富硅生物炭有效提高紅壤性稻田土壤不同形態硅含量及水稻產量

胡祖武，吳多基，吳建富，魏宗強，夏李佳

（江西農業大學國土資源與環境學院, 江西南昌 330045）

近年來，生物炭作為一類新型環境功能材料，因其高度的物理穩定性、生物化學抗分解性、較大的比表面積及多孔結構等優良特性，在土壤改良、溫室氣體減排以及受污染環境修復等方面得到廣泛的應用[1]。而硅作為生物炭中必不可少的無機元素，也逐漸得到大家的關注[2]。已有研究指出，硅含量高于1% (干物質)的植物被認為是富硅植物[3]，以富硅植物為材料制備的生物炭稱為富硅生物炭[4]。目前，對硅的研究領域也是在不斷的拓展，如對水稻產量、品質方面的影響。Tamai等[5]研究發現，因稻田土壤中有效硅含量及氣候條件等差異，水稻增產效果不一樣，一般增產10%～25%，但在極其缺硅地區，施硅可以增產近一倍。Ahmad等[6]在盆栽試驗中發現水稻孕穗期噴灑硅肥后水稻籽粒的蛋白質、淀粉含量較不施硅肥顯著提高。在植物逆境脅迫耐受能力方面的研究中，Garbuzov等[7]研究發現，水稻施硅，使水稻葉鞘細胞硅質化，形成硅化層，能夠充當機械屏障，從而降低昆蟲對水稻的侵害；Lee等[8]在研究不同土壤中砷的釋放和對植物的毒性影響時發現，施硅后可以降低土壤中砷的含量，減小污染。通過硅對土壤養分及植物群落結構的影響研究發現，土壤硅含量對土壤氮、磷含量與礦化速率、植物個體生長的影響等領域都有深入的分析[9-14]，這些包含了從宏觀到微觀的各個領域。以往的研究更多的側重于硅對水稻產量、品質、逆境耐受能力等方面的影響，而對于土壤硅形態的報道較少。在硅肥的施用方面，較多的是選擇各種外源硅肥，而對于生物炭中本身無機硅的研究較少。與此同時，我國約有1330萬hm2水稻田存在缺硅現象[15]，對如何提高土壤硅含量，改善土壤硅形態及提高水稻產量是目前水稻高產栽培中面臨的重大科學問題。而富硅生物炭較單純的硅肥除了具有硅肥的功效外，在改良土壤理化性質、修復重金屬污染土壤以及固氮減排等方面的作用遠好于硅肥。鑒于此，本研究以南方紅壤性水稻土為研究對象，利用盆栽試驗，通過添加不同類型的富硅生物炭，探究其對土壤硅形態及水稻不同組織生物量的變化、硅的吸收與分布的影響，旨在為富硅生物炭在水稻高產栽培中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤理化性質 供試土壤采集于江西農業大學試驗田內，選用紅壤性稻田耕層土壤(0—20 cm)，風干研磨后過2 mm篩備用，其基本理化性質為：pH 6.4、有機質7.97 g/kg、有效硅(Si) 83.58 mg/kg (pH 4.0的醋酸-醋酸鈉緩沖液浸提)、粘粒140 g/kg、粉粒371 g/kg、砂粒489 g/kg、全氮0.59 g/kg、全磷 0.34 g/kg、Olsen-P 10.46 mg/kg。

1.1.2 供試生物炭的制備 以木屑(BW)為低硅含量生物炭制備原料，以稻殼(BH)和竹葉(BB)為中濃度硅含量生物炭的制備原料，按以下方法制備生物炭[2]：首先將原料在空氣中干燥7 天，然后放在60℃下烘箱中干燥過夜，再將這些材料研磨過0.15 mm篩，并裝入100 mL陶瓷坩堝中，隨后將其置于馬弗爐中，以6℃/min的加熱速率編制升溫程序，在穩定的溫度(即300℃、700℃)下保持5 h后自然冷卻至室溫即得到低、中硅含量的生物炭，分別用BW3、BH7、BB7表示。

以稻殼(BH)和竹葉(BB)為原材料，在前期的預備試驗基礎上，改進相關文獻[16]中的研究方法，選用KOH對其進行改性，制備高硅含量的生物炭。具體步驟如下：采集的原料樣品清洗除塵，置于60℃烘箱干燥48 h，隨后用高速旋轉粉樣機進行研磨并過1 mm篩。將處理后的稻殼和竹葉原料樣品分別與KOH原料以5∶100 (w/w)混合，然后裝入坩堝中，同時加入100 mL超純水(基于100 g原料)，并靜置90 min以待KOH充分溶解。隨后將坩堝置于馬弗爐中，溫度設定為150℃，保持30 min，隨后升溫至550℃并保持90 min，待冷卻至室溫后取出生物炭即為高硅含量的生物炭，分別用AH和AB表示，研磨并通過1 mm篩，密封干燥保存，以便后續試驗使用。

以上所制備的5種生物炭基本性質見表1。

表1 不同硅含量生物炭的化學性質Table 1 Chemical properties of tested biochar

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，所用盆缽為紅色塑料桶，盆高21 cm，底部和頂部直徑分別為18 cm和23 cm。每個盆中放入2 kg土壤，然后放入事先搭建好的透光的塑料薄膜棚中，棚四周與外界相通，棚中氣候條件與外界基本相同。用BW3、BH7、BB7、AH、AB 5種生物炭與土壤分別以0.4%和0.8%比例混合，以不施生物炭為對照(CK)，共計11個處理，每個處理重復3次。供試水稻品種為‘美香粘2號’，各處理氮磷鉀養分用量相等，即每盆施用純N 0.3 g、P2O50.2 g、K2O 0.3 g，供試化肥為尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)，所有肥料均一次性做基肥施入且與土壤充分拌勻。采用塑料盆濕潤育秧，待秧苗生長至3葉期后，將其移植到預先準備好的試驗盆中，每盆1株，用自來水灌溉，在幼苗生長和水稻分蘗期保持淹水在土壤上方3 cm處，在成熟期保持淹水在土壤上方2 cm處，其他按常規栽培要求進行。

1.3 樣品采集及分析方法

水稻成熟期，將每株水稻分成籽粒、秸稈(包括葉)和根系，并用去離子水徹底洗凈根，于烘箱105℃殺青30 min，然后保持 70℃烘至恒重，供植株干物質和Si養分含量測定。生物炭中C元素采用元素分析儀測定(Elementar Vario MACRO，德國)，pH依據文獻[17]測定(生物碳∶水=1∶20)，灰分依據文獻[2]測定，生物炭和植株硅含量采用堿熔法[18]，其消解液采用硅鉬藍比色法[19]測定.

水稻收獲后，每處理分別采集土壤樣點10個，然后均勻混合，自然風干后過2 mm篩，供土壤硅形態含量測定。土壤中硅的形態采用改進的逐級化學連續浸提法[20]測定：即，1)醋酸-醋酸鈉緩沖液提取有效態硅；2)雙氧水提取有機結合態硅；3)鹽酸羥胺提取鐵錳(氫)氧化物結合態硅；4)氫氧化鈉提取無定形硅。

1.4 數據處理

采用Excel 2016、SPSS 26.0和Origin 2018軟件進行數據處理和統計分析，并利用Duncan法進行顯著性檢驗，相關分析采用Pearson系數法。

2 結果與分析

2.1 富硅生物炭對土壤硅形態的影響

雙因素方差分析結果(表2)表明，富硅生物炭類型和添加量對土壤有效硅、有機結合態硅、鐵錳氧化物結合態硅均有極顯著影響(P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。土壤有效硅含量隨富硅生物炭添加量的增加而增加，除低添加量(0.4%)的BW3處理外，其他處理土壤有效硅含量均顯著高于CK處理(P＜0.05)，增幅為23.64%～184.23%，其中以添加AB富硅生物炭的處理最為明顯，其土壤有效硅含量在低添加量(0.4%)和高添加量(0.8%)分別比CK提高了126.6%和184.23%。而富硅生物炭高添加量處理的土壤有效硅含量均顯著高于低添加量對應的處理(P＜0.05)，在低添加量(0.4%)時，土壤有效硅含量大小依次表現為處理AB≈AH＞BB7＞BH7＞WB3，且差異顯著(P＜0.05)；而在高添加量(0.8%)時，則表現為 AB＞AH＞BB7＞BH7＞WB3，且差異顯著(P＜0.05)。可見，生物炭類型及其添加量對土壤有效硅含量的變化有一定的影響。富硅生物炭在高添加量(0.8%)時，有機結合態硅在高硅生物炭(AH、AB)處理與低硅生物炭(BW3)處理間差異顯著(P＜0.05)，且高硅生物炭(AB)處理較CK增加了59.53%。隨著富硅生物炭的添加，土壤中鐵錳結合態硅含量也相應增加，在高添加量(0.8%)時，處理之間差異顯著(P＜0.05)，尤其添加BH7、BB7、AB的處理差異明顯，其中，AB高硅生物炭的添加，土壤鐵錳結合態硅含量比CK提高了117.54%。土壤無定形硅含量隨著富硅生物炭用量增加而增加，其在兩種不同的添加量水平時，高硅生物碳AB與低硅生物炭BW3之間差異都顯著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)時，除添加低硅的BW3處理顯著低于CK處理外，其他處理間差異不顯著，其原因可能與土壤本身無定形硅的含量較高有關。

表2 不同生物炭及其添加量對土壤不同形態硅含量的影響 (mg/kg)Table 2 Content of various forms of silicon in soil as affected by biochar types and addition rates

2.2 富硅生物炭對水稻產量及其生物量的影響

雙因素方差分析結果(表3)表明，富硅生物炭類型和添加量對水稻產量、秸稈生物量、根部生物量均有極顯著影響 (P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。添加富硅生物炭明顯增加了水稻籽粒產量，且隨著其用量的增加而增加。水稻籽粒產量添加生物炭的處理間差異顯著(P＜0.05)；除低量添加BW3處理外，其他添加富硅生物炭的處理水稻籽粒產量均顯著高于CK處理(P＜0.05)，尤其是在其高添加量(0.8%)時，水稻籽粒產量增加明顯，與CK相比，增幅為4.18%～44.28%。同樣，添加富硅生物炭還增加了水稻秸稈生物量，且整體隨生物炭用量的增加而增加，其中，在高添加量(0.8%)的情況下，添加低、中、高硅生物炭的處理間差異顯著(P＜0.05)，其中添加BH7、BB7、AH和AB富硅生物炭的處理水稻秸稈生物量較CK分別增加了15.68%、24.95%、43.41%和51.16%。就根部生物量而言，在高添加量(0.8%)時，高硅生物炭處理與低硅生物炭處理間差異顯著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)時，水稻根系生物量增加趨勢不明顯。說明適當添加中、高硅含量的生物炭有利于促進水稻根部生長。

表3 富硅生物炭對水稻籽粒產量和生物量的影響Table 3 Effects of silicon-rich biochar on rice grain yield and biomass

2.3 生物炭對水稻植株吸硅量的影響

雙因素方差分析結果(表4)表明，富硅生物炭類型和添加量對籽粒、秸稈和根部硅含量均有極顯著影響(P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。水稻各部位硅的積累量大致呈秸稈＞籽粒＞根部的趨勢，其中高硅生物炭的添加，明顯增加了各個部位硅的吸收量，且隨著添加量的增加而增加。對籽粒的吸硅量，整體隨著生物炭用量的增加而增加，在低添加量(0.4%)時，各生物炭處理間差異顯著(P＜0.05)。秸稈吸硅量在兩種不同量添加水平下，同種水平下的處理間差異顯著(P＜0.05)。在高添加量(0.8%)的情況下，除低硅生物炭BW3外，其他生物炭處理與對照CK相比，其增幅為19.29%～73.68%。就根系硅積累量而言，在低添加量(0.4%)時，根系吸硅量添加中、高硅生物炭的處理與CK處理差異不顯著，卻均顯著高于添加低硅生物炭的處理；而在高添加量(0.8%)時，高硅生物炭(AB、AH)處理、中硅生物炭(BH7、BB7)處理和低硅生物炭(BW3)處理間差異顯著(P＜0.05)。這說明生物炭添加量及類型對水稻各個部位的硅吸收量有一定影響。

表4 富硅生物炭及添加量對水稻植株各部位硅積累的影響 (g/pot)Table 4 Silicon accumulation in different parts of rice plants as affected by biochar and their addition rate

從水稻總的吸硅量來看，在高添加量(0.8%)時，水稻總吸硅量大小依次為AB＞AH＞BB7＞BH7＞BW3≈CK，且差異顯著(P＜0.05)，其中添加AB、AH的處理比CK分別增加了87.15%和70.64%；而在低添加量(0.4%)時，添加高硅生物炭的處理顯著高于添加中、低硅生物炭和CK處理。這表明高硅生物炭可以促進水稻對土壤硅養分的吸收。

2.4 籽粒產量與土壤各形態硅含量、水稻總吸硅量的相關性分析

相關分析結果(表5)表明，籽粒產量與土壤有效硅、有機結合態硅、鐵錳氧化物結合態硅及水稻總吸硅量呈極顯著正相關(P＜0.01)。同樣，水稻總吸硅量與土壤有效硅、有機結合態硅、鐵錳氧化物結合態硅均呈極顯著正相關(P＜0.01)。這說明水稻產量及對硅的吸收量與土壤中硅形態含量有密切關系。

表5 土壤中各形態硅含量、水稻植株總吸硅量和籽粒產量間的Pearson相關系數(n=33, 雙尾)Table 5 Pearson coefficients between silicon content of each form in soil, total silicon uptake of rice plants and grain yield

3 討論

3.1 富硅生物炭對土壤硅形態的影響

土壤有效硅是土壤中可供作物當季吸收利用的硅素，包括土壤溶液中的單硅酸及各種易于轉化為單硅酸的成分，如交換態及膠體態硅的一部分，不僅如此，前人研究[21-25]表明，土壤中硅的無機態也包含了水溶態硅、交換態硅、膠體態硅和無定形硅等多種類型，同樣無定形硅也可水解成膠體態硅或溶解于土壤溶液中，為植物生長提供部分有效態硅[26]，由此可見，這些硅的形態間可能存在相互轉化。本研究發現，添加富硅生物炭，土壤有效硅和鐵錳氧化物結合態硅在高添加量(0.8%)含量增加明顯，尤其是有效硅的含量增加顯著(P＜0.05)。其增加原因，一方面是由于富硅生物炭具有較高的硅溶出量，溶出的部分硅轉化為有效硅，同時彌補了水稻吸收的那部分硅的損失；另一方面，可能是無定形硅向有效硅的轉化[27-28]。一般而言，有效態硅庫主要源于生物蛋白石的分解和吸附于無定形鐵氧化物表面的單硅酸解吸。因此，土壤中無定形硅的分解和無定形硅的遷移或保存可能強烈影響有效態硅的分布[29]。寧東峰等[26]研究也發現，在水稻土中施用鋼渣硅鈣肥能促進土壤中無定形硅向有效硅的轉化；趙送來等[29]通過對雷竹林有機物的覆蓋發現，覆蓋有機物后土壤中無定形硅可以轉化為有效態硅、有機結合態硅和鐵錳(氫) 氧化物結合態硅；Wickramasinghe等[30]研究結果也支持了這一觀點。而本試驗研究的無定形硅的含量變化并不顯著(P＞0.05)，其原因可能是供試土壤本身無定形硅含量較高(4190 mg/kg)，富硅生物炭釋放出來的硅不足以改變土壤中無定型硅的含量，其影響機理有待做進一步研究。

3.2 富硅生物炭對水稻產量及吸硅量的影響

以往研究發現，硅對水稻生長發育及產量有一定的影響。楊丹等[31]在酸性水田土壤上施用硅肥，增產率高達16.99%，且成熟期水稻植株含硅量與稻谷產量間存在顯著的線性正相關關系；陳進紅等[32]通過對雜交粳稻施加硅肥的研究結果也表明，施用硅肥具有增加水稻干物質積累與籽粒產量的作用。不僅如此，生物炭與各種化肥配施同樣可以提高水稻的產量[28]。本試驗研究發現，添加富硅生物炭能顯著增加水稻籽粒產量(P＜0.05)，這與前人研究報道[33]一致，其原因一方面是生物炭提高了土壤有效硅含量，增加了土壤養分的供應量[34]；另外一方面是植物吸收硅素養分可以更有效利用太陽輻射和攝取更高的養分(N和K)[35-37]。總之，植物產量的差異與生物炭類型及其施用量和土壤類型有密切關系[38]。

本研究發現，低硅生物炭(BW3)添加到土壤中對水稻籽粒、秸稈和根部吸硅量都較對照有降低的現象，其原因可能是低硅生物炭在土壤中變成了一種硅“庫”，使得土壤中釋放的硅被生物炭表面的鐵、鋁氧化物所吸附，從而減少根系周邊硅的濃度而造成水稻體內硅濃度的降低[39]。而添加中、高硅生物炭的處理，無論是低添加還是高添加量，水稻籽粒、秸稈和根部中硅含量較對照處理均有增加的趨勢，有的甚至達顯著水平。相關分析表明，籽粒產量與土壤有效硅、有機結合態硅、鐵錳氧化物結合態硅、水稻總攝硅量呈極顯著正相關(P＜0.01)。

添加富硅生物炭對水稻總的吸硅量增加明顯，特別是添加了高硅生物炭AB的處理，比CK總的吸硅量增加了73.68%，究其原因，一是生物炭改善土壤養分的可利用性，如N、P、K的吸收轉化[40-42]；二是生物炭的添加伴隨pH的增加進一步促進硅的高效釋放[39]。相關分析表明，水稻總吸硅量與土壤有效硅、有機結合態硅、鐵錳氧化物結合態硅呈極顯著正相關(P＜0.01)。綜合分析，在農業生產中可以把富硅生物炭作為土壤中的一種補充硅源的肥料。

4 結論

添加富硅生物炭能夠顯著增加土壤有效硅以及鐵錳結合態硅的含量，且隨著添加量的增加而增加。添加中、高硅含量生物炭可以促進水稻對硅素營養的吸收，顯著提高水稻籽粒硅含量和產量。綜上，富硅生物炭可作為水稻生產中的高效硅肥。