秸秆和生物炭还田对冷凉稻区土壤物理性质及pH值的影响

崔月峰 孙国才 郭奥楠 史鸿儒 王桂艳 王健 黄文佳 卢铁钢

摘要：为探究秸秆和生物炭还田对改善我国冷凉稻区土壤物理性质和pH值的可行性，研究秸秆直接还田和秸秆炭化（生物炭）还田对冷凉稻田土壤容重、孔隙度、温度、pH值的影响。结果表明，与常规生产相比，秸秆（6 t/hm2）、少量生物炭（2 t/hm2）、大量生物炭（40 t/hm2）还田使水稻不同生育时期下稻田土壤容重分别降低6.02%～11.86%、2.69%～6.67%、8.58%～11.32%，总孔隙度分别增加7.41%～14.93%、3.19%～8.38%、9.81%～14.27%，通气孔隙度分别增加22.28%～192.11%、17.80%～92.11%、52.44%～157.11%;秸秆和少量生物炭还田对稻田土壤温度和pH值没有显著影响，但大量生物炭还田在水稻生育后期可使土壤温度显著提高5.13%～8.79%、pH值提高3.15%～5.96%。综上，秸秆和生物炭还田能够降低土壤容重、增加总孔隙度和通气孔隙度，只有大量生物炭还田才会显著提高土壤温度和pH值。

关键词：秸秆;生物炭;冷凉稻区;土壤物理性质;土壤pH值

中图分类号：S152;S511.06 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0255-06

我国农林废弃物资源丰富，每年各类秸秆产量7亿t，约占全世界秸秆产量的20%～30%，居世界第一，其中50%以上秸秆被用做薪柴或被废弃焚烧，不仅造成了资源浪费，同时也污染了环境[1-2]。因此，秸秆综合处理和高效利用已成为解决土壤、资源、环境和农业可持续发展问题的关键。秸秆是我国生物质能资源和有机肥源的重要组成部分，还田后在土壤中分解，能够改良土壤结构和物理性状，提高有机质含量，在保持和提高土壤肥力方面具有重要作用[3-4]。研究表明，秸秆还田后，土壤容重下降，孔隙度提高，利于改良土壤结构和通气状况[5-6]，加强土壤对光辐射的吸收和转化，具有增温效应，短期主要体现在0～5 cm土层，长期则主要体表现在0～15 cm土层[7]。

生物炭来源于秸秆等生物质，具有孔隙结构丰富、比表面积大、吸附力强等特性，能够对持留水分、固持养分起到良好的载体作用，可以降低土壤容重，增加孔隙度，改善土壤通气条件[8-9]。土壤pH值降低是农业土壤肥力质量下降的一个重要指标，而生物炭能降低比自身pH 值低的土壤的酸性及比它pH值高的土壤的碱性，且不受制作材料的限制[10]。还有研究表明，生物炭改良土壤的机制是通过影响土壤pH值，改善土壤性能，提高土壤肥力，达到促进作物生长的目的[11-12]。

然而，当前关于秸秆炭化还田的研究多集中在温暖湿润的热带或亚热带地区，针对北方冷凉地区稻田的研究很少。由于冷水灌溉及寒冷的气候因素导致我国北方稻田土壤温度较低，而且土壤黏重，团粒结构少，孔隙度低，透水、透气性差，微生物活性弱，特别是由于长期、大量的化学肥料施入，导致稻田土壤酸化加剧、土壤生产力降低[13-14]，因此有必要开展该生态气候区秸秆和生物炭的应用效应研究。本试验着重研究生物炭还田对冷凉稻田土壤物理性状、pH值的影响，以期为东北冷凉稻区改土提质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在铁岭市农业科学院内水稻试验田进行，地处我国辽宁北部（42°14′N，123°48′E），具有典型的半湿润大陆季风气候，年平均气温为6.3 ℃，4—9月份活动积温3 496.9 ℃，降水量 643.5 mm，日照时数1 357.6 h，平均气温19.1 ℃。试验田已经连续种植水稻超过40年，灌溉水来源于地下30 m处的冷水。土壤耕层（0～20 cm土层）营养指标含量如下：全氮含量1.06 g/kg，全磷含量0.85 g/kg，全钾含量17.24 g/kg，速效氮含量93.64 mg/kg，速效磷含量38.28 mg/kg，速效钾含量75.06 mg/kg，有机碳含量10.73 g/kg，pH值6.36。

供试品种为北方超级粳稻沈農265，主茎叶片数为15，具有株型紧凑、分蘖力较强、穗型直立的特性。供试秸秆粉碎成0.5～1.0 cm的小段，生物炭由辽宁省生物炭工程技术研究中心将秸秆在 400～500 ℃热解缺氧条件下生产，将约1/3秸秆制成粒径为1.5～2.0 mm的生物炭，秸秆和生物炭主要理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，即当地常规施肥：46%尿素456.5 kg/hm2、12%过磷酸钙 875 kg/hm2、52%硫酸钾202 kg/hm2，记做CK;秸秆还田：在CK基础上施入秸秆6 t/hm2，记做S;少量生物炭还田：在CK基础上施入生物炭 2 t/hm2（按秸秆可以转化为30%生物炭计算），计做C1;大量生物炭还田：在CK基础上施入生物炭40 t/hm2，记做C2。

试验采用育苗移栽的种植方式，于2013年4月18日播种、5月28日移栽、10月8日收获，2014年4月14日播种、5月27日移栽、10月9日收获，插秧规格为30.0 cm×13.3 cm，每穴3苗，随机区组排列设计，每个处理3次重复，共计12个小区，每个小区面积为21 m2。各小区单独打埂，均配有上水、排水渠道，单灌、单排。氮肥分基肥 ∶ 蘖肥 ∶ 穗肥质量比=5 ∶ 3 ∶ 2施入，秸秆和生物炭在水稻移栽前100%一次性施入，均匀分散到土壤表面，然后旋耕混匀，过磷酸钙做基肥100%一次性施入，硫酸钾做基肥和穗肥各施50%。其他栽培管理措施按常规水稻大田生产规程进行。

1.3 土壤样品采集与测定

在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期用土钻垂直铲挖（1孔）植株根部周围0～20 cm土壤样本，每个小区随机取3点，自然风干后测定样品的pH值;在每个小区内埋地温计，取土时读取土壤向下深度为5 cm处的温度，同时采用环刀法测定土壤的容重、孔隙度，具体测定方法参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》。

1.4 数据统计与分析

所有试验数据采用Excel 2010进行整理。差异采用DPS 7.05软件对试验数据进行单因素方差分析，多重比较（LSD）判斷处理间的差异显著性（P<0.05），所有测定结果数据均以平均值±标准差的形式表达。

2 结果与分析

2.1 秸秆及生物炭对土壤物理性质的影响

2.1.1 秸秆及生物炭对土壤容重的影响 容重是衡量土壤物理特性的重要指标之一，对土壤通气性、含水量及营养物质的转运功能影响较大。从图1可以看出，土壤容重基本呈现出先升后降的趋势，但整个生长季内差异并不十分明显。CK容重为1.41～1.48 g/cm3，S处理容重为1.27～1.39 g/cm3，C1、C2处理分别为1.35～1.40 g/cm3、1.27～1.39 g/cm3。在分蘖期各处理容重为1.27～1.43 g/cm3，S、C1、C2处理的容重分别较CK降低6.95%、3.34%、10.89%，其中S、C2与CK差异显著;拔节期各处理容重为1.31～1.48 g/cm3，S、C1、C2处理的容重分别较CK显著降低6.02%、3.99和11.32%;抽穗期各处理容重为1.29～1.44 g/cm3，S、C1、C2处理的容重分别较CK降低6.67%、2.69%、10.02%，其中S、C2与CK差异显著;灌浆期各处理容重为1.30～1.48 g/cm3，S、C1、C2处理的容重分别较CK显著降低11.86%、6.67%、10.18%;成熟期各处理容重为1.27～1.41 g/cm3，S、C1、C2处理的容重分别较CK显著降低10.00%、4.57、8.58%。可见秸秆和生物炭还田都能显著降低水稻各个生育阶段下稻田土壤的容重，秸秆还田处理土壤容重较CK降低6.02%～11.86%，且在生育后期降低幅度更大，少量生物炭还田处理土壤容重较CK降低2.69%～6.67%，在后期差异也达到了显著水平，而大量生物炭还田处理土壤容重较CK降低8.58%～11.32%，尤其在生育前期降低幅度更加明显。

2.1.2 秸秆及生物炭对土壤孔隙度的影响 土壤孔隙度与土壤透水透气性、导热性和紧实度关系密切。从表2可以看出，不同生育阶段下各处理间土壤总孔隙度都存在一定的差异。分蘖期S、C1和C2处理的总孔隙度较CK分别增加8.12%、3.91%和12.74%，其中S、C2处理与CK差异显著，C1处理与CK间差异未达显著水平;拔节期S、C1和C2处理的总孔隙度较CK分别显著增加7.41%、5.08%和14.27%;抽穗期S、C1和C2处理较CK增加8.03%、3.19%和11.85%，其中S、C2处理与CK差异显著，C1处理与CK差异不显著;灌浆期S、C1和C2处理较CK分别显著增加14.93%、8.38%和12.81%;成熟期S、C1和C2处理较CK分别显著增加11.44%、5.23%和9.81%。可见秸秆还田能够显著提高稻田土壤的总孔隙度，提高幅度为 7.41%～14.93%，且生育后期的增幅要高于前期;少量生物炭还田对提高稻田土壤的总孔隙度具有一定的功效，增加幅度在3.19%～8.38%之间，尤其在灌浆期作用最明显;大量生物炭还田则在水稻整个生育时期都能显著提高稻田土壤的总孔隙度，提高幅度为9.81%～14.27%，且从分蘖期开始就起到了高效的作用。

从不同生育阶段来看，CK处理土壤毛管孔隙度为37.66%～40.46%，S处理土壤毛管孔隙度为36.30%～40.23%，C1处理土壤毛管孔隙度为36.35%～40.68%，C2处理土壤毛管孔隙度为38.20%～ 40.33% 各处理在整个生育阶段均无显著性差异，可见无论是秸秆还是生物炭还田对稻田土壤毛管孔隙度都没有明显的影响，而且也不受生物炭施量的影响。

不同生育阶段下各处理间土壤通气孔隙度存在一定的差异。分蘖期S、C1和C2处理较CK分别显著增加60.64%、36.86%和52.44%;拔节期S、C1处理较CK分别增加22.28%、43.25%，差异不显著，C2处理较CK显著增加86.83%;抽穗期S、C1和C2处理较CK分别增加53.64%、17.88%和80.96%，其中S、C1处理与CK差异不显著，C2处理与CK差异达到显著水平;灌浆期S、C1和C2处理较CK分别显著增加192.11%、92.11%和157.11%;成熟期S、C1和C2处理较CK分别显著增加81.03%、36.60%和59.98%。可见秸秆和少量生物炭还田在前期和后期能够显著提高稻田土壤的通气孔隙度，尤其在灌浆期分别高达192.11%和92.11%;大量生物炭还田在整个生育期内都能显著提高稻田土壤的通气孔隙度，增加幅度达 52.44%～157.11%，尤其在灌浆期作用最明显。

2.1.3 秸秆及生物炭对土壤温度的影响 土壤温度是水稻生长的重要生态因子，对水稻根系吸收水分和营养有重要影响。从图2可以看出，各处理下的土壤温度在分蘖期至抽穗期期间差异不大，到灌浆期及其之后出现较大幅度的下降。分蘖期各处理下土壤温度为24.8～25.8 ℃，S、C1 和C2处理的温度分别较CK增加4.03%、0.54%和2.01%，各处理间差异未达到显著水平;拔节期各处理下土壤温度为24.7～25.3 ℃，S、C1 和C2处理的土壤温度分别较CK增加0.68%、1.08%和2.70%，各处理间差异不显著;抽穗期各处理下土壤温度范围在23.5～24.3 ℃之间，S、C1 和C2处理下的土壤温度分别较CK增加0.02%、0.71%和3.55%，各处理间差异不显著;灌浆期各处理下土壤温度范围在19.5～20.5 ℃之间，S、C1 和C2处理的土壤温度分别较CK增加2.91%、3.25%和5.13%，其中C2处理与CK差异显著;成熟期各处理下土壤温度范围在13.3～14.5 ℃之间，S、C1 和C2处理的土壤温度分别较CK增加2.50%、3.75%和8.75%，其中C2处理与CK差异显著。可见秸秆和少量生物炭还田对水稻各个生育阶段下的稻田土壤温度没有显著的提高优势，而大量生物炭还田在前期对土壤温度影响不大，而在生育后期能显著提高5.13%～8.79%。

2.2 秸秆及生物炭对土壤pH值的影响

由图3可以看出，在水稻整个生育期内，各处理下土壤pH值基本表现为先降后升再降的波浪性趋势。分蘖期各处理的土壤pH值为6.77～7.00，S、C1 处理的土壤pH值较CK分别增加1.23%、0.25%，与CK相比差异不显著，而C2处理较CK显著增加3.45%;拔节期各处理的土壤pH值为 6.65～6.92，S和C1处理较CK分别增加2.51%、2.26%，与CK相比差异不显著，C2 处理较CK显著增加4.01%;抽穗期各处理的土壤pH值为6.88～7.10，S、C1 处理的pH值较CK分别增加2.18%、1.70%，与CK相比差异不显著，而C2处理较CK显著增加3.15%;灌浆期各处理的土壤pH值为 6.43～6.80，S、C1 处理的土壤pH值较CK分别增加1.55%、3.37%，与CK相比差异不显著，而C2处理较CK显著增加5.70%;成熟期各处理的土壤pH值为 6.15～6.52，S、C1 处理的土壤pH值较CK分别增加0.81%、2.44%，与CK相比差异不显著，而C2处理较CK显著增加5.96%。可见秸秆和少量生物炭还田在水稻整个生长阶段对稻田土壤pH值有一定的提高趋势，但与CK相比差异并不显著，而大量生物炭还田则能够显著提高稻田土壤的pH值，提高幅度为3.15%～5.96%，且越到后期增加的幅度越大，使土壤呈近中性状态。

3 结论与讨论

土壤的物理性质主要包括容重、孔隙度、含水量及温度，土壤结构、通气性及有机质含量，能够影响土壤肥力及植物根系在土壤中的生长。土壤容重和孔隙度都是反映土壤结构特性的重要指标，二者间一般呈负相关关系。秸秆还田后土壤容重降低，孔隙度增加，使得土壤疏松、通气透水，从而可以促进土壤微生物活动，增强土壤养分的供应[15-16]。

董桂军等通过在寒区长期秸秆全量还田研究认为，随着秸秆还田年限的增加，土壤容重呈降低趋势，由1.32 g/cm3降到1.25 g/cm3，显著降低了0.07 g/cm3[17];李世忠等在宁夏回族自治区引黄灌区秸秆还田的研究表明，土壤容重较上年同期降低10.9%，土壤孔隙度较上年同期提高7.3%[18]。本试验结果表明，秸秆还田使水稻不同生育阶段下稻田土壤0～20 cm的容重显著降低6.02%～11.86%，同时总孔隙度提高7.41%～14.93%，通氣孔隙度增加22.28%～192.11%，但对毛管孔隙度的影响不显著。秸秆还田能够影响土壤对光辐射的吸收转化和热量的传导，具有低温时“增温”和高温时“降温”的双重效应[19]。有研究表明，秸秆还田配施化肥在08：00和20：00气温较低时提高了土壤温度，而在14：00气温较高时降低了土壤温度[20]。肖国华等试验表明，稻草还田免耕覆盖能够使早春0～5 cm土层温度提高0.7～1.0 ℃[21]。据Ramakrishna等研究报道，秸秆覆盖主要影响10 cm以内浅层的土壤温度，对10 cm以下土层温度的调控作用不显著[22]。本试验结果表明，秸秆还田虽然对稻田土壤向下深度0～5 cm的土层温度有一定的提升作用，但与CK差异不显著，其原因可能与秸秆还田方式、调查时间点以及土壤深度相关。

生物炭会影响土壤性质是因为其具有独特的多微孔结构与理化特性[23-24]。生物炭质地疏松，能够改善土壤松紧度，促进团聚体形成，降低土壤容重，增加微生物量，提高微生物活性，改善土壤结构，增加总孔隙度，改善土壤的通气、透水性[25-27]。Oguntunde等研究表明，添加生物炭后，土壤容重降低9%，而总孔隙度由45.7%提高到50.6%[28]。Githinji通过生物炭和土壤的体积比设置沙壤土的培养试验结果表明，土壤容重随生物炭增加呈线性减少趋势（R2=0.997）;当生物炭添加量为25.0%、50.0%、75.0%和100.0%时，土壤孔隙度较对照分别增加10.0%、22.0%、38.0%和56.0%[29]。本试验结果表明，少量生物炭还田使水稻各个生育时期下土壤容重降低2.69%～6.67%，总孔隙度和通气孔隙度分别提高3.19%～8.38%和17.88%～92.11%，而大量生物炭还田使土壤容重降低8.58%～11.32%，总孔隙度和通气孔隙度分别提高9.81%～14.27%和52.44%～157.11%，这与Eastman的研究结果[30]一致。生物炭添加到土壤中可使土壤颜色变深，进而影响土壤热导率和地表反射率，造成土壤温度的变化。Zhang等在我国华北地区农田通过生物炭长期定位试验表明，生物炭能够调节土壤向下深度为5.0 cm的土层温度波动，具有削峰填谷的作用，在冬季低温时施用生物炭可使土壤温度增加0.6 ℃[31]。Ventura等研究发现，施用生物炭增加了地表温度，但对向下深度为7.5 cm的土壤温度无显著性影响[32]。本试验结果表明，少量生物炭还田对水稻各个生育阶段下土壤温度没有显著性影响，而大量生物炭还田在水稻生育后期能显著提高土壤温度5.13%～8.75%，可能是由水稻生育前期田间水分充足，生物炭又增大了土壤的保水性有关，土壤升温的速率会因为高的含水量而大大减弱[33]，而在后期浅湿干灌溉条件下，土壤含水率下降，深色的土壤更易吸收太阳光能并降低土壤表面反射率，从而使得大量生物炭的增温效果突显出来。

土壤pH值决定了土壤酸碱度，直接影响着土壤养分的存在状态和有效性，对土壤微生物活性、矿物质转化以及有机质矿化起着重要的作用。秸秆还田在一定程度上可以调节土壤pH值，而适量的生物炭还田能提升土壤pH值，提升耕层土壤的氧化还原电位，降低还原物质总量，改善土壤有效养分的供应[34]。本试验结果表明，秸秆和少量生物炭还田在水稻整个生长阶段对稻田土壤pH值有增加的作用，但差异不显著，这与周运来等的研究结果[35]一致。而大量生物炭还田能够显著提高稻田土壤pH值（增幅为3.15%～5.96%），且越到生育后期增幅越大，可能与生物炭本身的酸碱度（本试验生物炭pH值为9.02）及其生产过程中形成的碳酸盐（MgCO3、CaCO3）和有机酸根（—COO—）有关[8]。

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