调理剂对旱直播稻土壤物理性状、氮素吸收与迁移的影响

李夏雯， 卢树昌

(天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384)

我国北方水资源紧张，大水灌溉下的渗漏、地表蒸发等途径造成稻田水分利用率低，严重制约我国水稻种植可持续发展[1]。另外，我国常规稻田氮肥投入量较世界平均水平高出75%，过量施用氮肥导致大量氮素在土壤中积累，加之水田长期淹水增加了氮素向土壤下层及周围扩散运移，容易造成环境风险[2-5]。水稻直播旱管栽培具有节水、省工、省时的特点，发展直播旱管栽培方式(下文以“旱直播稻”表达)配以科学配套管理措施，可为水稻节水、减缓氮素运移风险提供有效途径；旱直播稻对土壤环境的需求较常规水稻有较大差异。近年来，不少研究利用土壤调理剂来改善土壤理化性状，提高土壤质量。研究表明，土壤调理剂可以促进团粒结构形成，降低容重，使土壤水肥保持性能提高[6]。黄家怡等研究发现，在氮、磷各减量20%的基础上增施生物炭和腐殖酸，能显著提高双季稻的株高、结实率及产量，明显降低氮流失风险[7]。

常规水稻栽培一般需要黏粒含量高的质地黏重土壤，灌溉方式为灌水量大的水田管理，而直播旱管栽培直接播种于大田，实行旱地管理，在种植方式与水肥管理方面与常规水稻差异较大，对土壤理化性状要求也存在差异[8-11]。当前，土壤调理剂施用对直播旱管栽培方式下土壤环境质量提升、提高氮素利用方面的报道较少，尤其对旱直播稻田土壤理化性状研究不深入。基于此，本试验提出在优化水分管理方式下，施用不同土壤调理剂，探究对旱直播稻田土壤物理性状、氮素吸收及迁移状况的影响，以期为北方水稻直播旱管栽培土壤管理方式提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天津市武清区大孟庄镇后幼庄村，地理位置为39°32′～39°33′N，116°57′～116°58′E。该区为暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量550～606 mm，60%集中在6—8月。土壤类型为潮土，质地为轻壤，土壤保水保肥性能不高，常年大水漫灌，容重偏高，呈碱性、非盐渍化，肥力中等以上。具体土壤理化性状如表1所示。

表1 试验地土壤理化性状

1.2 供试作物与材料

1.2.1 供试作物 早稻品种为津原E28。该品种为粳型常规稻，京津唐地区种植的平均全生育期为178 d。

1.2.2 供试土壤调理剂材料 稻壳生物炭：由稻壳材料制作，购于天津亚德尔生物质科技股份有限公司。腐殖酸：固体粉状，购于天津休美特国际贸易有限公司。供试调理剂基本理化性状见表2。

表2 供试材料理化性状

1.3 试验设计与管理

试验时间为2020年5—10月，采用生物炭和腐殖酸2种调理剂，设计4个处理，即CK(对照)、BC(24 000 kg/hm2生物炭)、HA(1 500 kg/hm2腐殖酸)、BC+HA(12 000 kg/hm2生物炭+750 kg/hm2腐殖酸)。小区面积36 m2(6 m×6 m)，采用随机区组设计，每个处理3次重复，设置保护行，播种量为 90 kg/hm2，播种行距为30 cm。

水分优化管理方式为旱直播湿润灌溉，即旱直播后立即进行田间灌水等待出苗，除分蘖后期排水晒田外，在整个生育期内灌小水，保持土壤湿润，以根层土壤水分占饱和含水率的75%～85%作为灌水控制标准。全生育期灌水量7 500 m3/hm2，10～15 d灌1次，每次750 m3/hm2。

施肥管理：全生育期施氮300 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。氮肥分为整地、分蘖期、分蘖末期、拔节孕穗期4次施用，分别按照40%、20%、20%、20%的比例施入，即基追比4 ∶6，以尿素形式提供；磷、钾作为基肥一次性施入，以磷酸二铵和硫酸钾形式提供。由于磷酸二铵含有部分氮素，基肥尿素施用量计算时要扣除磷酸二铵中的氮素。

1.4 样品采集与测试方法

收获期(10月31日，结实期)用环刀采集各小区土壤样品，然后测定容重、田间持水量；用铁锹采集0～20 cm散土，自然风干、去杂后用于测定土壤团粒结构；用土钻按“S”形五点取样法采集各小区深层为0～30、30～60、60～90、90～120 cm的土样，经标准化处理后，测定分析土壤全氮、硝态氮含量。在收获期(10月31日，结实期)每小区去除两侧保护行各5行(1.5 m宽)及两头各1 m边界，取中心区10行(3 m宽)共12 m2(3 m×4 m)植株进行整株收获，自然风干晾晒后将旱直播稻茎叶、根、穗分离，各部位分别称质量，计算干物质量。

土壤容重采用环刀法测定，用高10 cm、规格200 cm3的环刀取5～15 cm深度土壤，无损失转移并称质量后在105 ℃下烘干至恒重，再称质量计算可得[12]。田间持水量采用环刀法取5～10 cm深度土壤，同时取相同土层散土样品，将环刀原状土样浸入水面比环刀上缘低1～2 mm的水中，浸泡 24 h，散土风干后过2 mm筛，装入另一环刀，将饱和的湿土环刀同滤纸一起压在同类风干土环刀上方，接触8 h，后从原状土样环刀中取土20～30 g置于铝盒中，烘干法测定含水量[13]。团粒结构采用湿筛法，称取5.00 g经研磨过5 mm筛的土样，放入 >2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、>0.106～0.25 mm和≤0.106 mm共6个不同粒级的土壤团粒结构分析仪中，振荡40 min后，各筛控水，放入105 ℃烘箱内烘烤8 h，再称量不同孔径下的烘干土质量，并计算平均质量直径(MWD)。土壤全氮含量采用浓硫酸-H2O2消煮-凯氏定氮法测定。土壤硝态氮含量采用氯化钙溶液浸提，紫外分光光度法测定。平均质量直径计算公式如下：

(1)

植物样品用浓硫酸-H2O2消煮后用凯氏定氮法测定各部位全氮含量，并计算各部位吸氮量(吸氮量=干生物量×含氮量)。

1.5 数据处理与分析

数据采用Excel 2010进行处理，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，用Duncan’s新复极差法法和LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理旱直播稻田土壤物理性状状况

2.1.1 不同处理旱直播稻田土壤容重和田间持水量状况 由表3可知，与CK相比，各处理均能够降低土壤容重，BC处理降幅最大，达5.96%，显著低于其他处理(P<0.05)，BC+HA处理次之，降幅为4.64%。施加调理剂处理(BC、HA、BC+HA)的田间持水量较CK均有所增加，BC增幅为10.93%，显著优于其他处理，BC+HA处理次之，增幅为2.27%。综上，施加土壤调理剂对于降低旱直播稻田土壤容重以及提高田间持水量有积极作用，其中，BC处理在降低土壤容重和提升田间持水量方面效果最为显著，说明生物炭本身具有的多孔性以及密度较小等特征利于增加土壤孔隙度，进而改善土壤容重和持水能力。

表3 各处理旱直播稻田土壤容重和田间持水量状况

2.1.2 不同处理旱直播稻田土壤团粒结构状况 由表4可知，BC处理能够明显提高>2 mm和 >1～2 mm 粒级的团聚体含量，而显著降低>0.106～0.25 mm 和≤0.106 mm粒级团聚体含量，说明BC有利于大团聚体和中间团聚体的形成，同时降低微团聚体与黏团聚体含量。BC处理>0.25 mm粒级含量和平均重量直径(MWD)显著高于其他处理，较CK高出和31.92%和15.26%，BC+HA次之，分别高出25.02%、6.32%。综上，BC处理能够较好地改善土壤团粒结构进而提高土壤结构稳定性。

2.2 不同处理旱直播稻干物质量及氮素吸收状况

2.2.1 不同处理旱直播稻干物质量状况 由图1可知，旱直播稻各处理干物质量状况均为茎叶>稻谷>根，茎叶所占比例最大，为38.5%～43.6%，稻谷比例为35.5%～44.5%，根部比例为17.1%～21.3%。各处理总干物质量依次为BC>HA>BC+HA>CK，BC处理最大(21 957.67 kg/hm2)。稻谷部位，BC处理干物质量达到7 949.17 kg/hm2，显著高于其他处理，与CK相比，稻谷干物质量显著提升77.61%，较HA、BC+HA处理增加了34.59%、20.50%，HA、BC+HA处理稻谷干物质量分别较CK提升31.97%、47.40%， 说明施加调理剂能够促进水稻穗部发育，显著提升籽粒产量。结合总干物质量及稻谷干物质量表现来看，BC处理能够明显促进旱直播稻生长发育，有利于茎叶与稻谷干物质积累，对产量提升有显著效果。

表4 各处理土壤团粒结构不同粒级比例及平均质量直径

2.2.2 不同处理旱直播稻氮素吸收状况 由图2可知，各处理总吸氮量表现为BC>HA>BC+HA>CK，其中BC处理最大(169.42 kg/hm2)，显著高于其他处理。各处理吸氮量均表现为稻谷>茎叶>根；其中，茎叶和根部的吸氮量为BC>HA> BC+HA>CK，BC处理氮素吸收最好，茎叶、根部的吸氮量分别为66.10、28.01 kg/hm2，与CK相比分别增加29.63、17.32 kg/hm2，说明生物炭调理剂单一施用处理(BC)对促进旱直播稻茎叶和根氮素吸收有显著效果。稻谷吸氮量表现为BC>BC+HA>HA>CK，BC处理最高(75.31 kg/hm2)，BC+HA处理次之(62.37 kg/hm2)，较CK分别高出82.71%和51.33%，各处理对促进旱直播稻根部对氮素吸收均有显著效果，BC处理的促进效果最好。

2.3 不同处理旱直播稻田土壤氮素含量变化及迁移状况

2.3.1 不同处理旱直播稻田土壤全氮含量变化 由图3可知，与基础值相比，各处理在收获期均能降低土壤0～30 cm土层全氮含量， 降幅在0.95%～3.17%之间，但差异未达显著水平。与CK相比，BC处理全氮含量降低2.14%，BC+HA处理次之，降幅为1.60%。说明施加生物炭在一定程度上能够降低土壤表层全氮含量。

2.3.2 不同处理旱直播稻田土壤硝态氮含量状况 由表5可知，在收获期(10月31日，结实期)，与基础样比较，BC+HA处理4个土层的硝态氮含量均显著降低，降幅从表层向下依次为50.14%、64.22%、40.87%和6.56%，且与其他处理差异显著(60～90 cm土层除外)。土壤水分下渗会引起硝态氮的淋失，硝态氮含量较种植前大幅降低是由于作物与灌溉方式均发生改变，旱作节水灌溉方式减缓了大水灌溉造成的下渗累积。在60～90 cm和 90～120 cm土层，CK的硝态氮含量相较于基础值显著增加，其后期累积在土壤中的硝态氮没有被及时汲取而向下淋洗，其他施用调理剂处理硝态氮含量均有不同程度的降低，说明生物炭、腐殖酸的施用可以减缓氮素随水向深层迁移状况。综合收获期4个土层的硝态氮含量变化，BC+HA处理能显著降低土壤硝态氮含量，对于减缓氮素迁移、控制环境风险有明显效果。

表5 各处理收获期稻田土壤硝态氮含量状况

3 讨论与结论

土壤物理性状的改善有利于形成适宜的旱直播稻生长条件，促进氮素吸收。何立德等的研究表明，土壤调理剂能够改善旱直播稻生长环境，促进其生长以及干物质积累，增产率达9.0%[15]。本试验结果表明，单施生物炭处理在产量与氮素吸收方面的效果最好，可能与生物炭对土壤物理性状改善效果显著有关。研究表明，生物炭颗粒密度较低，具有多孔性质，能够吸附更多的水分子，增加土壤的蓄水、保水作用[16-17]。土壤团粒结构是土壤结构的基本单元，各粒级团聚体的数量分布和空间排列方式决定了土壤水力性质及通透性能，对土壤氮的利用、供给与转化等都有重要影响，进而影响氮素在土体内迁移[18-19]。Lu等研究发现，施加6%稻壳生物炭能够显著提高2～5、0.25～0.5mm大团聚体含量，同时减小<0.25 mm微团聚体含量，且显著提高了平均重量直径[20]。这可能是由于生物炭等土壤调理剂与土壤混合，在氢键和静电的作用下对电解质离子、有机分子、络合物等发生吸附，促使分散的土壤颗粒团聚形成团粒，以增加土壤水稳性团聚体含量及其稳定程度[21-22]；同时，生物炭本身能够提高土壤中有机碳含量并降低有机碳矿化，有机碳作为胶结物质，可以有效促进团聚体的形成[23]；另外，生物炭等调理剂的CEC较高且比表面积大，可吸附大量的多酚化合物为微生物提供碳源，激发其活性，进而使非稳定性胶结剂(真菌菌丝、根系、植物源的多糖等)含量得到提升，以促进土壤团聚体胶结作用[24-26]。

张爱平等研究发现，生物炭配施氮肥可以显著提高水稻籽粒产量44.89%，增加地上部吸氮量66.27 kg/hm2，大大提升氮肥利用率[27]。本研究结果中，单施生物炭效果显著优于其他处理，稻谷部位氮素吸收较对照增加82.71%，氮素利用明显提高。这可能是因为一方面生物炭密度低、多孔，吸附作用较强，可吸附大量的多酚化合物，为微生物提供碳源进而提升微生物活性，促进矿化[28]，从而促进氮的固定[29]；另一方面，生物炭孔隙结构发达且稳定性高，可以通过在微、中观土壤毛孔中滞留水分而实现养分的保留，从而增强对氮素的吸持能力[30]，促进土壤中氮素的吸收，进而减缓在土层间运移[31]。生物炭具高度的稳定特性，施入土壤中具有多年持续效果[32]，本试验对土壤物理性状的研究为1年田间小区试验结果，有待继续开展多年试验，以进一步深入研究。

刘灿华等的研究表明，腐殖酸施入土壤可有效增加土壤孔隙度并降低土壤容重，大幅度改善土壤物理性质，进而调节土壤养分状况[33]。而本试验单施腐殖酸处理在改善土壤质量和提高产量方面均未获得最优效果，可能是因为刘灿华等的研究中腐殖酸施用量为3 000 kg/hm2，较本试验单施量高出2倍因而效果显著。腐殖酸施用对化肥中氮素有缓释作用，对钾素有增效效果[34]，本试验单施腐殖酸处理生物量表现较弱，其原因可能是腐殖酸加强了茎秆部位的养分吸收，同时促进根部发育效果显著，根系活力提高使根部干物质累积增加，而这对旱直播稻籽粒生长产生了负向影响[35]，因而影响了总生物量和产量。本试验结果表明，生物炭与腐殖酸结合也可以较好地降低土壤容重，降幅仅次于生物炭，这可能是由于生物炭丰富的微孔隙结构使土壤通气和透水性增强，腐殖酸的施入有效调节了土壤酸碱度，使土壤 pH 值始终处于有益于土壤微生物生长的范围内，以激发微生物的生化活性，二者结合有利于改善土壤物理性状及氮素吸收[22，36]，而可能由于配施处理2种调理剂施用量相对较小，促进作用低于单施生物炭，因而未能获得最高产量。

从土壤物理性状方面看，单一施加生物炭能够显著降低土壤容重5.96%，提高田间持水量10.93%，并有效改善土壤团粒结构；从生物量、氮素养分吸收来看，单施生物炭处理的生物量与氮素吸收量均最大，其总干物质量为21 957.67 kg/hm2，稻谷部位达7 949.17 kg/hm2，同时总吸氮量达 169.42 kg/hm2，稻谷部位为75.31 kg/hm2。生物炭与腐殖酸配施处理仅次于单施生物炭处理；从减缓氮素迁移方面看，生物炭与腐殖酸配施效果最好，能够显著降低4个土层硝态氮含量，降幅为6.56%～64.22%。总体看，施加24 000 kg/hm2生物炭能有效改善稻田土壤物理性状，促进氮素吸收，提高旱直播稻生物量，12 000 kg/hm2生物炭与750 kg/hm2腐殖酸配施下，能够显著减缓旱直播稻田土壤氮素迁移，降低氮素环境风险。