不同土壤类型条件下生物炭施用量对水稻产量、品质和土壤理化性状的影响

石 吕， 薛亚光， 韩 笑， 石晓旭， 魏亚凤， 杨美英， 刘 建

(江苏沿江地区农业科学研究所/南通市循环农业重点实验室，江苏如皋 226541)

作为一种新兴土壤改良剂，生物炭具有碳元素稳定、孔隙结构发达和比表面积大等特点，保水性能和吸附能力较强，与土壤充分混合后，可促进微团聚体的形成，有效降低土壤容重，同时能够提高土壤pH值、有机质含量和全氮含量，促进土壤矿质态氮的缓慢释放，增加作物对养分的吸收，减少养分淋溶损失，提高氮肥利用率，进而改善土壤结构和水、肥、气、热状况[1-3]。前人针对不同类型生物质炭及施用量[4-5]、不同控水模式与生物炭添加[6]、生物炭与无机氮配施[7]、移栽密度和生物炭施用[8]等对水稻生长、抗倒伏能力、产量、土壤养分含量、稻田温室气体排放及氮肥利用率的影响开展了系列研究。众多结果表明，施加生物炭能改善植株农艺性状和产量构成因素，增加干物质积累，实现水稻增产，改善水稻茎秆基部性状，增强抗倒伏能力[4，6，8]，改善土壤理化性状，增加各养分含量[4]，并显著降低土壤中CH4和N2O排放量，从而显著降低全球变暖潜能值(GWP)，降低温室效应[5]，同时减氮30%配施生物炭能有效降低稻田N2O排放，增加水稻产量，提高氮肥利用率[7]。

不同地区的气候条件、土壤类型、土壤肥力状况、生物炭的固有属性和适宜施用量在一定程度上存在诸多差异，均会影响生物炭作用于作物产量及生物量的最终效用[9]。目前关于生物炭对作物品质影响的研究已有很多，但对稻米品质影响的研究鲜有涉及[10]。位于江苏南通如东中西部至如皋中东端有一条东西向的带状区域的水稻土，富含有机质，系由长江冲击形成的2万hm2草甸土，素有“苏北乌克兰”之称，符合无公害稻米产地环境条件[11]，该地区所产的如东大米在国内市场具有较高的知名度。本研究通过草甸土和沙壤土2种典型土壤类型条件下的盆栽试验，探讨不同生物炭施用量对水稻农艺性状、产量品质和土壤特性的具体影响，旨在为南通地区优质水稻生产过程中生物炭的大面积应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2019年6—10月在江苏沿江地区农业科学研究所盆栽场实施。试验盆钵规格为口径 29 cm，高度27 cm。沙壤土取自江苏沿江地区农业科学研究所内试验田，草甸土取自如东县曹埠镇直港村大田，基本理化性质如表1所示。试验所用生物炭由江苏省如皋市鑫淼新能源科技有限公司提供，其基本性状：pH值7.77，有机质含量为 313.49 g/kg，全氮含量为13.45 g/kg，碱解氮含量为343.93 mg/kg，全磷含量为7.53 g/kg，速效磷含量为1 313.16 mg/kg，全钾含量为19.64 g/kg，速效钾含量为 13 166.67 mg/kg，阳离子交换量(CEC) 0.33 cmol/kg。

表1 供试土壤的基本性质

1.2 试验设计

试验设土壤类型与生物炭施用量2个因素。土壤类型设沙壤土﹑草甸土2种。生物炭施用量设0、20、40、60、80 t/hm25个水平，分别记为C0、C20、C40、C60、C80。随机区组设计，3次重复，各重复准备10盆。试验用土提前人工过5 mm筛，每个盆钵装土量为13.14 kg(含水率为8.7%)。供试水稻品种为南粳5055，于6月25日移栽，双本栽插，每盆3穴。常规氮肥运筹，施纯氮20 kg/667 m2，基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=4 ∶2 ∶4，促花肥 ∶保花肥=6 ∶4，同时基肥施用磷酸二氢钾1 g/盆。按常规水稻大田生产规程管理。

1.3 测定项目与方法

分别于水稻拔节期、抽穗期用SPAD-502Plus手持叶绿素仪测定水稻主茎展开剑叶上、中、下部叶绿素含量，取其平均值表示该叶片叶绿素的相对含量。水稻成熟后，每处理实收计产3盆，并选取3盆长势比较均匀的水稻用于考种、生物量和养分含量测定。同时每个处理选取3盆长势比较均匀的水稻合在一起，晒干并存放3个月以上，使其含水量稳定在14%左右，将稻谷用小型精米机和粉碎机加工成米粉后，过100目筛，用于稻米品质测定。于水稻分蘖期、有效分蘖临界叶龄期、拔节期、抽穗期及成熟期，取盆栽上层20 cm土样，风干磨细，过10目筛，用于土壤理化性状及养分含量分析。植株全氮含量采用全自动凯氏定氮法测定，全磷含量采用钒钼黄比色法测定，全钾含量采用火焰光度法测定。稻米加工品质(糙米率、精米率、整精米率)、外观品质(垩白粒率、垩白度、长宽比)、直链淀粉含量、胶稠度和碱消值的测定方法按农业行业标准《米质测定方法》(NY/T 83—2017)执行。蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，再乘以换算系数5.95即为蛋白质含量。土壤pH值和电导率(EC)采用Mettler pH计直接测定，水土比为5 ∶1；土壤CEC值采用EDTA-乙酸铵盐交换法测定。采用全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮含量，0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量，1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量，重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质。

1.4 数据处理

采用Excel 2003整理数据，SigmaPlot 10.0绘图，SPSS 19.0进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用量对水稻农艺性状及产量的影响

从表2中可以看出，沙壤土水稻穗长、一次枝梗数和二次枝梗数有高于草甸土水稻的趋势，尤其是二次枝梗数表现明显，而每盆穗数则与之相反。不添加生物炭(C0)情况下，沙壤土水稻株高、每穗粒数、结实率、千粒质量和实际产量均低于草甸土水稻，而同等生物炭添加量条件下趋势相反。可见，沙壤土水稻株高、每穗粒数、结实率、千粒质量和实际产量对生物炭的施用相对更敏感，其中增产率均达到50%以上。随着生物炭施用量的增加，水稻株高、每盆穗数、结实率和实际产量呈增加趋势，其中草甸土条件下C60结实率虽有所下降，但与C0相比未达显著差异水平(P>0.05)，穗长变短，一次枝梗数和二次枝梗数减少，不同类型土壤趋势一致。每穗粒数和千粒质量因土壤类型而异，草甸土条件下呈下降趋势，沙壤土条件下则先升后降，并在C20和C40处理均呈提高趋势。

进一步对水稻产量和生物炭施用量进行相关性分析，结果如图1所示。不同土壤类型条件下，水稻产量与生物炭施用量呈正相关关系，其中，草甸土条件下相关系数(r1)为0.918(P<0.05)，沙壤土条件下相关系数(r2)为0.826(P>0.05)。

2.2 生物炭施用量对水稻剑叶SPAD值和成熟期干物质积累的影响

由表3可见，与产量趋势类似，水稻成熟期茎鞘、叶片、穗质量和总干物质积累量均随生物炭施用量的增加而逐渐提高，生物炭对沙壤土条件下成熟期水稻穗质量及总干物质的调节作用要高于草甸土，其中C80处理总干物质积累量增幅高达44.1%。

表2 生物炭施用量对水稻农艺性状及产量的影响

表3 生物炭施用量对水稻成熟期干物质积累的影响

施用生物炭有提高水稻剑叶SPAD值的作用，不同生育时期和土壤类型条件下趋势基本一致(图2)。其中草甸土条件下，生物炭对剑叶SPAD值的影响较小，仅C60和C80处理达到显著水平(P<0.05)，而沙壤土条件下剑叶SPAD值变化则相对较为敏感。

2.3 生物炭施用量对稻米品质的影响

从稻米加工品质和外观品质来看，草甸土水稻总体优于沙壤土水稻。糙米率、精米率、整精米率随生物炭施用量的增加呈提高趋势，垩白粒率与垩白度则与之相反，外观品质有改善的趋势，不同土壤类型表现一致(表4)。

与不施生物炭(C0)相比，草甸土条件下，糙米率、精米率和整精米率增幅分别为0.48%～2.05%、0.98%～3.79%和7.02%～20.21%，垩白粒率和垩白度降幅分别为1.21%～16.97%和16.46%～43.04%；沙壤土条件下，糙米率、精米率和整精米率增幅分别为1.99%～4.73%、1.59%～6.65%和0.61%～12.27%，垩白粒率和垩白度降幅分别为4.65%～23.26%和4.82%～42.77%。

表4 生物炭施用量对稻米加工品质和外观品质的影响

可见，生物炭对沙壤土水稻加工品质和外观品质的调控效应有大于草甸土的趋势。

由表5可知，不论施用生物炭与否，草甸土条件下稻米蛋白质含量、直链淀粉含量和胶稠度均表现出一定的优势，尤其是蛋白质含量相对突出。不同土壤类型条件下，生物炭有助于稻米蛋白质的积累，并且均在 80 t/hm2显著增加最多，草甸土和沙壤土稻米分别增加0.3、0.5个百分点；而对直链淀粉含量、胶稠度和碱消值的变化基本无显著影响(P>0.05)，其中胶稠度随生物炭施用量的增加有变长的趋势。

表5 生物炭施用量对稻米蒸煮营养品质的影响

2.4 生物炭施用量对土壤理化性质及养分含量的影响

就整个生育期来说，土壤电导率(EC)在C0、C20和C40处理呈“V”字形变化，拔节期达最低值，在C60和C80处理呈线性下降，且草甸土EC值始终高于沙壤土(表6)。2种类型土壤条件下，生物炭施用均显著提高了土壤EC值，且生物炭施用量越高，EC值增加越多。可以发现，沙壤土条件下土壤EC值对生物炭施用的响应更为敏感，相比于C0处理，C20处理在各时期增幅即达到193.3%、123.7%、70.6%和53.8%，明显高于草甸土条件下各时期的89.0%、74.5%、41.3%和47.1%。

表6 不同生育期生物炭施用量对土壤电导率(EC)的影响

由表7可以看出，化学性质方面，草甸土和沙壤土条件下土壤pH值的变化范围分别为7.62～8.20和8.13～8.55，呈碱性，生物炭的施用显著降低了土壤pH值(P<0.05)，却显著提高了土壤阳离子交换量(P<0.05)，且两者变化与生物炭施用量之间呈线性关系。至于不同养分含量，生物炭有助于土壤中有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的显著提高，并呈现一定的正相关关系，其中2种类型土壤的速效磷和速效钾含量在不同生物炭施用量情况下增幅均超过了100%，最高为沙壤土条件下C80处理速效磷含量相比C0增加了1 875.0%。

此外，无论添加生物炭与否，草甸土中土壤养分含量均明显高于沙壤土，而且生物炭对沙壤土土壤养分含量的调节增效作用显著高于草甸土。相比于对照(C0)，生物炭的施用使得沙壤土中土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量最大提高了4.3、2.7、19.8、15.3倍，明显高于草甸土中相应的2.0、1.3、4.9、6.9倍。同时草甸土条件下，土壤阳离子交换量高于沙壤土，pH值低于沙壤土，但两者对生物炭施用的响应均为草甸土更为敏感。

表7 生物炭施用量对土壤化学性质和养分含量的影响

3 讨论与结论

3.1 不同土壤类型条件下生物炭施用量对水稻农艺性状和产量的影响

生物炭对作物生长的影响因自身类型和施用量不同而不同[12]，其丰富的氮、磷、钾等矿质元素以及有机碳营养可供作物吸收利用，并可通过提供有机与无机养分达到促进作物生长与土壤培肥的目的。有研究发现，施用一定量生物炭能够增加水稻株高和叶片SPAD值，促进群体干物质积累，增加有效穗数和产量，使得收获指数提高[4，8]，产量与生物炭施用量两者间呈一定正相关关系，但当施用量过高时，水稻产量却表现为降低趋势[13]。黄雁飞等[14]研究发现，施用生物炭可使水稻穗长变长，增加每穗粒数和结实率，对千粒质量则无显著影响，同时减氮30%配施生物炭能有效降低稻田N2O排放，增加水稻产量，并提高氮肥利用率[7]。本研究结果表明，随着生物炭施用量的增加，水稻株高、成熟期干物质和生长期SPAD值均有所增加，每盆穗数、结实率和实际产量亦呈增加趋势，而穗长变短，一次枝梗数和二次枝梗数减少，每穗粒数和千粒质量则因土壤类型而异，草甸土条件下呈下降趋势，沙壤土条件下则先升后降。这与前人研究结果[4，13-14]并不完全一致，可能与不同试验生物炭种类、土壤类型质地及酸碱性等因素有关。产量的增加主要得益于每盆穗数与结实率的提高，这与牛同旭等基施生物炭主要通过同时促进有效分蘖来增加有效穗数和提高结实率达到增产的结论[15]一致。此外，本研究中因草甸土的有机质和养分含量明显高于沙壤土，不论添加生物炭与否，其水稻穗数都明显高于沙壤土水稻，而株高、每穗粒数、结实率、千粒质量和实际产量仅在不施用生物炭情况下高于沙壤土水稻，同等生物炭添加量条件下趋势则相反，说明生物炭对沙壤土条件下水稻的生长及相关农艺性状的调节作用更为显著。陈芳等研究发现，木炭因其碳含量过高，导致吸附能力增强，释放有效养分的能力减弱，使得水稻土壤中的速效氮磷钾含量大大下降[4]。因此，生物炭应用过程中，应先明确不同土壤类型肥力质地状况以及不同施肥模式、施肥量下相宜的生物炭种类和施用量，以保证土壤中养分释放与固定维持相对平衡，作物养分需求与实际利用相协调，避免生物炭水平过高，降低速效矿质养分含量，不利于作物的正常生长。

3.2 不同土壤类型条件下生物炭施用量对稻米品质的影响

前人研究发现，在常规施肥的基础上增施适量生物炭[10]和氮肥减量联合生物炭施用[16]不同程度上均有利于稻米品质的改善。牛同旭等研究发现，施用生物炭一定程度上提高了加工品质和外观品质，有提高稻米直链淀粉含量的趋势，蛋白质含量因生物炭施用量变化不一[15]。可见，前人关于生物炭施用对稻米品质的影响结论不一，主要因为稻米品质是由环境、基因以及基因与环境互作共同决定的，且不同的品质性状受这3个因素的影响并不相同。本研究表明，施用生物炭可明显提高水稻糙米率、精米率和整精米率，且随施用量增加呈提高趋势，而垩白粒率和垩白度则与之相反，外观品质有改善的趋势；同时有助于稻米蛋白质的积累，而对直链淀粉含量、胶稠度和碱消值的变化基本无显著影响，其中胶稠度随生物炭施用量的增加有变长的趋势。这可能是因为生物炭中的钾素以及钙、锰、锌等微量元素含量较高，从而促进了植株体内相关酶的合成，达到改善稻米品质的效果[17]。此外，本研究中草甸土稻米加工品质、外观品质和蒸煮营养品质(蛋白质含量、直链淀粉含量和胶稠度)总体优于沙壤土水稻，而且生物炭对沙壤土水稻加工品质和外观品质的调控效应呈现大于草甸土的趋势。

3.3 不同土壤类型条件下生物炭施用量对土壤理化性状及养分含量的影响

生物炭在酸化土壤防治方面具有一定作用[1]。已有研究结果表明，作为酸性土壤的中和剂，施用生物炭后，酸性土壤的pH值会提高[18]，但对碱性土壤作用不明显[19]。而生物炭自身含有的一些交换性阳离子，如Mg2+、K+、Ca2+等，在与土壤充分混合后将与其中的Al3+、H+进行交换，使其浓度降低[20]，进而调节pH值；同时盐基饱和度和土壤阳离子交换性能有所提高，有助于土壤保肥能力的改善[21-22]。陈芳等研究发现，施用一定量生物炭能够提高土壤pH值和EC值，增加土壤中有机质、速效氮磷钾和总养分含量[4]。黄雁飞等研究发现，总体来说，生物炭的施用可增加土壤有效磷、速效钾和全氮的含量，显著提高土壤pH值和有机质含量，却降低了土壤全磷、全钾和碱解氮的含量[14]。本研究发现，生物炭施用显著提高了土壤EC值、阳离子交换量、有机质、全氮、速效磷和速效钾含量，与前人研究结果[4，14]基本一致。土壤有机质含量的提高是因为生物炭本身的大比表面积以及丰富的孔隙结构可有效吸附土壤中的活性有机物质，从而减少土壤有机质的矿化[23]；生物炭有抑制土壤呼吸的作用，可减少土壤有机碳的矿化率[24]。而土壤速效磷、钾含量的提高可能是因为生物炭的添加不仅为土壤微生物提供了充足的碳源，而且生物炭表面附有的丰富孔隙结构能够充当微生物良好的栖息地，为解磷、解钾细菌提供有利的生长环境，从而活化土壤中磷、钾养分，提升土壤养分供给能力[25-26]。同时本研究中生物炭施用显著降低了土壤pH值，这可能是由于本试验条件下的2种类型土壤均呈碱性，而草甸土EC值、养分含量始终高于沙壤土，但是生物炭对沙壤土EC值和土壤养分含量的调节增效作用却显著高于草甸土，因此针对特定土壤类型需选择合适的生物炭施用量。

尽管短时期内生物炭可通过改善土壤理化性状达到水稻增产的目的，但随着生物炭的老化，其作用效果势必会大大减弱。因此，在今后试验中，有必要对生物炭的合理施入间隔进行进一步深入探讨与验证。