水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。大量研究[21，23，39-41]表明，施用石灰能提高土壤 pH 值，改良土壤酸化，從而提高土壤微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，提高土壤有機(jī)氮的礦化速率。本研究結(jié)果與之相似，在施用石灰2年后，顯著增加了土壤pH值和堿解氮含量。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析，施用石灰顯著提高了水稻的產(chǎn)值和凈收益。本試驗(yàn)所用石灰的價(jià)格為1 000元/t，施用量為2.1 t/hm2，一方面，價(jià)格比生物炭低廉、施用量少；另一方面，石灰處理2015年總產(chǎn)量比生物炭處理高22.3%，因而顯著提高了水稻產(chǎn)值、凈收益、新增純收益率和邊際成本報(bào)酬率。2016年，2個(gè)處理間均未再次施用原料，但石灰處理的水稻產(chǎn)值和凈收益仍略高于生物炭處理（2.9%和6.7%），因此新增純收益率顯著增加。

通過(guò)2年田間試驗(yàn)，生物炭一方面受到土壤類型、施用量和施用年限等眾多因素影響，不能廣泛推廣；另一方面，生物炭制備成本較高，價(jià)格較昂貴。然而，生物炭本身具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤總孔隙率效果明顯[10，14]。但是，本試驗(yàn)單從改良土壤酸化的角度考慮，以石灰作為土壤酸化改良劑，對(duì)南方雙季稻區(qū)水稻產(chǎn)量持續(xù)增加、稻田土壤肥力提升和增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益意義更大。另外，本研究不足的是，試驗(yàn)僅為2年田間試驗(yàn)，有研究[42]表明，稻田施用石灰增加土壤鹽基離子含量的同時(shí)，鹽基離子也具有一定的緩沖能力，可能會(huì)引起經(jīng)過(guò)改良后的酸化土壤出現(xiàn)“反酸”現(xiàn)象。由于單次施用石灰和生物炭對(duì)酸性稻田土壤改良的理化效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)該從長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析土壤酸化改良劑對(duì)水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響。為此，后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注施用石灰和生物炭對(duì)酸性稻田土壤改良的效果。