施用生物炭对水稻地上部分生理特性的影响研究

王家骥，王旭东

（1.沈阳工学院生命工程学院，辽宁 抚顺 113122；2.辽宁旭日东升肥料有限公司，辽宁 阜新 123200）

盲目施用肥料易污染农业环境和加重土壤板结，已成为社会共识。近年来，农林等诸多领域把科技关注焦点放在了生物炭上。与传统工艺生产的黑炭或颗粒碳相比，采用现代热裂解工艺生产的生物炭粉状颗粒是一种芳香烃和单质碳构成物质，具有羧酸酯化结构、脂肪族链状结构和芳香化结构[1]。在生物质炭化过程中，因保留其自有的空隙结构而增加了吸附力和抗氧化能力。生物炭特有的孔洞结构可使生物炭在施入土壤很长一段时间内依旧可以保持特有的性质不易被分解，具有较强的持久性[2]。生物炭技术能有效降低大气中的二氧化碳含量，使大气环境属“碳负性”[3]，为发展低碳安全农业提供了新方向，为废弃生物质再利用、作物营养吸收等提供了新思路，为改良土壤、调节pH 值等提出了新方案。在应用实践中发现，像海绵一样的生物炭不仅可以有效防止土壤营养元素流失，为土壤微生物代谢提供氮元素，还能引起作物根系适应性反应，并对作物地上部分生理特性有着深刻的影响。以水稻为例，研究不同生物炭施用量对水稻地上部分生理特性的影响，以期为生物炭的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 水稻品种与栽培模式

选用2016年国审的优质杂交水稻品种——隆优619[4]，采用直播栽培方式，观察水稻在孕穗期和灌浆期的特性差异[5]。试验期内严格遵循管理前促原则、化控促早原则和收获宜迟原则，适时协调生长，缩短灌浆时长，使水稻最大限度地灌浆成熟。

1.2 土壤处理与种植方法

采用两种土进行试验：一是土壤和沙子以1∶2的比例混合土壤；二是沙土。选取的土壤要求有机质含量基本保持一致。生物炭经粉碎处理后过80 目筛，按一定比例要求混入两份土壤，在人工条件下充分混匀，静置24 h后使用。

采用4 个处理，对应不同的生物炭浓度梯度：CK（生物炭含量为0 g/m2），A（生物炭含量为450 g/m2），B（生物炭含量为900g/m2），C（生物炭含量为1300g/m2）。

试验种植方法是在内部做好防水的100 个直径0.3 m、高0.4 m的圆桶中，施用固定量混合土壤，记为Ⅰ组。在另外100个同样的圆桶内施用固定量沙土，记为Ⅱ组。每个桶同一深度挖3个穴位，进行水稻隆优619培养。每个穴位放入5～6粒种子后覆土，覆土厚度0.5～0.8 cm。每个样品灌水量相同且适宜，统一排放，保证水分含量一致。注意天气情况，阴雨天搬入大棚中，以防雨水不定期不定量浇灌。定期查看生长情况，出秧期保证桶内水分在水稻秧苗根茎附近，并根据水稻长势与物候期对桶中水分进行及时调整，确保水稻不受雨水浇灌和太阳光照。常规管理方式下，不同处理的水肥管理保持一致。

1.3 样品处理及测定方法

孕穗期和灌浆期分别收割同株水稻同一部位叶片果实若干，即对水稻地上部分的同一部位进行采集、洗净、称质量。选出固定重量的地上部分在研钵中研磨成汁，通过研磨汁液测量地上部分植株全氮、全磷、全钾数据，并对该数据进行比对，最终找出不同生物炭含量对水稻地上部分生理特性的影响。具体测定方法：

1.3.1 植株全氮含量 将水稻样品进行凯氏相关操作。吸取定容好的消煮液5 mL，放入半微量蒸馏的内室进行碱化，然后将消煮液中的铵盐转变成NH4，用加入5 mL H3BO3指示剂的150 mL三角瓶进行蒸馏。待蒸馏出的液体体积达到50 mL左右时停止蒸馏，用少量蒸馏水冲洗冷凝管。用酸标准液滴定到紫红色，记录其数据。

1.3.2 植株全钾含量 测定方法为H2SO4-H2O2消解—火焰光度法。水稻中的钾元素是以钾离子状态存在于植物组织当中的，可采用ETHOS A微波消解仪（意大利Milestone 公司制）进行消解处理。样品消解后经过稀释，通过火焰光度法能够测定待测液中的全钾含量。1.3.3 植株全磷含量 使用H2SO4-H2O2消煮—锑钼抗比色法。先将消煮好的水稻叶片待测液20 mL 放入50 mL的容量瓶中，加入指示剂两滴，利用稀NaOH溶液和稀硫酸液调节pH值，加入锑钼抗试剂5 mL定容摇匀。然后，在室温条件下放置30 min显色。以消煮的空白液作为吸光值零点，采用AA-700原子吸收分光光度计（日本）进行测定，将仪器波长调节至700 nm处比色，记录测定的全磷含量数据。

1.4 数据统计与分析方法

对测定的数据进行单因素分析和多重比较处理。

2 结果与分析

2.1 混合土壤下不同生物炭处理对水稻不同生育期地上部分生理特性的影响

混合土壤条件下，不同生物炭浓度梯度处理对水稻孕穗期和灌浆期地上部分全氮、全磷、全钾含量的影响见表1。

表1 混合土壤下不同生物炭浓度梯度对水稻不同生育期地上部分生理特性的影响Table 1 Effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in mixed soils /ppm

由表1 可知，随着混合土壤中生物炭的含量增加，孕穗期水稻地上部分全氮含量与对照相比均有所增加但增幅不同，与灌浆期相比均有所提高，且两者整体趋势相同。生物炭施用量为450 g/m2时，孕穗期水稻地上部分全氮含量最高。生物炭使用量在大于A 组时，水稻地上部分含氮量远低于A 组，同时A 组与C组之间没有显著差异，CK与B组无显著差异，但A组、C组与CK、B组相比差异显著。

灌浆期水稻地上部分全磷含量均不高，与孕穗期相比大幅降低，整体趋势与孕穗期相符。施加生物炭的水稻地上部分含磷量均高于CK，其中A 组与C 组含磷量相近，尤以A组最高。B组与C组差异不显著，但B组、C组与CK、A组相比差异显著。

孕穗期水稻地上部分全钾含量均较高，施加生物炭后水稻地上部分全钾含量均有不同程度增加，以B组最高，未施加生物炭下的全钾含量最低。A 组、B组、C组差异显著。灌浆期水稻地上部分全钾含量与孕穗期相比有不同程度衰减，但总趋势相同，A 组、B组、C组之间差异显著。

2.2 沙土地不同生物炭处理对水稻不同生育期地上部分生理特性的影响

在沙土地种植条件下，不同生物炭浓度梯度处理对水稻孕穗期和灌浆期地上部分全氮、全磷、全钾含量的影响见表2。

表2 沙土地不同生物炭浓度梯度对水稻不同生育期地上部分生理特性的影响Table 2 The effects of different biochar concentration gradients on the physiological characteristics of the aboveground parts of rice at different growth stages in sandy land /ppm

沙土地孕穗期水稻地上部分全氮含量随着生物炭含量的增加而增加，与灌浆期相比均有所提高，且两者整体趋势相同。生物炭施用量为450 g/m2时，孕穗期水稻地上部分的全氮含量最高。当生物炭使用量在大于A＇时，水稻地上部分的含氮量均远远低于A＇，且呈递减趋势。CK＇，B＇组无显著差异。灌浆期地上部分的全磷含量均不高，施加生物炭的水稻地上部分全磷含量与CK＇相比略有增加，但差别不大。孕穗期水稻地上部分全钾含量均很高，施加生物炭后水稻地上部分全钾含量不同程度地增多，以B＇全钾含量最高，CK＇全钾含量最低。灌浆期水稻全钾含量与孕穗期相比大幅减少且趋势相同，实验组与对照组差异显著。

沙土地水稻A＇，B＇，C＇三组与CK＇组相比，其氮磷钾含量均有所增加，但由于沙土本身营养物质含量有限，施加生物炭后各营养物质含量不断变动，而在施加生物炭的土壤中，各营养物质含量数值较为稳定，这表明生物炭能加快植物生长。沙土等营养匮乏土质施用生物炭后可在一定程度上为水稻生长提供重要营养物质。

3 结论与讨论

生物炭具有多孔性及其他表面特性，可为土壤微生物提供较大的附着空间，有助于调控理化性质、改变土壤状态。不同生物炭含量对水稻地上部分生理特性的改善起到正向积极作用，但影响效果存在差异。生物炭作为一种强吸附力物质，有助于水稻对氮肥的吸收。研究表明：与对照CK相比，450 g/m2的生物炭施用量为全氮和全磷最佳施用量；900 g/m2的生物炭施用量为全钾最佳施用量。施用生物炭能有效增加水稻地上部分全氮全磷全钾含量，但随着生物炭施用量的提高，其增幅有所下降。生物炭有固碳、固氮作用，可作为一种缓释肥料载体，促进水稻生长。沙土地施用生物炭可明显提高土壤水分保持能力，能保存沙土中营养物质，减少营养和水分流失，促进水稻地上部分持续而缓慢的吸收营养。但有关生物炭如何改善土壤、提升作物理化性能、增强作物营养吸收能力等基础研究，还有待通过DGGE等分子生物学及生理生化手段进行深入探索。