胡祖武，吳多基，吳建富，魏宗強(qiáng)，夏李佳

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院, 江西南昌 330045）

近年來，生物炭作為一類新型環(huán)境功能材料，因其高度的物理穩(wěn)定性、生物化學(xué)抗分解性、較大的比表面積及多孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)良特性，在土壤改良、溫室氣體減排以及受污染環(huán)境修復(fù)等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。而硅作為生物炭中必不可少的無機(jī)元素，也逐漸得到大家的關(guān)注[2]。已有研究指出，硅含量高于1% (干物質(zhì))的植物被認(rèn)為是富硅植物[3]，以富硅植物為材料制備的生物炭稱為富硅生物炭[4]。目前，對(duì)硅的研究領(lǐng)域也是在不斷的拓展，如對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)方面的影響。Tamai等[5]研究發(fā)現(xiàn)，因稻田土壤中有效硅含量及氣候條件等差異，水稻增產(chǎn)效果不一樣，一般增產(chǎn)10%～25%，但在極其缺硅地區(qū)，施硅可以增產(chǎn)近一倍。Ahmad等[6]在盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水稻孕穗期噴灑硅肥后水稻籽粒的蛋白質(zhì)、淀粉含量較不施硅肥顯著提高。在植物逆境脅迫耐受能力方面的研究中，Garbuzov等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水稻施硅，使水稻葉鞘細(xì)胞硅質(zhì)化，形成硅化層，能夠充當(dāng)機(jī)械屏障，從而降低昆蟲對(duì)水稻的侵害；Lee等[8]在研究不同土壤中砷的釋放和對(duì)植物的毒性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，施硅后可以降低土壤中砷的含量，減小污染。通過硅對(duì)土壤養(yǎng)分及植物群落結(jié)構(gòu)的影響研究發(fā)現(xiàn)，土壤硅含量對(duì)土壤氮、磷含量與礦化速率、植物個(gè)體生長(zhǎng)的影響等領(lǐng)域都有深入的分析[9-14]，這些包含了從宏觀到微觀的各個(gè)領(lǐng)域。以往的研究更多的側(cè)重于硅對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、逆境耐受能力等方面的影響，而對(duì)于土壤硅形態(tài)的報(bào)道較少。在硅肥的施用方面，較多的是選擇各種外源硅肥，而對(duì)于生物炭中本身無機(jī)硅的研究較少。與此同時(shí)，我國(guó)約有1330萬hm2水稻田存在缺硅現(xiàn)象[15]，對(duì)如何提高土壤硅含量，改善土壤硅形態(tài)及提高水稻產(chǎn)量是目前水稻高產(chǎn)栽培中面臨的重大科學(xué)問題。而富硅生物炭較單純的硅肥除了具有硅肥的功效外，在改良土壤理化性質(zhì)、修復(fù)重金屬污染土壤以及固氮減排等方面的作用遠(yuǎn)好于硅肥。鑒于此，本研究以南方紅壤性水稻土為研究對(duì)象，利用盆栽試驗(yàn)，通過添加不同類型的富硅生物炭，探究其對(duì)土壤硅形態(tài)及水稻不同組織生物量的變化、硅的吸收與分布的影響，旨在為富硅生物炭在水稻高產(chǎn)栽培中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤理化性質(zhì) 供試土壤采集于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)，選用紅壤性稻田耕層土壤(0—20 cm)，風(fēng)干研磨后過2 mm篩備用，其基本理化性質(zhì)為：pH 6.4、有機(jī)質(zhì)7.97 g/kg、有效硅(Si) 83.58 mg/kg (pH 4.0的醋酸-醋酸鈉緩沖液浸提)、粘粒140 g/kg、粉粒371 g/kg、砂粒489 g/kg、全氮0.59 g/kg、全磷 0.34 g/kg、Olsen-P 10.46 mg/kg。

1.1.2 供試生物炭的制備 以木屑(BW)為低硅含量生物炭制備原料，以稻殼(BH)和竹葉(BB)為中濃度硅含量生物炭的制備原料，按以下方法制備生物炭[2]：首先將原料在空氣中干燥7 天，然后放在60℃下烘箱中干燥過夜，再將這些材料研磨過0.15 mm篩，并裝入100 mL陶瓷坩堝中，隨后將其置于馬弗爐中，以6℃/min的加熱速率編制升溫程序，在穩(wěn)定的溫度(即300℃、700℃)下保持5 h后自然冷卻至室溫即得到低、中硅含量的生物炭，分別用BW3、BH7、BB7表示。

以稻殼(BH)和竹葉(BB)為原材料，在前期的預(yù)備試驗(yàn)基礎(chǔ)上，改進(jìn)相關(guān)文獻(xiàn)[16]中的研究方法，選用KOH對(duì)其進(jìn)行改性，制備高硅含量的生物炭。具體步驟如下：采集的原料樣品清洗除塵，置于60℃烘箱干燥48 h，隨后用高速旋轉(zhuǎn)粉樣機(jī)進(jìn)行研磨并過1 mm篩。將處理后的稻殼和竹葉原料樣品分別與KOH原料以5∶100 (w/w)混合，然后裝入坩堝中，同時(shí)加入100 mL超純水(基于100 g原料)，并靜置90 min以待KOH充分溶解。隨后將坩堝置于馬弗爐中，溫度設(shè)定為150℃，保持30 min，隨后升溫至550℃并保持90 min，待冷卻至室溫后取出生物炭即為高硅含量的生物炭，分別用AH和AB表示，研磨并通過1 mm篩，密封干燥保存，以便后續(xù)試驗(yàn)使用。

以上所制備的5種生物炭基本性質(zhì)見表1。

表1 不同硅含量生物炭的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of tested biochar

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，所用盆缽為紅色塑料桶，盆高21 cm，底部和頂部直徑分別為18 cm和23 cm。每個(gè)盆中放入2 kg土壤，然后放入事先搭建好的透光的塑料薄膜棚中，棚四周與外界相通，棚中氣候條件與外界基本相同。用BW3、BH7、BB7、AH、AB 5種生物炭與土壤分別以0.4%和0.8%比例混合，以不施生物炭為對(duì)照(CK)，共計(jì)11個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。供試水稻品種為‘美香粘2號(hào)’，各處理氮磷鉀養(yǎng)分用量相等，即每盆施用純N 0.3 g、P2O50.2 g、K2O 0.3 g，供試化肥為尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)，所有肥料均一次性做基肥施入且與土壤充分拌勻。采用塑料盆濕潤(rùn)育秧，待秧苗生長(zhǎng)至3葉期后，將其移植到預(yù)先準(zhǔn)備好的試驗(yàn)盆中，每盆1株，用自來水灌溉，在幼苗生長(zhǎng)和水稻分蘗期保持淹水在土壤上方3 cm處，在成熟期保持淹水在土壤上方2 cm處，其他按常規(guī)栽培要求進(jìn)行。

1.3 樣品采集及分析方法

水稻成熟期，將每株水稻分成籽粒、秸稈(包括葉)和根系，并用去離子水徹底洗凈根，于烘箱105℃殺青30 min，然后保持 70℃烘至恒重，供植株干物質(zhì)和Si養(yǎng)分含量測(cè)定。生物炭中C元素采用元素分析儀測(cè)定(Elementar Vario MACRO，德國(guó))，pH依據(jù)文獻(xiàn)[17]測(cè)定(生物碳∶水=1∶20)，灰分依據(jù)文獻(xiàn)[2]測(cè)定，生物炭和植株硅含量采用堿熔法[18]，其消解液采用硅鉬藍(lán)比色法[19]測(cè)定.

水稻收獲后，每處理分別采集土壤樣點(diǎn)10個(gè)，然后均勻混合，自然風(fēng)干后過2 mm篩，供土壤硅形態(tài)含量測(cè)定。土壤中硅的形態(tài)采用改進(jìn)的逐級(jí)化學(xué)連續(xù)浸提法[20]測(cè)定：即，1)醋酸-醋酸鈉緩沖液提取有效態(tài)硅；2)雙氧水提取有機(jī)結(jié)合態(tài)硅；3)鹽酸羥胺提取鐵錳(氫)氧化物結(jié)合態(tài)硅；4)氫氧化鈉提取無定形硅。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、SPSS 26.0和Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，并利用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)分析采用Pearson系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 富硅生物炭對(duì)土壤硅形態(tài)的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，富硅生物炭類型和添加量對(duì)土壤有效硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅均有極顯著影響(P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。土壤有效硅含量隨富硅生物炭添加量的增加而增加，除低添加量(0.4%)的BW3處理外，其他處理土壤有效硅含量均顯著高于CK處理(P＜0.05)，增幅為23.64%～184.23%，其中以添加AB富硅生物炭的處理最為明顯，其土壤有效硅含量在低添加量(0.4%)和高添加量(0.8%)分別比CK提高了126.6%和184.23%。而富硅生物炭高添加量處理的土壤有效硅含量均顯著高于低添加量對(duì)應(yīng)的處理(P＜0.05)，在低添加量(0.4%)時(shí)，土壤有效硅含量大小依次表現(xiàn)為處理AB≈AH＞BB7＞BH7＞W(wǎng)B3，且差異顯著(P＜0.05)；而在高添加量(0.8%)時(shí)，則表現(xiàn)為 AB＞AH＞BB7＞BH7＞W(wǎng)B3，且差異顯著(P＜0.05)?？梢姡锾款愋图捌涮砑恿繉?duì)土壤有效硅含量的變化有一定的影響。富硅生物炭在高添加量(0.8%)時(shí)，有機(jī)結(jié)合態(tài)硅在高硅生物炭(AH、AB)處理與低硅生物炭(BW3)處理間差異顯著(P＜0.05)，且高硅生物炭(AB)處理較CK增加了59.53%。隨著富硅生物炭的添加，土壤中鐵錳結(jié)合態(tài)硅含量也相應(yīng)增加，在高添加量(0.8%)時(shí)，處理之間差異顯著(P＜0.05)，尤其添加BH7、BB7、AB的處理差異明顯，其中，AB高硅生物炭的添加，土壤鐵錳結(jié)合態(tài)硅含量比CK提高了117.54%。土壤無定形硅含量隨著富硅生物炭用量增加而增加，其在兩種不同的添加量水平時(shí)，高硅生物碳AB與低硅生物炭BW3之間差異都顯著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)時(shí)，除添加低硅的BW3處理顯著低于CK處理外，其他處理間差異不顯著，其原因可能與土壤本身無定形硅的含量較高有關(guān)。

表2 不同生物炭及其添加量對(duì)土壤不同形態(tài)硅含量的影響 (mg/kg)Table 2 Content of various forms of silicon in soil as affected by biochar types and addition rates

2.2 富硅生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量及其生物量的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表3)表明，富硅生物炭類型和添加量對(duì)水稻產(chǎn)量、秸稈生物量、根部生物量均有極顯著影響 (P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。添加富硅生物炭明顯增加了水稻籽粒產(chǎn)量，且隨著其用量的增加而增加。水稻籽粒產(chǎn)量添加生物炭的處理間差異顯著(P＜0.05)；除低量添加BW3處理外，其他添加富硅生物炭的處理水稻籽粒產(chǎn)量均顯著高于CK處理(P＜0.05)，尤其是在其高添加量(0.8%)時(shí)，水稻籽粒產(chǎn)量增加明顯，與CK相比，增幅為4.18%～44.28%。同樣，添加富硅生物炭還增加了水稻秸稈生物量，且整體隨生物炭用量的增加而增加，其中，在高添加量(0.8%)的情況下，添加低、中、高硅生物炭的處理間差異顯著(P＜0.05)，其中添加BH7、BB7、AH和AB富硅生物炭的處理水稻秸稈生物量較CK分別增加了15.68%、24.95%、43.41%和51.16%。就根部生物量而言，在高添加量(0.8%)時(shí)，高硅生物炭處理與低硅生物炭處理間差異顯著(P＜0.05)；而低添加量(0.4%)時(shí)，水稻根系生物量增加趨勢(shì)不明顯。說明適當(dāng)添加中、高硅含量的生物炭有利于促進(jìn)水稻根部生長(zhǎng)。

表3 富硅生物炭對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量和生物量的影響Table 3 Effects of silicon-rich biochar on rice grain yield and biomass

2.3 生物炭對(duì)水稻植株吸硅量的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表4)表明，富硅生物炭類型和添加量對(duì)籽粒、秸稈和根部硅含量均有極顯著影響(P＜0.01)，且二者間交互作用極顯著(P＜0.01)。水稻各部位硅的積累量大致呈秸稈＞籽粒＞根部的趨勢(shì)，其中高硅生物炭的添加，明顯增加了各個(gè)部位硅的吸收量，且隨著添加量的增加而增加。對(duì)籽粒的吸硅量，整體隨著生物炭用量的增加而增加，在低添加量(0.4%)時(shí)，各生物炭處理間差異顯著(P＜0.05)。秸稈吸硅量在兩種不同量添加水平下，同種水平下的處理間差異顯著(P＜0.05)。在高添加量(0.8%)的情況下，除低硅生物炭BW3外，其他生物炭處理與對(duì)照CK相比，其增幅為19.29%～73.68%。就根系硅積累量而言，在低添加量(0.4%)時(shí)，根系吸硅量添加中、高硅生物炭的處理與CK處理差異不顯著，卻均顯著高于添加低硅生物炭的處理；而在高添加量(0.8%)時(shí)，高硅生物炭(AB、AH)處理、中硅生物炭(BH7、BB7)處理和低硅生物炭(BW3)處理間差異顯著(P＜0.05)。這說明生物炭添加量及類型對(duì)水稻各個(gè)部位的硅吸收量有一定影響。

表4 富硅生物炭及添加量對(duì)水稻植株各部位硅積累的影響 (g/pot)Table 4 Silicon accumulation in different parts of rice plants as affected by biochar and their addition rate

從水稻總的吸硅量來看，在高添加量(0.8%)時(shí)，水稻總吸硅量大小依次為AB＞AH＞BB7＞BH7＞BW3≈CK，且差異顯著(P＜0.05)，其中添加AB、AH的處理比CK分別增加了87.15%和70.64%；而在低添加量(0.4%)時(shí)，添加高硅生物炭的處理顯著高于添加中、低硅生物炭和CK處理。這表明高硅生物炭可以促進(jìn)水稻對(duì)土壤硅養(yǎng)分的吸收。

2.4 籽粒產(chǎn)量與土壤各形態(tài)硅含量、水稻總吸硅量的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明，籽粒產(chǎn)量與土壤有效硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅及水稻總吸硅量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。同樣，水稻總吸硅量與土壤有效硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。這說明水稻產(chǎn)量及對(duì)硅的吸收量與土壤中硅形態(tài)含量有密切關(guān)系。

表5 土壤中各形態(tài)硅含量、水稻植株總吸硅量和籽粒產(chǎn)量間的Pearson相關(guān)系數(shù)(n=33, 雙尾)Table 5 Pearson coefficients between silicon content of each form in soil, total silicon uptake of rice plants and grain yield

3 討論

3.1 富硅生物炭對(duì)土壤硅形態(tài)的影響

土壤有效硅是土壤中可供作物當(dāng)季吸收利用的硅素，包括土壤溶液中的單硅酸及各種易于轉(zhuǎn)化為單硅酸的成分，如交換態(tài)及膠體態(tài)硅的一部分，不僅如此，前人研究[21-25]表明，土壤中硅的無機(jī)態(tài)也包含了水溶態(tài)硅、交換態(tài)硅、膠體態(tài)硅和無定形硅等多種類型，同樣無定形硅也可水解成膠體態(tài)硅或溶解于土壤溶液中，為植物生長(zhǎng)提供部分有效態(tài)硅[26]，由此可見，這些硅的形態(tài)間可能存在相互轉(zhuǎn)化。本研究發(fā)現(xiàn)，添加富硅生物炭，土壤有效硅和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅在高添加量(0.8%)含量增加明顯，尤其是有效硅的含量增加顯著(P＜0.05)。其增加原因，一方面是由于富硅生物炭具有較高的硅溶出量，溶出的部分硅轉(zhuǎn)化為有效硅，同時(shí)彌補(bǔ)了水稻吸收的那部分硅的損失；另一方面，可能是無定形硅向有效硅的轉(zhuǎn)化[27-28]。一般而言，有效態(tài)硅庫(kù)主要源于生物蛋白石的分解和吸附于無定形鐵氧化物表面的單硅酸解吸。因此，土壤中無定形硅的分解和無定形硅的遷移或保存可能強(qiáng)烈影響有效態(tài)硅的分布[29]。寧東峰等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，在水稻土中施用鋼渣硅鈣肥能促進(jìn)土壤中無定形硅向有效硅的轉(zhuǎn)化；趙送來等[29]通過對(duì)雷竹林有機(jī)物的覆蓋發(fā)現(xiàn)，覆蓋有機(jī)物后土壤中無定形硅可以轉(zhuǎn)化為有效態(tài)硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅和鐵錳(氫) 氧化物結(jié)合態(tài)硅；Wickramasinghe等[30]研究結(jié)果也支持了這一觀點(diǎn)。而本試驗(yàn)研究的無定形硅的含量變化并不顯著(P＞0.05)，其原因可能是供試土壤本身無定形硅含量較高(4190 mg/kg)，富硅生物炭釋放出來的硅不足以改變土壤中無定型硅的含量，其影響機(jī)理有待做進(jìn)一步研究。

3.2 富硅生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量及吸硅量的影響

以往研究發(fā)現(xiàn)，硅對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量有一定的影響。楊丹等[31]在酸性水田土壤上施用硅肥，增產(chǎn)率高達(dá)16.99%，且成熟期水稻植株含硅量與稻谷產(chǎn)量間存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；陳進(jìn)紅等[32]通過對(duì)雜交粳稻施加硅肥的研究結(jié)果也表明，施用硅肥具有增加水稻干物質(zhì)積累與籽粒產(chǎn)量的作用。不僅如此，生物炭與各種化肥配施同樣可以提高水稻的產(chǎn)量[28]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加富硅生物炭能顯著增加水稻籽粒產(chǎn)量(P＜0.05)，這與前人研究報(bào)道[33]一致，其原因一方面是生物炭提高了土壤有效硅含量，增加了土壤養(yǎng)分的供應(yīng)量[34]；另外一方面是植物吸收硅素養(yǎng)分可以更有效利用太陽(yáng)輻射和攝取更高的養(yǎng)分(N和K)[35-37]。總之，植物產(chǎn)量的差異與生物炭類型及其施用量和土壤類型有密切關(guān)系[38]。

本研究發(fā)現(xiàn)，低硅生物炭(BW3)添加到土壤中對(duì)水稻籽粒、秸稈和根部吸硅量都較對(duì)照有降低的現(xiàn)象，其原因可能是低硅生物炭在土壤中變成了一種硅“庫(kù)”，使得土壤中釋放的硅被生物炭表面的鐵、鋁氧化物所吸附，從而減少根系周邊硅的濃度而造成水稻體內(nèi)硅濃度的降低[39]。而添加中、高硅生物炭的處理，無論是低添加還是高添加量，水稻籽粒、秸稈和根部中硅含量較對(duì)照處理均有增加的趨勢(shì)，有的甚至達(dá)顯著水平。相關(guān)分析表明，籽粒產(chǎn)量與土壤有效硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅、水稻總攝硅量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。

添加富硅生物炭對(duì)水稻總的吸硅量增加明顯，特別是添加了高硅生物炭AB的處理，比CK總的吸硅量增加了73.68%，究其原因，一是生物炭改善土壤養(yǎng)分的可利用性，如N、P、K的吸收轉(zhuǎn)化[40-42]；二是生物炭的添加伴隨pH的增加進(jìn)一步促進(jìn)硅的高效釋放[39]。相關(guān)分析表明，水稻總吸硅量與土壤有效硅、有機(jī)結(jié)合態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。綜合分析，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以把富硅生物炭作為土壤中的一種補(bǔ)充硅源的肥料。

4 結(jié)論

添加富硅生物炭能夠顯著增加土壤有效硅以及鐵錳結(jié)合態(tài)硅的含量，且隨著添加量的增加而增加。添加中、高硅含量生物炭可以促進(jìn)水稻對(duì)硅素營(yíng)養(yǎng)的吸收，顯著提高水稻籽粒硅含量和產(chǎn)量。綜上，富硅生物炭可作為水稻生產(chǎn)中的高效硅肥。