水稻秸稈生物炭對漬害脅迫下稻麥輪作土壤的影響

劉曉宇 劉楊 馮彥房 陳寅 石春林

摘要：長江中下游地區稻麥輪作的生產方式往往導致土壤排水不暢和養分流失。且該地區小麥生長季多陰雨，導致小麥漬害脅迫減產。探索合理的方法來緩解小麥漬害脅迫有重要意義。本研究開展盆栽試驗，設置不同生物炭施用量和漬水處理，研究水稻秸稈生物炭對稻麥輪作土壤理化性質的影響。結果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重呈下降趨勢，有助于改善稻麥輪作土壤排水不暢的特點。同時，施用生物炭可顯著增加土壤pH值、有機碳和有效磷的含量（P<0.05）。施用生物炭和漬水處理對土壤總氮含量沒有顯著影響，但生物炭施用量達到40 t/hm2時，漬水處理會導致土壤堿解氮含量顯著下降（P<0.05），表明生物炭有助于固定土壤氮。總體來看，施用水稻秸稈生物炭可改善稻麥輪作土壤的排水條件，維持土壤養分，有助于抵御漬害脅迫造成的小麥減產。

關鍵詞：水稻秸稈;生物炭;稻麥輪作;漬害脅迫;土壤養分

中圖分類號： S156.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0211-05

長江中下游地區是我國主要的糧食產區之一[1]，種植制度以稻麥輪作為主[2]。該地區稻麥輪作土壤以黏粒含量較高的水稻土為主，一般具備較好的保水能力，有助于水稻在水分充足的環境下生長[3]。但小麥對過量水分較為敏感[4]，麥季降雨過多，土壤含水量長期維持在較高水平，將導致漬害脅迫，甚至引發赤霉病，造成小麥減產。據報道，不同程度的漬害脅迫可造成小麥減產20%～50%[5]，直接影響當地糧食安全。

由于人口快速增長和農用地面積減少，為保證糧食產量，我國施用大量化肥以提高農作物單產。據報道，我國化肥消耗量約占世界總量的30%[6]，長江中下游地區是我國施肥強度最大的區域之一，以氮肥為例，年施用量可達550～650 kg/hm2[7]。然而，過量施用氮肥會降低氮利用效率，同時增加環境污染風險[8]。目前，漬后補施氮肥是應對小麥漬害減產的主要方法之一[9]，但該方法的經濟成本和人力成本較高，且會進一步加重該地區養分流失和面源污染的風險。因此，探索更合理的方法來緩解該地區小麥漬害脅迫有重要意義。

生物炭（biochar）是一種常用的土壤改良劑，是生物質在缺氧條件下，經熱解產生的一種以碳為主、性質穩定的黑色固體。前人采用薈萃分析和試驗分析進行研究的結果表明，施用生物炭可以使小麥增產11.3%～30.0%，且生物炭主要通過影響土壤理化性質來影響作物產量[15]。前人研究認為，施用生物炭可以改良土壤結構和土壤養分的有效性[16]，且特別適用于酸化、退化和粗質地土壤[17]。但關于生物炭如何影響質地黏重、養分充足的稻麥輪作土壤理化性質的相關研究相對較少。此外，這種影響在漬害脅迫發生時有何變化，施用生物炭能否作為緩解小麥漬害脅迫的方法？這些問題還有待進一步探索。因此，本研究通過開展小麥盆栽試驗，設置不同生物炭施用量和漬水脅迫處理，觀測稻麥輪作土壤理化性質的變化，以綜合評價水稻秸稈生物炭在漬害脅迫過程中對稻麥輪作制度下土壤的影響，并評估其作為緩解小麥漬害脅迫方法的潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2016年11月15日在江蘇省農業科學院試驗場開展小麥盆栽試驗，試驗土壤取自江蘇省南京市典型稻麥輪作土壤（潴育型水稻土）。試驗所用的水稻秸稈生物炭購自江蘇華豐農業生物工程有限公司，制備溫度為500 ℃。土壤和生物炭的理化性質詳見表1。使用直徑為25 cm、高20 cm的塑料桶作為試驗用缽，在底部鉆取小孔用于排水。盆栽試驗考慮生物炭施用量和漬水脅迫2個因素，生物炭施用量共設置對照（CK，未施用生物炭）、中施用量（生物炭施用量為 10 t/hm2）和高施用量（生物炭施用量為40 t/hm2）3個處理，每個盆缽均采用風干土12 kg，與對應的生物炭混合均勻后，裝配進入塑料桶。漬水脅迫共設置未漬水（小麥整個生育期始終保持常規水分管理）和漬水（開花期后連續漬水12 d，其他時期保持常規水分管理）2個處理。合計6個處理，每個處理均設置3次重復。小麥供試品種為寧麥13號，播種密度為每盆3穴，每穴3棵苗，在3葉期間苗（保留1棵苗）。采用當地常規施肥水平對小麥進行管理，麥季施肥量為純氮225 kg/hm2，基肥和追肥分配比例為6 ∶4，60%的基肥以復合肥形式于播種時施下，40%的追肥以尿素形式于拔節期施下。小麥開花期為2017年4月15日，此時對小麥盆栽進行漬水處理，關閉盆栽底部的排水口，土壤表層水層保持1～2 cm，并維持12 d，12 d后打開排水口排水，作為漬害脅迫結束。小麥成熟期為2017年5月22日，小麥收獲后對土壤進行采樣分析。

1.2 土壤理化性質分析

2017年5月24日進行土壤采樣。在盆栽 10 cm 深處，用環刀法測定土壤容重[18]（由于漬水理論上不影響土壤容重，本研究僅采集未漬水處理的土壤容重）。同時均勻采集0～20 cm土壤樣品。土壤樣品經過室內風干、過篩后，進行化學分析，具體測定方法：pH值采用電位法測定;土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）氧化-滴定法測定;全氮含量采用半微量開氏法測定;堿解氮含量采用堿解擴散法測定;有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[18]。

1.3 統計方法

采用方差分析比較盆栽試驗中不同處理間土壤理化性質的差異，均值的多重比較采用最小顯著差異法檢驗，P<0.05作為顯著性差異的標準，使用SPSS 19.0進行統計分析。統計圖使用Origin 9.0制作。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭施用量和漬水處理對稻麥輪作土壤容重和pH值的影響

土壤容重數據（圖1）顯示，用作對照的稻麥輪作土壤容重為1.27 g/cm3，而生物炭施用量分別為10、40 t/hm2時，土壤容重相比對照分別下降49%、8.7%，且在施用量為40 t/hm2時達到顯著差異水平（P<0.05），表明施用生物炭可以降低土壤容重。隨著生物炭施用量的增加，土壤容重還有進一步下降的潛力。

由圖2可知，相同生物炭施用量處理下，漬水與未漬水處理間pH值的差異均未達到顯著水平。在相同漬水處理下，由于生物炭pH值較高（表1），生物炭施用量分別為10、40 t/hm2時，土壤pH值相比對照均顯著增加，且隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值還有進一步增加的潛力。

2.2 不同生物炭施用量和漬水處理對稻麥輪作土壤碳、氮含量的影響

由圖3-a可知，相同生物炭施用量處理下，漬水與未漬水處理的土壤有機碳含量均未達到顯著水平。相同漬水處理下，隨著生物炭施用量的增加，土壤有機碳含量呈現增加趨勢，當生物炭施用量達到40 t/hm2時，漬水和未漬水條件下的土壤有機碳含量相比對照均顯著增加。

與土壤有機碳含量不同，施用生物炭和漬水處理對土壤全氮含量沒有顯著影響（圖3-b）。土壤碳氮比的變化與土壤有機碳含量較為一致，相同生物炭施用量下，漬水處理下的碳氮比略高于未漬水處理，但未達到顯著水平。相同漬水處理下，生物炭施用量增加導致土壤碳氮比增加，且在施用量達到 40 t/hm2 時與對照相比均達到顯著水平（圖3-c）。

2.3 不同生物炭施用量和漬水處理對稻麥輪作土壤有效養分的影響

由圖4可知，未漬水處理下，土壤堿解氮含量隨生物炭施用量增加而增加，但差異不顯著。而漬水處理下，土壤堿解氮含量隨生物炭施用量的增加而減少，當生物炭施用量達到40 t/hm2時，漬水處理下的土壤堿解氮含量顯著低于未漬水處理。

由圖5可知，相同生物炭施用量，漬水處理下的土壤有效磷含量均低于對應未漬水處理，但均未達到顯著水平。相同漬水處理下，土壤有效磷含量隨生物炭施用量的增加而增加，當施用量達到 40 t/hm2 時，土壤有效磷含量增加，并與其他2個處理的差異達到顯著水平。

3 討論

3.1 生物炭對土壤排水的影響

水稻種植需要土壤具備較強的保水能力，因此，水稻種植區的土壤往往透氣性和排水性差。受季風氣候影響，長江中下游地區在小麥關鍵生育期（特別是開花期）常出現連續陰雨[21]，土壤表層水分難以排除，將導致小麥漬害脅迫。提高稻麥輪作土壤的排水能力，將有助于緩解漬害脅迫造成的減產。本研究開展的試驗結果顯示，施用水稻秸稈生物炭可降低土壤容重。生物炭高施用量下，土壤容重相比未施用生物炭的處理顯著下降。而土壤容重的下降將有助于提高土壤孔隙度[22]，進而促進土壤水分的排出。劉楊等開展的土柱試驗也表明，施用生物炭可促進10、20 cm深處土壤體積含水量快速下降[23]。因此，施用生物炭有助于加速土壤排水，解除土壤的漬水狀態。此外，本研究表明，施用生物炭有助于增加土壤有機碳含量，當生物炭施用量達到40 t/hm2時，土壤有機碳含量相比對照顯著增加，這與前人的研究結果[24]一致。土壤有機碳含量的增加有利于土壤團聚體的穩定，可進一步改善土壤結構[25]，且一般認為土壤有機碳含量的增加導致土壤容重下降[26]。因此，施用生物炭除直接影響土壤容重外，還可通過增加土壤有機碳含量，在中長期對土壤結構持續改良，進一步改善稻麥輪作土壤的排水能力。

3.2 生物炭對土壤養分的影響

生物質制備生物炭過程中，大部分營養元素被保留[27]，因此，生物炭本身也被認為是一種養分。本研究的結果顯示，水稻秸稈生物炭施用量達到40 t/hm2時，土壤有機碳含量和有效磷含量顯著增加，將有助于小麥生長，以抵御漬害脅迫造成的損失。長江中下游地區存在較嚴重的過度施肥現象（以氮肥為主）[30]，過量的氮投入不僅會降低作物的氮利用效率，還會通過徑流、淋溶和氨揮發等方式影響水和大氣環境[31]。漬害脅迫發生后，土壤氮有更多的機會進入水環境中，因此補施氮肥會增加環境風險，不適宜作為緩解小麥漬害減產的方法。施用生物炭雖然增加了氮投入，但生物炭含氮量較低，且碳氮比較高，不同生物炭施用量下土壤全氮含量未出現顯著性差異。前人研究表明，生物炭較高的碳氮比可降低土壤氮的有效性[32]。本研究中，漬水處理下，生物炭施用量達到40 t/hm2時，土壤堿解氮含量顯著下降，表明生物炭影響土壤氮的轉化和遷移，可能通過吸附等方式[33]，降低土壤中易分解和流失的氮，從而改善作物的氮利用效率，降低面源污染風險。因此，從土壤養分管理的角度來看，施用水稻秸稈生物炭是一種適用于當地農業環境下應對小麥漬害減產的管理措施。

4 結論

水稻秸稈生物炭作為一種成本較低的土壤改良劑，可以降低稻麥輪作土壤的容重，有助于解除土壤的漬水狀態。同時可維持土壤養分并提高作物的氮利用效率，在不增加環境風險的前提下，促進漬后小麥生長恢復。因此，施用生物炭可作為一種用于緩解長江中下游稻麥輪作制度中小麥漬害減產的方法。未來研究中，須要進一步開展不同生物炭種類和施用量對稻麥輪作土壤理化性質的影響研究，篩選最合適的生物炭施用方法，以到達最優的經濟-環境效益。

參考文獻：

[1]Chen S，Ge Q Y，Chu G，et al. Seasonal differences in the rice grain yield and nitrogen use efficiency response to seedling establishment methods in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China . Field Crops Research，2017，205：157-169.

[2]Li C Y，Jiang D，Wollenweber B，et al. Waterlogging pretreatment during vegetative growth improves tolerance to waterlogging after anthesis in wheat . Plant Science，2011，18（5）：672-678.

[3]Wu M X，Han X G，Zhong T，et al. Soil organic carbon content affects the stability of biochar in paddy soil . Agriculture，Ecosystems & Environment，2016，223：59-66.

[4]Rasaei A，Ghobadi M E，Jalali-honarmand S，et al. Impacts of waterlogging on shoot apex development and recovery effects of nitrogen on grain yield of wheat . European Journal of Experimental Biology，2012，24：1000-1007.

[5]劉 楊，石春林，宣守麗，等. 不同生育期漬水寡照對小麥產量構成的影響. 江蘇農業科學，2016，44（10）：124-127.

[6]Liu X，Xu S S，Zhang J W，et al. Effect of continuous reduction of nitrogen application to a rice-wheat rotation system in the middle-lower Yangtze River region（2013—2015） . Field Crops Research，2016，196：348-356.

[7]Zhu Z L，Chen D L. Nitrogen fertilizer use in china-contributions to food production，impacts on the environment and best management strategies . Nutrient Cycling in Agroecosystems，2002，63（2/3）：117-127.

[8]Feng Y F，Sun H J，Xue L H，et al. Biochar applied at an appropriate rate can avoid increasing NH3 volatilization dramatically in rice paddy soil . Chemosphere，2016，168：1277-1284.

[9]范雪梅，姜 東，戴廷波，等. 花后干旱和漬水下氮素供應對小麥旗葉衰老和粒重的影響. 土壤學報，2006，42（5）：875-879.

[10]Lehmann J. A handful of carbon . Nature，2007，447（7141）：143-144.

[11]蔣東來，王曉瑋，趙銘欽，等. 生物炭與不同肥料配施對汞脅迫下烤煙生長和生理指標的影響. 揚州大學學報（農業與生命科學版），2018，39（4）：106-118.

[12]Alburquerque J A，Salazar P，Barr N V，et al. Enhanced wheat yield by biochar addition under different mineral fertilization levels . Agronomy for Sustainable Development，2013，33（3）：475-484.

[13]Liu X Y，Zhang A F，Ji C Y，et al. Biochars effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions：a meta-analysis of literature data . Plant and Soil，2013，373（1）：583-594.

[14]Vavvari F P，Baronti S，Lugato E，et al. Biochar as a strategy to sequester carbon and increase yield in durum wheat . European Journal of Agronomy，2011，34（4）：231-238.

[15]Yuan J H，Xu R K，Zhang H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures . Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

[16]Zhao X，Wang J W，Wang S Q，et al. Successive straw biochar application as a strategy to sequester carbon and improve fertility：a pot experiment with two rice/wheat rotations in paddy soil . Plant and Soil，2014，378（1/2）：279-294.

[17]Burrell L D，Zehetner F，Rampazzo N，et al. Long-term effects of biochar on soil physical properties . Geoderma，2016，282：96-102.

[18]魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京：中國農業科學技術出版社，2000.

[19]姜 東，陶勤南，張國平. 漬水對小麥揚5號旗葉和根系衰老的影響. 應用生態學報，2002，13（11）：1519-1521.

[20]Aggarwal P K，Kalra N，Chander S，et al. Infocrop：a dynamic simulation model for the assessment of crop yields，losses due to pests，and environmental impact of agro-ecosystems in tropical environments. Ⅰ. Model description . Agricultural Systems，2006，89（1）：1-25.

[21]石春林，金之慶. 基于WCSODS的小麥漬害模型及其在災害預警上的應用. 應用氣象學報，2003，14（4）：462-468.

[22]潘金華，莊舜堯，曹志洪，等. 生物炭添加對皖南旱地土壤物理性質及水分特征的影響. 土壤通報，2016，47（2）：320-326.

[23]劉 楊，劉曉宇，石春林，等. 生物炭緩解稻麥輪作區小麥漬害脅迫的作用 . 土壤學報，2017，54（6）：1518-1526.

[24]Mukherjee A，Zimmerman A R. Organic carbon and nutrient release from a range of laboratory-produced biochars and biochar-soil mixtures . Geoderma，2013，193-194：122-130.

[25]Abiven S，Menasseri S，Chenu C. The effects of organic inputs over time on soil aggregate stability-a literature analysis . Soil Biology and Biochemistry，2009，41（1）：1-12.

[26]Keller T，H Kansson I. Estimation of reference bulk density from soil particle size distribution and soil organic matter content . Geoderma，2010，154（3/4）：398-406.

[27]Laird D，Fleming P，Wang B Q，et al. Biochar impact on nutrient leaching from a midwestern agricultural soil . Geoderma，2010，158（3/4）：436-442.

[28]Lehmann J，da Silva Jr J P，Steiner C，et al. Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of the central amazon basin：fertilizer，manure and charcoal amendments . Plant and Soil，2003，249（2）：343-357.

[29]胡 茜，趙 遠，張玉虎，等. 生物炭配施化肥對稻田土壤有效氮素以及水稻產量的影響. 江蘇農業科學，2019，47（15）：108-112.

[30]Tian Z W，Jing Q，Dai T B，et al. Effects of genetic improvements on grain yield and agronomic traits of winter wheat in the Yangtze River basin of China . Field Crops Research，2011，124（3）：417-425.

[31]Zhang M，Tian Y H，Zhao M，et al. The assessment of nitrate leaching in a rice-wheat rotation system using an improved agronomic practice aimed to increase rice crop yields . Agriculture，Ecosystems & Environment，2017，241：100-109.

[32]Asai H，Samson B K，Stephan H M，et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：1. Soil physical properties，leaf SPAD and grain yield . Field Crops Research，2009，111（1/2）：81-84.

[33]Chan K Y，Zwieten L V，Meszaros I，et al. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment . Australian Journal of Soil Research，2007，45（8）：629-634.