不同土壤類型條件下生物炭施用量對水稻產量、品質和土壤理化性狀的影響

石 呂， 薛亞光， 韓 笑， 石曉旭， 魏亞鳳， 楊美英， 劉 建

(江蘇沿江地區農業科學研究所/南通市循環農業重點實驗室，江蘇如皋 226541)

作為一種新興土壤改良劑，生物炭具有碳元素穩定、孔隙結構發達和比表面積大等特點，保水性能和吸附能力較強，與土壤充分混合后，可促進微團聚體的形成，有效降低土壤容重，同時能夠提高土壤pH值、有機質含量和全氮含量，促進土壤礦質態氮的緩慢釋放，增加作物對養分的吸收，減少養分淋溶損失，提高氮肥利用率，進而改善土壤結構和水、肥、氣、熱狀況[1-3]。前人針對不同類型生物質炭及施用量[4-5]、不同控水模式與生物炭添加[6]、生物炭與無機氮配施[7]、移栽密度和生物炭施用[8]等對水稻生長、抗倒伏能力、產量、土壤養分含量、稻田溫室氣體排放及氮肥利用率的影響開展了系列研究。眾多結果表明，施加生物炭能改善植株農藝性狀和產量構成因素，增加干物質積累，實現水稻增產，改善水稻莖稈基部性狀，增強抗倒伏能力[4，6，8]，改善土壤理化性狀，增加各養分含量[4]，并顯著降低土壤中CH4和N2O排放量，從而顯著降低全球變暖潛能值(GWP)，降低溫室效應[5]，同時減氮30%配施生物炭能有效降低稻田N2O排放，增加水稻產量，提高氮肥利用率[7]。

不同地區的氣候條件、土壤類型、土壤肥力狀況、生物炭的固有屬性和適宜施用量在一定程度上存在諸多差異，均會影響生物炭作用于作物產量及生物量的最終效用[9]。目前關于生物炭對作物品質影響的研究已有很多，但對稻米品質影響的研究鮮有涉及[10]。位于江蘇南通如東中西部至如皋中東端有一條東西向的帶狀區域的水稻土，富含有機質，系由長江沖擊形成的2萬hm2草甸土，素有“蘇北烏克蘭”之稱，符合無公害稻米產地環境條件[11]，該地區所產的如東大米在國內市場具有較高的知名度。本研究通過草甸土和沙壤土2種典型土壤類型條件下的盆栽試驗，探討不同生物炭施用量對水稻農藝性狀、產量品質和土壤特性的具體影響，旨在為南通地區優質水稻生產過程中生物炭的大面積應用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2019年6—10月在江蘇沿江地區農業科學研究所盆栽場實施。試驗盆缽規格為口徑 29 cm，高度27 cm。沙壤土取自江蘇沿江地區農業科學研究所內試驗田，草甸土取自如東縣曹埠鎮直港村大田，基本理化性質如表1所示。試驗所用生物炭由江蘇省如皋市鑫淼新能源科技有限公司提供，其基本性狀：pH值7.77，有機質含量為 313.49 g/kg，全氮含量為13.45 g/kg，堿解氮含量為343.93 mg/kg，全磷含量為7.53 g/kg，速效磷含量為1 313.16 mg/kg，全鉀含量為19.64 g/kg，速效鉀含量為 13 166.67 mg/kg，陽離子交換量(CEC) 0.33 cmol/kg。

表1 供試土壤的基本性質

1.2 試驗設計

試驗設土壤類型與生物炭施用量2個因素。土壤類型設沙壤土﹑草甸土2種。生物炭施用量設0、20、40、60、80 t/hm25個水平，分別記為C0、C20、C40、C60、C80。隨機區組設計，3次重復，各重復準備10盆。試驗用土提前人工過5 mm篩，每個盆缽裝土量為13.14 kg(含水率為8.7%)。供試水稻品種為南粳5055，于6月25日移栽，雙本栽插，每盆3穴。常規氮肥運籌，施純氮20 kg/667 m2，基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=4 ∶2 ∶4，促花肥 ∶?；ǚ?6 ∶4，同時基肥施用磷酸二氫鉀1 g/盆。按常規水稻大田生產規程管理。

1.3 測定項目與方法

分別于水稻拔節期、抽穗期用SPAD-502Plus手持葉綠素儀測定水稻主莖展開劍葉上、中、下部葉綠素含量，取其平均值表示該葉片葉綠素的相對含量。水稻成熟后，每處理實收計產3盆，并選取3盆長勢比較均勻的水稻用于考種、生物量和養分含量測定。同時每個處理選取3盆長勢比較均勻的水稻合在一起，曬干并存放3個月以上，使其含水量穩定在14%左右，將稻谷用小型精米機和粉碎機加工成米粉后，過100目篩，用于稻米品質測定。于水稻分蘗期、有效分蘗臨界葉齡期、拔節期、抽穗期及成熟期，取盆栽上層20 cm土樣，風干磨細，過10目篩，用于土壤理化性狀及養分含量分析。植株全氮含量采用全自動凱氏定氮法測定，全磷含量采用釩鉬黃比色法測定，全鉀含量采用火焰光度法測定。稻米加工品質(糙米率、精米率、整精米率)、外觀品質(堊白粒率、堊白度、長寬比)、直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值的測定方法按農業行業標準《米質測定方法》(NY/T 83—2017)執行。蛋白質含量采用凱氏定氮法測定，再乘以換算系數5.95即為蛋白質含量。土壤pH值和電導率(EC)采用Mettler pH計直接測定，水土比為5 ∶1；土壤CEC值采用EDTA-乙酸銨鹽交換法測定。采用全自動凱氏定氮儀測定土壤全氮含量，0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量，1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀含量，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機質。

1.4 數據處理

采用Excel 2003整理數據，SigmaPlot 10.0繪圖，SPSS 19.0進行相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用量對水稻農藝性狀及產量的影響

從表2中可以看出，沙壤土水稻穗長、一次枝梗數和二次枝梗數有高于草甸土水稻的趨勢，尤其是二次枝梗數表現明顯，而每盆穗數則與之相反。不添加生物炭(C0)情況下，沙壤土水稻株高、每穗粒數、結實率、千粒質量和實際產量均低于草甸土水稻，而同等生物炭添加量條件下趨勢相反?？梢姡橙劳了局旮摺⒚克肓?、結實率、千粒質量和實際產量對生物炭的施用相對更敏感，其中增產率均達到50%以上。隨著生物炭施用量的增加，水稻株高、每盆穗數、結實率和實際產量呈增加趨勢，其中草甸土條件下C60結實率雖有所下降，但與C0相比未達顯著差異水平(P>0.05)，穗長變短，一次枝梗數和二次枝梗數減少，不同類型土壤趨勢一致。每穗粒數和千粒質量因土壤類型而異，草甸土條件下呈下降趨勢，沙壤土條件下則先升后降，并在C20和C40處理均呈提高趨勢。

進一步對水稻產量和生物炭施用量進行相關性分析，結果如圖1所示。不同土壤類型條件下，水稻產量與生物炭施用量呈正相關關系，其中，草甸土條件下相關系數(r1)為0.918(P<0.05)，沙壤土條件下相關系數(r2)為0.826(P>0.05)。

2.2 生物炭施用量對水稻劍葉SPAD值和成熟期干物質積累的影響

由表3可見，與產量趨勢類似，水稻成熟期莖鞘、葉片、穗質量和總干物質積累量均隨生物炭施用量的增加而逐漸提高，生物炭對沙壤土條件下成熟期水稻穗質量及總干物質的調節作用要高于草甸土，其中C80處理總干物質積累量增幅高達44.1%。

表2 生物炭施用量對水稻農藝性狀及產量的影響

表3 生物炭施用量對水稻成熟期干物質積累的影響

施用生物炭有提高水稻劍葉SPAD值的作用，不同生育時期和土壤類型條件下趨勢基本一致(圖2)。其中草甸土條件下，生物炭對劍葉SPAD值的影響較小，僅C60和C80處理達到顯著水平(P<0.05)，而沙壤土條件下劍葉SPAD值變化則相對較為敏感。

2.3 生物炭施用量對稻米品質的影響

從稻米加工品質和外觀品質來看，草甸土水稻總體優于沙壤土水稻。糙米率、精米率、整精米率隨生物炭施用量的增加呈提高趨勢，堊白粒率與堊白度則與之相反，外觀品質有改善的趨勢，不同土壤類型表現一致(表4)。

與不施生物炭(C0)相比，草甸土條件下，糙米率、精米率和整精米率增幅分別為0.48%～2.05%、0.98%～3.79%和7.02%～20.21%，堊白粒率和堊白度降幅分別為1.21%～16.97%和16.46%～43.04%；沙壤土條件下，糙米率、精米率和整精米率增幅分別為1.99%～4.73%、1.59%～6.65%和0.61%～12.27%，堊白粒率和堊白度降幅分別為4.65%～23.26%和4.82%～42.77%。

表4 生物炭施用量對稻米加工品質和外觀品質的影響

可見，生物炭對沙壤土水稻加工品質和外觀品質的調控效應有大于草甸土的趨勢。

由表5可知，不論施用生物炭與否，草甸土條件下稻米蛋白質含量、直鏈淀粉含量和膠稠度均表現出一定的優勢，尤其是蛋白質含量相對突出。不同土壤類型條件下，生物炭有助于稻米蛋白質的積累，并且均在 80 t/hm2顯著增加最多，草甸土和沙壤土稻米分別增加0.3、0.5個百分點；而對直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值的變化基本無顯著影響(P>0.05)，其中膠稠度隨生物炭施用量的增加有變長的趨勢。

表5 生物炭施用量對稻米蒸煮營養品質的影響

2.4 生物炭施用量對土壤理化性質及養分含量的影響

就整個生育期來說，土壤電導率(EC)在C0、C20和C40處理呈“V”字形變化，拔節期達最低值，在C60和C80處理呈線性下降，且草甸土EC值始終高于沙壤土(表6)。2種類型土壤條件下，生物炭施用均顯著提高了土壤EC值，且生物炭施用量越高，EC值增加越多?？梢园l現，沙壤土條件下土壤EC值對生物炭施用的響應更為敏感，相比于C0處理，C20處理在各時期增幅即達到193.3%、123.7%、70.6%和53.8%，明顯高于草甸土條件下各時期的89.0%、74.5%、41.3%和47.1%。

表6 不同生育期生物炭施用量對土壤電導率(EC)的影響

由表7可以看出，化學性質方面，草甸土和沙壤土條件下土壤pH值的變化范圍分別為7.62～8.20和8.13～8.55，呈堿性，生物炭的施用顯著降低了土壤pH值(P<0.05)，卻顯著提高了土壤陽離子交換量(P<0.05)，且兩者變化與生物炭施用量之間呈線性關系。至于不同養分含量，生物炭有助于土壤中有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量的顯著提高，并呈現一定的正相關關系，其中2種類型土壤的速效磷和速效鉀含量在不同生物炭施用量情況下增幅均超過了100%，最高為沙壤土條件下C80處理速效磷含量相比C0增加了1 875.0%。

此外，無論添加生物炭與否，草甸土中土壤養分含量均明顯高于沙壤土，而且生物炭對沙壤土土壤養分含量的調節增效作用顯著高于草甸土。相比于對照(C0)，生物炭的施用使得沙壤土中土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量最大提高了4.3、2.7、19.8、15.3倍，明顯高于草甸土中相應的2.0、1.3、4.9、6.9倍。同時草甸土條件下，土壤陽離子交換量高于沙壤土，pH值低于沙壤土，但兩者對生物炭施用的響應均為草甸土更為敏感。

表7 生物炭施用量對土壤化學性質和養分含量的影響

3 討論與結論

3.1 不同土壤類型條件下生物炭施用量對水稻農藝性狀和產量的影響

生物炭對作物生長的影響因自身類型和施用量不同而不同[12]，其豐富的氮、磷、鉀等礦質元素以及有機碳營養可供作物吸收利用，并可通過提供有機與無機養分達到促進作物生長與土壤培肥的目的。有研究發現，施用一定量生物炭能夠增加水稻株高和葉片SPAD值，促進群體干物質積累，增加有效穗數和產量，使得收獲指數提高[4，8]，產量與生物炭施用量兩者間呈一定正相關關系，但當施用量過高時，水稻產量卻表現為降低趨勢[13]。黃雁飛等[14]研究發現，施用生物炭可使水稻穗長變長，增加每穗粒數和結實率，對千粒質量則無顯著影響，同時減氮30%配施生物炭能有效降低稻田N2O排放，增加水稻產量，并提高氮肥利用率[7]。本研究結果表明，隨著生物炭施用量的增加，水稻株高、成熟期干物質和生長期SPAD值均有所增加，每盆穗數、結實率和實際產量亦呈增加趨勢，而穗長變短，一次枝梗數和二次枝梗數減少，每穗粒數和千粒質量則因土壤類型而異，草甸土條件下呈下降趨勢，沙壤土條件下則先升后降。這與前人研究結果[4，13-14]并不完全一致，可能與不同試驗生物炭種類、土壤類型質地及酸堿性等因素有關。產量的增加主要得益于每盆穗數與結實率的提高，這與牛同旭等基施生物炭主要通過同時促進有效分蘗來增加有效穗數和提高結實率達到增產的結論[15]一致。此外，本研究中因草甸土的有機質和養分含量明顯高于沙壤土，不論添加生物炭與否，其水稻穗數都明顯高于沙壤土水稻，而株高、每穗粒數、結實率、千粒質量和實際產量僅在不施用生物炭情況下高于沙壤土水稻，同等生物炭添加量條件下趨勢則相反，說明生物炭對沙壤土條件下水稻的生長及相關農藝性狀的調節作用更為顯著。陳芳等研究發現，木炭因其碳含量過高，導致吸附能力增強，釋放有效養分的能力減弱，使得水稻土壤中的速效氮磷鉀含量大大下降[4]。因此，生物炭應用過程中，應先明確不同土壤類型肥力質地狀況以及不同施肥模式、施肥量下相宜的生物炭種類和施用量，以保證土壤中養分釋放與固定維持相對平衡，作物養分需求與實際利用相協調，避免生物炭水平過高，降低速效礦質養分含量，不利于作物的正常生長。

3.2 不同土壤類型條件下生物炭施用量對稻米品質的影響

前人研究發現，在常規施肥的基礎上增施適量生物炭[10]和氮肥減量聯合生物炭施用[16]不同程度上均有利于稻米品質的改善。牛同旭等研究發現，施用生物炭一定程度上提高了加工品質和外觀品質，有提高稻米直鏈淀粉含量的趨勢，蛋白質含量因生物炭施用量變化不一[15]。可見，前人關于生物炭施用對稻米品質的影響結論不一，主要因為稻米品質是由環境、基因以及基因與環境互作共同決定的，且不同的品質性狀受這3個因素的影響并不相同。本研究表明，施用生物炭可明顯提高水稻糙米率、精米率和整精米率，且隨施用量增加呈提高趨勢，而堊白粒率和堊白度則與之相反，外觀品質有改善的趨勢；同時有助于稻米蛋白質的積累，而對直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值的變化基本無顯著影響，其中膠稠度隨生物炭施用量的增加有變長的趨勢。這可能是因為生物炭中的鉀素以及鈣、錳、鋅等微量元素含量較高，從而促進了植株體內相關酶的合成，達到改善稻米品質的效果[17]。此外，本研究中草甸土稻米加工品質、外觀品質和蒸煮營養品質(蛋白質含量、直鏈淀粉含量和膠稠度)總體優于沙壤土水稻，而且生物炭對沙壤土水稻加工品質和外觀品質的調控效應呈現大于草甸土的趨勢。

3.3 不同土壤類型條件下生物炭施用量對土壤理化性狀及養分含量的影響

生物炭在酸化土壤防治方面具有一定作用[1]。已有研究結果表明，作為酸性土壤的中和劑，施用生物炭后，酸性土壤的pH值會提高[18]，但對堿性土壤作用不明顯[19]。而生物炭自身含有的一些交換性陽離子，如Mg2+、K+、Ca2+等，在與土壤充分混合后將與其中的Al3+、H+進行交換，使其濃度降低[20]，進而調節pH值；同時鹽基飽和度和土壤陽離子交換性能有所提高，有助于土壤保肥能力的改善[21-22]。陳芳等研究發現，施用一定量生物炭能夠提高土壤pH值和EC值，增加土壤中有機質、速效氮磷鉀和總養分含量[4]。黃雁飛等研究發現，總體來說，生物炭的施用可增加土壤有效磷、速效鉀和全氮的含量，顯著提高土壤pH值和有機質含量，卻降低了土壤全磷、全鉀和堿解氮的含量[14]。本研究發現，生物炭施用顯著提高了土壤EC值、陽離子交換量、有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量，與前人研究結果[4，14]基本一致。土壤有機質含量的提高是因為生物炭本身的大比表面積以及豐富的孔隙結構可有效吸附土壤中的活性有機物質，從而減少土壤有機質的礦化[23]；生物炭有抑制土壤呼吸的作用，可減少土壤有機碳的礦化率[24]。而土壤速效磷、鉀含量的提高可能是因為生物炭的添加不僅為土壤微生物提供了充足的碳源，而且生物炭表面附有的豐富孔隙結構能夠充當微生物良好的棲息地，為解磷、解鉀細菌提供有利的生長環境，從而活化土壤中磷、鉀養分，提升土壤養分供給能力[25-26]。同時本研究中生物炭施用顯著降低了土壤pH值，這可能是由于本試驗條件下的2種類型土壤均呈堿性，而草甸土EC值、養分含量始終高于沙壤土，但是生物炭對沙壤土EC值和土壤養分含量的調節增效作用卻顯著高于草甸土，因此針對特定土壤類型需選擇合適的生物炭施用量。

盡管短時期內生物炭可通過改善土壤理化性狀達到水稻增產的目的，但隨著生物炭的老化，其作用效果勢必會大大減弱。因此，在今后試驗中，有必要對生物炭的合理施入間隔進行進一步深入探討與驗證。