施用生物炭對水稻地上部分生理特性的影響研究

王家驥，王旭東

（1.沈陽工學院生命工程學院，遼寧 撫順 113122；2.遼寧旭日東升肥料有限公司，遼寧 阜新 123200）

盲目施用肥料易污染農業環境和加重土壤板結，已成為社會共識。近年來，農林等諸多領域把科技關注焦點放在了生物炭上。與傳統工藝生產的黑炭或顆粒碳相比，采用現代熱裂解工藝生產的生物炭粉狀顆粒是一種芳香烴和單質碳構成物質，具有羧酸酯化結構、脂肪族鏈狀結構和芳香化結構[1]。在生物質炭化過程中，因保留其自有的空隙結構而增加了吸附力和抗氧化能力。生物炭特有的孔洞結構可使生物炭在施入土壤很長一段時間內依舊可以保持特有的性質不易被分解，具有較強的持久性[2]。生物炭技術能有效降低大氣中的二氧化碳含量，使大氣環境屬“碳負性”[3]，為發展低碳安全農業提供了新方向，為廢棄生物質再利用、作物營養吸收等提供了新思路，為改良土壤、調節pH 值等提出了新方案。在應用實踐中發現，像海綿一樣的生物炭不僅可以有效防止土壤營養元素流失，為土壤微生物代謝提供氮元素，還能引起作物根系適應性反應，并對作物地上部分生理特性有著深刻的影響。以水稻為例，研究不同生物炭施用量對水稻地上部分生理特性的影響，以期為生物炭的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 水稻品種與栽培模式

選用2016年國審的優質雜交水稻品種——隆優619[4]，采用直播栽培方式，觀察水稻在孕穗期和灌漿期的特性差異[5]。試驗期內嚴格遵循管理前促原則、化控促早原則和收獲宜遲原則，適時協調生長，縮短灌漿時長，使水稻最大限度地灌漿成熟。

1.2 土壤處理與種植方法

采用兩種土進行試驗：一是土壤和沙子以1∶2的比例混合土壤；二是沙土。選取的土壤要求有機質含量基本保持一致。生物炭經粉碎處理后過80 目篩，按一定比例要求混入兩份土壤，在人工條件下充分混勻，靜置24 h后使用。

采用4 個處理，對應不同的生物炭濃度梯度：CK（生物炭含量為0 g/m2），A（生物炭含量為450 g/m2），B（生物炭含量為900g/m2），C（生物炭含量為1300g/m2）。

試驗種植方法是在內部做好防水的100 個直徑0.3 m、高0.4 m的圓桶中，施用固定量混合土壤，記為Ⅰ組。在另外100個同樣的圓桶內施用固定量沙土，記為Ⅱ組。每個桶同一深度挖3個穴位，進行水稻隆優619培養。每個穴位放入5～6粒種子后覆土，覆土厚度0.5～0.8 cm。每個樣品灌水量相同且適宜，統一排放，保證水分含量一致。注意天氣情況，陰雨天搬入大棚中，以防雨水不定期不定量澆灌。定期查看生長情況，出秧期保證桶內水分在水稻秧苗根莖附近，并根據水稻長勢與物候期對桶中水分進行及時調整，確保水稻不受雨水澆灌和太陽光照。常規管理方式下，不同處理的水肥管理保持一致。

1.3 樣品處理及測定方法

孕穗期和灌漿期分別收割同株水稻同一部位葉片果實若干，即對水稻地上部分的同一部位進行采集、洗凈、稱質量。選出固定重量的地上部分在研缽中研磨成汁，通過研磨汁液測量地上部分植株全氮、全磷、全鉀數據，并對該數據進行比對，最終找出不同生物炭含量對水稻地上部分生理特性的影響。具體測定方法：

1.3.1 植株全氮含量 將水稻樣品進行凱氏相關操作。吸取定容好的消煮液5 mL，放入半微量蒸餾的內室進行堿化，然后將消煮液中的銨鹽轉變成NH4，用加入5 mL H3BO3指示劑的150 mL三角瓶進行蒸餾。待蒸餾出的液體體積達到50 mL左右時停止蒸餾，用少量蒸餾水沖洗冷凝管。用酸標準液滴定到紫紅色，記錄其數據。

1.3.2 植株全鉀含量 測定方法為H2SO4-H2O2消解—火焰光度法。水稻中的鉀元素是以鉀離子狀態存在于植物組織當中的，可采用ETHOS A微波消解儀（意大利Milestone 公司制）進行消解處理。樣品消解后經過稀釋，通過火焰光度法能夠測定待測液中的全鉀含量。1.3.3 植株全磷含量 使用H2SO4-H2O2消煮—銻鉬抗比色法。先將消煮好的水稻葉片待測液20 mL 放入50 mL的容量瓶中，加入指示劑兩滴，利用稀NaOH溶液和稀硫酸液調節pH值，加入銻鉬抗試劑5 mL定容搖勻。然后，在室溫條件下放置30 min顯色。以消煮的空白液作為吸光值零點，采用AA-700原子吸收分光光度計（日本）進行測定，將儀器波長調節至700 nm處比色，記錄測定的全磷含量數據。

1.4 數據統計與分析方法

對測定的數據進行單因素分析和多重比較處理。

2 結果與分析

2.1 混合土壤下不同生物炭處理對水稻不同生育期地上部分生理特性的影響

混合土壤條件下，不同生物炭濃度梯度處理對水稻孕穗期和灌漿期地上部分全氮、全磷、全鉀含量的影響見表1。

表1 混合土壤下不同生物炭濃度梯度對水稻不同生育期地上部分生理特性的影響Table 1 Effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in mixed soils /ppm

由表1 可知，隨著混合土壤中生物炭的含量增加，孕穗期水稻地上部分全氮含量與對照相比均有所增加但增幅不同，與灌漿期相比均有所提高，且兩者整體趨勢相同。生物炭施用量為450 g/m2時，孕穗期水稻地上部分全氮含量最高。生物炭使用量在大于A 組時，水稻地上部分含氮量遠低于A 組，同時A 組與C組之間沒有顯著差異，CK與B組無顯著差異，但A組、C組與CK、B組相比差異顯著。

灌漿期水稻地上部分全磷含量均不高，與孕穗期相比大幅降低，整體趨勢與孕穗期相符。施加生物炭的水稻地上部分含磷量均高于CK，其中A 組與C 組含磷量相近，尤以A組最高。B組與C組差異不顯著，但B組、C組與CK、A組相比差異顯著。

孕穗期水稻地上部分全鉀含量均較高，施加生物炭后水稻地上部分全鉀含量均有不同程度增加，以B組最高，未施加生物炭下的全鉀含量最低。A 組、B組、C組差異顯著。灌漿期水稻地上部分全鉀含量與孕穗期相比有不同程度衰減，但總趨勢相同，A 組、B組、C組之間差異顯著。

2.2 沙土地不同生物炭處理對水稻不同生育期地上部分生理特性的影響

在沙土地種植條件下，不同生物炭濃度梯度處理對水稻孕穗期和灌漿期地上部分全氮、全磷、全鉀含量的影響見表2。

表2 沙土地不同生物炭濃度梯度對水稻不同生育期地上部分生理特性的影響Table 2 The effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in sandy land /ppm

沙土地孕穗期水稻地上部分全氮含量隨著生物炭含量的增加而增加，與灌漿期相比均有所提高，且兩者整體趨勢相同。生物炭施用量為450 g/m2時，孕穗期水稻地上部分的全氮含量最高。當生物炭使用量在大于A＇時，水稻地上部分的含氮量均遠遠低于A＇，且呈遞減趨勢。CK＇，B＇組無顯著差異。灌漿期地上部分的全磷含量均不高，施加生物炭的水稻地上部分全磷含量與CK＇相比略有增加，但差別不大。孕穗期水稻地上部分全鉀含量均很高，施加生物炭后水稻地上部分全鉀含量不同程度地增多，以B＇全鉀含量最高，CK＇全鉀含量最低。灌漿期水稻全鉀含量與孕穗期相比大幅減少且趨勢相同，實驗組與對照組差異顯著。

沙土地水稻A＇，B＇，C＇三組與CK＇組相比，其氮磷鉀含量均有所增加，但由于沙土本身營養物質含量有限，施加生物炭后各營養物質含量不斷變動，而在施加生物炭的土壤中，各營養物質含量數值較為穩定，這表明生物炭能加快植物生長。沙土等營養匱乏土質施用生物炭后可在一定程度上為水稻生長提供重要營養物質。

3 結論與討論

生物炭具有多孔性及其他表面特性，可為土壤微生物提供較大的附著空間，有助于調控理化性質、改變土壤狀態。不同生物炭含量對水稻地上部分生理特性的改善起到正向積極作用，但影響效果存在差異。生物炭作為一種強吸附力物質，有助于水稻對氮肥的吸收。研究表明：與對照CK相比，450 g/m2的生物炭施用量為全氮和全磷最佳施用量；900 g/m2的生物炭施用量為全鉀最佳施用量。施用生物炭能有效增加水稻地上部分全氮全磷全鉀含量，但隨著生物炭施用量的提高，其增幅有所下降。生物炭有固碳、固氮作用，可作為一種緩釋肥料載體，促進水稻生長。沙土地施用生物炭可明顯提高土壤水分保持能力，能保存沙土中營養物質，減少營養和水分流失，促進水稻地上部分持續而緩慢的吸收營養。但有關生物炭如何改善土壤、提升作物理化性能、增強作物營養吸收能力等基礎研究，還有待通過DGGE等分子生物學及生理生化手段進行深入探索。