不同谷殼源黑炭施用量對紅壤性稻田肥力及水稻產量的影響

熊 文，羅軍元*，李子婧，張秋梅，王馨悅，黃天寶，張 晨，韓德鵬

（1.江西省紅壤及種質資源研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室，江西 南昌 330046；2.新余市農業科學研究中心，江西 新余 336500）

0 引言

綠色優質水稻種植是江西省重點發展的農業產業，為維護國家的糧食安全與穩定發揮著巨大作用。但是，江西的土壤當中有67%為紅壤性水稻土，此種水稻土主要有酸、貧、黏等不良特性［1］，因該種土壤酸化較重，營養元素流失較快，作物根系發育不良，對養分吸收較少，這已嚴重制約了該地區糧食產量的進一步提升［2-3］。因此，如何利用生物資源改良土壤已經成為學者們關注的熱點。

生物黑炭是生物質在無氧或微氧條件下低溫熱轉化后的固體副產物，由于其有機碳含量高，具有多孔性、堿性、吸附能力強等性質，施用于土壤后，具有增加土壤有效養分含量、提高酸性土壤pH值、改善土壤質量、提升作物產量等作用［4-6］。因此，生物黑炭的合理施用對土壤改良、提升土壤碳庫和土壤地力、水稻增產增收等都具有十分重要的意義。

江西省是重要的稻米生產基地，稻谷的產量巨大。目前受綜合利用水平的限制，大部分谷殼仍未得到有效利用，很多地區甚至將其當作廢料，不僅浪費了資源，還造成了環境污染［7-8］。因此，谷殼的資源化利用研究十分迫切。有研究表明，谷殼源黑炭具有疏松多孔、高pH值特性，且含有豐富的含氧官能團，不僅能改善土壤環境，提高微生物的活性，還有利于作物根系對養分的吸收和利用［9-10］。因此，開展了谷殼源黑炭用量對紅壤性稻田肥力及水稻產量影響的研究，以期為促進該地區的谷殼資源化、土壤肥力提升、水稻提質增產和農民增收提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗位于江西省紅壤及種質資源研究所（116°20′24″E、28°15′30″N）內，該地處于中亞熱帶季風性氣候區，年均降水量1537 mm，多年平均氣溫18.1 ℃，無霜期282 d，日照時數1900~2000 h。試驗土壤為紅壤，成土母質為第四紀紅黏土，試驗前土壤性質為：耕層土壤pH值為 5.43，有機質含量20.44 g/kg，全氮含量1.51 g/kg，全磷含量0.48 g/kg，全鉀含量10.39 g/kg。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為泰優871一季晚品種。

生物質炭原料為水稻谷殼，采用連續立式生物質炭化爐（奉新瑞天新能源有限公司提供）生產。水稻谷殼在500 ℃的溫度下進行炭化處理，使80%以上的生物質材料轉化為生物質炭。將生產的生物質炭過5 mm篩，測得pH值為10.4，其養分含量為：有機碳467.0 g/kg、全氮5.90 g/kg和有效磷83.50 g/kg。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設6個處理：CK、C1~C5，對應的谷殼源黑炭施用量分別為0、5、10、15、20、25 t/hm2，每個處理3次重復。每個處理均施用氮（N）150 kg/hm2、磷（P2O5）90 kg/hm2、鉀（K2O） 135 kg/hm2。谷殼源黑炭在耕地前施用。40%的氮肥（尿素）和鉀肥（氯化鉀）作基肥施用，60%的在分蘗期作追肥施用。磷肥（鈣鎂磷肥）作基肥一次性施入。試驗連續實施2 a，即2021、2022年。小區面積30 m2（5 m×6 m）。水稻種植方式為人工移栽，株行距為20 cm×20 cm，其余管理措施同常規大田生產。

1.4 樣品采集與指標測定

1.4.1 主要生育期農藝性狀和葉綠素含量測定 分別在拔節期、齊穗期和成熟期普查全田莖蘗數及株高（連續計數20叢分蘗數和株高）。按平均莖蘗數每小區取2叢植株，將根部剪下，清洗干凈，連同莖鞘分別裝入信封，105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重，用電子天平稱重。葉綠素含量采用葉綠素測定儀（LYS-B）在晴天9：00~10：00測量。

1.4.2 土壤肥力指標測定 收獲后按“S”形采集各小區耕層（0~20 cm）土壤樣品，每個小區采集10個樣點，并組成1個混合土樣。土壤養分指標的測定參考《土壤農業化學分析方法》［11］，土壤樣品分析在江西省紅壤研究所化驗室進行，土壤pH值測定采用電位法；有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法。

1.4.3 測產 成熟期每個小區全部收割，脫粒后曬干稱重，計算標準產量。

1.5 數據分析

所有試驗數據采用Excel軟件進行整理分析，用SPSS 18.0進行統計分析，用LSD法比較各個處理之間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同谷殼源黑炭用量對水稻產量的影響

由圖1可知，連續施用2 a谷殼源黑炭可以顯著提高水稻產量。與不施谷殼源黑炭（CK）相比，2021年C1~C5處理的水稻產量比CK的分別增加了11.52%、11.41%、13.82%、22.30%和18.96%，2022年C1~C5處理的水稻產量比CK的分別增加了18.05%、24.73%、25.68%、26.71%和19.26%，且2022年C1~C4處理的產量比2021年的有顯著提高，分別增加了4.65%、10.69%、9.18%、2.43%。連續2 a試驗均表現出C4處理的產量最高，這說明在紅壤性水稻田谷殼源黑炭施用量在20 t/hm2時，水稻產量達到最佳，且第2年谷殼源黑炭的增產作用優于第1年。

2.2 不同谷殼源黑炭用量對水稻葉綠素含量的影響

由圖2可知，連續2 a施用不同量的谷殼源黑炭對水稻各個生育時期的葉綠素含量有不同程度的影響。2021年，在水稻幼苗期，C1處理的葉綠素含量最高，達到26.52，分別比CK、C2、C3、C4、C5處理的增加了4.12%、1.96%、4.99%、12.71%、1.11%；在分蘗期，C2處理的葉綠素含量最高，達到38.51，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的增加了6.15%、10.57%、2.58%、7.48%、3.63%；在長穗期，C4處理的含量最高，達到37.52，分別比CK、C1、C2、C3、C5處理的高5.87%、7.29%、8.19%、3.28%、4.54%；在抽穗結實期，C2處理的含量最高，達到35.42，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的高5.92%、9.39%、7.01%、6.11%、10.30%。2022年，在水稻幼苗期，C1處理的葉綠素含量最高，達到27.51，分別比CK、C2、C3、C4、C5處理的增加了3.53%、3.07%、6.26%、8.65%、3.58%；在分蘗期，C3處理的含量最高，達到36.71，分別比CK、C1、C2、C4、C5處理的高0.35%、4.64%、5.06%、4.17%、6.65%；在長穗期，C2處理的含量最高，達到40.99，分別比CK、C1、C3、C4、C5處理的高3.72%、3.53%、1.66%、4.03%、2.39%；在抽穗結實期，C3處理的含量最高，達到31.30，分別比CK、C1、C2、C4、C5處理的高0.48%、3.02%、2.42%、1.75%、2.92%。在幼苗期和長穗期，各處理的2022年的葉綠素含量相較于2021年的明顯升高。結合2 a數據來看，在分蘗期、長穗期、抽穗結實期，C2、C3處理的葉綠素含量較高，而在幼苗期C1、C5處理的葉綠素含量較高，即在紅壤性水稻田谷殼源黑炭投入量在10~15 t/hm2時，水稻葉綠素含量達到最佳。

圖2 2021、2022年不同黑炭用量下水稻各生育期葉綠素含量的變化

2.3 不同谷殼源黑炭用量對水稻根莖重的影響

由表1可知，隨著谷殼源黑炭用量的增加，水稻在分蘗期、長穗期的根系重量、莖稈重量、根莖比呈現不同程度的變化。在分蘗期，C1、C2、C3、C4和C5處理的根系重量分別比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，莖稈重量分別比CK增加了10.97%、4.76%、1.81%、4.75%、16.23%，且C1、C2、C3處理的根莖比優于C4、C5處理的。在長穗期，C1、C2、C3、C4和C5處理的根系重量分別比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%和60.09%，莖稈重量較CK的變化率分別為-3.72%、2.61%、-4.75%、11.28%、18.24%，且C1、C3處理的根莖比優于C2、C4、C5處理的。這說明谷殼源黑炭在水稻分蘗期、長穗期均能促進根系的生長，施用量在5、15 t/hm2時，水稻的根系重量達到最佳。

表1 不同黑炭用量對水稻根莖重的影響

2.4 不同谷殼源黑炭用量對土壤pH值和肥力的影響

連續施用2 a的谷殼源黑炭可以顯著提升紅壤性水稻田的pH值及土壤肥力（表2）。從表2中可以看出，水稻田施用谷殼源黑炭后，土壤有機質含量顯著提高，增幅整體隨谷殼源黑炭施用量的增加而呈現增加趨勢，其中2021年C1~C5處理的有機質含量比CK的分別增加了26.29%、51.59%、95.31%、152.45%、102.41%；2022年C1~C5處理的比CK的分別增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，即2022年的增幅較2021年減少，且連續2 a的處理中均以C4處理的有機質含量達到最佳，這說明谷殼源黑炭中含有豐富的有機質。土壤pH值也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現不同程度的增加，2021年C1~C5處理的土壤pH值較CK分別增加了0.08、0.01、0.08、0.11、0.23，2022年的較CK分別增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18。2022年的pH值比2021年的偏低，且連續2 a的處理中均以C5處理pH值達到最高，這說明谷殼源黑炭能釋放大量堿性物質。

表2 2021、2022年不同黑炭用量下土壤肥力變化情況

從表2中還可以看出，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現不同程度的增加，2022年C1~C5處理的土壤全氮含量比CK分別增加了5.19%、7.79%、10.39%、12.98%、7.14%，全磷含量比CK分別增加了14.71%、16.18%、20.59%、35.29%、25%，水解性氮含量比CK分別增加了7.27%、12.73%、26.06%、16.97%、10.30%，有效磷含量比CK分別增加了25.42%、41.67%、20.46%、58.94%、43.17%，且該年的土壤全氮、全磷、有效磷含量均比2021年的高，全氮、全磷、有效磷含量連續2 a均以C4或C5處理的最高，水解性氮含量在2021年以C5處理的最高，在2022年以C3處理的最高。從表2中也可以看出，土壤中的速效鉀含量隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現不同程度的降低，2022年C1~C5處理的土壤速效鉀含量分別比CK降低了15.84%、28.52%、34.84%、12.67%、14.25%，相較于2021年的含量整體偏低，且以C3處理降低幅度最大。這說明施用谷殼源黑炭能顯著提升紅壤性水稻田pH值及土壤有機質、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量，施用量在15和20 t/hm2時，土壤的pH值及肥力最佳。

3 討論與結論

3.1 谷殼源黑炭對作物產量的影響

本研究結果表明，在水稻田連續2 a施用不同量谷殼源黑炭處理中，水稻產量隨著谷殼源黑炭施用量的提高而呈現先升高后降低的趨勢，在施用量為20 t/hm2時，產量達到最佳，這一研究結果與江福英等［12］的研究結果相似。究其原因，生物黑炭的施入改善了土壤理化環境，其較大的比表面積有利于吸附養分，且為微生物群落的生存提供較大的空間［13］，這不僅有利于增加作物產量，還能減少養分損失和提高肥料利用率。生物黑炭中含有豐富的有機大分子和孔隙結構，在土壤中容易形成大團聚體，能夠增強土壤養分離子的吸持力［14］，可吸附銨、硝酸鹽、磷和其他水溶性鹽離子［15］，特別是對NH4+有很強的吸附作用［16-17］。另一方面，施用生物黑炭也會對土壤三相比造成影響［18］，土壤固、液、氣三相狀況及其配合比例是衡量土壤物理性狀好壞的重要指標之一，疏松多孔、氣相大固相小、保水保肥性好的土壤有利于根系對養分、水分的吸收［19］。過多生物黑炭的施入會導致固相和氣相減少，液相增加，從而影響作物產量，因此在本研究中，當谷殼源黑炭施用量為25 t/hm2時，水稻產量明顯降低。

3.2 谷殼源黑炭用量對水稻根莖重的影響

谷殼源黑炭具有良好的物理性質和養分調控作用，可以顯著促進植株的生長，提高作物的生產力［20］；張阿鳳等［21］研究表明施用生物黑炭后作物的生物量比對照提高2倍；Lehmann等［22］的試驗結果表明，施用生物黑炭后，黑麥草的生物量比對照提高20%以上。本研究表明，施用谷殼源黑炭能夠增加水稻地上部莖稈和地下部根的生物量，提升水稻的根莖比。當谷殼源黑炭施用量在5~25 t/hm2時，根系重量在水稻分蘗期分別比CK增加了48.08%、33.23%、23.43%、9.90%、22.22%，在長穗期分別比CK增加了64.19%、21.42%、122.12%、40.22%、60.09%。這與谷殼源黑炭不僅能夠快速提升土壤穩定性碳庫，還可改善土壤環境密不可分。谷殼源黑炭密度較低，且具有發達的孔隙結構，施入土壤后可以降低土壤容重，減少土體密度和增加孔隙比例，能在一定程度上改變土壤的質地［23］。土壤孔隙是影響土壤通風、透水的重要因素，孔隙數量多少和不同孔隙的組成對土壤肥力有著重要的影響［24］。土壤容重降低、孔隙數量變多和毛管孔度增加有利于提高土壤持水保水能力，促進根系活力。但是，隨著谷殼源黑炭持續增加，土壤達到碳飽和，反而會破壞土壤環境，影響作物生長［25］。本試驗中，當谷殼源黑炭施用量為20、25 t/hm2時，水稻根系重量顯著低于其他處理，且根莖比也明顯下降，這與之前的研究結論基本一致。

3.3 谷殼源黑炭用量對土壤pH值和肥力的影響

施用生物黑炭能顯著提高土壤pH值，降低土壤交換性酸含量，提高土壤的交換性鹽基離子含量和鹽基飽和度，改良酸化土壤［26］。本研究表明，土壤pH值隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現不同程度的增加，2022年C1~C4處理的土壤pH值比CK分別增加了0.04、0.07、0.02、0.12和0.18，說明谷殼源黑炭施用后，土壤交換性酸減少，土壤鹽基飽和度提高是土壤pH值升高的主要原因，這一研究結果與其他相關研究結論一致［27-28］。在土壤活性酸與潛性酸的動態平衡中，pH值主要取決于交換性酸含量，鹽基飽和度的下降，特別是Ca2+飽和度的下降是導致土壤pH值下降的重要原因。

生物黑炭施入土壤中主要是通過增加土壤有機質來改善土壤肥力特性，從而增強作物的養分吸收能力［29-30］。本研究中，水稻田施用不同量谷殼源黑炭后，土壤有機質含量顯著提高，增幅隨谷殼源黑炭施用量的增加而呈現增加趨勢，2022年C1~C4處理的有機質含量比CK分別增加了1.65%、9.91%、22.27%、63.27%和40.03%，但增幅均比2021年的減少，且均在谷殼源黑炭施用量為20 t/hm2時達到最佳。這與周志剛等［31］的研究結論一致。添加生物黑炭可以顯著提高潮土的有機質和土壤速效養分含量，且黑炭用量越高，土壤肥力提升越高。但在本試驗中，當生物黑炭施用量為25 t/hm2時，有機質含量下降，且連續2 a均表現出相同趨勢，這可能是由于使用的黑炭量過大，達到了土壤的飽和度，從而產生了抑制作用［32］。本研究還表明，土壤中的全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量也隨著谷殼源黑炭施用量的增加而呈現不同程度的增加趨勢，這主要與生物黑炭來源于谷殼，其本身含有大量的有機質和氮磷鉀養分有關［33］。謝國雄等［34］的研究也指出了生物黑炭施用對不同肥力水平紅壤氮素供應的影響，即添加生物黑炭可促使土壤中NH4＋、NO3－向微生物量氮轉化，降低土壤中礦質態氮含量。

3.4 不同谷殼源黑炭用量對水稻葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反映植株生長狀況和葉片光合能力的重要指標，葉綠素含量下降、葉片黃化是葉片開始衰老最明顯的特征［35］。施用生物黑炭能有效促進水稻根系活力及水稻劍葉葉綠素含量［36］。水稻幼穗分化期和灌漿期后葉綠素含量與干物重呈顯著正相關，保持后期較高的葉綠素含量有助于提高產量［37］。本研究結果表明：在分蘗期、長穗期、抽穗結實期，C2、C3處理的葉綠素含量較高，而在幼苗期C1、C5處理的葉綠素含量較高，即在紅壤性水稻田谷殼源黑炭投入量在10~15 t/hm2時，水稻葉綠素含量達到最佳，且隨著谷殼源黑炭施用量的不斷增加，葉綠素含量有所下降。當谷殼源黑炭施用量達到最佳時，可以改善土壤理化環境，其較大的比表面積有利于吸附養分和為微生物群落的生存提供較大的空間［38］，有效促進水稻根系活力及對養分的吸收。在本研究中，紅壤性水稻田谷殼源黑炭15 t/hm2為最佳施用量，在此條件下水稻葉綠素含量整體較高。