不同秸稈生物炭對水稻生長及土壤養分的影響

黃雁飛 陳桂芬 熊柳梅 劉斌 劉永賢 黃玉溢 唐其展

摘要：【目的】探討桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭對水稻產量及稻田土壤養分的影響，為充分利用廣西桑蠶、木薯和糖料蔗產業秸稈廢棄物資源實現水稻增產增收提供理論依據。【方法】采用盆栽試驗，以不添加生物炭為對照，設添加桑枝稈生物炭1.5%、3.0%和4.5%;添加木薯稈生物炭1.5%、3.0%和4.5%;添加甘蔗渣生物炭1.5%、3.0%和4.5%共9個秸稈生物炭處理，于水稻主要生育期內調查水稻生長狀況，收獲后進行考種測產，并分析土壤pH及養分含量的變化情況。【結果】與對照相比，施用桑枝稈和甘蔗渣生物炭提高了分蘗中期和齊穗期的水稻株高，也顯著提高了成熟期水稻的有效穗數和成穗率（P<0.05，下同）。施用生物炭可增加水稻穗長、穗粒數和結實率（木薯稈生物炭3.0%和4.5%處理除外），對千粒重無顯著影響（P>0.05）。除木薯稈生物炭4.5%和甘蔗渣生物炭1.5%處理外，其他生物炭處理均可顯著提高水稻產量，且桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣3種生物炭均在添加量為3.0%時增產幅度最大，分別比對照增產38.05%、28.24%和32.73%，以桑枝稈生物炭3.0%處理的增產效果最佳。施用生物炭整體上可提高土壤的全氮、有效磷和速效鉀含量，降低全磷、全鉀和堿解氮含量。各生物炭處理的土壤pH（甘蔗渣生物炭1.5%和3.0%處理除外）和有機質含量顯著提高，以甘蔗渣生物炭對土壤有機質的提升效果最佳，桑枝稈生物炭對土壤pH的提高幅度最大。【結論】施用3種生物炭均有效提高了稻田土壤肥力及水稻產量，其中木薯稈生物炭對土壤全氮、有效磷和速效鉀含量的提升作用較佳，桑枝稈生物炭對水稻產量的提升效果較優。

關鍵詞： 作物秸稈;生物炭;水稻;土壤養分

中圖分類號： S158.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）09-2113-07

Effects of different straw biochars on rice growth and

soil nutrients

HUANG Yan-fei， CHEN Gui-fen， XIONG Liu-mei， LIU Bin， LIU Yong-xian，

HUANG Yu-yi*， TANG Qi-zhan

（Agricultural Resource and Environment Research Institute， Guangxi Academy of Agricultural Sciences，

Nanning? 530007， China）

Abstract：【Objective】In order to provided a reference for realizing the increase of rice yield and income by using straw waste in sericulture， cassava and sugarcane industries in Guangxi，the effects of mulberry branch，cassava stalk and bagasse biochars on rice production and soil nutrients were studied. 【Method】The pot experiment was conducted， with no biochar added as control， nine straw biochar treatments were set with the mulberry branch biochar was added with 1.5%， 3.0% and 4.5%， cassava stalk biochar was added with 1.5%， 3.0% and 4.5%， bagasse biochar was added with 1.5%， 3.0% and 4.5%. The growth of rice were investigated in the main growth period and the yield was measured after harvest. The changes of soil pH and nutrient contents were analyzed. 【Result】Compared with control， application of mulberry branch and bagasse biochar treatments increased the height of rice plant in middle tillering and heading stage， and significantly improved the effective panicle number and heading rate of rice at the maturation stage（P<0.05， the same below）. The spike length，grain number per panicle and seed setting rate of rice（except? cassava stalk biochar 3.0% and 4.5% treatments）were increased under biochar treatments， but there was no significant effect on the thousand grains weight（P>0.05）. The yield of rice（except cassava stalk biochar 4.5% and bagasse biochar 1.5% treatments）was significantly increased， with the biochar mulberry branch biochar， cassava stalk biochar and bagasse biochar all had the highest yield increase at the level of 3.0%， and? increased by 38.05%， 28.24% and 32.73% compared with control， respectively. Among them， 3.0% mulberry branch biochar treatment increased the most. On the whole， application of biochar treatment increased the content of total nitrogen， available phosphorus and available potassium in soil， and decreased the content of total phosphorus， total potassium and alkali-hydrolyzed nitrogen in soil. pH（except bagasse biochar treatments 1.5% and 3.0%） and organic matter content of soil were significantly increased. Among them， bagasse biochar had the best effect on increasing the soil organic matter and mulberry branch biochar had the best effect on increasing the soil pH. 【Conclusion】Appropriate application of three kinds biochar could effectively improve the soil fertility and rice yield. Among them， the cassava stalk biochar had better effects on increasing the total nitrogen， available phosphorus and available potassium in soil， and the mulberry branch biochar had better effects on increasing the rice yield.

Key words： crop straw; biochar; rice; soil nutrient

Foundation item： National Key Research and Development Program（2018YFD0200306）; Guangxi Key Research and Development Project（Guike AB18221096）; Guangxi Science and Technology Plan Project（Guike AD17195026）; Scientific Research and Technology Development Plan Project of Nanning（20182087）

0 引言

【研究意義】水稻是我國的重要糧食作物，在產量驅使下，肥料的過量投入導致土壤酸化、肥力下降，嚴重威脅水稻的可持續生產（劉磊等，2020），如何有效改善稻田土壤條件、提升土壤自身供肥能力及減少化肥施用，對確保水稻的可持續生產具有重要意義。生物炭具有發達的孔隙結構和堿性基團，通常被當作土壤改良劑使用，具有改良酸性土壤（袁金華和徐仁扣，2012）、促進土壤保水保肥（褚軍等，2014）及提高作物產量（王寧等，2016）等作用。廣西是桑蠶、木薯淀粉及糖料蔗的主要產地，生產中伴生的桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣等秸稈廢棄物量大且處理難度高，因此，將之制成生物炭并應用到水稻土壤改良等生產實踐，是個變廢為寶的重要途徑。【前人研究進展】土壤肥力狀況是作物產量構成的重要因素，生物炭由于自身含有一定的礦質養分，施入土壤后可在一定程度上改善土壤養分狀況，增加土壤肥力，是作物增產效應的主要原因之一（Kim et al.，2015）。在稻田土壤改良方面，陳芳等（2019）研究發現，施用適量的稻秸稈炭、水稻谷殼炭、果木炭均可顯著提高稻田土壤中速效磷和速效鉀等養分含量;Jin等（2019）研究報道，施用生物炭可提高酸性稻田土壤pH，使其達到水稻生長最優的pH范圍;陳姣等（2020）研究發現，竹筷生物炭可有效改善水稻土的持水能力;董成等（2020）研究報道，施用水稻秸稈生物炭對提高稻田土壤氮素利用率有積極作用;謝志堅等（2020）研究發現，施用生物炭可增加稻田土壤耕層的無機氮儲量。在旱地作物上，木薯秸稈生物炭和桑枝生物炭對提高蔗田土壤養分，增加甘蔗產量有著積極作用（于洋等，2015;廖芬，2018），但也有相關研究報道生物炭對土壤養分、pH及作物產量影響不顯著（呂貝貝等，2020）。關于生物炭在水稻生產中的應用，Yang等（2019）研究報道，在合適的生物炭施用量范圍（10～40 t/ha）內，水稻產量隨生物炭施用量的增加而增加;榮飛龍等（2020）研究表明，施用稻殼生物炭可顯著提高水稻齊穗期倒4葉葉綠素含量及地上部干物質積累量，進而提高水稻產量。【本研究切入點】生物炭的作用效果與其自身原料特點及土壤性狀等有關，不同生物炭材料對土壤養分的固儲與緩釋能力存在明顯差異（代銀分等，2016）。目前，針對桑枝、木薯稈和甘蔗渣3種生物炭材料對水稻生長及土壤養分的影響還缺乏系統性研究。【擬解決的關鍵問題】采用桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣為原料制備生物炭，通過盆栽試驗，分析3種生物炭在不同添加量條件下對水稻生長、產量及稻田土壤養分含量變化的影響，為充分利用廣西桑蠶、木薯及糖料蔗產業秸稈廢棄物資源實現水稻增產增收提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況

試驗于2018年在廣西農業科學院農業資源與環境研究所科研基地（東經108°17′21″，北緯22°51′18″）溫室大棚進行。試驗區域屬于典型亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.6 ℃，年均降水量1304.2 mm。供試土壤基本理化性質：pH 6.91、土壤有機質16.5 g/kg、堿解氮160.31 mg/kg、速效磷5.70 mg/kg、速效鉀31.05 mg/kg。

1. 2 試驗材料

供試水稻品種為雜交水稻天優998。生物炭分別以桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣為原料在700 ℃厭氧條件下制備，桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣均采自南寧市邕寧區那樓鎮那文村。生物炭基本理化性質見表1。

1. 3 試驗方法

采用盆栽試驗方法，以不添加生物炭為對照，共設9個秸稈生物炭處理，分別為添加桑枝稈生物炭1.5%、3.0%和4.5%;添加木薯稈生物炭1.5%、3.0%和4.5%;添加甘蔗渣生物炭1.5%、3.0%和4.5%。添加量按風干土重量計，每處理3個重復，共計30盆。水稻移栽前3周除去供試土壤石塊等雜物后過5 mm篩備用。將生物炭、土壤及肥料按試驗設定比例混合均勻后裝盆，每盆保持總重7.0 kg，水稻移栽前2周加水浸泡。各處理肥料運籌一致，按水稻盆栽試驗每1 kg土壤施用N 0.15 g、P2O5 0.10 g和K2O 0.15 g的施肥要求，即在裝盆時每盆一次性施用尿素2.28 g、磷酸二氫鉀1.35 g和氯化鉀0.98 g。2018年4月2日播種，4月28日移栽，7月28日收獲。其他管理措施均按水稻盆栽試驗管理規程進行，并保持各處理管理水平一致。

1. 4 測定項目及方法

分別在水稻分蘗中期、齊穗期和成熟期調查株高、總分蘗數、有效穗數等相關農藝性狀。收獲時取樣12株進行水稻考種測產。水稻收獲后采用取土器從盆栽土表面向下取20 cm的土樣，風干過篩后測定土壤pH及養分含量。土壤pH采用玻璃電極法測定，土水質量比為1∶2.5;有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定;堿解氮含量采用堿解擴散法測定;速效磷含量采用 NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用1 mol/L的NH4OAc浸提—火焰光度法測定;全氮含量采用半微量開氏法測定;土壤樣品經H2SO4-HClO4消煮后，采用鉬銻抗比色法測定全磷;采用火焰光度法測定全鉀含量（鮑士旦，2000）。

1. 5 統計分析

利用Excel 2016整理試驗數據，采用SPSS 19.0進行統計分析，以Duncans多重比較檢驗不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2. 1 不同秸稈生物炭對水稻農藝性狀的影響

由表2可知，施用桑枝稈和甘蔗渣生物炭有增加分蘗中期水稻株高的作用，而施用木薯稈生物炭則降低了分蘗中期的水稻株高，其中木薯稈生物炭4.5%處理的株高顯著低于對照（P<0.05，下同），甘蔗渣生物炭各處理的株高顯著高于對照;除木薯稈生物炭4.5%處理外，其他生物炭處理均提高了齊穗期水稻株高，其中桑枝稈生物炭3.0%處理的株高最高，較對照顯著提高11.56%。分蘗中期施用桑枝稈和甘蔗渣生物炭可增加水稻的總分蘗數，但總分蘗數隨生物炭添加量的增加而遞減;木薯稈生物炭1.5%處理對總分蘗數影響不顯著（P>0.05，下同），但木薯稈生物炭3.0%和4.5%處理的總分蘗數顯著低于對照。齊穗期時，除木薯稈生物炭4.5%處理的總分蘗數顯著低于對照外，其他處理的總分蘗數均與對照差異不顯著。成熟期時，桑枝稈和甘蔗渣生物炭處理均顯著提高了水稻的有效穗數和成穗率，木薯稈生物炭4.5%處理則顯著降低了水稻的有效穗數和成穗率。

2. 2 不同秸稈生物炭對水稻產量的影響

由表3可知，與對照相比，各生物炭處理均增加了水稻的穗長和穗粒數，其中以桑枝稈生物炭4.5%處理作用最明顯，穗長和穗粒數分別較對照顯著提高10.54%和33.99%;但施用生物炭對水稻千粒重的影響未達顯著水平。除木薯稈生物炭3.0%、4.5%及甘蔗渣生物炭4.5%處理外，其他生物炭處理均顯著提高了水稻結實率，其中以桑枝稈生物炭1.5%處理的結實率（83.7%）最高。從產量來看，與對照相比，除木薯稈生物炭4.5%和甘蔗渣生物炭1.5%處理外，其他生物炭處理均可顯著提高水稻產量，且桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣3種生物炭均在添加量為3.0%時產量增幅最大，分別較對照增產38.05%、28.24%和32.73%，以桑枝稈生物炭3.0%處理的增產效果最明顯。

2. 3 不同秸稈生物炭對土壤養分含量及pH的影響

由表4可知，除桑枝稈和甘蔗渣生物炭1.5%處理外，其他生物炭處理均提高了土壤全氮含量，且同一添加量水平以木薯稈生物炭的提高效果最佳;除木薯稈和甘蔗渣生物炭1.5%處理外，其他生物炭處理均降低了土壤全磷含量，且同一添加量水平以木薯稈生炭處理的降低幅度最小;施用生物炭后，土壤全鉀含量均較對照有所降低，且3種生物炭處理均在添加量為4.5%時與對照的差異達顯著水平，但同一添加量水平3種生物炭處理的土壤全鉀含量差異不顯著。

由表4還可看出，施用生物炭對土壤不同速效養分的影響存在差異，與對照相比，生物炭處理降低了土壤堿解氮含量，提高了土壤有效磷和速效鉀含量。其中，土壤堿解氮含量隨生物炭添加量的增加而減少，同一添加量水平3種生物炭處理土壤堿解氮含量差異不顯著;土壤有效磷含量隨生物炭添加量的增加而增加，與對照土壤有效磷含量相比，桑枝稈生物炭處理增加16.26%～133.92%，木薯稈生物炭處理增加48.95%～164.34%，甘蔗渣生物炭處理增加14.51%～51.57%，同一添加量水平以木薯稈生物炭處理有效磷含量最高。土壤速效鉀含量也隨生物炭添加量的增加而增加，桑枝稈生物炭處理土壤速效鉀含量較對照增加11.10%～438.90%，木薯稈生物炭處理增加95.00%～1077.77%，甘蔗渣生物炭處理增加1.30%～17.07%，同一添加量水平以木薯稈生物炭處理的有效鉀含量最高。施用不同生物炭后，土壤有機質含量及土壤pH均較對照有所提高，且隨著添加量的增加而逐漸增加;同一添加量水平下，以甘蔗渣生物炭對土壤有機質的提升效果最佳，桑枝稈生物炭對土壤pH的提高幅度最大。

3 討論

3. 1 不同秸稈生物炭對水稻生長及其產量的影響

生物炭具有良好的物理性質和養分調控功能，施入土壤可顯著促進作物種子萌發和植物根系生長，從而提高作物生產力（劉鴻驕等，2014），其對作物生長的影響與自身原料性質及施用量有關（王歡歡等，2017）。本研究結果顯示，添加1.5%～4.5%的桑枝稈和甘蔗渣生物炭，可提高分蘗中期和齊穗期的水稻株高，并顯著增加成熟期的有效穗數和成穗率，而木薯稈生物炭在添加量增加到4.5%時則顯著降低水稻的有效穗數和成穗率，與陳芳等（2019）的研究結果一致。水稻籽粒產量變化與生物炭施用量顯著相關，陳盈等（2016）研究報道，當生物炭施用量范圍在4500～9000 kg/ha 時，水稻產量隨生物炭施用量的增加而增加，當生物炭施用量增加到16000 kg/ha時，水稻產量反而減少15%。本研究結果表明，施用不同生物炭整體上可提高水稻產量，3種生物炭均在添加量3.0%時增產幅度最大，以桑枝稈生物炭3.0%處理的增產效果最佳;當3種生物炭添加量增加到4.5%時，水稻產量又有所下降，其中木薯稈生物炭4.5%處理出現顯著減產現象，與陳盈等（2016）的研究結果相似，其原因可能是生物炭施用量過大會吸附土壤中的速效養分，延緩肥料釋放速度，抑制作物生長進而降低作物產量（邢光輝等，2016）。由此可見，生產中應根據實際情況確定合適的生物炭添加量，以免施用量過大對作物生長造成不良影響。

3. 2 不同秸稈生物炭對土壤氮、磷和鉀含量的影響

生物炭對土壤養分具有固儲和釋放能力（袁帥等，2016;彭啟超等，2019）。研究表明，生物炭能有效降低土壤中總氮的淋溶損失，且隨生物炭添加量的增加而增加（李卓瑞和韋高玲，2016），同時土壤氮素養分的變化程度又受不同生物炭種類和添加量、土壤類型等因素的影響（李江舟等，2015）。本研究結果表明，生物炭提高了土壤全氮含量（桑枝稈和甘蔗渣生物炭1.5%處理除外），降低了土壤堿解氮含量，且隨著生物炭添加量的增加，總氮含量逐漸升高，堿解氮含量逐漸降低，與李卓瑞和韋高玲（2016）的研究結果基本一致，說明生物炭可吸附土壤溶液中的氮素養分而起到緩釋效果。

生物炭具有豐富的孔隙結構，可有效改良致密性土壤的物理結構，促進微生物繁殖，從而活化容易被土壤固定的養分（Hammer et al.，2014;Fungo et al.，2017）。本研究結果表明，生物炭處理均降低了土壤全磷和全鉀含量，提高了土壤有效磷和速效鉀含量，與劉賽男（2016）的研究結果一致，其原因可能是生物炭可為土壤微生物提供充足的碳源，同時其表面豐富的孔隙結構可成為微生物有利的棲息地，為解磷細菌和解鉀細菌提供有利生長環境進而活化土壤磷、鉀養分，提高土壤有效磷、鉀含量（劉賽男，2016;Chen et al.，2018），從而提升土壤養分供給能力。本研究中，木薯稈生物炭在添加量為3.0%和4.5%時土壤有效磷分別增加103.67%和164.34%，速效鉀更是增加661.10%和1077.77%，效果明顯優于桑枝稈和甘蔗渣生物炭，可能與其特殊的分子結構及對土壤中微生物的活化作用有關，具體作用機制還有待進一步研究。

3. 3 不同秸稈生物炭對土壤pH和有機質含量的影響

生物炭可通過改良土壤酸度、增加有機質含量提升土壤肥力，進而促進作物增產。不同原料生物炭對土壤pH變化的影響能力存在差異。吳愉萍等（2019）研究發現，黃秋葵秸稈炭、水稻秸稈炭和稻殼炭均可顯著提高土壤pH，其中以水稻秸稈炭的作用最明顯。吳敏等（2016）通過研究生物炭對酸性土壤的改良，發現椰炭對土壤pH的提高作用明顯優于蔗炭。本研究發現，3種生物炭材料均提高了土壤pH，但不同原料生物炭的提高幅度差異顯著，其中桑枝稈生物炭對土壤pH的提升效果最佳，其原因可能是不同原料生物炭其本身的堿性屬性和含有的鹽基離子與土壤H+和Al3+的交換能力不同，其對土壤pH的影響效果也不同（Glaser et al.，2002）。本研究中，施用生物炭處理均顯著提高了土壤有機質含量，與劉磊等（2020）的研究結果相似，原因可能是生物炭有抑制土壤呼吸的作用，減少了土壤有機碳的礦化率（Weng et al.，2017）;其次，生物炭經過高溫制備后具有豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，能有效吸附土壤中的活性有機物質起到保護作用，從而減少土壤有機質的礦化，提高土壤有機質含量（花莉等，2010）。

4 結論

施用桑枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭均可有效提高稻田土壤肥力及水稻產量，其中木薯稈生物炭對土壤全氮、有效磷和速效鉀含量的提升作用較佳，桑枝稈生物炭對水稻產量的提升效果相對較優。

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（責任編輯 王 暉）