劉曉宇 劉楊 馮彥房 陳寅 石春林

摘要：長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻麥輪作的生產(chǎn)方式往往導(dǎo)致土壤排水不暢和養(yǎng)分流失。且該地區(qū)小麥生長(zhǎng)季多陰雨，導(dǎo)致小麥漬害脅迫減產(chǎn)。探索合理的方法來(lái)緩解小麥漬害脅迫有重要意義。本研究開(kāi)展盆栽試驗(yàn)，設(shè)置不同生物炭施用量和漬水處理，研究水稻秸稈生物炭對(duì)稻麥輪作土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重呈下降趨勢(shì)，有助于改善稻麥輪作土壤排水不暢的特點(diǎn)。同時(shí)，施用生物炭可顯著增加土壤pH值、有機(jī)碳和有效磷的含量（P<0.05）。施用生物炭和漬水處理對(duì)土壤總氮含量沒(méi)有顯著影響，但生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，漬水處理會(huì)導(dǎo)致土壤堿解氮含量顯著下降（P<0.05），表明生物炭有助于固定土壤氮?？傮w來(lái)看，施用水稻秸稈生物炭可改善稻麥輪作土壤的排水條件，維持土壤養(yǎng)分，有助于抵御漬害脅迫造成的小麥減產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水稻秸稈;生物炭;稻麥輪作;漬害脅迫;土壤養(yǎng)分

中圖分類號(hào)： S156.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）05-0211-05

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一[1]，種植制度以稻麥輪作為主[2]。該地區(qū)稻麥輪作土壤以黏粒含量較高的水稻土為主，一般具備較好的保水能力，有助于水稻在水分充足的環(huán)境下生長(zhǎng)[3]。但小麥對(duì)過(guò)量水分較為敏感[4]，麥季降雨過(guò)多，土壤含水量長(zhǎng)期維持在較高水平，將導(dǎo)致漬害脅迫，甚至引發(fā)赤霉病，造成小麥減產(chǎn)。據(jù)報(bào)道，不同程度的漬害脅迫可造成小麥減產(chǎn)20%～50%[5]，直接影響當(dāng)?shù)丶Z食安全。

由于人口快速增長(zhǎng)和農(nóng)用地面積減少，為保證糧食產(chǎn)量，我國(guó)施用大量化肥以提高農(nóng)作物單產(chǎn)。據(jù)報(bào)道，我國(guó)化肥消耗量約占世界總量的30%[6]，長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)施肥強(qiáng)度最大的區(qū)域之一，以氮肥為例，年施用量可達(dá)550～650 kg/hm2[7]。然而，過(guò)量施用氮肥會(huì)降低氮利用效率，同時(shí)增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[8]。目前，漬后補(bǔ)施氮肥是應(yīng)對(duì)小麥漬害減產(chǎn)的主要方法之一[9]，但該方法的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本較高，且會(huì)進(jìn)一步加重該地區(qū)養(yǎng)分流失和面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，探索更合理的方法來(lái)緩解該地區(qū)小麥漬害脅迫有重要意義。

生物炭（biochar）是一種常用的土壤改良劑，是生物質(zhì)在缺氧條件下，經(jīng)熱解產(chǎn)生的一種以碳為主、性質(zhì)穩(wěn)定的黑色固體。前人采用薈萃分析和試驗(yàn)分析進(jìn)行研究的結(jié)果表明，施用生物炭可以使小麥增產(chǎn)11.3%～30.0%，且生物炭主要通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)來(lái)影響作物產(chǎn)量[15]。前人研究認(rèn)為，施用生物炭可以改良土壤結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分的有效性[16]，且特別適用于酸化、退化和粗質(zhì)地土壤[17]。但關(guān)于生物炭如何影響質(zhì)地黏重、養(yǎng)分充足的稻麥輪作土壤理化性質(zhì)的相關(guān)研究相對(duì)較少。此外，這種影響在漬害脅迫發(fā)生時(shí)有何變化，施用生物炭能否作為緩解小麥漬害脅迫的方法？這些問(wèn)題還有待進(jìn)一步探索。因此，本研究通過(guò)開(kāi)展小麥盆栽試驗(yàn)，設(shè)置不同生物炭施用量和漬水脅迫處理，觀測(cè)稻麥輪作土壤理化性質(zhì)的變化，以綜合評(píng)價(jià)水稻秸稈生物炭在漬害脅迫過(guò)程中對(duì)稻麥輪作制度下土壤的影響，并評(píng)估其作為緩解小麥漬害脅迫方法的潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年11月15日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展小麥盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)土壤取自江蘇省南京市典型稻麥輪作土壤（潴育型水稻土）。試驗(yàn)所用的水稻秸稈生物炭購(gòu)自江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司，制備溫度為500 ℃。土壤和生物炭的理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。使用直徑為25 cm、高20 cm的塑料桶作為試驗(yàn)用缽，在底部鉆取小孔用于排水。盆栽試驗(yàn)考慮生物炭施用量和漬水脅迫2個(gè)因素，生物炭施用量共設(shè)置對(duì)照（CK，未施用生物炭）、中施用量（生物炭施用量為 10 t/hm2）和高施用量（生物炭施用量為40 t/hm2）3個(gè)處理，每個(gè)盆缽均采用風(fēng)干土12 kg，與對(duì)應(yīng)的生物炭混合均勻后，裝配進(jìn)入塑料桶。漬水脅迫共設(shè)置未漬水（小麥整個(gè)生育期始終保持常規(guī)水分管理）和漬水（開(kāi)花期后連續(xù)漬水12 d，其他時(shí)期保持常規(guī)水分管理）2個(gè)處理。合計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)。小麥供試品種為寧麥13號(hào)，播種密度為每盆3穴，每穴3棵苗，在3葉期間苗（保留1棵苗）。采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平對(duì)小麥進(jìn)行管理，麥季施肥量為純氮225 kg/hm2，基肥和追肥分配比例為6 ∶4，60%的基肥以復(fù)合肥形式于播種時(shí)施下，40%的追肥以尿素形式于拔節(jié)期施下。小麥開(kāi)花期為2017年4月15日，此時(shí)對(duì)小麥盆栽進(jìn)行漬水處理，關(guān)閉盆栽底部的排水口，土壤表層水層保持1～2 cm，并維持12 d，12 d后打開(kāi)排水口排水，作為漬害脅迫結(jié)束。小麥成熟期為2017年5月22日，小麥?zhǔn)斋@后對(duì)土壤進(jìn)行采樣分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

2017年5月24日進(jìn)行土壤采樣。在盆栽 10 cm 深處，用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重[18]（由于漬水理論上不影響土壤容重，本研究?jī)H采集未漬水處理的土壤容重）。同時(shí)均勻采集0～20 cm土壤樣品。土壤樣品經(jīng)過(guò)室內(nèi)風(fēng)干、過(guò)篩后，進(jìn)行化學(xué)分析，具體測(cè)定方法：pH值采用電位法測(cè)定;土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）氧化-滴定法測(cè)定;全氮含量采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定;堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[18]。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用方差分析比較盆栽試驗(yàn)中不同處理間土壤理化性質(zhì)的差異，均值的多重比較采用最小顯著差異法檢驗(yàn)，P<0.05作為顯著性差異的標(biāo)準(zhǔn)，使用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)圖使用Origin 9.0制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭施用量和漬水處理對(duì)稻麥輪作土壤容重和pH值的影響

土壤容重?cái)?shù)據(jù)（圖1）顯示，用作對(duì)照的稻麥輪作土壤容重為1.27 g/cm3，而生物炭施用量分別為10、40 t/hm2時(shí)，土壤容重相比對(duì)照分別下降49%、8.7%，且在施用量為40 t/hm2時(shí)達(dá)到顯著差異水平（P<0.05），表明施用生物炭可以降低土壤容重。隨著生物炭施用量的增加，土壤容重還有進(jìn)一步下降的潛力。

由圖2可知，相同生物炭施用量處理下，漬水與未漬水處理間pH值的差異均未達(dá)到顯著水平。在相同漬水處理下，由于生物炭pH值較高（表1），生物炭施用量分別為10、40 t/hm2時(shí)，土壤pH值相比對(duì)照均顯著增加，且隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值還有進(jìn)一步增加的潛力。

2.2 不同生物炭施用量和漬水處理對(duì)稻麥輪作土壤碳、氮含量的影響

由圖3-a可知，相同生物炭施用量處理下，漬水與未漬水處理的土壤有機(jī)碳含量均未達(dá)到顯著水平。相同漬水處理下，隨著生物炭施用量的增加，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，漬水和未漬水條件下的土壤有機(jī)碳含量相比對(duì)照均顯著增加。

與土壤有機(jī)碳含量不同，施用生物炭和漬水處理對(duì)土壤全氮含量沒(méi)有顯著影響（圖3-b）。土壤碳氮比的變化與土壤有機(jī)碳含量較為一致，相同生物炭施用量下，漬水處理下的碳氮比略高于未漬水處理，但未達(dá)到顯著水平。相同漬水處理下，生物炭施用量增加導(dǎo)致土壤碳氮比增加，且在施用量達(dá)到 40 t/hm2 時(shí)與對(duì)照相比均達(dá)到顯著水平（圖3-c）。

2.3 不同生物炭施用量和漬水處理對(duì)稻麥輪作土壤有效養(yǎng)分的影響

由圖4可知，未漬水處理下，土壤堿解氮含量隨生物炭施用量增加而增加，但差異不顯著。而漬水處理下，土壤堿解氮含量隨生物炭施用量的增加而減少，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，漬水處理下的土壤堿解氮含量顯著低于未漬水處理。

由圖5可知，相同生物炭施用量，漬水處理下的土壤有效磷含量均低于對(duì)應(yīng)未漬水處理，但均未達(dá)到顯著水平。相同漬水處理下，土壤有效磷含量隨生物炭施用量的增加而增加，當(dāng)施用量達(dá)到 40 t/hm2 時(shí)，土壤有效磷含量增加，并與其他2個(gè)處理的差異達(dá)到顯著水平。

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤排水的影響

水稻種植需要土壤具備較強(qiáng)的保水能力，因此，水稻種植區(qū)的土壤往往透氣性和排水性差。受季風(fēng)氣候影響，長(zhǎng)江中下游地區(qū)在小麥關(guān)鍵生育期（特別是開(kāi)花期）常出現(xiàn)連續(xù)陰雨[21]，土壤表層水分難以排除，將導(dǎo)致小麥漬害脅迫。提高稻麥輪作土壤的排水能力，將有助于緩解漬害脅迫造成的減產(chǎn)。本研究開(kāi)展的試驗(yàn)結(jié)果顯示，施用水稻秸稈生物炭可降低土壤容重。生物炭高施用量下，土壤容重相比未施用生物炭的處理顯著下降。而土壤容重的下降將有助于提高土壤孔隙度[22]，進(jìn)而促進(jìn)土壤水分的排出。劉楊等開(kāi)展的土柱試驗(yàn)也表明，施用生物炭可促進(jìn)10、20 cm深處土壤體積含水量快速下降[23]。因此，施用生物炭有助于加速土壤排水，解除土壤的漬水狀態(tài)。此外，本研究表明，施用生物炭有助于增加土壤有機(jī)碳含量，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，土壤有機(jī)碳含量相比對(duì)照顯著增加，這與前人的研究結(jié)果[24]一致。土壤有機(jī)碳含量的增加有利于土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定，可進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)[25]，且一般認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量的增加導(dǎo)致土壤容重下降[26]。因此，施用生物炭除直接影響土壤容重外，還可通過(guò)增加土壤有機(jī)碳含量，在中長(zhǎng)期對(duì)土壤結(jié)構(gòu)持續(xù)改良，進(jìn)一步改善稻麥輪作土壤的排水能力。

3.2 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

生物質(zhì)制備生物炭過(guò)程中，大部分營(yíng)養(yǎng)元素被保留[27]，因此，生物炭本身也被認(rèn)為是一種養(yǎng)分。本研究的結(jié)果顯示，水稻秸稈生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，土壤有機(jī)碳含量和有效磷含量顯著增加，將有助于小麥生長(zhǎng)，以抵御漬害脅迫造成的損失。長(zhǎng)江中下游地區(qū)存在較嚴(yán)重的過(guò)度施肥現(xiàn)象（以氮肥為主）[30]，過(guò)量的氮投入不僅會(huì)降低作物的氮利用效率，還會(huì)通過(guò)徑流、淋溶和氨揮發(fā)等方式影響水和大氣環(huán)境[31]。漬害脅迫發(fā)生后，土壤氮有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)入水環(huán)境中，因此補(bǔ)施氮肥會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，不適宜作為緩解小麥漬害減產(chǎn)的方法。施用生物炭雖然增加了氮投入，但生物炭含氮量較低，且碳氮比較高，不同生物炭施用量下土壤全氮含量未出現(xiàn)顯著性差異。前人研究表明，生物炭較高的碳氮比可降低土壤氮的有效性[32]。本研究中，漬水處理下，生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，土壤堿解氮含量顯著下降，表明生物炭影響土壤氮的轉(zhuǎn)化和遷移，可能通過(guò)吸附等方式[33]，降低土壤中易分解和流失的氮，從而改善作物的氮利用效率，降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，從土壤養(yǎng)分管理的角度來(lái)看，施用水稻秸稈生物炭是一種適用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)環(huán)境下應(yīng)對(duì)小麥漬害減產(chǎn)的管理措施。

4 結(jié)論

水稻秸稈生物炭作為一種成本較低的土壤改良劑，可以降低稻麥輪作土壤的容重，有助于解除土壤的漬水狀態(tài)。同時(shí)可維持土壤養(yǎng)分并提高作物的氮利用效率，在不增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的前提下，促進(jìn)漬后小麥生長(zhǎng)恢復(fù)。因此，施用生物炭可作為一種用于緩解長(zhǎng)江中下游稻麥輪作制度中小麥漬害減產(chǎn)的方法。未來(lái)研究中，須要進(jìn)一步開(kāi)展不同生物炭種類和施用量對(duì)稻麥輪作土壤理化性質(zhì)的影響研究，篩選最合適的生物炭施用方法，以到達(dá)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益。

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