崔月峰 孫國才 郭奧楠 史鴻儒 王桂艷 王健 黃文佳 盧鐵鋼

摘要：為探究秸稈和生物炭還田對改善我國冷涼稻區(qū)土壤物理性質(zhì)和pH值的可行性，研究秸稈直接還田和秸稈炭化（生物炭）還田對冷涼稻田土壤容重、孔隙度、溫度、pH值的影響。結(jié)果表明，與常規(guī)生產(chǎn)相比，秸稈（6 t/hm2）、少量生物炭（2 t/hm2）、大量生物炭（40 t/hm2）還田使水稻不同生育時期下稻田土壤容重分別降低6.02%～11.86%、2.69%～6.67%、8.58%～11.32%，總孔隙度分別增加7.41%～14.93%、3.19%～8.38%、9.81%～14.27%，通氣孔隙度分別增加22.28%～192.11%、17.80%～92.11%、52.44%～157.11%;秸稈和少量生物炭還田對稻田土壤溫度和pH值沒有顯著影響，但大量生物炭還田在水稻生育后期可使土壤溫度顯著提高5.13%～8.79%、pH值提高3.15%～5.96%。綜上，秸稈和生物炭還田能夠降低土壤容重、增加總孔隙度和通氣孔隙度，只有大量生物炭還田才會顯著提高土壤溫度和pH值。

關(guān)鍵詞：秸稈;生物炭;冷涼稻區(qū);土壤物理性質(zhì);土壤pH值

中圖分類號：S152;S511.06?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0255-06

我國農(nóng)林廢棄物資源豐富，每年各類秸稈產(chǎn)量7億t，約占全世界秸稈產(chǎn)量的20%～30%，居世界第一，其中50%以上秸稈被用做薪柴或被廢棄焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，同時也污染了環(huán)境[1-2]。因此，秸稈綜合處理和高效利用已成為解決土壤、資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)鍵。秸稈是我國生物質(zhì)能資源和有機(jī)肥源的重要組成部分，還田后在土壤中分解，能夠改良土壤結(jié)構(gòu)和物理性狀，提高有機(jī)質(zhì)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，秸稈還田后，土壤容重下降，孔隙度提高，利于改良土壤結(jié)構(gòu)和通氣狀況[5-6]，加強(qiáng)土壤對光輻射的吸收和轉(zhuǎn)化，具有增溫效應(yīng)，短期主要體現(xiàn)在0～5 cm土層，長期則主要體表現(xiàn)在0～15 cm土層[7]。

生物炭來源于秸稈等生物質(zhì)，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、吸附力強(qiáng)等特性，能夠?qū)Τ至羲帧⒐坛逐B(yǎng)分起到良好的載體作用，可以降低土壤容重，增加孔隙度，改善土壤通氣條件[8-9]。土壤pH值降低是農(nóng)業(yè)土壤肥力質(zhì)量下降的一個重要指標(biāo)，而生物炭能降低比自身pH 值低的土壤的酸性及比它pH值高的土壤的堿性，且不受制作材料的限制[10]。還有研究表明，生物炭改良土壤的機(jī)制是通過影響土壤pH值，改善土壤性能，提高土壤肥力，達(dá)到促進(jìn)作物生長的目的[11-12]。

然而，當(dāng)前關(guān)于秸稈炭化還田的研究多集中在溫暖濕潤的熱帶或亞熱帶地區(qū)，針對北方冷涼地區(qū)稻田的研究很少。由于冷水灌溉及寒冷的氣候因素導(dǎo)致我國北方稻田土壤溫度較低，而且土壤黏重，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)少，孔隙度低，透水、透氣性差，微生物活性弱，特別是由于長期、大量的化學(xué)肥料施入，導(dǎo)致稻田土壤酸化加劇、土壤生產(chǎn)力降低[13-14]，因此有必要開展該生態(tài)氣候區(qū)秸稈和生物炭的應(yīng)用效應(yīng)研究。本試驗著重研究生物炭還田對冷涼稻田土壤物理性狀、pH值的影響，以期為東北冷涼稻區(qū)改土提質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)水稻試驗田進(jìn)行，地處我國遼寧北部（42°14′N，123°48′E），具有典型的半濕潤大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫為6.3 ℃，4—9月份活動積溫3 496.9 ℃，降水量 643.5 mm，日照時數(shù)1 357.6 h，平均氣溫19.1 ℃。試驗田已經(jīng)連續(xù)種植水稻超過40年，灌溉水來源于地下30 m處的冷水。土壤耕層（0～20 cm土層）營養(yǎng)指標(biāo)含量如下：全氮含量1.06 g/kg，全磷含量0.85 g/kg，全鉀含量17.24 g/kg，速效氮含量93.64 mg/kg，速效磷含量38.28 mg/kg，速效鉀含量75.06 mg/kg，有機(jī)碳含量10.73 g/kg，pH值6.36。

供試品種為北方超級粳稻沈農(nóng)265，主莖葉片數(shù)為15，具有株型緊湊、分蘗力較強(qiáng)、穗型直立的特性。供試秸稈粉碎成0.5～1.0 cm的小段，生物炭由遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心將秸稈在 400～500 ℃熱解缺氧條件下生產(chǎn)，將約1/3秸稈制成粒徑為1.5～2.0 mm的生物炭，秸稈和生物炭主要理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個處理，即當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥：46%尿素456.5 kg/hm2、12%過磷酸鈣 875 kg/hm2、52%硫酸鉀202 kg/hm2，記做CK;秸稈還田：在CK基礎(chǔ)上施入秸稈6 t/hm2，記做S;少量生物炭還田：在CK基礎(chǔ)上施入生物炭 2 t/hm2（按秸稈可以轉(zhuǎn)化為30%生物炭計算），計做C1;大量生物炭還田：在CK基礎(chǔ)上施入生物炭40 t/hm2，記做C2。

試驗采用育苗移栽的種植方式，于2013年4月18日播種、5月28日移栽、10月8日收獲，2014年4月14日播種、5月27日移栽、10月9日收獲，插秧規(guī)格為30.0 cm×13.3 cm，每穴3苗，隨機(jī)區(qū)組排列設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共計12個小區(qū)，每個小區(qū)面積為21 m2。各小區(qū)單獨(dú)打埂，均配有上水、排水渠道，單灌、單排。氮肥分基肥 ∶ 蘗肥 ∶ 穗肥質(zhì)量比=5 ∶ 3 ∶ 2施入，秸稈和生物炭在水稻移栽前100%一次性施入，均勻分散到土壤表面，然后旋耕混勻，過磷酸鈣做基肥100%一次性施入，硫酸鉀做基肥和穗肥各施50%。其他栽培管理措施按常規(guī)水稻大田生產(chǎn)規(guī)程進(jìn)行。

1.3 土壤樣品采集與測定

在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期用土鉆垂直鏟挖（1孔）植株根部周圍0～20 cm土壤樣本，每個小區(qū)隨機(jī)取3點，自然風(fēng)干后測定樣品的pH值;在每個小區(qū)內(nèi)埋地溫計，取土?xí)r讀取土壤向下深度為5 cm處的溫度，同時采用環(huán)刀法測定土壤的容重、孔隙度，具體測定方法參照魯如坤主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理。差異采用DPS 7.05軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，多重比較（LSD）判斷處理間的差異顯著性（P<0.05），所有測定結(jié)果數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈及生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 秸稈及生物炭對土壤容重的影響 容重是衡量土壤物理特性的重要指標(biāo)之一，對土壤通氣性、含水量及營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)功能影響較大。從圖1可以看出，土壤容重基本呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，但整個生長季內(nèi)差異并不十分明顯。CK容重為1.41～1.48 g/cm3，S處理容重為1.27～1.39 g/cm3，C1、C2處理分別為1.35～1.40 g/cm3、1.27～1.39 g/cm3。在分蘗期各處理容重為1.27～1.43 g/cm3，S、C1、C2處理的容重分別較CK降低6.95%、3.34%、10.89%，其中S、C2與CK差異顯著;拔節(jié)期各處理容重為1.31～1.48 g/cm3，S、C1、C2處理的容重分別較CK顯著降低6.02%、3.99和11.32%;抽穗期各處理容重為1.29～1.44 g/cm3，S、C1、C2處理的容重分別較CK降低6.67%、2.69%、10.02%，其中S、C2與CK差異顯著;灌漿期各處理容重為1.30～1.48 g/cm3，S、C1、C2處理的容重分別較CK顯著降低11.86%、6.67%、10.18%;成熟期各處理容重為1.27～1.41 g/cm3，S、C1、C2處理的容重分別較CK顯著降低10.00%、4.57、8.58%?？梢娊斩捄蜕锾窟€田都能顯著降低水稻各個生育階段下稻田土壤的容重，秸稈還田處理土壤容重較CK降低6.02%～11.86%，且在生育后期降低幅度更大，少量生物炭還田處理土壤容重較CK降低2.69%～6.67%，在后期差異也達(dá)到了顯著水平，而大量生物炭還田處理土壤容重較CK降低8.58%～11.32%，尤其在生育前期降低幅度更加明顯。

2.1.2 秸稈及生物炭對土壤孔隙度的影響 土壤孔隙度與土壤透水透氣性、導(dǎo)熱性和緊實度關(guān)系密切。從表2可以看出，不同生育階段下各處理間土壤總孔隙度都存在一定的差異。分蘗期S、C1和C2處理的總孔隙度較CK分別增加8.12%、3.91%和12.74%，其中S、C2處理與CK差異顯著，C1處理與CK間差異未達(dá)顯著水平;拔節(jié)期S、C1和C2處理的總孔隙度較CK分別顯著增加7.41%、5.08%和14.27%;抽穗期S、C1和C2處理較CK增加8.03%、3.19%和11.85%，其中S、C2處理與CK差異顯著，C1處理與CK差異不顯著;灌漿期S、C1和C2處理較CK分別顯著增加14.93%、8.38%和12.81%;成熟期S、C1和C2處理較CK分別顯著增加11.44%、5.23%和9.81%?？梢娊斩掃€田能夠顯著提高稻田土壤的總孔隙度，提高幅度為 7.41%～14.93%，且生育后期的增幅要高于前期;少量生物炭還田對提高稻田土壤的總孔隙度具有一定的功效，增加幅度在3.19%～8.38%之間，尤其在灌漿期作用最明顯;大量生物炭還田則在水稻整個生育時期都能顯著提高稻田土壤的總孔隙度，提高幅度為9.81%～14.27%，且從分蘗期開始就起到了高效的作用。

從不同生育階段來看，CK處理土壤毛管孔隙度為37.66%～40.46%，S處理土壤毛管孔隙度為36.30%～40.23%，C1處理土壤毛管孔隙度為36.35%～40.68%，C2處理土壤毛管孔隙度為38.20%～ 40.33%?各處理在整個生育階段均無顯著性差異，可見無論是秸稈還是生物炭還田對稻田土壤毛管孔隙度都沒有明顯的影響，而且也不受生物炭施量的影響。

不同生育階段下各處理間土壤通氣孔隙度存在一定的差異。分蘗期S、C1和C2處理較CK分別顯著增加60.64%、36.86%和52.44%;拔節(jié)期S、C1處理較CK分別增加22.28%、43.25%，差異不顯著，C2處理較CK顯著增加86.83%;抽穗期S、C1和C2處理較CK分別增加53.64%、17.88%和80.96%，其中S、C1處理與CK差異不顯著，C2處理與CK差異達(dá)到顯著水平;灌漿期S、C1和C2處理較CK分別顯著增加192.11%、92.11%和157.11%;成熟期S、C1和C2處理較CK分別顯著增加81.03%、36.60%和59.98%?？梢娊斩捄蜕倭可锾窟€田在前期和后期能夠顯著提高稻田土壤的通氣孔隙度，尤其在灌漿期分別高達(dá)192.11%和92.11%;大量生物炭還田在整個生育期內(nèi)都能顯著提高稻田土壤的通氣孔隙度，增加幅度達(dá) 52.44%～157.11%，尤其在灌漿期作用最明顯。

2.1.3 秸稈及生物炭對土壤溫度的影響 土壤溫度是水稻生長的重要生態(tài)因子，對水稻根系吸收水分和營養(yǎng)有重要影響。從圖2可以看出，各處理下的土壤溫度在分蘗期至抽穗期期間差異不大，到灌漿期及其之后出現(xiàn)較大幅度的下降。分蘗期各處理下土壤溫度為24.8～25.8 ℃，S、C1 和C2處理的溫度分別較CK增加4.03%、0.54%和2.01%，各處理間差異未達(dá)到顯著水平;拔節(jié)期各處理下土壤溫度為24.7～25.3 ℃，S、C1 和C2處理的土壤溫度分別較CK增加0.68%、1.08%和2.70%，各處理間差異不顯著;抽穗期各處理下土壤溫度范圍在23.5～24.3 ℃之間，S、C1 和C2處理下的土壤溫度分別較CK增加0.02%、0.71%和3.55%，各處理間差異不顯著;灌漿期各處理下土壤溫度范圍在19.5～20.5 ℃之間，S、C1 和C2處理的土壤溫度分別較CK增加2.91%、3.25%和5.13%，其中C2處理與CK差異顯著;成熟期各處理下土壤溫度范圍在13.3～14.5 ℃之間，S、C1 和C2處理的土壤溫度分別較CK增加2.50%、3.75%和8.75%，其中C2處理與CK差異顯著。可見秸稈和少量生物炭還田對水稻各個生育階段下的稻田土壤溫度沒有顯著的提高優(yōu)勢，而大量生物炭還田在前期對土壤溫度影響不大，而在生育后期能顯著提高5.13%～8.79%。

2.2 秸稈及生物炭對土壤pH值的影響

由圖3可以看出，在水稻整個生育期內(nèi)，各處理下土壤pH值基本表現(xiàn)為先降后升再降的波浪性趨勢。分蘗期各處理的土壤pH值為6.77～7.00，S、C1 處理的土壤pH值較CK分別增加1.23%、0.25%，與CK相比差異不顯著，而C2處理較CK顯著增加3.45%;拔節(jié)期各處理的土壤pH值為 6.65～6.92，S和C1處理較CK分別增加2.51%、2.26%，與CK相比差異不顯著，C2 處理較CK顯著增加4.01%;抽穗期各處理的土壤pH值為6.88～7.10，S、C1 處理的pH值較CK分別增加2.18%、1.70%，與CK相比差異不顯著，而C2處理較CK顯著增加3.15%;灌漿期各處理的土壤pH值為 6.43～6.80，S、C1 處理的土壤pH值較CK分別增加1.55%、3.37%，與CK相比差異不顯著，而C2處理較CK顯著增加5.70%;成熟期各處理的土壤pH值為 6.15～6.52，S、C1 處理的土壤pH值較CK分別增加0.81%、2.44%，與CK相比差異不顯著，而C2處理較CK顯著增加5.96%?？梢娊斩捄蜕倭可锾窟€田在水稻整個生長階段對稻田土壤pH值有一定的提高趨勢，但與CK相比差異并不顯著，而大量生物炭還田則能夠顯著提高稻田土壤的pH值，提高幅度為3.15%～5.96%，且越到后期增加的幅度越大，使土壤呈近中性狀態(tài)。

3 結(jié)論與討論

土壤的物理性質(zhì)主要包括容重、孔隙度、含水量及溫度，土壤結(jié)構(gòu)、通氣性及有機(jī)質(zhì)含量，能夠影響土壤肥力及植物根系在土壤中的生長。土壤容重和孔隙度都是反映土壤結(jié)構(gòu)特性的重要指標(biāo)，二者間一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。秸稈還田后土壤容重降低，孔隙度增加，使得土壤疏松、通氣透水，從而可以促進(jìn)土壤微生物活動，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)[15-16]。

董桂軍等通過在寒區(qū)長期秸稈全量還田研究認(rèn)為，隨著秸稈還田年限的增加，土壤容重呈降低趨勢，由1.32 g/cm3降到1.25 g/cm3，顯著降低了0.07 g/cm3[17];李世忠等在寧夏回族自治區(qū)引黃灌區(qū)秸稈還田的研究表明，土壤容重較上年同期降低10.9%，土壤孔隙度較上年同期提高7.3%[18]。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田使水稻不同生育階段下稻田土壤0～20 cm的容重顯著降低6.02%～11.86%，同時總孔隙度提高7.41%～14.93%，通氣孔隙度增加22.28%～192.11%，但對毛管孔隙度的影響不顯著。秸稈還田能夠影響土壤對光輻射的吸收轉(zhuǎn)化和熱量的傳導(dǎo)，具有低溫時“增溫”和高溫時“降溫”的雙重效應(yīng)[19]。有研究表明，秸稈還田配施化肥在08：00和20：00氣溫較低時提高了土壤溫度，而在14：00氣溫較高時降低了土壤溫度[20]。肖國華等試驗表明，稻草還田免耕覆蓋能夠使早春0～5 cm土層溫度提高0.7～1.0 ℃[21]。據(jù)Ramakrishna等研究報道，秸稈覆蓋主要影響10 cm以內(nèi)淺層的土壤溫度，對10 cm以下土層溫度的調(diào)控作用不顯著[22]。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田雖然對稻田土壤向下深度0～5 cm的土層溫度有一定的提升作用，但與CK差異不顯著，其原因可能與秸稈還田方式、調(diào)查時間點以及土壤深度相關(guān)。

生物炭會影響土壤性質(zhì)是因為其具有獨(dú)特的多微孔結(jié)構(gòu)與理化特性[23-24]。生物炭質(zhì)地疏松，能夠改善土壤松緊度，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，降低土壤容重，增加微生物量，提高微生物活性，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加總孔隙度，改善土壤的通氣、透水性[25-27]。Oguntunde等研究表明，添加生物炭后，土壤容重降低9%，而總孔隙度由45.7%提高到50.6%[28]。Githinji通過生物炭和土壤的體積比設(shè)置沙壤土的培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，土壤容重隨生物炭增加呈線性減少趨勢（R2=0.997）;當(dāng)生物炭添加量為25.0%、50.0%、75.0%和100.0%時，土壤孔隙度較對照分別增加10.0%、22.0%、38.0%和56.0%[29]。本試驗結(jié)果表明，少量生物炭還田使水稻各個生育時期下土壤容重降低2.69%～6.67%，總孔隙度和通氣孔隙度分別提高3.19%～8.38%和17.88%～92.11%，而大量生物炭還田使土壤容重降低8.58%～11.32%，總孔隙度和通氣孔隙度分別提高9.81%～14.27%和52.44%～157.11%，這與Eastman的研究結(jié)果[30]一致。生物炭添加到土壤中可使土壤顏色變深，進(jìn)而影響土壤熱導(dǎo)率和地表反射率，造成土壤溫度的變化。Zhang等在我國華北地區(qū)農(nóng)田通過生物炭長期定位試驗表明，生物炭能夠調(diào)節(jié)土壤向下深度為5.0 cm的土層溫度波動，具有削峰填谷的作用，在冬季低溫時施用生物炭可使土壤溫度增加0.6 ℃[31]。Ventura等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭增加了地表溫度，但對向下深度為7.5 cm的土壤溫度無顯著性影響[32]。本試驗結(jié)果表明，少量生物炭還田對水稻各個生育階段下土壤溫度沒有顯著性影響，而大量生物炭還田在水稻生育后期能顯著提高土壤溫度5.13%～8.75%，可能是由水稻生育前期田間水分充足，生物炭又增大了土壤的保水性有關(guān)，土壤升溫的速率會因為高的含水量而大大減弱[33]，而在后期淺濕干灌溉條件下，土壤含水率下降，深色的土壤更易吸收太陽光能并降低土壤表面反射率，從而使得大量生物炭的增溫效果突顯出來。

土壤pH值決定了土壤酸堿度，直接影響著土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)和有效性，對土壤微生物活性、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及有機(jī)質(zhì)礦化起著重要的作用。秸稈還田在一定程度上可以調(diào)節(jié)土壤pH值，而適量的生物炭還田能提升土壤pH值，提升耕層土壤的氧化還原電位，降低還原物質(zhì)總量，改善土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)[34]。本試驗結(jié)果表明，秸稈和少量生物炭還田在水稻整個生長階段對稻田土壤pH值有增加的作用，但差異不顯著，這與周運(yùn)來等的研究結(jié)果[35]一致。而大量生物炭還田能夠顯著提高稻田土壤pH值（增幅為3.15%～5.96%），且越到生育后期增幅越大，可能與生物炭本身的酸堿度（本試驗生物炭pH值為9.02）及其生產(chǎn)過程中形成的碳酸鹽（MgCO3、CaCO3）和有機(jī)酸根（—COO—）有關(guān)[8]。

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