調理劑對旱直播稻土壤物理性狀、氮素吸收與遷移的影響

李夏雯， 盧樹昌

(天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384)

我國北方水資源緊張，大水灌溉下的滲漏、地表蒸發等途徑造成稻田水分利用率低，嚴重制約我國水稻種植可持續發展[1]。另外，我國常規稻田氮肥投入量較世界平均水平高出75%，過量施用氮肥導致大量氮素在土壤中積累，加之水田長期淹水增加了氮素向土壤下層及周圍擴散運移，容易造成環境風險[2-5]。水稻直播旱管栽培具有節水、省工、省時的特點，發展直播旱管栽培方式(下文以“旱直播稻”表達)配以科學配套管理措施，可為水稻節水、減緩氮素運移風險提供有效途徑；旱直播稻對土壤環境的需求較常規水稻有較大差異。近年來，不少研究利用土壤調理劑來改善土壤理化性狀，提高土壤質量。研究表明，土壤調理劑可以促進團粒結構形成，降低容重，使土壤水肥保持性能提高[6]。黃家怡等研究發現，在氮、磷各減量20%的基礎上增施生物炭和腐殖酸，能顯著提高雙季稻的株高、結實率及產量，明顯降低氮流失風險[7]。

常規水稻栽培一般需要黏粒含量高的質地黏重土壤，灌溉方式為灌水量大的水田管理，而直播旱管栽培直接播種于大田，實行旱地管理，在種植方式與水肥管理方面與常規水稻差異較大，對土壤理化性狀要求也存在差異[8-11]。當前，土壤調理劑施用對直播旱管栽培方式下土壤環境質量提升、提高氮素利用方面的報道較少，尤其對旱直播稻田土壤理化性狀研究不深入。基于此，本試驗提出在優化水分管理方式下，施用不同土壤調理劑，探究對旱直播稻田土壤物理性狀、氮素吸收及遷移狀況的影響，以期為北方水稻直播旱管栽培土壤管理方式提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天津市武清區大孟莊鎮后幼莊村，地理位置為39°32′～39°33′N，116°57′～116°58′E。該區為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降水量550～606 mm，60%集中在6—8月。土壤類型為潮土，質地為輕壤，土壤保水保肥性能不高，常年大水漫灌，容重偏高，呈堿性、非鹽漬化，肥力中等以上。具體土壤理化性狀如表1所示。

表1 試驗地土壤理化性狀

1.2 供試作物與材料

1.2.1 供試作物 早稻品種為津原E28。該品種為粳型常規稻，京津唐地區種植的平均全生育期為178 d。

1.2.2 供試土壤調理劑材料 稻殼生物炭：由稻殼材料制作，購于天津亞德爾生物質科技股份有限公司。腐殖酸：固體粉狀，購于天津休美特國際貿易有限公司。供試調理劑基本理化性狀見表2。

表2 供試材料理化性狀

1.3 試驗設計與管理

試驗時間為2020年5—10月，采用生物炭和腐殖酸2種調理劑，設計4個處理，即CK(對照)、BC(24 000 kg/hm2生物炭)、HA(1 500 kg/hm2腐殖酸)、BC+HA(12 000 kg/hm2生物炭+750 kg/hm2腐殖酸)。小區面積36 m2(6 m×6 m)，采用隨機區組設計，每個處理3次重復，設置保護行，播種量為 90 kg/hm2，播種行距為30 cm。

水分優化管理方式為旱直播濕潤灌溉，即旱直播后立即進行田間灌水等待出苗，除分蘗后期排水曬田外，在整個生育期內灌小水，保持土壤濕潤，以根層土壤水分占飽和含水率的75%～85%作為灌水控制標準。全生育期灌水量7 500 m3/hm2，10～15 d灌1次，每次750 m3/hm2。

施肥管理：全生育期施氮300 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。氮肥分為整地、分蘗期、分蘗末期、拔節孕穗期4次施用，分別按照40%、20%、20%、20%的比例施入，即基追比4 ∶6，以尿素形式提供；磷、鉀作為基肥一次性施入，以磷酸二銨和硫酸鉀形式提供。由于磷酸二銨含有部分氮素，基肥尿素施用量計算時要扣除磷酸二銨中的氮素。

1.4 樣品采集與測試方法

收獲期(10月31日，結實期)用環刀采集各小區土壤樣品，然后測定容重、田間持水量；用鐵鍬采集0～20 cm散土，自然風干、去雜后用于測定土壤團粒結構；用土鉆按“S”形五點取樣法采集各小區深層為0～30、30～60、60～90、90～120 cm的土樣，經標準化處理后，測定分析土壤全氮、硝態氮含量。在收獲期(10月31日，結實期)每小區去除兩側保護行各5行(1.5 m寬)及兩頭各1 m邊界，取中心區10行(3 m寬)共12 m2(3 m×4 m)植株進行整株收獲，自然風干晾曬后將旱直播稻莖葉、根、穗分離，各部位分別稱質量，計算干物質量。

土壤容重采用環刀法測定，用高10 cm、規格200 cm3的環刀取5～15 cm深度土壤，無損失轉移并稱質量后在105 ℃下烘干至恒重，再稱質量計算可得[12]。田間持水量采用環刀法取5～10 cm深度土壤，同時取相同土層散土樣品，將環刀原狀土樣浸入水面比環刀上緣低1～2 mm的水中，浸泡 24 h，散土風干后過2 mm篩，裝入另一環刀，將飽和的濕土環刀同濾紙一起壓在同類風干土環刀上方，接觸8 h，后從原狀土樣環刀中取土20～30 g置于鋁盒中，烘干法測定含水量[13]。團粒結構采用濕篩法，稱取5.00 g經研磨過5 mm篩的土樣，放入 >2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、>0.106～0.25 mm和≤0.106 mm共6個不同粒級的土壤團粒結構分析儀中，振蕩40 min后，各篩控水，放入105 ℃烘箱內烘烤8 h，再稱量不同孔徑下的烘干土質量，并計算平均質量直徑(MWD)。土壤全氮含量采用濃硫酸-H2O2消煮-凱氏定氮法測定。土壤硝態氮含量采用氯化鈣溶液浸提，紫外分光光度法測定。平均質量直徑計算公式如下：

(1)

植物樣品用濃硫酸-H2O2消煮后用凱氏定氮法測定各部位全氮含量，并計算各部位吸氮量(吸氮量=干生物量×含氮量)。

1.5 數據處理與分析

數據采用Excel 2010進行處理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，用Duncan’s新復極差法法和LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理旱直播稻田土壤物理性狀狀況

2.1.1 不同處理旱直播稻田土壤容重和田間持水量狀況 由表3可知，與CK相比，各處理均能夠降低土壤容重，BC處理降幅最大，達5.96%，顯著低于其他處理(P<0.05)，BC+HA處理次之，降幅為4.64%。施加調理劑處理(BC、HA、BC+HA)的田間持水量較CK均有所增加，BC增幅為10.93%，顯著優于其他處理，BC+HA處理次之，增幅為2.27%。綜上，施加土壤調理劑對于降低旱直播稻田土壤容重以及提高田間持水量有積極作用，其中，BC處理在降低土壤容重和提升田間持水量方面效果最為顯著，說明生物炭本身具有的多孔性以及密度較小等特征利于增加土壤孔隙度，進而改善土壤容重和持水能力。

表3 各處理旱直播稻田土壤容重和田間持水量狀況

2.1.2 不同處理旱直播稻田土壤團粒結構狀況 由表4可知，BC處理能夠明顯提高>2 mm和 >1～2 mm 粒級的團聚體含量，而顯著降低>0.106～0.25 mm 和≤0.106 mm粒級團聚體含量，說明BC有利于大團聚體和中間團聚體的形成，同時降低微團聚體與黏團聚體含量。BC處理>0.25 mm粒級含量和平均重量直徑(MWD)顯著高于其他處理，較CK高出和31.92%和15.26%，BC+HA次之，分別高出25.02%、6.32%。綜上，BC處理能夠較好地改善土壤團粒結構進而提高土壤結構穩定性。

2.2 不同處理旱直播稻干物質量及氮素吸收狀況

2.2.1 不同處理旱直播稻干物質量狀況 由圖1可知，旱直播稻各處理干物質量狀況均為莖葉>稻谷>根，莖葉所占比例最大，為38.5%～43.6%，稻谷比例為35.5%～44.5%，根部比例為17.1%～21.3%。各處理總干物質量依次為BC>HA>BC+HA>CK，BC處理最大(21 957.67 kg/hm2)。稻谷部位，BC處理干物質量達到7 949.17 kg/hm2，顯著高于其他處理，與CK相比，稻谷干物質量顯著提升77.61%，較HA、BC+HA處理增加了34.59%、20.50%，HA、BC+HA處理稻谷干物質量分別較CK提升31.97%、47.40%， 說明施加調理劑能夠促進水稻穗部發育，顯著提升籽粒產量。結合總干物質量及稻谷干物質量表現來看，BC處理能夠明顯促進旱直播稻生長發育，有利于莖葉與稻谷干物質積累，對產量提升有顯著效果。

表4 各處理土壤團粒結構不同粒級比例及平均質量直徑

2.2.2 不同處理旱直播稻氮素吸收狀況 由圖2可知，各處理總吸氮量表現為BC>HA>BC+HA>CK，其中BC處理最大(169.42 kg/hm2)，顯著高于其他處理。各處理吸氮量均表現為稻谷>莖葉>根；其中，莖葉和根部的吸氮量為BC>HA> BC+HA>CK，BC處理氮素吸收最好，莖葉、根部的吸氮量分別為66.10、28.01 kg/hm2，與CK相比分別增加29.63、17.32 kg/hm2，說明生物炭調理劑單一施用處理(BC)對促進旱直播稻莖葉和根氮素吸收有顯著效果。稻谷吸氮量表現為BC>BC+HA>HA>CK，BC處理最高(75.31 kg/hm2)，BC+HA處理次之(62.37 kg/hm2)，較CK分別高出82.71%和51.33%，各處理對促進旱直播稻根部對氮素吸收均有顯著效果，BC處理的促進效果最好。

2.3 不同處理旱直播稻田土壤氮素含量變化及遷移狀況

2.3.1 不同處理旱直播稻田土壤全氮含量變化 由圖3可知，與基礎值相比，各處理在收獲期均能降低土壤0～30 cm土層全氮含量， 降幅在0.95%～3.17%之間，但差異未達顯著水平。與CK相比，BC處理全氮含量降低2.14%，BC+HA處理次之，降幅為1.60%。說明施加生物炭在一定程度上能夠降低土壤表層全氮含量。

2.3.2 不同處理旱直播稻田土壤硝態氮含量狀況 由表5可知，在收獲期(10月31日，結實期)，與基礎樣比較，BC+HA處理4個土層的硝態氮含量均顯著降低，降幅從表層向下依次為50.14%、64.22%、40.87%和6.56%，且與其他處理差異顯著(60～90 cm土層除外)。土壤水分下滲會引起硝態氮的淋失，硝態氮含量較種植前大幅降低是由于作物與灌溉方式均發生改變，旱作節水灌溉方式減緩了大水灌溉造成的下滲累積。在60～90 cm和 90～120 cm土層，CK的硝態氮含量相較于基礎值顯著增加，其后期累積在土壤中的硝態氮沒有被及時汲取而向下淋洗，其他施用調理劑處理硝態氮含量均有不同程度的降低，說明生物炭、腐殖酸的施用可以減緩氮素隨水向深層遷移狀況。綜合收獲期4個土層的硝態氮含量變化，BC+HA處理能顯著降低土壤硝態氮含量，對于減緩氮素遷移、控制環境風險有明顯效果。

表5 各處理收獲期稻田土壤硝態氮含量狀況

3 討論與結論

土壤物理性狀的改善有利于形成適宜的旱直播稻生長條件，促進氮素吸收。何立德等的研究表明，土壤調理劑能夠改善旱直播稻生長環境，促進其生長以及干物質積累，增產率達9.0%[15]。本試驗結果表明，單施生物炭處理在產量與氮素吸收方面的效果最好，可能與生物炭對土壤物理性狀改善效果顯著有關。研究表明，生物炭顆粒密度較低，具有多孔性質，能夠吸附更多的水分子，增加土壤的蓄水、保水作用[16-17]。土壤團粒結構是土壤結構的基本單元，各粒級團聚體的數量分布和空間排列方式決定了土壤水力性質及通透性能，對土壤氮的利用、供給與轉化等都有重要影響，進而影響氮素在土體內遷移[18-19]。Lu等研究發現，施加6%稻殼生物炭能夠顯著提高2～5、0.25～0.5mm大團聚體含量，同時減小<0.25 mm微團聚體含量，且顯著提高了平均重量直徑[20]。這可能是由于生物炭等土壤調理劑與土壤混合，在氫鍵和靜電的作用下對電解質離子、有機分子、絡合物等發生吸附，促使分散的土壤顆粒團聚形成團粒，以增加土壤水穩性團聚體含量及其穩定程度[21-22]；同時，生物炭本身能夠提高土壤中有機碳含量并降低有機碳礦化，有機碳作為膠結物質，可以有效促進團聚體的形成[23]；另外，生物炭等調理劑的CEC較高且比表面積大，可吸附大量的多酚化合物為微生物提供碳源，激發其活性，進而使非穩定性膠結劑(真菌菌絲、根系、植物源的多糖等)含量得到提升，以促進土壤團聚體膠結作用[24-26]。

張愛平等研究發現，生物炭配施氮肥可以顯著提高水稻籽粒產量44.89%，增加地上部吸氮量66.27 kg/hm2，大大提升氮肥利用率[27]。本研究結果中，單施生物炭效果顯著優于其他處理，稻谷部位氮素吸收較對照增加82.71%，氮素利用明顯提高。這可能是因為一方面生物炭密度低、多孔，吸附作用較強，可吸附大量的多酚化合物，為微生物提供碳源進而提升微生物活性，促進礦化[28]，從而促進氮的固定[29]；另一方面，生物炭孔隙結構發達且穩定性高，可以通過在微、中觀土壤毛孔中滯留水分而實現養分的保留，從而增強對氮素的吸持能力[30]，促進土壤中氮素的吸收，進而減緩在土層間運移[31]。生物炭具高度的穩定特性，施入土壤中具有多年持續效果[32]，本試驗對土壤物理性狀的研究為1年田間小區試驗結果，有待繼續開展多年試驗，以進一步深入研究。

劉燦華等的研究表明，腐殖酸施入土壤可有效增加土壤孔隙度并降低土壤容重，大幅度改善土壤物理性質，進而調節土壤養分狀況[33]。而本試驗單施腐殖酸處理在改善土壤質量和提高產量方面均未獲得最優效果，可能是因為劉燦華等的研究中腐殖酸施用量為3 000 kg/hm2，較本試驗單施量高出2倍因而效果顯著。腐殖酸施用對化肥中氮素有緩釋作用，對鉀素有增效效果[34]，本試驗單施腐殖酸處理生物量表現較弱，其原因可能是腐殖酸加強了莖稈部位的養分吸收，同時促進根部發育效果顯著，根系活力提高使根部干物質累積增加，而這對旱直播稻籽粒生長產生了負向影響[35]，因而影響了總生物量和產量。本試驗結果表明，生物炭與腐殖酸結合也可以較好地降低土壤容重，降幅僅次于生物炭，這可能是由于生物炭豐富的微孔隙結構使土壤通氣和透水性增強，腐殖酸的施入有效調節了土壤酸堿度，使土壤 pH 值始終處于有益于土壤微生物生長的范圍內，以激發微生物的生化活性，二者結合有利于改善土壤物理性狀及氮素吸收[22，36]，而可能由于配施處理2種調理劑施用量相對較小，促進作用低于單施生物炭，因而未能獲得最高產量。

從土壤物理性狀方面看，單一施加生物炭能夠顯著降低土壤容重5.96%，提高田間持水量10.93%，并有效改善土壤團粒結構；從生物量、氮素養分吸收來看，單施生物炭處理的生物量與氮素吸收量均最大，其總干物質量為21 957.67 kg/hm2，稻谷部位達7 949.17 kg/hm2，同時總吸氮量達 169.42 kg/hm2，稻谷部位為75.31 kg/hm2。生物炭與腐殖酸配施處理僅次于單施生物炭處理；從減緩氮素遷移方面看，生物炭與腐殖酸配施效果最好，能夠顯著降低4個土層硝態氮含量，降幅為6.56%～64.22%。總體看，施加24 000 kg/hm2生物炭能有效改善稻田土壤物理性狀，促進氮素吸收，提高旱直播稻生物量，12 000 kg/hm2生物炭與750 kg/hm2腐殖酸配施下，能夠顯著減緩旱直播稻田土壤氮素遷移，降低氮素環境風險。