水洗生物炭配施化肥对水稻产量及养分吸收的影响

王耀锋, 刘玉学, 吕豪豪, 杨生茂*

(1 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；2 南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095；3 浙江省生物炭工程技术研究中心，杭州 310021)

水洗生物炭配施化肥对水稻产量及养分吸收的影响

王耀锋1, 2, 刘玉学1, 3, 吕豪豪1, 3, 杨生茂1, 3*

(1 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；2 南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095；3 浙江省生物炭工程技术研究中心，杭州 310021)

【目的】生物炭对水稻产量和养分吸收有良好的作用，本文研究生物炭水洗与否对其效果的影响，为生物炭的高效利用提供支持。【方法】采用盆栽试验，以竹炭和经去离子水冲洗后的竹炭为材料，在不施化肥和配施化肥两种条件下，研究了竹炭和水洗竹炭对水稻土壤理化性质、水稻秸秆和籽粒产量及N、P、K养分吸收的影响。【结果】竹炭经水洗后pH和K含量显著降低，C、N、P、S、Ca、Na和Mg含量， 比表面积(BET)， 总孔容以及平均颗粒大小均没有显著变化。与不施肥对照相比，竹炭和水洗竹炭单施处理均显著提高土壤pH、有机碳、速效钾，且两种处理之间土壤速效钾差异显著；单施竹炭和水洗竹炭分别显著提高水稻秸秆产量12.7%和15.6%，水洗竹炭处理还显著提高水稻籽粒产量15.7%，水洗与不水洗之间没有显著差异；与化肥对照相比，竹炭和水洗竹炭配施化肥均显著提高土壤全氮，水洗竹炭配施化肥还显著提高土壤速效磷；竹炭和水洗竹炭处理分别显著提高水稻秸秆产量18.7%和33.1%，提高水稻籽粒产量16.7%和18.4%。在水稻养分吸收方面，竹炭和水洗竹炭单施显著提高秸秆氮素和钾素的吸收，水洗竹炭单施还显著提高籽粒氮素的吸收，但二者之间差异不显著；与化肥配合施用，竹炭和水洗竹炭均显著提高水稻秸秆和籽粒氮素和钾素的吸收，水洗竹炭显著提高籽粒磷素吸收，且水洗竹炭促进水稻秸秆和籽粒中氮素吸收的效果优于竹炭，但竹炭促进秸秆钾素吸收效果显著优于水洗竹炭，这可能与经水洗后竹炭钾素含量显著降低有关。【结论】竹炭和水洗竹炭单独施用和与肥料配施均可显著提高水稻的产量和对养分的吸收。二者相比，水洗提高了竹炭增加水稻氮素利用率和产量的效果，但降低了其补钾能力。从环保、减氮增效以及节约水资源角度考虑，实际生产中应慎重考虑是否对生物炭进行水洗。

竹炭； 水洗竹炭； 秸秆产量； 籽粒产量； 养分吸收

生物炭(biochar)是在低氧或缺氧的环境条件下，通过高温缓慢热解(通常温度小于700℃)，将废弃物炭化而形成的一类高度芳香化难熔的固态物[1-2]。制备生物炭的生物质来源广泛，包括农业秸秆，禽畜粪便，木材物质等[3]。生物炭富含有机碳，可以提高土壤有机碳含量[4]，且大多呈碱性，提高酸性土壤pH[5-6]，并且具有离子吸附交换能力，可改善土壤的阳离子和阴离子交换量，从而可提高土壤的保肥能力[7]，其含有一定量的矿质养分，可增加土壤中矿质养分含量[8]。

鉴于生物炭众多的优点，其在农业上得到了较为广泛的应用。然而，生物炭对作物产量的影响研究结果不一致[4，9]。生物炭增产方面的报道较多[10]，特别是与肥料配施效果更好[11]，如Chan等[12]研究发现，100 t/hm2的生物炭配施氮肥后，萝卜产量最高可增加266%。但也有研究发现，生物炭用量 5 和 15 t/hm2时，大豆和玉米的产量有所下降[13]。因此，弄清楚生物炭组分对土壤质量及养分吸收的影响，对于理解生物炭对作物生长及产量的影响的本质及其机理具有重要的现实意义。水洗是处理生物炭较简单的物理方式，对生物炭本身结构及性质影响较小，水洗后生物炭成分及功能是否发生变化及其对作物养分吸收及吸附作用的影响[14]，是探明生物炭增产及其农业应用的基础。本文通过对竹炭进行水洗处理，通过盆栽研究竹炭和水洗竹炭在施肥和不施肥条件下对土壤养分、水稻产量和养分吸收的影响，探讨水洗竹炭对水稻产量的作用，以期为生物炭在作物上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自浙江省海宁市许村镇浙江省农科院杨渡科研基地，土壤为渗育型水稻土，采样深度0—20 cm，利用方式为水旱轮作。土壤pH为 6.23、有机质含量 10.5 g/kg、 全氮含量 0.080%、 全磷含量 0.071%、 全钾含量 0.503%、 速效磷含量 24.3 mg/kg、 速效钾含量 71.0 mg/kg，质地为壤土。土样收集风干后，过 2 mm土筛用于盆栽试验；另取部分土样进一步过0.149 mm筛，用于土壤全氮、 有机碳、 全磷和全钾等的测定。

研究使用的竹炭是竹材在600℃炭化而来。烧制好的竹炭经粉碎，过0.85 mm筛，装于塑料袋中，待用。

水洗竹炭是把上面获得竹炭经过多次水洗后获得。具体操作步骤：把竹炭置于预先清洗干净的盆子(根据用量决定用盆子或者大烧杯)中，按生物炭和去离子水1 ∶5的比例加入去离子水，并定期搅拌使混合均匀，放置过夜后过滤上清液，再次按此比例加入去离子水，如此循环往复，直到水洗后滤液中钾的含量小于10 mg/L即可。一般来说，要这样清洗5次后即可达此要求，这与生物炭的炭化温度及其木质素纤维素含量等因素有关。之后将水洗竹炭放置105℃的烘箱烘干，备用。

1.2 盆栽试验设计

试验采用随机区组设计，共设6 个处理：空白对照(CK)；添加竹炭(B)；添加水洗竹炭(WB)；常规施肥(CKF)；添加竹炭+常规施肥(BF)；添加水洗竹炭+常规施肥(WBF)。每个处理装土量4 kg，生物炭用量按 44.4 g/kg土壤(约合100 t/hm2)，化肥施用均按照N ∶P2O5∶K2O = 2 ∶1 ∶1.2实施，其中氮磷钾肥分别由尿素、普通过磷酸钙和氯化钾提供，尿素按 0.289 g/kg土壤(约300 kg/hm2)施加，每个处理6个重复。试验前，将竹炭、水洗竹炭与土壤混合均匀装于塑料桶，供试作物为水稻，在2013年4月28日移栽，整个水稻生长期都处于淹水状态，7月21 日收获。水稻收获后，置于通风处使其自然风干，然后在烘箱65℃烘干，测定籽粒和秸秆产量；并采集土壤样品，土样风干、充分混匀，过筛保存，分析土壤养分。

1.3 测定方法

竹炭和水洗竹炭中C、N、H和S元素采用元素分析仪(德国ELEMENTAR 元素分析仪vario micro)，其中的磷和钾元素采用硫酸-催化剂消解，火焰光度计法测定钾，钒钼黄比色法测定磷[15]。BET比表面积利用全自动物理化学吸附仪，采用容量法，以99.99%的N2作为吸附质，在液氮温度77 K条件下测定样品的吸附-脱附等温线，并通过BET法计算总比表面积以及平均孔径，相对压力0.99时的液氮吸附值换算成液氮体积得到总孔容。 pH 测定，称取 10.0 g的生物炭于三角瓶中，加入去离子水 25 mL，即，生物炭的质量 ∶去离子水体积=1 ∶2.5，室温下振荡，静置后测定[15]。

土壤pH 用酸度计(土 ∶水=1 ∶2.5)测定；全氮用凯氏蒸馏法测定；有效磷用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾用CH3COONH4浸提—火焰光度计法测定；土壤有机碳用K2Cr2O7氧化—外加热法测定[15]。水稻植株和籽粒中N、P和K元素含量采用硫酸-催化剂消解，凯氏蒸馏法测定氮，火焰光度计法测定钾，钒钼黄比色法测定磷[15]。

1.4 数据处理

统计分析采用DPS 7.05 软件单因素方差分析，LSD 多重比较处理间差异的显著性(α=0. 05)，并用SigmaPlot 10.0 作图。

2 结果与分析

2.1 水洗对竹炭性质的影响

竹炭水洗前后，其养分含量和物理性质发生了不同程度的改变(表1)。竹炭中灰分含量由原来的9.82%下降到5.10%，而离子态的钾，也由原来的2.78%下降到1.37%；而水洗前后竹炭中C、N、P、S、Ca、Na和Mg的含量均无显著变化。由于水洗后灰分显著减少导致pH略有下降，但其比表面积、总孔容以及平均颗粒大小均没有降低。

表1 竹炭水洗前后理化性质变化Table 1 Physical and chemical properties of bamboo biochar before and after washed

注(Note): 同行数据后不同的小写字母代表水洗前后5%的显著 Values followed by different small letters in a row are significantly different between before and after washed biochar treatments at the 0.05 level.

2.2 水洗竹炭配施肥料对水稻土壤养分的影响

生物炭中的矿质养分，发达的孔隙结构以及较大的比表面积等，均能影响土壤的养分含量。如表2所示，经过一季的水稻种植后，与空白对照(CK)相比，竹炭和水洗竹炭使土壤pH分别提高0.26和0.35，土壤有机碳和速效钾分别提高228.4%和248.6%以及191.1%和79.6%；与施肥对照(CKF)相比，竹炭和水洗竹炭使土壤pH分别提高0.36和0.33，使土壤有机碳、全氮和速效钾分别增加210.5%和191.9%，16.7%和15.1%以及167.9%和51.3%，且水洗竹炭显著提高土壤速效磷7.90%。与水洗竹炭相比，竹炭能显著增加土壤速效钾。因此，竹炭和水洗竹炭能显著提高土壤pH、有机碳和速效钾，且竹炭对土壤速效钾的提升效果优于水洗竹炭。

表2 水洗竹炭对水稻土壤性质的影响Table 2 Effects of the washed bamboo biochar application on soil chemical properties

注(Note): CK—空白对照 Blank control；B—竹炭 Bamboo biochar；WB—水洗竹炭 Washed bamboo biochar；CKF—施肥对照 Fertilization control；BF—竹炭+常规施肥 Bamboo biochar and conventional fertilization；WBF—水洗竹炭+常规施肥 Washed bamboo biochar and conventional fertilization. 同列数据后不同的小写字母代表水洗前后5%的显著 Values followed by different small letters in a column are significantly different between before and after washed biochar treatments at the 0.05 level.

2.3 水洗竹炭配施肥料对水稻秸秆和籽粒产量的影响

如图1所示，无论对于水稻的籽粒还是秸秆产量，竹炭和水洗竹炭配施肥料产量都显著高于二者单施，说明肥料与生物炭配合使用具有正的交互作用。对于水稻秸秆产量来说，与CKF相比，竹炭和水洗竹炭使秸秆产量分别增加18.7%和33.1%，且水洗竹炭增产效果更好；较CK分别提高秸秆产量12.7%和15.6%，但二者之间没有差异。而对水稻籽粒产量，竹炭和水洗竹炭较CKF提高籽粒产量16.7%和18.4%，与CK相比，水洗竹炭也提高15.7%，且二者之间未见显著差异。因此，竹炭和水洗竹炭配施肥料能显著提高水稻籽粒和秸秆产量，且水洗竹炭提高秸秆产量效果更好，单施二者也提高了水稻秸秆产量，而仅单施水洗竹炭提高了籽粒产量，竹炭没有显著差异。

图1 不同处理对水稻秸秆和籽粒产量的影响Fig.1 Effects of different treatments on the yields of rice straw and grain[注(Note)： CK—空白对照 Blank control；B—竹炭 Bamboo biochar；WB—水洗竹炭 Washed bamboo biochar；CKF—施肥对照 Fertilization control；BF—竹炭+常规施肥 Bamboo biochar and conventional fertilization；WBF—水洗竹炭+常规施肥 Washed bamboo biochar and conventional fertilization. 柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Different letters above the bars mean significantly different among treatments at the 0.05 level.]

2.4 水洗竹炭配施肥料对水稻秸秆养分吸收的影响

从水稻秸秆氮吸收(图2)可以看出，无论施肥与否，水稻秸秆吸收的氮量与对照CK相比均达到显著差异水平；施肥条件下，水洗竹炭吸氮量显著高于竹炭；而不施肥时两者之间没有显著差异。因此，竹炭和水洗竹炭与肥料配施后秸秆氮素吸收量提高。

从水稻秸秆磷养分吸收量(图2)可以看出，所有处理的秸秆中磷素吸收均低于0.1%，无论施肥与否，竹炭和水洗竹炭的磷素吸收量均无明显差异。因此，生物炭未能影响秸秆磷素的吸收。

研究认为，生物炭能增加植物养分的吸收，特别是钾元素，可能与生物炭中钾元素含量较高有关。从水稻秸秆钾素吸收量来看，竹炭和水洗竹炭的所有处理钾素吸收均显著高于CK，说明无论施肥与否，竹炭和水洗竹炭均能显著提高秸秆钾素养分的富集，且竹炭配施肥料显著高于水洗竹炭配施肥料。

2.5 水洗竹炭配施肥料对水稻籽粒养分吸收的影响

不论施肥与否，添加竹炭均可提高水稻籽粒的氮素吸收，且水洗竹炭籽粒氮素吸收量更高(图2)。

不施肥条件下，不论竹炭是否经过水洗，均不能提高籽粒的磷吸收量。施肥条件下，添加竹炭处理可增加籽粒对磷素的吸收，但处理间差异不显著，水洗竹炭增加显著。因此，水洗竹炭配施肥料对提高水稻籽粒磷素的吸收效果更好。

不施肥条件下，施用竹炭不会增加籽粒对钾的吸收，而正常施肥条件下，添加竹炭可显著提高籽粒钾的吸收，因此，水洗竹炭在正常施肥条件下促进养分吸收的效果好于不水洗。

图2 竹炭不同处理对水稻秸秆和籽粒氮、磷和钾吸收的影响Fig.2 Effects of different treatments on N, P and K uptakes in rice straw and grain[注(Note)： CK—空白对照 Blank control；B—竹炭 Bamboo biochar；WB—水洗竹炭 Washed bamboo biochar；CKF—施肥对照 Fertilization control；BF—竹炭+常规施肥 Bamboo biochar and conventional fertilization；WBF—水洗竹炭+常规施肥 Washed bamboo biochar and conventional fertilization. 柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Different letters above the bars mean significantly different among treatments at the 0.05 level.]

3 讨论

3.1 水洗竹炭配施肥料对土壤养分的影响

生物炭大多为碱性[16]，由于生物炭的灰分中含有大量钾、钠、钙、镁等离子，进入土壤后，可以交换土壤中H+及交换性铝[16]，从而在一定条件下使土壤pH增加[4]，并减少土壤中活性铝含量，增加其有效钾、磷等含量[11]。本研究表明，尽管竹炭水洗后降低了其灰分、pH以及钾含量，但是其施入土壤仍可提高土壤pH，且水洗竹炭和竹炭两者之间无显著差异，这可能是基础土壤的pH较高，土壤中H+及交换性Al3+比较少，以及土壤的缓冲性共同作用的结果。生物炭中的有机碳主要是以不易降解芳香结构为主[17]，因而进入土壤可提高土壤有机碳含量，而本实验表明通过添加竹炭和水洗竹炭也提高了土壤有机碳含量，但二者之间没有显著差异，可能与竹炭水洗后含碳量无显著差异有关。由于生物炭中钾含量较高，添加到土壤后可以显著提高土壤速效钾，这与刘玉学等[18]的研究结果一致，且水洗竹炭中钾含量显著低于竹炭，从而也使竹炭土壤速效钾显著高于水洗竹炭。生物炭与肥料配施可提高土壤全氮含量，这可能是用于生物炭能降低水分在土壤中的移动性，从而使水分携带离子的移动性减弱，进而降低了如硝态氮等的淋溶损失[19]，达到固定土壤氮素之目的。

3.2 水洗竹炭配施肥料对水稻秸秆和籽粒产量的影响

研究证明，生物炭与肥料配合施用具有显著的增产效应[20]。本试验中，肥料与竹炭和水洗竹炭配施都可显著提高水稻籽粒和秸秆产量，且水洗竹炭显示出更加显著的增产效果。尽管经过水洗后，竹炭灰分含量较低，特别是钾含量，但对提高秸秆生物产量效果更佳，原因可能是一方面土壤供钾充足时，作物对钾素的养分利用率降低[21]；另一方面也可能是水洗竹炭提高了土壤速效磷含量，体现了磷钾配合的正交互作用。从单施效果来看，尽管二者都能提高秸秆产量，但是只有水洗竹炭使籽粒产量提高。有研究表明，在高量单施生物炭情况下(100 t/hm2)，萝卜产量也没有获得显著提高，而配施氮肥后，萝卜产量显著增加，说明生物炭可提高作物氮素利用率[12]。本实验在水稻秸秆和籽粒上也得到类似的结果。对于生物炭高量施用导致减产的原因，可能是一方面土壤有效氮素含量本身较低，大量使用影响水稻生理生长，降低水稻叶片的叶绿素含量，从而可能使作物产量下降[13]；另一方面也可能是生物炭具有较高的碳氮比，会固持土壤大量氮素，进而降低水稻植物对氮素的吸收利用[20]。因此，对于生物炭增产或减产的机理研究还需要根据实验条件，土壤类型，生物炭种类等做进一步深入研究。

3.3 水洗竹炭配施肥料对水稻秸秆和籽粒养分吸收的影响

本研究表明，竹炭和水洗竹炭能提高秸秆氮素吸收量，且水洗竹炭促进籽粒氮养分的吸收效果更好，而竹炭仅在施肥条件下促进养分吸收，说明生物炭在配施肥料条件下显著提高了氮素利用率。尽管竹炭和水洗竹炭处理的土壤全氮没有显著差异，但是与肥料配施后者较前者秸秆吸收更多的氮素，且水洗竹炭较竹炭籽粒富集氮素能力更强，这可能与水洗竹炭较竹炭更能降低N2O排放有关(水洗竹炭单施和配施肥料较竹炭分别降低N2O累积排放量17.2% 和16.2%)。而张晗芝等[22]的研究表明，石灰性土壤施用生物炭抑制了玉米幼苗的生长，玉米收获后，玉米干物质量以及氮、磷养分的吸收量并没有增加，这与本文研究结果不一致，推测可能原因是土壤性质、作物种类等因素不同所致。

本试验所有处理秸秆中磷素吸收都低于0.1%，可能与水洗和未水洗生物炭中磷素含量(分别是0.11%和0.09%)均较低且差别不大有关。研究表明，施用竹炭更加剧了植物磷素的缺乏，推测可能与竹炭能吸附固定土壤的磷素有关[23]。这与本试验中竹炭和水洗竹炭对磷素吸收没有影响的结果并不一致，可能是土壤有效磷高于施肥对照，尽管秸秆磷素吸收没有提高，但是水洗竹炭配施肥料提高了籽粒中磷素的吸收，这可能与氮的吸收促进了磷吸收有关。

本研究中竹炭和水洗竹炭均可提高秸秆钾素养分的吸收，且竹炭配施肥料效果更优于水洗竹炭；二者与肥料配施也能提高籽粒钾素的吸收。这是由于添加的生物炭含钾量较高，二者依次加入的纯钾量约 4.89 g 和 2.41 g，远远高于施肥对照(0.1g)，因而可能引起养分的奢侈吸收；且与水洗竹炭相比，竹炭能显著提高土壤速效钾，因而竹炭在秸秆吸收养分较多。

竹炭经过水洗后，可以显著减低竹炭中灰分、钾素，且由于灰分含量减少，造成pH略有下降，且水洗竹炭在提高氮素利用率上优于竹炭，这对指导生物炭在水稻减氮节本增效环保持续生产栽培中具有重要的意义，而该效应是否能够稳定持续，还需要进一步大田研究验证。另外，研究中采用的水洗实际是实验室条件下的去离子水，至于生物炭水洗的生产应用及相关技术还需要进一步研究探讨。

4 结论

竹炭水洗显著降低了其pH和灰分含量，特别是钾元素。施用竹炭和水洗竹炭均能提高土壤pH、有机碳和速效钾，竹炭对土壤速效钾的提升效果优于水洗竹炭，而提升土壤全氮和速效磷含量、促进土壤养分供应不如水洗竹炭。竹炭和水洗竹炭配施肥料均能显著提高水稻籽粒和秸秆产量，水洗竹炭提高秸秆产量效果好于竹炭，但增产效果与竹炭差异不显著。从环保、减氮增效以及节约水资源角度考虑，实际生产中应慎重考虑是否对生物炭进行水洗。

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Effect of washing biochar and chemical fertilizers on rice yield and nutrient uptake

WANG Yao-feng1,2, LIU Yu-xue1,3, LÜ Hao-hao1,3, YANG Sheng-mao1,3*

(1InstituteofEnvironment,Resource,SoilandFertilizer,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China;2InstituteofResource,EcosystemandEnvironmentofAgriculture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;3ZhejiangBiocharEngineeringTechnologyResearchCenter,Hangzhou310021,China)

【Objectives】The beneficial effects of biochar on rice yield and nutrient uptake have been reported widely. This research will explore how washing will affect the goodness of biochar, to provide a support for the efficient use of biochar. 【Methods】 Bamboo biochar was washed with deionized water in laboratory first. Then, both the washed and un-washed bamboo biochar were used in a pot experiment. Six treatments were setup: no biochar and no fertilizer (CK), only bamboo biochar (B), washed bamboo biochar (WB), only chemical fertilizer (CKF), bamboo biochar with fertilizer (BF), washed bamboo biochar with fertilizer (WBF). The soil chemical and physical properties, rice straw and grain yields and N, P and K uptake were analyzed. 【Results】 After washing, the pH and K content of the bamboo biochar become lower, while the content of C, N, P, S, Ca, Na and Mg, the BET surface area, the total pore volume and average particle size keep unchanged. Whether with fertilizer application or not, the soil organic carbon, pH and available K are significantly improved by the addition of biochar, the effect in increasing soil available K of biochar is significantly better than that of washed biochar. When used individually, the increase in soil total N is similar in biochar of washing and not, the soil available P is significantly increased by the washing. The rice straw yields are significantly increased by 12.7% with washed biochar and 15.6% with unwashed ones, and the grain yield significantly increased by 15.7% with washed biochar, no significantly differences caused by washing. When combined used with chemical fertilizers, the rice straw yields with washed and unwashed biochar treatments are significantly increased by 33.1% and 18.7%, and the rice grain yields significantly increased by 18.4% and 16.7%, respectively. The N and K uptakes of rice straw and grain are both improved with the two biochar treatments, there are no significant differences between them, and the grain N increase with the washed biochar treatment is significant compared with CK. The effect in improving P absorption of grain is better in washed biochar treatment, but that in K uptake of rice straw is on the contrary, partly due to the substantially decreased K content in the washed biochar. 【Conclusions】 The washed bamboo biochar is superior to bamboo biochar for improving N use efficiency and rice yield. But lose some function of K supply. Taking environment protection，reducing nitrogen and saving water resource into account, washing is an alternative way for rice production in bamboo biochar application.

bamboo biochar; washed bamboo biochar; straw yield; grain yield; nutrient uptake

2014-05-19 接受日期： 2014-08-15

国家自然科学基金(41301247)；国家公益性行业专项(201303095,201003059)资助。

王耀锋(1987—)，陕西扶风人，硕士，主要从事生物炭对土壤质量影响研究。E-mail: wyf610325@163.com * 通信作者 E-mail: yangshengmao@263.net

S156.2, S157.4+1

A

1008-505X(2015)04-1049-07