稻壳炭对水稻产量和矿质元素吸收的影响*

武德里，邢嘉韵，范星露，韩尚辰，周晓品，王惠群*

（湖南农业大学 a.生物科学技术学院；b.东方科技学院，湖南长沙410128）

稻壳炭对水稻产量和矿质元素吸收的影响*

武德里a，邢嘉韵a，范星露a，韩尚辰b，周晓品b，王惠群a*

（湖南农业大学 a.生物科学技术学院；b.东方科技学院，湖南长沙410128）

以杂交晚稻岳优518和常规晚稻湘晚籼12号为试验材料，设置土壤表层10 cm稻壳炭体积含量为A（0）、B（0.25%）、C（0.5%）、D（1%）、E（2%）和F（4%）处理，研究稻壳炭对水稻产量、茎秆和稻米矿质元素含量的影响。结果表明:随着土壤稻壳炭施入量的增加植株茎秆中的硅、钾元素含量增加。F处理的岳优518茎秆中的硅元素含量和钾元素含量分别比对照增加41.18%和51.44%，F处理的湘晚籼12号茎秆中的硅元素含量和钾元素含量分别比对照增加69.47%和60.69%。随着土壤稻壳炭含量的增加，不同生育期叶片净光合速率、稻谷每667 m2平均产量也增加。F处理的岳优518增产12.34%，F处理的湘晚籼12号增产13.12%；稻壳炭提高岳优518的每穗粒数、每穗实粒数和结实率。稻壳炭增加稻米矿质元素磷、钙、镁、钾、锌、硫、铜、锰和铁含量。

稻壳炭；水稻；光合作用；矿质元素

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.015

生物质炭是生物质在完全或部分缺氧条件下经高温热解而产生的一种性质稳定、含碳丰富的物质［1-3］。稻壳炭（Rice husk charcoal）具有发达的孔隙结构，较大的比表面积，其pH值在7以上，能够促进植物对营养元素的吸收，是双季稻区酸性土壤的良好改良剂［4］，对水稻产量和品质也有一定的影响［5］。稻壳炭有很强的吸附能力，可吸附多种水溶性盐离子，增加酸性土壤的钙、钾、锰和磷含量，降低土壤淋出液中钙、磷、锰、锌、钾和钠的淋洗水平［6-9］。稻壳炭中含有较高的活性硅［10］。自然界中硅元素的生物地球化学循环要比磷、钾等元素在陆地生态系统中的循环更为强烈［11-12］。土地连作、化肥耕种破坏了土壤营养平衡，以至于每年土壤中的硅元素也和其它主要营养元素一样随着作物的收获而流失［13-14］。许多研究表明，水稻是喜硅作物，施用硅肥对水稻的增产具有促进作用［15-19］。水稻茎秆中硅和钾元素含量的积累可增强茎秆的抗倒伏性［20］。许多矿质元素不仅是水稻生长发育所必需，同时也是人体的必需元素。稻米中的矿质元素直接影响人体对矿质元素的摄入。所以，稻米中矿质元素的含量是稻米品质的重要参考依据。大量元素中，钾、磷、硫、钙等元素具有参与生物体构造的功能，镁是牙齿与骨骼的组分之一。铁、锌、铜、锰等元素都在人机体代谢中起到重要作用［21］。生物质炭提高水稻、玉米、菜豆、豇豆、萝卜等作物的光合速率、生物量和产量［22］。本试验着重研究稻壳炭对水稻产量及稻米中矿质元素含量吸收的影响。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验水稻品种为杂交稻岳优518和常规稻湘晚籼12号，均由长沙新万农种业有限公司提供。试验的稻壳炭由湖南谷力新能源科技股份有限公司生产和提供，稻壳炭是稻米加工后的稻壳通过生物质能源气化多联产技术的应用，在600-800℃下限氧燃烧2-3 h发电后的炭化副产品，即稻壳炭化后的黑色材料。用这种方法1.5 kg稻壳可发电1度和制备0.5 kg稻壳炭。稻壳炭主要理化性质如下:pH 10.2，硅元素含量517.33 mg·kg-1，磷元素含量683.17 mg· kg-1，硫元素含量58.90 mg·kg-1，钙元素含量303.13 mg·kg-1，镁元素含量121.93 mg·kg-1，钾元素含量1598.80 mg·kg-1，锌元素含量2.60 mg·kg-1，锰元素含量24.90 mg·kg-1。

1.2田间试验设计与试验处理

试验于2013年分别在湖南省长沙市宁乡县历经铺乡历经铺村（宁乡）和益阳市赫山区兰溪镇羊角乡向荣村5组（益阳）进行。宁乡供试青夹泥土壤的主要理化性质如下:pH5.11，有机质含量39.60 g· kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，全磷含量0.53 g·kg-1，全钾含量11.90 g·kg-1，碱解氮含量166.20 mg·kg-1，速效磷含量25.40 mg·kg-1，速效钾含量113.10 mg· kg-1。益阳供试青夹泥土壤的主要理化性质为pH5. 03，有机质含量47.80 g·kg-1，全氮含量2.00 g·kg-1，全磷含量0.60 g·kg-1，全钾含量19.40 g·kg-1，碱解氮含量203.70 mg·kg-1，速效磷含量22.50 mg·kg-1，速效钾含量242.90 mg·kg-1。宁乡试验籼稻品种为岳优518，益阳试验籼稻品种为湘晚籼12号。田间试验采用随机区组设计，设置土壤表层10 cm稻壳炭体积含量为A（0）、B（0.25%）、C（0.5%）、D（1%）、E（2%）和F（4%）6个处理，重复3次。早稻收割后，根据测土配方施肥方法每667 m2施入复合肥40 kg和秸秆腐熟剂2 kg作基肥、犁田后做隔离田埂。每个试验点的总面积为934 m2，其中每个试验小区实际面积为4 m×5 m=20 m2，小区实际总面积360 m2，小区间设隔离田埂和排灌沟，隔离田埂垄高15 cm，垄宽20 cm，四周设保护行。为保证肥料不流失，起垄后固定成形，然后覆双层地膜，拉紧地膜使两侧插入耕作层下，然后用土压紧封严。排灌沟内灌溉水只进不出小区。隔离田埂做好后试验小区施入不同处理量的稻壳炭。宁乡试验点于7月18日插秧，益阳赫山区试验点于7月13日插秧，行株距为35 cm×20 cm，每穴5株苗，每小区插秧280穴。插秧为人工牵线插秧，以保证每个小区的水稻苗数量一致及行株距一致。插秧后第4天每亩施尿素4 kg作追肥，田间管理按常规管理，宁乡籼稻10月29日收获，益阳籼稻10月30日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1叶片净光合速率的测定 光合作用参数净光合速率的测定方法依王惠群等的方法稍作修改［23］。用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合作用系统测定，环境条件为开放式气路，红蓝光源，光通量密度1 000 μmol·m-2·s-1，相对湿度（RH）1 800 Pa。选择在晴朗无风天气每小区选取长势一致的植株3穴，分蘖期测定第2完全展开叶进行测定，抽穗期和灌浆期测定剑叶，测定时间为上午11∶00～12∶00。

1.3.2产量与产量构成因素测定 水稻收获期每小区取9穴有代表性的植株测量每穴有效穗数，从中选取穗数相同的3穴对每株的产量构成因素进行测定，包括穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率和千粒重。

1.3.3矿质元素含量的测定 矿质元素含量的测定参照王惠群方法，适当加以改进［24］。每处理取成熟期的植株3穴，将其根、茎、叶和稻谷分别分开，稻谷和茎秆先用自来水洗净，再用去离子水冲洗3遍，置烘箱75℃烘干48 h至恒重。糙米研碎后取0.1 g干样，在140-150℃聚四氟乙烯坩埚中用10-14 mL HNOC3+HClO4（VHNO3/VHCIO4=4∶1）消化，后用20 mL 2%HNO3溶液溶解和定容。用等离子发射光谱仪ICP（Thermo Electron Corp.U.S.A.）测定磷、钙、镁、钾、锌、硫、铜、锰和铁元素含量。茎秆硅元素含量测定采用ICP-AES法。标准品均来自Sigma-Aldrich Co.（U.S.A.）。

1.4数据处理方法

数据计算、作图与统计分析采用Excel 2003和SPSS17.0数据分析系统。

2　结果与分析

2.1稻壳炭对水稻茎秆硅和钾元素含量的影响

由图1可看出，杂交晚稻岳优518茎秆硅元素含量随土壤稻壳炭处理量的增加而增加，但稻壳炭处理量达到0.5%后茎秆硅元素含量增加变慢。稻壳炭的施入量与茎秆硅元素含量的相关性表明，稻壳炭的施入量与岳优518茎秆硅元素含量成多项式正相关，相关方程y=-1.2992x2+6.72x+17.868（R2=0.6853）。处理B的茎秆硅元素含量与对照没有显著性差异，比对照增加1.76%。处理C、D、E和F的茎秆硅元素含量分别与对照有显著性差异，但处理C、D、E和F的茎秆硅元素含量之间没有显著性差异，F处理的岳优518茎秆硅元素含量最高，比对照增加了41.18%。常规晚稻湘晚籼12号茎秆中硅元素含量随土壤稻壳炭处理量的增加而增加，但稻壳炭处理量达到1%后茎秆硅元素含量增加变慢。稻壳炭的施入量与茎秆硅元素含量的相关性表明，稻壳炭的施入量与湘晚籼12号茎秆硅元素含量成多项式正相关，相关方程y=-2.5632x2+14.416x+12. 759（R2=0.9174）。处理B、C、D、E和F的茎秆硅元素含量分别与对照有显著性差异，但处理D、E和F的茎秆硅元素含量之间没有显著性差异。F处理的湘晚籼12号茎秆中的硅元素含量最高，比对照增加了69.47%。

由图2可看出，杂交晚稻岳优518茎秆钾元素含量随土壤稻壳炭量的增加而增加，稻壳炭处理量达到4%后茎秆钾元素含量最高。稻壳炭的施入量与茎秆钾元素含量的相关性表明，稻壳炭的施入量与岳优518茎秆钾元素含量成多项式正相关，相关方程y=-298.22x2+2 037.2x+5 524.2（R2= 0.9633）。处理B和C的茎秆钾元素含量与对照没有显著性差异，处理B比对照只增加0.33%。处理D分别与其他处理的茎秆钾元素含量有显著性差异，但处理B与C、E与F的茎秆钾元素含量之间没有显著性差异，F处理的岳优518茎秆钾元素含量最高，比对照增加了51.44%。常规晚稻湘晚籼12号茎秆钾元素含量随土壤稻壳炭处理量的增加而增加，稻壳炭处理量达到4%后茎秆钾元素含量最高。稻壳炭的施入量与茎秆钾元素含量的相关性表明，稻壳炭的施入量与湘晚籼12号茎秆硅元素含量成多项式相关，相关方程y=-388.95x2+2 234.6x+5 420.9（R2=0.942）。处理C、D、E、F的茎秆钾元素含量分别与对照有显著性差异，但处理B与A、C与D、E与F的茎秆钾元素含量之间没有显著性差异。F处理的湘晚籼12号茎秆钾元素含量含量最高，比对照增加了60.69%。

2.2稻壳炭对岳优518不同生育期叶片净光合速率的影响

由表1可知，分蘖期叶片的净光合速率随土壤稻壳炭量的增加呈增大趋势，处理E达到最高值19.43 μmol CO2·m-2·s-1，比对照提高了21.67%。分蘖期和孕穗期稻壳炭量与叶片净光合速率成正相关；孕穗期净光合速率比分蘖期有所提高，而灌浆期稻壳炭施入量对水稻植株叶片的净光合速率影响不大。

图1　稻壳炭对岳优518和湘晚籼12号茎秆硅元素含量的影响Fig.1　The effect of rice husk charcoal on silicon content of Yueyou518 and Xiangwanxian 12 in stem

图2　稻壳炭对岳优518和湘晚籼12号茎秆钾元素含量的影响Fig.2　The effect of rice husk charcoal on potassium content of Yueyou518 and Xiangwanxian 12 in stem

表1　稻壳炭对岳优518净光合速率的影响Tab.1　Effect of rice husk charcoal on net photosynthetic rate of Yueyou 518

2.3 稻壳炭对水稻产量及其增产率的影响

岳优518和湘晚籼12号的产量都随土壤稻壳炭处理量的增加而增加（表2）。稻壳炭的施入量与稻谷增产率的相关性表明，稻壳炭的施入量与岳优518稻谷增产率成多项式正相关，相关方程y=-1.0665x2+7.1413x+0.6759（R2=0.9757）；稻壳炭的施入量与湘晚籼12号稻谷增产率成多项式正相关，相关方程y=-1.7482x2+9.9226x+0.9715（R2=0.8273）。岳优518和湘晚籼12号均在处理F出现最高产量，分别比对照增产12.34%和13.12%。

2.4稻壳炭对岳优518产量结构的影响

由表3可知，稻壳炭处理对杂交晚稻岳优518的每穴有效穗和穗长没有显著性的差异；但不同稻壳炭处理的每穗粒数、每穗实粒数、结实率和千粒重与对照相比具有显著性的差异。处理D的每穗粒数、每穗实粒数和结实率与其他处理相比都最大；千粒重在处理E达到最大值，为26.61 g/千粒，比对照提高了8.57%。稻壳炭可以有效地提高杂交晚稻岳优518的每穗粒数、每穗实粒数、结实率和千粒重，从而提高其产量。

2.5净光合速率与产量的相关性

对水稻品种岳优518主要生育期（分蘖期、孕穗期和灌浆期）叶片净光合速率与其产量的相关性分析表明，水稻主要生育期叶片的净光合速率与其对应产量均呈多项式正相关（表4）。

表2　稻壳炭对水稻产量和增产率的影响Tab.2　The effect of rice husk charcoal on rice yield and increasing yield percentage

表3　稻壳炭对岳优518产量结构的影响Tab.3　The effect of rice husk charcoal on yield components of Yueyou 518

表4　净光合速率与产量的相关性Tab.4　Correlation between net photosynthetic rate and yield

2.6稻壳炭对稻米矿质元素含量的影响

由表5和表6可知，随着稻壳炭施入量的增加稻米中矿质元素磷、钙、镁、钾、锌、硫、铜、锰和铁均增加。处理D、E、F中矿质元素磷、钙、镁、钾、锌、硫、铜、锰和铁元素含量高于其余各处理，都出现矿质元素都是先增高后稍降低的情况。

表5　稻壳炭对岳优518稻米矿质元素含量的影响Tab.5　Effect of rice husk charcoal on content of rice mineral elements in Yueyou 518

表6　稻壳炭对湘晚籼12号稻米矿质元素含量的影响Tab.6　Effect of rice husk charcoal on content of rice mineral elements in Xiangwanxian 12

3　结论与讨论

研究表明稻壳炭呈碱性，其pH值为10.2。宁乡试验田土壤的初始pH值为5.03，测定处理E的pH值为5.97；益阳试验田土壤的初始pH值为5.11，测定处理E的pH值为6.52。稻壳炭具有上调土壤pH值的作用，是我国南方水稻酸性土壤的良好土壤改良剂。通过对稻壳炭的理化性质测定，稻壳炭含有一定量的大量元素和微量元素，特别是能够补充土壤中的大量矿质元素和微量矿质元素，维持土壤中的植物必需矿质元素的平衡。稻壳炭具有发达的孔隙结构，较大的比表面积，对植物必需元素具有吸附和缓释作用，从而改良土壤肥力，促进植物对主要营养元素的吸收［25］。

水稻倒伏现象不仅关系到粮食的产量，而且对稻米品质和收割机收割难度也产生非常大的影响［26-27］。在水稻生产过程中，特别是南方晚稻遇到寒露风天气，水稻倒伏现象非常严重且经常发生，这一直是农业生产工作者研究的热点和难题。2013年我们在宁乡和益阳的2个试验点都遇到了寒露风天气，大田试验表明，稻壳炭试验处理区没有倒伏，其试验区的保护行出现倒伏，试验田周围农户的晚稻出现倒伏。本试验结果表明，稻壳炭中含有较多的硅元素和钾元素，稻壳炭处理能够提高水稻植株茎秆硅元素和钾元素的含量，F处理的岳优518及湘晚籼12号收获期植株茎秆平均硅元素含量比对照分别提高41.18%和69.47%，说明稻壳炭含较多的可溶性硅，稻壳炭中的硅元素是水稻能够利用的活性硅，与水稻具有同源性，施加稻壳炭能够促进水稻对硅元素的吸收和利用。F处理的岳优518及湘晚籼12号收获期植株茎秆平均钾元素含量分别比对照提高51.44%和60.69%，说明施加稻壳炭也能够促进晚稻对钾元素的吸收和利用。研究表明，粮食作物茎秆中所含物质的多少及组成成分决定其抗倒伏性能，尤其是生育后期茎秆中贮藏物质的含量对维持茎秆强度有相当重要作用。而植株中硅元素、钾元素含量的多少，也与水稻抗倒伏能力密切相关［19］。硅元素和钾元素有利于细胞的木质化和硅质化，从而增强水稻抗倒伏能力［28］。水稻茎秆的刚性增加，提高水稻的抗折强度，增强其抗倒伏特性，从而提高水稻产量［29］。

由于生物质炭可增加土壤阳离子交换量及有机碳含量，生物质炭与堆肥相结合施用能显著提高强淋溶铁铝土的总氮量，竹炭提高土壤有效氮、磷、钾等元素含量，降低土壤养分的淋失损失［9，30］。生物质炭与肥料混施能够延长肥料的养分释放期，降低养分流失。本试验测定岳优518和湘晚籼12号稻米中主要矿质元素磷、钙、镁、钾、锌、硫、锰和铁等元素含量均增加，说明在土壤中施加稻壳炭能够促进水稻稻米对必需矿质元素的吸收和积累，从而提高其稻米品质。

本试验表明稻壳炭能够提高水稻植株叶片净光合速率，稻壳炭的施入量与岳优518和湘晚籼12号稻谷增产率都呈多项式正相关，水稻不同时期叶片的净光合速率与其产量也都呈多项式正相关。稻米产量构成因素，是影响水稻产量的基础，也是重要的指标［31-33］。稻壳炭处理能改善产量构成因素指标每穗粒数、每穗实粒数、结实率和千粒重。稻壳炭通过改善产量结构来提高其产量。

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Effects of Rice Husk Charcoal on the Yield and Mineral Element Absorption of Oryza sativa L.

WU Delia，XING Jiayuna，FAN Xinglua，HAN Shangchenb，ZHOU Xiaopingb，WANG Huiquna*
（1.Hunan Agricultural University，a.College of Bioscience and Biotechnology；b.Orient Science and Technology College，Changsha 410128，Hunan，China）

In order to study the effect of rice husk charcoal on the yield and mineral element content of stem and rice，hybrid rice Yueyou 518 and conventional rice Xiangwanxian 12 were used experimental materials，we set up the rice husk charcoal and 10 cm deep surface soil volume percentage treatments of A（0），B（0.25%），C（0.5%），D（1%），E（2%）and F（4%）.The results showed that silicon and potassium content of plant stem increased as the soil volume percentage of rice husk charcoal increased.The content of silicon and potassium increased 41.18%and 69. 47%in treatment F than those in control of Yueyou 518 stem and Xiangwanxian 12 stem，respectively.Silicon and potassium content were increased 51.44%and 60.69%in treatment F than those in control of Yueyou 518 stem and Xiangwanxian 12 stem，respectively.The leaf net photosynthetic rate at different development stage and average yield per 667 m2increased as the soil volume percentage of rice husk charcoal increased.The average yield per 667 m2increased 12.34%in treatment F than that in control of Yueyou 518.The average yield per 667 m2was increased 13.12%in treatment F than that in control of Xiangwanxian 12.The rice husk charcoal increased grain number per panicle，filled grain number per panicle and setting percentage in Yueyou 518.The rice husk charcoal increased the rice essential element contents of phosphorus，calcium，magnesium，potassium，zinc，sulfur，copper，manganese and ferrum.

rice husk charcoal；Oryza sativa L.；photosynthesis；mineral element

S511

A

1007-7146（2015）04-0382-08

2015-01-12；

2015-01-31

湖南省科学技术厅科技计划一般项目（2013NK3039）；湖南省教育厅高校创新平台开放基金项目（13K065）和（14K044）；湖南谷力新能源科技股份有限公司研究项目（43010100）

武德里（1988-），男，湖南吉首人，硕士研究生，主要从事植物生理学方面的研究。（手机）18684879430；（电子邮箱）deliroddick@126.com

王惠群（1964-），女，湖南益阳人，湖南农业大学教授，博士，主要从事植物生理学方面的研究。（电话）0731-84635260；（电子邮箱）wanghuiqun751@163.com