李夏雯， 盧樹昌

(天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

我國(guó)北方水資源緊張，大水灌溉下的滲漏、地表蒸發(fā)等途徑造成稻田水分利用率低，嚴(yán)重制約我國(guó)水稻種植可持續(xù)發(fā)展[1]。另外，我國(guó)常規(guī)稻田氮肥投入量較世界平均水平高出75%，過量施用氮肥導(dǎo)致大量氮素在土壤中積累，加之水田長(zhǎng)期淹水增加了氮素向土壤下層及周圍擴(kuò)散運(yùn)移，容易造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2-5]。水稻直播旱管栽培具有節(jié)水、省工、省時(shí)的特點(diǎn)，發(fā)展直播旱管栽培方式(下文以“旱直播稻”表達(dá))配以科學(xué)配套管理措施，可為水稻節(jié)水、減緩氮素運(yùn)移風(fēng)險(xiǎn)提供有效途徑；旱直播稻對(duì)土壤環(huán)境的需求較常規(guī)水稻有較大差異。近年來，不少研究利用土壤調(diào)理劑來改善土壤理化性狀，提高土壤質(zhì)量。研究表明，土壤調(diào)理劑可以促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，降低容重，使土壤水肥保持性能提高[6]。黃家怡等研究發(fā)現(xiàn)，在氮、磷各減量20%的基礎(chǔ)上增施生物炭和腐殖酸，能顯著提高雙季稻的株高、結(jié)實(shí)率及產(chǎn)量，明顯降低氮流失風(fēng)險(xiǎn)[7]。

常規(guī)水稻栽培一般需要黏粒含量高的質(zhì)地黏重土壤，灌溉方式為灌水量大的水田管理，而直播旱管栽培直接播種于大田，實(shí)行旱地管理，在種植方式與水肥管理方面與常規(guī)水稻差異較大，對(duì)土壤理化性狀要求也存在差異[8-11]。當(dāng)前，土壤調(diào)理劑施用對(duì)直播旱管栽培方式下土壤環(huán)境質(zhì)量提升、提高氮素利用方面的報(bào)道較少，尤其對(duì)旱直播稻田土壤理化性狀研究不深入?；诖?，本試驗(yàn)提出在優(yōu)化水分管理方式下，施用不同土壤調(diào)理劑，探究對(duì)旱直播稻田土壤物理性狀、氮素吸收及遷移狀況的影響，以期為北方水稻直播旱管栽培土壤管理方式提供一定參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村，地理位置為39°32′～39°33′N，116°57′～116°58′E。該區(qū)為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量550～606 mm，60%集中在6—8月。土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤，土壤保水保肥性能不高，常年大水漫灌，容重偏高，呈堿性、非鹽漬化，肥力中等以上。具體土壤理化性狀如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性狀

1.2 供試作物與材料

1.2.1 供試作物 早稻品種為津原E28。該品種為粳型常規(guī)稻，京津唐地區(qū)種植的平均全生育期為178 d。

1.2.2 供試土壤調(diào)理劑材料 稻殼生物炭：由稻殼材料制作，購(gòu)于天津亞德爾生物質(zhì)科技股份有限公司。腐殖酸：固體粉狀，購(gòu)于天津休美特國(guó)際貿(mào)易有限公司。供試調(diào)理劑基本理化性狀見表2。

表2 供試材料理化性狀

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

試驗(yàn)時(shí)間為2020年5—10月，采用生物炭和腐殖酸2種調(diào)理劑，設(shè)計(jì)4個(gè)處理，即CK(對(duì)照)、BC(24 000 kg/hm2生物炭)、HA(1 500 kg/hm2腐殖酸)、BC+HA(12 000 kg/hm2生物炭+750 kg/hm2腐殖酸)。小區(qū)面積36 m2(6 m×6 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，設(shè)置保護(hù)行，播種量為 90 kg/hm2，播種行距為30 cm。

水分優(yōu)化管理方式為旱直播濕潤(rùn)灌溉，即旱直播后立即進(jìn)行田間灌水等待出苗，除分蘗后期排水曬田外，在整個(gè)生育期內(nèi)灌小水，保持土壤濕潤(rùn)，以根層土壤水分占飽和含水率的75%～85%作為灌水控制標(biāo)準(zhǔn)。全生育期灌水量7 500 m3/hm2，10～15 d灌1次，每次750 m3/hm2。

施肥管理：全生育期施氮300 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。氮肥分為整地、分蘗期、分蘗末期、拔節(jié)孕穗期4次施用，分別按照40%、20%、20%、20%的比例施入，即基追比4 ∶6，以尿素形式提供；磷、鉀作為基肥一次性施入，以磷酸二銨和硫酸鉀形式提供。由于磷酸二銨含有部分氮素，基肥尿素施用量計(jì)算時(shí)要扣除磷酸二銨中的氮素。

1.4 樣品采集與測(cè)試方法

收獲期(10月31日，結(jié)實(shí)期)用環(huán)刀采集各小區(qū)土壤樣品，然后測(cè)定容重、田間持水量；用鐵鍬采集0～20 cm散土，自然風(fēng)干、去雜后用于測(cè)定土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；用土鉆按“S”形五點(diǎn)取樣法采集各小區(qū)深層為0～30、30～60、60～90、90～120 cm的土樣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，測(cè)定分析土壤全氮、硝態(tài)氮含量。在收獲期(10月31日，結(jié)實(shí)期)每小區(qū)去除兩側(cè)保護(hù)行各5行(1.5 m寬)及兩頭各1 m邊界，取中心區(qū)10行(3 m寬)共12 m2(3 m×4 m)植株進(jìn)行整株收獲，自然風(fēng)干晾曬后將旱直播稻莖葉、根、穗分離，各部位分別稱質(zhì)量，計(jì)算干物質(zhì)量。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，用高10 cm、規(guī)格200 cm3的環(huán)刀取5～15 cm深度土壤，無損失轉(zhuǎn)移并稱質(zhì)量后在105 ℃下烘干至恒重，再稱質(zhì)量計(jì)算可得[12]。田間持水量采用環(huán)刀法取5～10 cm深度土壤，同時(shí)取相同土層散土樣品，將環(huán)刀原狀土樣浸入水面比環(huán)刀上緣低1～2 mm的水中，浸泡 24 h，散土風(fēng)干后過2 mm篩，裝入另一環(huán)刀，將飽和的濕土環(huán)刀同濾紙一起壓在同類風(fēng)干土環(huán)刀上方，接觸8 h，后從原狀土樣環(huán)刀中取土20～30 g置于鋁盒中，烘干法測(cè)定含水量[13]。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)采用濕篩法，稱取5.00 g經(jīng)研磨過5 mm篩的土樣，放入 >2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、>0.106～0.25 mm和≤0.106 mm共6個(gè)不同粒級(jí)的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀中，振蕩40 min后，各篩控水，放入105 ℃烘箱內(nèi)烘烤8 h，再稱量不同孔徑下的烘干土質(zhì)量，并計(jì)算平均質(zhì)量直徑(MWD)。土壤全氮含量采用濃硫酸-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)定。土壤硝態(tài)氮含量采用氯化鈣溶液浸提，紫外分光光度法測(cè)定。平均質(zhì)量直徑計(jì)算公式如下：

(1)

植物樣品用濃硫酸-H2O2消煮后用凱氏定氮法測(cè)定各部位全氮含量，并計(jì)算各部位吸氮量(吸氮量=干生物量×含氮量)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan’s新復(fù)極差法法和LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理旱直播稻田土壤物理性狀狀況

2.1.1 不同處理旱直播稻田土壤容重和田間持水量狀況 由表3可知，與CK相比，各處理均能夠降低土壤容重，BC處理降幅最大，達(dá)5.96%，顯著低于其他處理(P<0.05)，BC+HA處理次之，降幅為4.64%。施加調(diào)理劑處理(BC、HA、BC+HA)的田間持水量較CK均有所增加，BC增幅為10.93%，顯著優(yōu)于其他處理，BC+HA處理次之，增幅為2.27%。綜上，施加土壤調(diào)理劑對(duì)于降低旱直播稻田土壤容重以及提高田間持水量有積極作用，其中，BC處理在降低土壤容重和提升田間持水量方面效果最為顯著，說明生物炭本身具有的多孔性以及密度較小等特征利于增加土壤孔隙度，進(jìn)而改善土壤容重和持水能力。

表3 各處理旱直播稻田土壤容重和田間持水量狀況

2.1.2 不同處理旱直播稻田土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)狀況 由表4可知，BC處理能夠明顯提高>2 mm和 >1～2 mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體含量，而顯著降低>0.106～0.25 mm 和≤0.106 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，說明BC有利于大團(tuán)聚體和中間團(tuán)聚體的形成，同時(shí)降低微團(tuán)聚體與黏團(tuán)聚體含量。BC處理>0.25 mm粒級(jí)含量和平均重量直徑(MWD)顯著高于其他處理，較CK高出和31.92%和15.26%，BC+HA次之，分別高出25.02%、6.32%。綜上，BC處理能夠較好地改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 不同處理旱直播稻干物質(zhì)量及氮素吸收狀況

2.2.1 不同處理旱直播稻干物質(zhì)量狀況 由圖1可知，旱直播稻各處理干物質(zhì)量狀況均為莖葉>稻谷>根，莖葉所占比例最大，為38.5%～43.6%，稻谷比例為35.5%～44.5%，根部比例為17.1%～21.3%。各處理總干物質(zhì)量依次為BC>HA>BC+HA>CK，BC處理最大(21 957.67 kg/hm2)。稻谷部位，BC處理干物質(zhì)量達(dá)到7 949.17 kg/hm2，顯著高于其他處理，與CK相比，稻谷干物質(zhì)量顯著提升77.61%，較HA、BC+HA處理增加了34.59%、20.50%，HA、BC+HA處理稻谷干物質(zhì)量分別較CK提升31.97%、47.40%， 說明施加調(diào)理劑能夠促進(jìn)水稻穗部發(fā)育，顯著提升籽粒產(chǎn)量。結(jié)合總干物質(zhì)量及稻谷干物質(zhì)量表現(xiàn)來看，BC處理能夠明顯促進(jìn)旱直播稻生長(zhǎng)發(fā)育，有利于莖葉與稻谷干物質(zhì)積累，對(duì)產(chǎn)量提升有顯著效果。

表4 各處理土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不同粒級(jí)比例及平均質(zhì)量直徑

2.2.2 不同處理旱直播稻氮素吸收狀況 由圖2可知，各處理總吸氮量表現(xiàn)為BC>HA>BC+HA>CK，其中BC處理最大(169.42 kg/hm2)，顯著高于其他處理。各處理吸氮量均表現(xiàn)為稻谷>莖葉>根；其中，莖葉和根部的吸氮量為BC>HA> BC+HA>CK，BC處理氮素吸收最好，莖葉、根部的吸氮量分別為66.10、28.01 kg/hm2，與CK相比分別增加29.63、17.32 kg/hm2，說明生物炭調(diào)理劑單一施用處理(BC)對(duì)促進(jìn)旱直播稻莖葉和根氮素吸收有顯著效果。稻谷吸氮量表現(xiàn)為BC>BC+HA>HA>CK，BC處理最高(75.31 kg/hm2)，BC+HA處理次之(62.37 kg/hm2)，較CK分別高出82.71%和51.33%，各處理對(duì)促進(jìn)旱直播稻根部對(duì)氮素吸收均有顯著效果，BC處理的促進(jìn)效果最好。

2.3 不同處理旱直播稻田土壤氮素含量變化及遷移狀況

2.3.1 不同處理旱直播稻田土壤全氮含量變化 由圖3可知，與基礎(chǔ)值相比，各處理在收獲期均能降低土壤0～30 cm土層全氮含量， 降幅在0.95%～3.17%之間，但差異未達(dá)顯著水平。與CK相比，BC處理全氮含量降低2.14%，BC+HA處理次之，降幅為1.60%。說明施加生物炭在一定程度上能夠降低土壤表層全氮含量。

2.3.2 不同處理旱直播稻田土壤硝態(tài)氮含量狀況 由表5可知，在收獲期(10月31日，結(jié)實(shí)期)，與基礎(chǔ)樣比較，BC+HA處理4個(gè)土層的硝態(tài)氮含量均顯著降低，降幅從表層向下依次為50.14%、64.22%、40.87%和6.56%，且與其他處理差異顯著(60～90 cm土層除外)。土壤水分下滲會(huì)引起硝態(tài)氮的淋失，硝態(tài)氮含量較種植前大幅降低是由于作物與灌溉方式均發(fā)生改變，旱作節(jié)水灌溉方式減緩了大水灌溉造成的下滲累積。在60～90 cm和 90～120 cm土層，CK的硝態(tài)氮含量相較于基礎(chǔ)值顯著增加，其后期累積在土壤中的硝態(tài)氮沒有被及時(shí)汲取而向下淋洗，其他施用調(diào)理劑處理硝態(tài)氮含量均有不同程度的降低，說明生物炭、腐殖酸的施用可以減緩氮素隨水向深層遷移狀況。綜合收獲期4個(gè)土層的硝態(tài)氮含量變化，BC+HA處理能顯著降低土壤硝態(tài)氮含量，對(duì)于減緩氮素遷移、控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有明顯效果。

表5 各處理收獲期稻田土壤硝態(tài)氮含量狀況

3 討論與結(jié)論

土壤物理性狀的改善有利于形成適宜的旱直播稻生長(zhǎng)條件，促進(jìn)氮素吸收。何立德等的研究表明，土壤調(diào)理劑能夠改善旱直播稻生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)其生長(zhǎng)以及干物質(zhì)積累，增產(chǎn)率達(dá)9.0%[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，單施生物炭處理在產(chǎn)量與氮素吸收方面的效果最好，可能與生物炭對(duì)土壤物理性狀改善效果顯著有關(guān)。研究表明，生物炭顆粒密度較低，具有多孔性質(zhì)，能夠吸附更多的水分子，增加土壤的蓄水、保水作用[16-17]。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，各粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤水力性質(zhì)及通透性能，對(duì)土壤氮的利用、供給與轉(zhuǎn)化等都有重要影響，進(jìn)而影響氮素在土體內(nèi)遷移[18-19]。Lu等研究發(fā)現(xiàn)，施加6%稻殼生物炭能夠顯著提高2～5、0.25～0.5mm大團(tuán)聚體含量，同時(shí)減小<0.25 mm微團(tuán)聚體含量，且顯著提高了平均重量直徑[20]。這可能是由于生物炭等土壤調(diào)理劑與土壤混合，在氫鍵和靜電的作用下對(duì)電解質(zhì)離子、有機(jī)分子、絡(luò)合物等發(fā)生吸附，促使分散的土壤顆粒團(tuán)聚形成團(tuán)粒，以增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定程度[21-22]；同時(shí)，生物炭本身能夠提高土壤中有機(jī)碳含量并降低有機(jī)碳礦化，有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)，可以有效促進(jìn)團(tuán)聚體的形成[23]；另外，生物炭等調(diào)理劑的CEC較高且比表面積大，可吸附大量的多酚化合物為微生物提供碳源，激發(fā)其活性，進(jìn)而使非穩(wěn)定性膠結(jié)劑(真菌菌絲、根系、植物源的多糖等)含量得到提升，以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體膠結(jié)作用[24-26]。

張愛平等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭配施氮肥可以顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量44.89%，增加地上部吸氮量66.27 kg/hm2，大大提升氮肥利用率[27]。本研究結(jié)果中，單施生物炭效果顯著優(yōu)于其他處理，稻谷部位氮素吸收較對(duì)照增加82.71%，氮素利用明顯提高。這可能是因?yàn)橐环矫嫔锾棵芏鹊?、多孔，吸附作用較強(qiáng)，可吸附大量的多酚化合物，為微生物提供碳源進(jìn)而提升微生物活性，促進(jìn)礦化[28]，從而促進(jìn)氮的固定[29]；另一方面，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)且穩(wěn)定性高，可以通過在微、中觀土壤毛孔中滯留水分而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的保留，從而增強(qiáng)對(duì)氮素的吸持能力[30]，促進(jìn)土壤中氮素的吸收，進(jìn)而減緩在土層間運(yùn)移[31]。生物炭具高度的穩(wěn)定特性，施入土壤中具有多年持續(xù)效果[32]，本試驗(yàn)對(duì)土壤物理性狀的研究為1年田間小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果，有待繼續(xù)開展多年試驗(yàn)，以進(jìn)一步深入研究。

劉燦華等的研究表明，腐殖酸施入土壤可有效增加土壤孔隙度并降低土壤容重，大幅度改善土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分狀況[33]。而本試驗(yàn)單施腐殖酸處理在改善土壤質(zhì)量和提高產(chǎn)量方面均未獲得最優(yōu)效果，可能是因?yàn)閯N華等的研究中腐殖酸施用量為3 000 kg/hm2，較本試驗(yàn)單施量高出2倍因而效果顯著。腐殖酸施用對(duì)化肥中氮素有緩釋作用，對(duì)鉀素有增效效果[34]，本試驗(yàn)單施腐殖酸處理生物量表現(xiàn)較弱，其原因可能是腐殖酸加強(qiáng)了莖稈部位的養(yǎng)分吸收，同時(shí)促進(jìn)根部發(fā)育效果顯著，根系活力提高使根部干物質(zhì)累積增加，而這對(duì)旱直播稻籽粒生長(zhǎng)產(chǎn)生了負(fù)向影響[35]，因而影響了總生物量和產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭與腐殖酸結(jié)合也可以較好地降低土壤容重，降幅僅次于生物炭，這可能是由于生物炭豐富的微孔隙結(jié)構(gòu)使土壤通氣和透水性增強(qiáng)，腐殖酸的施入有效調(diào)節(jié)了土壤酸堿度，使土壤 pH 值始終處于有益于土壤微生物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，以激發(fā)微生物的生化活性，二者結(jié)合有利于改善土壤物理性狀及氮素吸收[22，36]，而可能由于配施處理2種調(diào)理劑施用量相對(duì)較小，促進(jìn)作用低于單施生物炭，因而未能獲得最高產(chǎn)量。

從土壤物理性狀方面看，單一施加生物炭能夠顯著降低土壤容重5.96%，提高田間持水量10.93%，并有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；從生物量、氮素養(yǎng)分吸收來看，單施生物炭處理的生物量與氮素吸收量均最大，其總干物質(zhì)量為21 957.67 kg/hm2，稻谷部位達(dá)7 949.17 kg/hm2，同時(shí)總吸氮量達(dá) 169.42 kg/hm2，稻谷部位為75.31 kg/hm2。生物炭與腐殖酸配施處理僅次于單施生物炭處理；從減緩氮素遷移方面看，生物炭與腐殖酸配施效果最好，能夠顯著降低4個(gè)土層硝態(tài)氮含量，降幅為6.56%～64.22%?？傮w看，施加24 000 kg/hm2生物炭能有效改善稻田土壤物理性狀，促進(jìn)氮素吸收，提高旱直播稻生物量，12 000 kg/hm2生物炭與750 kg/hm2腐殖酸配施下，能夠顯著減緩旱直播稻田土壤氮素遷移，降低氮素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。