劉杰云，張文正，沈健林，邱虎森

水分管理及生物質(zhì)炭對稻田土壤含水率及pH值的影響

劉杰云1，張文正2，沈健林3，邱虎森1*

（1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234100；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125）

【】我國亞熱帶地區(qū)為典型的雙季稻種植區(qū)，水分管理多采用長期淹水和間歇灌溉2種方式，灌溉方式的不同會(huì)影響土壤含水率的差異，勢必會(huì)影響土壤酸堿性的改變。添加生物質(zhì)炭可改變土壤性質(zhì)。探明稻田淹水灌溉和間歇灌溉條件下添加生物質(zhì)炭對雙季稻田土壤水分及酸堿性的影響。采用田間小區(qū)試驗(yàn)，研究水分管理方式（長期淹水（CF）和間歇灌溉（IF））及生物質(zhì)炭施用量（0、24 t/hm2（LB+IF）和48 t/hm2（HB+IF））對亞熱帶雙季稻田土壤含水率及pH值的影響。與長期淹水相比，早稻季和晚稻季間歇灌溉的土壤含水率并沒有顯著降低。生物質(zhì)炭添加并未顯著影響早稻季和晚稻季土壤含水率，但在休閑季生物質(zhì)炭處理的土壤含水率有所降低。研究期間，CF、IF、LB+IF和HB+IF處理的土壤含水率周年均值分別為47.35%、39.58%、36.81%和39.02%，與長期淹水相比，間歇灌溉降低了全年的土壤含水率，降幅達(dá)16.41%，而生物質(zhì)炭對間歇灌溉稻田土壤含水率影響不大。與長期淹水相比，早稻季和晚稻季間歇灌溉處理的土壤pH值分別顯著降低了0.22和0.57個(gè)單位，休閑季不同水分管理方式之間的土壤pH值差異不顯著。由于生物質(zhì)炭本身呈堿性，添加到土壤后可增加土壤pH值，且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增加。與IF處理相比，早稻季和晚稻季生物質(zhì)炭處理的pH值分別增加了0.23～0.68個(gè)單位和0.17～0.60個(gè)單位。水分管理可影響雙季稻田土壤含水率和pH值。間歇灌溉降低了亞熱帶地區(qū)雙季稻酸性土壤的pH值。生物質(zhì)炭添加，尤其是高量生物質(zhì)炭添加，可在一定程度上緩解間歇灌溉對酸性土壤pH值的降低作用。

水分管理；生物質(zhì)炭；雙季稻田；土壤含水率；土壤pH值

0 引言

【研究意義】水稻是我國三大糧食作物之一，種植面積約3×108hm2，占我國總耕地面積30%左右[1]。同時(shí)，稻田也是農(nóng)業(yè)用水大戶，用水量占農(nóng)業(yè)用水量的70%，傳統(tǒng)的長期淹水灌溉方式，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，加劇了我國水資源的短缺狀況。為合理利用水資源，在我國水稻主要種植區(qū)，大面積推廣了間歇灌溉技術(shù)?！狙芯窟M(jìn)展】間歇灌溉在保證水稻正常生長的條件下，可減少30%～40%的用水量[2-3]。水分狀況的變化可影響土壤pH值。研究表明，與長期淹水相比，間歇灌溉可降低酸性土壤pH值[4]，加劇了土壤酸化。因此，如何緩解間歇灌溉對南方酸性土壤的酸化影響，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)（包括作物秸稈、木屑等）在缺氧條件下熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的固態(tài)難溶性物質(zhì)[5]。生物質(zhì)炭具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)，可吸附土壤中的水分、營養(yǎng)元素及各種離子等[6]。生物質(zhì)炭可改變土壤的孔徑和分布，改變土壤的水分滲濾模式、流動(dòng)途徑和停留時(shí)間，從而提高土壤的持水能力[7-9]。劉小寧等[10]研究表明，生物質(zhì)炭施入旱作農(nóng)田可增加土壤飽和含水率、田間持水率及有效水分量。但對于長期處于水分飽和狀態(tài)的稻田土壤，添加生物質(zhì)炭是否會(huì)增加土壤含水率，提高土壤持水能力，目前還不甚清楚，有待進(jìn)一步研究。生物質(zhì)炭本身含有大量的堿性物質(zhì)，添加到土壤中可增加土壤pH值，中和酸性土壤酸度[11]。如Bass等[12]研究表明，與不添加生物質(zhì)炭處理相比，添加生物質(zhì)炭可使土壤pH值顯著增加0.21～0.57個(gè)單位。如上所述，與長期淹水相比，間歇灌溉稻田土壤pH值降低，是否可通過添加生物質(zhì)炭來減緩或抵消間歇灌溉對土壤pH值的降低作用，目前此方面的研究還較少。

【切入點(diǎn)】我國亞熱帶地區(qū)為典型的雙季稻種植區(qū)，多采用長期淹水和間歇灌溉2種方式，土壤多為酸性，添加生物質(zhì)炭或可緩解土壤酸度，但適宜的添加量并不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為探明不同水分管理方式及生物質(zhì)炭對亞熱帶雙季稻田土壤含水率及pH值的影響，本研究在湖南省長沙市典型的雙季稻種植區(qū)開展了田間小區(qū)試驗(yàn)，以期為亞熱帶雙季稻節(jié)水灌溉技術(shù)及生物質(zhì)炭施用在酸性土壤改良中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站（113°19′52″E，28°33′04″N，海拔80 m）。本研究區(qū)域?yàn)榈湫偷膩啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均溫度為17.5 ℃，年均降雨量為1 330 mm，且多集中在3—8月（占全年降水量的60%以上），無霜期為274 d。本試驗(yàn)水稻土為花崗巖發(fā)育的麻沙泥水稻土，耕作層（0～15 cm）土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土壤及生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)

注 “-”表示未測。

1.2 供試材料

供試生物質(zhì)炭選用小麥秸稈生物質(zhì)炭，產(chǎn)自河南三利新能源有限公司，其熱解溫度為500 ℃。供試生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)見表1。

1.3 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)小區(qū)面積為35 m2（7 m×5 m），共設(shè)4個(gè)處理：長期淹水處理（CF）；間歇灌溉處理（IF）；24 t/hm2生物質(zhì)炭（相當(dāng)于0～20 cm土層質(zhì)量的1%）+間歇灌溉處理（LB+IF）；48 t/hm2生物質(zhì)炭（相當(dāng)于0～20 cm土層質(zhì)量的2%）+間歇灌溉處理（HB+IF）。生物質(zhì)炭只在2012年早稻季開始前添加，以后不再添加。每個(gè)處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)于2012年4月27日—2013年4月22日的早稻季、晚稻季和休閑季開展。早稻季水稻品種為湘早秈45（屬于常規(guī)中熟早秈，在湖南省作雙季早稻栽培，全生育期為106 d左右），晚稻為T優(yōu)207（為不育系T98A與先恢207配組育成的中熟雜交晚秈稻品種，全生育期為117 d左右）。氮肥施用量按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥施用，即早稻為120 kg/hm2（以氮計(jì)），晚稻為150 kg/hm2（以氮計(jì)），分3次施入土壤，即水稻移栽前的基肥，追肥分2次，即分蘗肥和穗肥，其質(zhì)量比為5∶3∶2。而磷肥（過磷酸鈣，40 kg/hm2，以P2O5計(jì)）、鉀肥（硫酸鉀，100 kg/hm2，以K2O計(jì)）和鋅肥（硫酸鋅，5 kg/hm2，以ZnSO4·7H2O計(jì)）則以基肥形式一次性施入土壤。稻田淹水時(shí)以水層高度為5 cm左右為宜。田間病蟲害防治及其他的田間管理均采用常規(guī)管理模式。休閑季不進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)。具體的田間管理措施如下：2012年早稻季，3月18日浸種，3月22日播種，4月25—26日翻地，施基肥和生物質(zhì)炭，4月27日秧苗移栽，移栽的行距為16.7 cm，株距為20 cm。5月4日噴施除草劑，5月9日按照36 kg/hm2（以氮計(jì)）的施肥量追施分蘗肥，5月19日噴灑殺蟲劑，5月31日間歇灌溉小區(qū)烤田，6月22日復(fù)水并施穗肥（24 kg/hm2，以氮計(jì)），7月7日收獲前排水，7月12日收獲水稻并測產(chǎn)。2012年晚稻季，6月22日浸種，6月25日播種，7月17—18日翻地，施基肥。7月19日移栽秧苗，移栽的行距和株距均為 20 cm。7月25日噴施除草劑，7月31日按照45 kg/hm2（以氮計(jì)）的施肥量追施分蘗肥，8月18日噴灑殺蟲藥，間歇灌溉小區(qū)烤田，8月30日復(fù)水，9月9日按照30 kg/hm2（以氮計(jì)）的施肥量追施穗肥。10月14日收獲前排水，10月24日收獲。

1.4 樣品采集與測試

在每季水稻移栽后，根據(jù)水稻的6個(gè)生育期即分蘗期（早稻2012年4月29日；晚稻2012年7月21日）、拔節(jié)期（2012年5月9日；8月5日）、孕穗期（2012年6月3日；8月21日）、抽穗期（2012年6月9日；8月30日）、乳熟期（2012年6月21日；9月16日）和完熟期（2012年7月12日；10月24日）和休閑季于2012年12月3日、2013年1月13日、3月17日和4月22日（休閑季沒有進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)，故采樣頻率較?。┓謩e采集每個(gè)小區(qū)的新鮮土壤樣品。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照“S”形取5個(gè)點(diǎn)，采集0～15 cm 耕層土壤，混合后作為1個(gè)樣品。將土壤樣品中的根系和石子等挑出來，并將其充分混勻，實(shí)驗(yàn)室4 ℃保存。取10 g新鮮土樣，利用烘干法測定土壤含水率。土壤pH值測定：蒸餾水（土水比1∶2.5）浸提30 min，用Mettler-toledo320 pH計(jì)測定。降水量采用雨量器測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 20.0分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA，置信水平95%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量變化

研究期間降水量變化見圖1。由圖1可知，早稻季，由于正值梅雨季節(jié)，2012年4月29—6月10日有連續(xù)的降水，其中最大降水量達(dá)85.97 mm。6月21—28日有連續(xù)1周的降水，累積降水量達(dá)85.32 mm。晚稻季降水較少，在晚稻烤田期間，僅在2012年8月21—22日有降水。休閑季沒有強(qiáng)降水，但在2012年11月和2013年3—4月降水較多。

圖1 研究期間降水量變化

表2 研究期間月降水量及年降水量

注 4—12月為2012年，1—4月為2013年。其中2012年4月為29—30日降水量；2013年4月為1—21日降水量。

2.2 雙季稻田土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化

2012年早稻、晚稻和休閑季土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化見圖2（圖中不同字母表示同一采樣時(shí)間在<0.05水平下處理間差異顯著，下同）。早稻季（圖2（a）），分蘗期和拔節(jié)期各處理土壤均處于淹水狀態(tài)下，CF和IF處理土壤含水率沒有顯著差異，但在分蘗期，添加生物質(zhì)炭增加了土壤含水率，尤其是HB+IF處理較IF處理顯著增加了土壤含水率（<0.05），但之后差異不顯著（>0.05）。孕穗期、抽穗期及乳熟期采樣均處于間歇灌溉處理的稻田烤田期間，但各處理之間土壤含水率沒有顯著性差異（>0.05）。水稻收獲前排水，在完熟期間歇灌溉各處理之間無顯著差異，但顯著低于長期淹水處理。

晚稻季（圖2（b）），分蘗期各處理之間無顯著差異，拔節(jié)期土壤仍處于淹水狀態(tài)，但HB+IF處理的土壤含水率顯著高于CF處理（<0.05），其他各處理之間差異不顯著（>0.05）。間歇灌溉處理孕穗期和抽穗期處于稻田烤田期間，抽穗期長期淹水處理的土壤含水率顯著高于間歇灌溉各處理的（<0.05），但間歇灌溉各處理之間無顯著差異（>0.05）。完熟期，由于水稻成熟前排水，CF處理土壤含水率高于其他處理，且CF處理與LB+IF處理之間差異顯著（<0.05）。

在整個(gè)休閑季中（圖2（c）），CF和IF處理土壤含水率沒有明顯差異（2013年4月22日除外），生物質(zhì)炭添加降低了土壤含水率，但僅在2013年3月17日與IF處理達(dá)到顯著差異，其他時(shí)期均沒有顯著差異。

各處理早稻季、晚稻季、休閑季及周年土壤含水率的平均值見表3。從表3可以看出，早稻季中，IF處理土壤含水率均值較CF處理降低了8.06%，但差異不顯著（>0.05）。生物質(zhì)炭添加增加了早稻季土壤含水率，但I(xiàn)F、LB+IF處理和HB+IF處理之間并未表現(xiàn)出顯著的差異（>0.05）。同樣，在晚稻季，IF處理土壤含水率均值較CF處理降低了7.50%，但各處理的平均土壤含水率之間差異不顯著（>0.05）。休閑季，IF處理土壤含水率均值較CF處理降低了21.05%（>0.05）。生物質(zhì)炭處理的土壤含水率均值較IF處理分別降低了19.46%和8.14%，但差異不顯著（>0.05）。從周年土壤含水率均值來看，IF處理較CF處理顯著降低16.41%（<0.05），生物質(zhì)炭添加雖降低了土壤含水率，降幅分別為6.99%和1.42%，但并未達(dá)到顯著性差異（>0.05）。

表3 早稻季、晚稻季、休閑季及周年平均土壤含水率

注 不同字母表示各指標(biāo)不同時(shí)期分別在<0.05水平下處理間差異顯著，下同。

2.3 雙季稻田土壤pH值的動(dòng)態(tài)變化

各處理不同時(shí)期的土壤pH值動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。早稻季（圖3（a）），CF和IF處理的變化趨勢一致，從分蘗期開始土壤pH值逐漸增加，直至孕穗期達(dá)到最大，孕穗期和抽穗期均保持在較高水平，之后逐漸降低，直至水稻收獲時(shí)降至與初期相一致的水平，而生物質(zhì)炭處理在分蘗期至抽穗期差異不大，之后逐漸降低，至收獲時(shí)降至最低。分蘗期和拔節(jié)期CF和IF處理的土壤pH值均未表現(xiàn)出顯著性差異（>0.05），但生物質(zhì)炭添加顯著增加了土壤pH值（<0.05），且土壤pH值隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而顯著增加（<0.05）。孕穗期和抽穗期間歇灌溉處理處于落干狀態(tài)，IF處理較CF處理顯著降低了土壤pH值（<0.05），生物質(zhì)炭添加也較IF處理顯著增加了土壤pH值（<0.05），且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而顯著增加（<0.05）。乳熟期，與CF處理相比，IF處理并未顯著降低土壤pH值（>0.05），LB+IF處理較IF顯著降低了土壤pH值（<0.05），但HB+IF處理卻較IF處理顯著增加了土壤pH值（<0.05）。完熟期，IF處理較CF處理顯著降低了土壤pH值（<0.05），但間歇灌溉各處理之間均無顯著差異（>0.05）。

晚稻季（圖3（b）），各處理土壤pH值隨時(shí)間的變化均不明顯。在各水稻生育期中，與CF處理相比，IF處理均顯著降低了土壤pH值（<0.05）。同時(shí)，各生育期中HB+IF處理較IF處理均顯著增加了土壤pH值（<0.05），而LB+IF處理僅在完熟期較IF處理顯著增加了土壤pH值（<0.05），其他各時(shí)期均未表現(xiàn)出顯著性差異（>0.05）。

休閑季（圖3（c）），各處理的土壤pH值變化不大。在整個(gè)休閑季，CF、IF處理和LB+IF處理之間均未表現(xiàn)出顯著性差異（>0.05），而HB+IF處理僅在休閑季結(jié)束時(shí)顯著高于其他處理（<0.05），其他時(shí)期均沒有明顯差異（>0.05）。

圖3 早稻季、晚稻季及休閑季土壤pH值的動(dòng)態(tài)變化

各處理早稻季、晚稻季、休閑季及周年土壤pH值均值見表4。由表4可知，早稻季和晚稻季中，IF處理較CF處理分別顯著降低了土壤pH值均值0.22個(gè)單位和0.57個(gè)單位（<0.05），而LB+IF和HB+IF處理較IF處理分別顯著增加了土壤pH值均值0.23～0.68個(gè)單位和0.17～0.60個(gè)單位（<0.05），且土壤pH值均隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而顯著增加（<0.05）。休閑季，與CF處理相比，IF處理雖降低了土壤pH值均值，生物質(zhì)炭處理土壤pH值均值較IF處理增加，但各處理之間差異均不顯著（>0.05）。從周年土壤pH值均值來看，CF、IF處理和LB+IF處理之間均未表現(xiàn)出顯著性差異（>0.05），但HB+IF處理土壤pH均值顯著高于其他處理（<0.05）。

表4 早稻季、晚稻季、休閑季及周年平均土壤pH值

3 討論

3.1 水分管理及生物質(zhì)炭對雙季稻田土壤含水率的影響

稻田間歇灌溉的節(jié)水機(jī)理在于減少灌溉次數(shù)及田間排水量、提高水分的利用率、減少稻田的滲透量和蒸發(fā)量[3]，其節(jié)水效果可達(dá)32%～39%[13-14]。在本研究中，早稻季和晚稻季長期淹水和間歇灌溉處理的單季平均土壤含水率并無顯著差異，這主要是由降水造成的。早稻季孕穗期、抽穗期及乳熟期采樣均處于間歇灌溉處理的烤田期間，但由于2012年5月31日—6月10日持續(xù)降水，土壤仍處于水分飽和狀態(tài)，因此，長期淹水和間歇灌溉處理之間土壤含水率無顯著差異。水稻收獲前，間歇灌溉處理進(jìn)行了排水，使得完熟期間歇灌溉處理土壤含水率顯著低于長期淹水處理。晚稻季，孕穗期和抽穗期采樣均處于間歇灌溉處理的烤田期間，但孕穗期采樣當(dāng)天有約25.68 mm的降水，因此，各處理之間的土壤含水率差異不大，但在抽穗期，長期淹水處理土壤含水率顯著高于間歇灌溉處理。休閑季，由于沒有水分管理措施，長期淹水和間歇灌溉處理之間差異不顯著。

土壤水分的保持能力是由土壤介質(zhì)中的孔徑分布和連接性決定的，而生物質(zhì)炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，吸附能力較強(qiáng)，添加到土壤中可改變土壤的孔隙性及土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提高土壤持水能力[10,15-17]。在本研究中，生物質(zhì)炭施用初期，尤其是2012年早稻季水稻分蘗期，生物質(zhì)炭處理較IF處理增加了土壤含水率，這可能是由于生物質(zhì)炭添加增加了土壤孔隙度，進(jìn)而增加對土壤水分的保持能力，但之后及晚稻季，生物質(zhì)炭處理的土壤含水率與IF處理并無顯著差異（圖1）。生物質(zhì)炭雖具有一定的保水能力，但由于其中有機(jī)物質(zhì)多含疏水性基團(tuán)[18]，故其保水作用有限[19]。本研究稻田土壤在整個(gè)水稻季土壤含水率較高，一般處于飽和狀態(tài)，生物質(zhì)炭對水分的影響較小。在休閑季，生物質(zhì)炭對土壤含水率具有一定的降低作用，這與鄭利劍等[17]及單瑞峰等[20]的研究結(jié)果相反。本研究稻田土壤屬于砂性土壤，土壤中大孔隙較多，而生物質(zhì)炭質(zhì)地較細(xì)，小孔隙量多，施入土壤后，大量的生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤大孔隙中，占據(jù)了部分土壤大孔隙空間，在一定程度上堵塞了土壤大孔隙的聯(lián)通通道[10]，降低了土壤的孔隙率，這可能是生物質(zhì)炭降低土壤含水率的主要原因，其具體的機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

3.2 水分管理及生物質(zhì)炭對雙季稻田土壤pH值的影響

水分狀況對土壤pH值的變化起著至關(guān)重要的作用。土壤水分影響致酸、堿離子在固相、液相之間的分配，從而影響土壤pH值。土壤pH值一般隨土壤含水率增加而有提高的趨勢，酸性土壤中這種趨勢尤為明顯。對酸性土壤來說，淹水后土壤pH值迅速上升[21]。本研究中的雙季稻田為酸性土壤（pH值為5.4），早稻季和晚稻季長期淹水處理的土壤pH值顯著高于間歇灌溉處理，這與王赟峰[4]的結(jié)果一致。淹水條件下，土壤在厭氧條件下形成的還原性碳酸鐵、錳呈堿性，增加了土壤pH值。同時(shí)，淹水條件下，黏粒的濃度降低，吸附性H+與電極表面接觸的機(jī)會(huì)減少，可增加土壤pH值。此外，淹水狀態(tài)下，土壤電解質(zhì)被稀釋，陽離子更多地解離進(jìn)入溶液，導(dǎo)致pH值升高[21]。休閑季，長期淹水和間歇灌溉處理的含水率差異不大，故淹水對土壤pH值的增加作用也逐漸消失。

生物質(zhì)炭中含有大量的碳酸鹽和結(jié)晶碳酸鹽，因此，一般呈堿性[22]。此外，生物質(zhì)炭還含有-COO-等有機(jī)陰離子，這些有機(jī)陰離子是生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的另一種存在形態(tài)[23]。生物質(zhì)炭添加到土壤后，可增加土壤pH值，改良酸性土壤[11, 24-25]。本研究的雙季稻田為酸性土壤（pH值為5.4），添加生物質(zhì)炭后，早稻季和晚稻季土壤pH值增加，且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增加，這與Yuan等[26-27]和張斌等[28]研究結(jié)果一致。早稻季中，低量和高量生物質(zhì)炭添加均顯著增加了土壤pH值，但在晚稻季，低量生物質(zhì)炭添加對土壤pH值的增加作用逐漸減弱，這可能是由于生物質(zhì)炭中的堿性物質(zhì)在不斷被土壤中的酸性物質(zhì)中和，使得其對酸性的中和作用逐漸減弱。休閑季中，生物質(zhì)炭的堿性被進(jìn)一步中和，雖然生物質(zhì)炭（尤其是HB+IF處理）仍可增加土壤pH值，但作用已不顯著。因此，生物質(zhì)炭對酸性土壤pH值的緩沖作用具有一定的時(shí)效性，這種作用能夠持續(xù)的時(shí)間長度有待于進(jìn)一步的研究。此外，在本研究中，與長期淹水相比，間歇灌溉降低了土壤pH值，但生物質(zhì)炭添加，抵消了間歇灌溉對土壤pH值的降低作用，甚至在早稻季，HB+IF處理的土壤pH值顯著高于CF處理，因此生物質(zhì)炭添加可緩解間歇灌溉對酸性土壤pH值的影響。

4 結(jié)論

1）早稻季和晚稻季水分管理并沒有引起長期淹水和間歇灌溉處理土壤含水率的顯著差異；生物質(zhì)炭添加對土壤含水率沒有顯著影響，但休閑季有降低的趨勢。

2）與長期淹水處理相比，早稻季和晚稻季間歇灌溉處理土壤pH值降低，休閑季差異不顯著。而生物質(zhì)可增加土壤pH值。因此，添加生物質(zhì)炭可在一定程度上緩解間歇灌溉對酸性稻田土壤pH值的降低作用。

[1] 茆智. 水稻節(jié)水灌溉及其對環(huán)境的影響[J]. 中國工程科學(xué), 2002, 4(7): 8-16.

MAO Zhi. Water saving irrigation for rice and its effect on environment[J]. Engineering Science, 2002, 4(7): 8-16.

[2] 許怡, 吳永祥, 王高旭, 等. 稻田不同灌溉模式的節(jié)水減污效應(yīng)分析：以浙江平湖為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(2): 56-62.

XU Yi, WU Yongxiang, WANG Gaoxu, et al. Efficacy of different irrigation methods in saving water and ameliorating pollution in paddy field: Take Pinghu as an example[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(2): 56-62.

[3] 姚林, 鄭華斌, 劉建霞, 等. 中國水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(5): 1 381-1 387.

YAO Lin, ZHENG Huabin, LIU Jianxia, et al. Current situation and prospect of rice water-saving irrigation technology in China[J]. Chinese Journal of Ecology, 2014, 33(5): 1381-1387.

[4] 王赟峰. 植物材料和水分管理對稻田土壤pH和碳氮礦化的影響[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

WANG Yunfeng. Effects of plant materials and water management on pH and carbon/nitrogen mineralization in paddy soils[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

[5] LEHMANN J, GAUNT J, RONDON M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems - A review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 403-427.

[6] 劉玉學(xué), 劉微, 吳偉祥, 等. 土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(4): 977-982.

LIU Yuxue, LIU Wei, WU Weixiang, et al. Environmental behavior and effect of biomass-derived black carbon in soil: A review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(4): 977-982.

[7] GLASER B, LEHMANN J, ZECH W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal - a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219-230.

[8] 韓召強(qiáng), 陳效民, 曲成闖, 等. 生物質(zhì)炭施用對潮土理化性狀、酶活性及黃瓜產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 31(6): 272-278.

HAN Zhaoqiang, CHEN Xiaomin, QU Chengchuang, et al. Effects of biochar application on soil physicochemical properties, enzyme activities and cucumber yield[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(6): 272-278.

[9] 魏彬萌, 王益權(quán), 李忠徽. 煙桿生物炭對砒砂巖與沙復(fù)配土壤理化性狀及玉米生長的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2018, 32(2): 217-222.

WEI Binmeng, WANG Yiquan, LI Zhonghui. Influence of tobacco biochar on soil physic-chemical properties and maize growth in the soil composited with feldspathic sandstone and sand[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(2): 217-222.

[10] 劉小寧, 蔡立群, 黃益宗, 等. 生物質(zhì)炭對旱作農(nóng)田土壤持水特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 31(4): 112-117.

LIU Xiaoning, CAI Liqun, HUANG Yizong, et al. Effect of biochar on soil retention ability in dry farmland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(4): 112-117.

[11] 袁金華, 徐仁扣. 生物質(zhì)炭對酸性土壤改良作用的研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2012, 44(4): 541-547.

YUAN Jinhua, XU Renkou. Research progress of amelioration effects of biochars on acid soils[J]. Soils, 2012, 44(4): 541-547.

[12] BASS A M, BIRD M I, KAY G, et al. Soil properties, greenhouse gas emissions and crop yield under compost, biochar and co-composted biochar in two tropical agronomic systems[J]. Science of the Total Environment, 2016, 550: 459-470.

[13] 吳漢, 柯健, 何海兵, 等. 不同間歇時(shí)間灌溉對水稻產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(1): 37-44.

WU Han, KE Jian, HE Haibing, et al. Experimental study on the effects of different intermittent irrigations on yield and water use efficiency of rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 37-44.

[14] 許怡, 吳永祥, 王高旭, 等. 小區(qū)和田塊尺度下水稻不同灌溉模式的節(jié)水減污效應(yīng)分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(5): 60-66.

XU Yi, WU Yongxiang, WANG Gaoxu, et al. Impact of irrigation methods on saving water and alleviating pollutant at different scales in paddy field[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(5): 60-66.

[15] 安艷, 姬強(qiáng), 趙世翔, 等. 生物質(zhì)炭對果園土壤團(tuán)聚體分布及保水性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2016, 37(1): 293-300.

AN Yan, JI Qiang, ZHAO Shixiang, et al. Effect of biochar application on soil aggregates distribution and moisture retention in orchard soil[J]. Environmental Science, 2016, 37(1): 293-300.

[16] CHEN Y, SHINOGI Y, TAIRA M. Influence of biochar use on sugarcane growth, soil parameters, and groundwater quality[J]. Soil Research, 2010, 48(7): 526.

[17] 鄭利劍, 馬娟娟, 郭飛, 等. 基于水穩(wěn)定同位素技術(shù)的生物炭對土壤持水性影響分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(6): 193-198,186.

ZHENG Lijian, MA Juanjuan, GUO Fei, et al. Impact of biochar addition on soil water retention based on water stable isotopes[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 193-198,186.

[18] PENG X, YE L L, WANG C H, et al. Temperature- and duration-dependent rice straw-derived biochar: Characteristics and its effects on soil properties of an Ultisol in Southern China[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 112(2): 159-166.

[19] 陳靜, 李戀卿, 鄭金偉, 等. 生物質(zhì)炭保水劑的吸水保水性能研究[J]. 水土保持通報(bào), 2013, 33(6): 232-237.

CHEN Jing, LI Lianqing, ZHENG Jinwei, et al. Research on water retention capacity of water-retaining agent of PAM-biochar[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013, 33(6): 232-237.

[20] 單瑞峰, 宋俊瑤, 鄧若男, 等. 不同類型生物炭理化特性及其對土壤持水性的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2017, 37(5): 63-68.

SHAN Ruifeng, SONG Junyao, DENG Ruonan, et al. Physical and chemical properties of biochar produced from different materials and effect on soil water holding capacity[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(5): 63-68.

[21] 黃昌勇, 徐建明. 土壤學(xué)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2010: 177-178.

HUANG Changyong, XU Jianming. Soil science [M]. Beijing: Chinese Agricultural Press, 2010: 177-178

[22] 袁金華, 徐仁扣. 生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(4): 779-785.

YUAN Jinhua, XU Renkou. Progress of the research on the properties of biochars and their influence on soil environmental functions[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20(4): 779-785.

[23] YUAN J H, XU R K, ZHANG H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 3 488-3 497.

[24] 陳玉真, 王峰, 吳志丹, 等. 添加生物質(zhì)炭對酸性茶園土壤pH和氮素轉(zhuǎn)化的影響[J]. 茶葉學(xué)報(bào), 2016, 57(2): 64-70.

CHEN Yuzhen, WANG Feng, WU Zhidan, et al. Effect of biochar addition on pH and nitrogen transformation in acidic soil at tea plantations[J]. Acta Tea Sinica, 2016, 57(2): 64-70.

[25] 索龍, 羅晨誠, 潘鳳娥, 等. 生物質(zhì)炭和秸稈對海南磚紅壤酸性及交換性能的影響[J]. 熱帶生物學(xué)報(bào), 2015, 6(2): 173-179.

SUO Long, LUO Chencheng, PAN Feng’e, et al. Effect of biochar and corn straw on acidify and exchangeable capacity in the basalt-derived latosol in Hainan[J]. Journal of Tropical Biology, 2015, 6(2): 173-179.

[26] YUAN J H, XU R K, QIAN W, et al. Comparison of the ameliorating effects on an acidic ultisol between four crop straws and their biochars[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(5): 741-750.

[27] YUAN J H, XU R K, WANG N, et al. Amendment of acid soils with crop residues and biochars[J]. Pedosphere, 2011, 21(3): 302-308.

[28] 張斌, 劉曉雨, 潘根興, 等. 施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(23): 4 844-4 853.

ZHANG Bin, LIU Xiaoyu, PAN Genxing, et al. Changes in soil properties, yield and trace gas emission from a paddy after biochar amendment in two consecutive rice growing cycles[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(23): 4 844-4 853.

The Combined Effects of Water Management and Biochar Amendment on Soil Water Content and pH of Paddy Soil

LIU Jieyun1, ZHANG Wenzheng2, SHEN Jianlin3, QIU Husen1*

(1. School of Environment and Surveying Engineering, Suzhou University, Suzhou 234100, China; 2. Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region,Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

【】Traditional rice production in paddy fields in subtropical regions in China is to keep the soil surface flooded. This is not only a waste of water resources but also acidifies the soil and leaks agrochemicals to water bodies. Improving water use efficiency and ameliorating soil acidity is a challenge facing sustainable rice production in these regions. 【】The purpose of this paper is to investigate the efficacy of using intermittent irrigation and biochar amendment to improve the ability of soil to hold water and deacidify paddy soil. 【】The experiment was conducted in a rice-rice rotation field. It consisted of two irrigation treatments: continuous flooding (CF) irrigation and intermittent irrigation. Added to the intermittent irrigation were three biochar amendments by adding 0 (IF), 24 t/hm2(LB) and 48 t/hm(HB) of biochar. In each treatment, we measured soil water content and soil pH during the growth season of both the early and late rice, as well as in the duration when the soil was temporally fallowed.【】Compared with CF, intermittent irrigation alone did not result in significant changes in soil water content due to the combined impact of precipitation and drainage. Amending the soil with biochar did not alter soil water content during the growth season of ether rice, but reduced it significantly when the soil was fallowed due to the fine texture of the biochar and structural change in the soil. The annual average soil water content under CF, IF, LB and HB treatments was 47.35%, 39.58%, 36.81% and39.02%, respectively. Compared to CK, intermittent irrigation alone had no impact on soil pH when soil was fallowed but reduced it by 0.22 and 0.57 unit during the growth season of the early and the late rice, respectively. Biochar amendment deacidified the soil, increasing its pH by 0.23～0.68 unit in the early rice season and 0.17～0.60 unit in the late rice season, with the increase varying with biochar application rate. 【】Intermittent irrigation alone reduces soil pH, and combining it with biochar amendment, especially at a high amendment rate, can increase soil pH. These results have important implications for improving agricultural management and quality of paddy soils with rice-rice rotation as commonly cultivated in subtropical regions in south China.

water management; biochar amendment; double rice cropping; soil water content; soil pH

X172

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020385

1672 - 3317（2021）07 - 0044 - 07

劉杰云, 張文正, 沈健林, 等. 水分管理及生物質(zhì)炭對稻田土壤含水率及pH值的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(7): 44-50.

LIU Jieyun, ZHANG Wenzheng, SHEN Jianlin, et al. The Combined Effects of Water Management and Biochar Amendment on

Soil Water Content and pH of Paddy Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 44-50.

2020-7-13

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（42007089）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200307）；宿州學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2020BS023）

劉杰云（1985-），女。講師，博士，主要從事農(nóng)田溫室氣體減排研究。E-mail: liujieyun66@163.com

邱虎森（1987-），男。助理研究員，博士，主要從事土壤碳循環(huán)研究。E-mail: qiuhusen2008@163.com

責(zé)任編輯：趙宇龍