秸稈炭化還田對(duì)水稻土壤肥力及水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

鄭阿萍

摘要：為研究秸稈炭化還田對(duì)水稻土壤肥力和水稻生長(zhǎng)的影響，以無(wú)秸稈還田為對(duì)照，設(shè)置3個(gè)秸稈炭化還田處理，研究水稻田土壤養(yǎng)分含量、水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的變化特征。結(jié)果表明，秸稈還田能夠顯著提高土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，提高全生育期干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，其中添加炭基肥750kg/hm2處理的產(chǎn)量最高，比對(duì)照高出31.74%。因此，可通過(guò)土壤添加秸稈炭基肥提高土壤肥力，增加水稻產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：水稻生長(zhǎng);秸稈;炭化還田

水稻是世界上最重要的糧食作物之一[1]。水稻的分布范圍非常廣泛，從北溫帶延伸到南溫帶。此外，水稻有著較高的產(chǎn)量，全世界超過(guò)三分之一的人口以水稻為主食，更是我國(guó)重要的主食來(lái)源，對(duì)保障糧食安全具有極其重要的作用[2]。近年來(lái)，一味追求高產(chǎn)，偏施氮肥、單一施肥、過(guò)量施肥等不合理施肥現(xiàn)象，使得土壤養(yǎng)分隨水土流失，土壤富營(yíng)養(yǎng)化，地下水源污染，導(dǎo)致土壤自然功能失調(diào)，破壞了土壤的自然動(dòng)態(tài)平衡，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[3]。不合理的施肥措施對(duì)作物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，破壞了作物對(duì)養(yǎng)分的平衡吸收，造成植株體內(nèi)的物質(zhì)紊亂，農(nóng)作物品質(zhì)下降[4]。所以，探索合理的施肥一直以來(lái)都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)。

秸稈是農(nóng)田生產(chǎn)中重要的產(chǎn)物，以往大多通過(guò)焚燒處理農(nóng)田秸稈，不僅浪費(fèi)資源，還造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染，利用其經(jīng)過(guò)不完全燃燒或無(wú)氧低溫?zé)峤馑a(chǎn)生的高碳顆粒狀熱解殘余物生成生物炭可提高資源的利用率，提高土壤肥力，利于作物生長(zhǎng)[5]。研究表明，生物炭具有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，由于這種表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致生物碳具有良好的吸附特性，還具有高度熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)吸附特性，對(duì)養(yǎng)分具有很強(qiáng)的持留功能，能促進(jìn)土壤中碳素的固定、顯著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能減少肥料施用量和土壤養(yǎng)分的損失[6]。伍佳等[7]研究表明，秸稈炭化還田顯著提高水稻田土壤養(yǎng)分含量和水稻產(chǎn)量。張璐等[8]研究表明，秸稈炭化還田能明顯提高土壤TC、TN、有效態(tài)P、K、Ca、Mg含量，降低過(guò)量有效態(tài)Al、Fe、Mn含量。因此，本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)秸稈炭化處理，研究水稻田土壤養(yǎng)分含量、水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的變化特征，為秸稈充分利用和提高水稻產(chǎn)量提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

試驗(yàn)于2019年在浙江省麗水市縉云縣新建鎮(zhèn)進(jìn)行，土壤基礎(chǔ)肥力：有機(jī)質(zhì)21.21g/kg，全氮

1.8g/kg，堿解氮105.84mg/kg，速效磷 45.27mg/kg，速效鉀149.73mg/kg，pH值6.82。生物炭的制備原材料為水稻秸稈，炭化溫度為 400-450℃，生物炭制備為顆粒狀，粒徑為 2-4mm，其基本理化性質(zhì)為 pH值9.35，全碳含量為54.5%、全氮含量為11.25g/kg、全磷含量1.81g/kg、全鉀含量為9.48g/kg，炭基肥由水稻秸稈生物炭復(fù)合化學(xué)養(yǎng)分制成。氮肥為尿素，含N46.4%，磷肥為重過(guò)磷酸鈣，含P2O5 6%，鉀肥為硫酸鉀，含K2O 50%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)處理分別為，（1）常規(guī)化肥處理，不施炭（CK）;（2）低用量生物炭處理，用量為6t/hm2（T1）;（3）高用量生物炭處理，用量為15t/hm2（T2）;（4）炭基肥處理，用量為 750kg/hm2（T3）。所有磷肥、鉀肥、生物炭和炭基肥作為基肥在播種前一次施入，磷肥用量70kg/hm2，鉀肥用量為90kg/hm2，氮肥用量150kg/hm2，按基肥∶?；ǚ?7∶3的比例施入。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為84m2，行距30cm，穴距13.3cm，每穴4苗，各試驗(yàn)小區(qū)水分管理采用單排單灌方式。于4月17日播種，5月18日移栽，9月27日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定

分別在分蘗期、孕穗期、齊穗期和成熟期進(jìn)行取樣，取耕層20cm處土壤，供試土壤樣本在每小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法采集兩份土壤樣本，將樣品裝于聚乙烯塑料袋中，貼好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室，置于陶瓷盤(pán)中風(fēng)干過(guò)60目篩備用。土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定：堿解氮用擴(kuò)散法，速效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用火焰光度計(jì)法[9]。

1.3.2 水稻干物質(zhì)的測(cè)定

分別在水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期和成熟期進(jìn)行取樣，各處理選取整齊一致植株3穴，3次重復(fù)。將根系、莖鞘、葉片和穗部分別取下，于105℃下殺青30min，然后在80℃恒溫條件下烘干至恒重，等待測(cè)定。

1.3.3 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定

成熟期在各小區(qū)選取2m2進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，3次重復(fù)。自然風(fēng)干至14%含水量后，脫粒稱重，并折合成每hm2產(chǎn)量。同時(shí)，每小區(qū)取植株9穴，3次重復(fù)，取下穗部，進(jìn)行室內(nèi)考種。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2010統(tǒng)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)，采用SPSS24.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈炭化還田對(duì)水稻田土壤養(yǎng)分的影響

由圖1可知，秸稈炭化還田顯著提高土壤堿解氮含量，在全生育期表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK。分蘗期，秸稈炭化還田處理的堿解氮含量均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出10.58%、13.46%和21.15%;孕穗期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出14.29%、17.35%和29.59%;齊穗期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出29.63%、32.10%和40.74%;成熟期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出25.33%、30.67%和42.67%。

由圖2可知，秸稈炭化還田顯著提高土壤速效磷含量，在全生育期表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK。分蘗期，T1和CK沒(méi)有顯著差異，T2和T3處理分別比CK高出19.54%和20.69%;孕穗期，秸稈炭化還田處理的速效磷含量均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出19.23%、38.46%和48.72%;齊穗期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出33.85%、43.08%和60.01%;成熟期，T3處理顯著高于CK，其他處理間沒(méi)有顯著差異。

由圖3可知，秸稈炭化還田顯著提高土壤速效鉀含量，在全生育期表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK。分蘗期，秸稈炭化還田處理的速效鉀含量均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出14.47%、17.08%和33.33%;孕穗期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出6.05%、10.77%和51.21%;齊穗期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出9.55%、11.78%和39.53%;成熟期，各處理均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出12.71%、16.44%和34.67%。

2.2 秸稈炭化還田對(duì)水稻干物質(zhì)的影響

從表1中可以看出，水稻地上部干重隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈逐漸增加的變化趨勢(shì)。在各生育時(shí)期，表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK。分蘗期，秸稈炭化還田處理的干物質(zhì)量均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出3.67%、5.34%和6.48%;孕穗期，T1處理和CK沒(méi)有顯著差異，T2和T3處理分別比CK高出8.89%和9.68%;齊穗期，T1處理和CK沒(méi)有顯著差異，T2和T3處理分別比CK高出5.87%和7.44%;成熟期，秸稈炭化還田處理的干物質(zhì)量均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出15.44%、34.44%和55.23%，各生育時(shí)期均是T3處理干物質(zhì)量最大。

2.3 秸稈炭化還田對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，秸稈炭化還田顯著影響水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，有效穗數(shù)表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK，T1處理和CK沒(méi)有顯著差異，T2和T3顯著高于CK，分別高出4.95%和8.05%;各處理穗粒數(shù)均顯著高于CK，T1、T2和T3處理分別比CK高出5.03%、6.79%和23.39%;各處理千粒重差異不顯著;結(jié)實(shí)率T3處理顯著高于CK，其他處理和CK沒(méi)有顯著差異;產(chǎn)量表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK，處理間差異均顯著，T1、T2和T3處理分別比CK高出14.63%、20.35%和31.74%，T3處理產(chǎn)量最高。

3 討論

土壤中添加生物炭，可以改善土壤理化性質(zhì)、防治土壤中的污染物質(zhì)沉積，有利于土壤改良與修復(fù)[10]。由于生物炭富含微孔，不但可以補(bǔ)充土壤的有機(jī)物含量，還可以有效地截留住水分和養(yǎng)分，提高土壤肥力[11]。有研究表明，生物炭施入土壤后，土壤容重降低了9%，總孔隙率由45.7%提高到50.6%[12]。生物炭的多微孔結(jié)構(gòu)也影響土壤的持水能力。生物炭不僅對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生間接影響[13]。趙易藝等[14]研究表明，與施純化肥處理相比，配施生物炭能夠增加土壤全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)的含量，提高氮磷鉀的利用效率。本研究結(jié)果表明，秸稈炭化還田顯著提高土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量，主要由于秸稈炭化還田更大程度上是秸稈生物質(zhì)炭間接增強(qiáng)了土壤C、N元素及速效養(yǎng)分的累積。還有可能是由于生物炭本身含有的養(yǎng)分離子，進(jìn)入土壤后會(huì)有所釋放，從而提高土壤養(yǎng)分。因此，生物炭可作為肥料的緩釋載體，延緩肥料養(yǎng)分的釋放，降低肥料養(yǎng)分的損失，提高肥料養(yǎng)分利用率。

干物質(zhì)積累反映玉米植株生長(zhǎng)狀況，干物質(zhì)的積累還直接影響作物產(chǎn)量[15]。有研究認(rèn)為，在水稻育苗基質(zhì)中添加適量生物炭，秧苗根表皮細(xì)胞、皮層組織發(fā)達(dá)，導(dǎo)管數(shù)量增加，根長(zhǎng)、根表面積和根體積明顯提高，根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育良好[16]。本研究結(jié)果表明，秸稈炭化還田能顯著提高水稻的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。其主要原因是土壤孔隙度提高，為根系生長(zhǎng)提供了更多延展空間[17]。此外，生物炭具有明顯的吸熱屬性，施入土壤后可提高土壤溫度，減輕低溫冷害，為根系生長(zhǎng)發(fā)育提供有利條件。同時(shí)，生物炭含有豐富的N、P、K、S、Ca、Mg、Fe等營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)養(yǎng)分具有一定吸附和緩釋能力，可提高土壤養(yǎng)分供給水平，為植株發(fā)育和形態(tài)建成提供重要物質(zhì)基礎(chǔ)[18]。炭基肥干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量顯著高于其他處理可能是由于炭基肥含有的養(yǎng)分緩慢釋放，為水稻后期生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分。

總體來(lái)看，添加炭基肥750kg/hm2處理效果最好。因此，可通過(guò)土壤添加秸稈炭基肥提高土壤肥力，能夠增加水稻產(chǎn)量。

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